PAGE22船舶柴油機PAGE21第一章柴油機基本知識船舶柴油機講義第一章柴油機基本知識柴油機總論柴油機及其在船舶動力裝置中的地位柴油機與動力機械機械設(shè)備通?？煞譃閯恿C械和工作機械兩大類。動力機械是將其它形式的能量，如熱能、電能、風能等轉(zhuǎn)化為機械能，而工作機械則是利用機械能來完成所需的工作。把熱能轉(zhuǎn)換成機械能的動力機械稱之為熱機。熱機是最重要的動力機械，蒸汽機、蒸汽輪機以及柴油機、汽油機等都是熱機中較典型的機型。熱機在工作過程中需要完成兩次能量轉(zhuǎn)化過程。第一次能量轉(zhuǎn)化過程是將燃料的化學能通過燃燒轉(zhuǎn)化為熱能，第二次能量轉(zhuǎn)化過程是將熱能通過工質(zhì)膨脹轉(zhuǎn)化為機械能。如果兩次能量轉(zhuǎn)化過程是在同一機械設(shè)備的內(nèi)部完成的，則稱之為內(nèi)燃機，汽油機、柴油機以及燃氣輪機都屬于內(nèi)燃機。由于在內(nèi)燃機中，兩次能量轉(zhuǎn)換均發(fā)生在氣缸內(nèi)部，從能量轉(zhuǎn)換觀點，此類機械能量損失小，具有較高的熱效率。另外，在尺寸和重量等方面也具有明顯優(yōu)勢(例如，燃氣輪機在熱機中的單位重量功率最大)。如果兩次能量轉(zhuǎn)化過程分別在兩個不同的機械設(shè)備內(nèi)部完成，則稱之為外燃機。在該類機械中，化學能轉(zhuǎn)變成熱能的過程（燃燒）發(fā)生在鍋爐中，熱能轉(zhuǎn)變成機械能發(fā)生在汽缸內(nèi)部。此種機械由于熱能需經(jīng)某中間工質(zhì)(水蒸氣)傳遞，必然存在熱損失，所以它的熱效率不高，整個動力裝置也十分笨重。內(nèi)燃機在與外燃機競爭中已經(jīng)取得明顯的領(lǐng)先地位。動力機械的運動機構(gòu)基本上有兩種運動形式，一種為往復(fù)式，一種為回轉(zhuǎn)式。在往復(fù)式發(fā)動機中，工質(zhì)的膨脹作功是通過活塞的往復(fù)運動實現(xiàn)的；而回轉(zhuǎn)式發(fā)動機則是利用高速流動的工質(zhì)在工作葉輪內(nèi)膨脹，推動葉輪轉(zhuǎn)動而工作的。往復(fù)式發(fā)動機是間歇工作的，其工質(zhì)的最高溫度較高，而回轉(zhuǎn)式發(fā)動機是連續(xù)工作的，由于受材料熱強度的限制，其工質(zhì)的最高溫度不能太高，這就限制了其熱效率的進一步提高。柴油機和汽油機同屬往復(fù)式內(nèi)燃機，但又都具有各自的工作特點。汽油機使用揮發(fā)性好的汽油做燃料，采用外部混合法(汽油與空氣在氣缸外部進氣管中的汽化器進行混合)形成可燃混合氣。其燃燒為電點火式(電火花塞點火)。這種工作特點使汽油機不能采用高壓縮比，因而限制了汽油機的經(jīng)濟性不能大幅度提高，而且也不允許作為船用發(fā)動機使用(汽油的火災(zāi)危險性大)。但它廣泛應(yīng)用于運輸車輛。柴油機使用揮發(fā)性較差的柴油或劣質(zhì)燃料油做燃料。采用內(nèi)部混合法(燃油與空氣的混合發(fā)生在氣缸內(nèi)部)形成可燃混合氣；缸內(nèi)燃燒采用壓縮式(靠缸內(nèi)空氣壓縮形成的高溫自行發(fā)火)。這種工作特點使柴油機在熱機領(lǐng)域內(nèi)具有最高的熱效率，在船用發(fā)動機中，柴油機已經(jīng)取得了絕對統(tǒng)治地位。柴油機的主要優(yōu)缺點通常，柴油機具有以下突出優(yōu)點：(1)經(jīng)濟性好。有效熱效率可達50%以上，可使用價廉的重油，燃油費用低。(2)功率范圍寬廣，單機功率從0.6kW～68,000kW，適用的領(lǐng)域廣。(3)尺寸小，重量輕，有利于船舶機艙布置。(4)機動性好。起動方便，加速性能好。有較寬的轉(zhuǎn)速和負荷調(diào)節(jié)范圍，可直接反轉(zhuǎn)，能

適應(yīng)船舶航行的各種工況要求。(5)可靠性高，壽命長，維修方便。同時，柴油機也具有以下缺點：(1)存在機身振動、軸系扭轉(zhuǎn)振動和噪音。(2)某些部件的工作條件惡劣，承受高溫、高壓并具有沖擊性負荷。3．柴油機的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)圖１-１氣缸容積圖１-１氣缸容積(2)下止點(BDC)活塞在氣缸中運動的最下端位置，也就是活塞離曲軸中心線最近的位置。(3)行程(S)指活塞從上止點移動到下止點間的直線距離。它等于曲軸曲柄半徑R的兩倍(S＝2R)?；钊苿右粋€行程，相當于曲軸轉(zhuǎn)動180°CA(曲軸轉(zhuǎn)角)。(4)缸徑(D)氣缸的內(nèi)徑。(5)氣缸余隙容積(壓縮室容積，Vｃ)活塞在氣缸內(nèi)上止點時，活塞頂上的全部空間(活塞頂、氣缸蓋底面與氣缸套表面之間所包圍的空間)容積。如圖１-１所示。(6)余隙高度(頂隙)上止點時活塞最高頂面與氣缸蓋底平面之垂直距離。(7)氣缸工作容積（Ｖｓ）活塞在氣缸中從上止點移動到下止點時所掃過的容積。見圖1-1。顯然：（１-１）(8)氣缸總?cè)莘e(Ｖａ)活塞在氣缸內(nèi)位于下止點時，活塞頂以上的氣缸全部容積，亦稱氣缸最大容積。見圖１-１。顯然Ｖａ＝Ｖｓ＋Ｖｃ（１-２）(9)壓縮比（ε）氣缸總?cè)莘e與壓縮室容積之比值，亦稱幾何壓縮比。（１-３）壓縮比表示缸內(nèi)工質(zhì)壓縮程度。柴油機壓縮比約為12～22。4．柴油機在船舶動力裝置中的地位柴油機由于在各種動力機械中熱效率最高，功率范圍寬廣，起動迅速，維修方便，運行安全，使用壽命長，因而得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在船舶方面，柴油機作為主機和副機更是占有統(tǒng)治地位。根據(jù)1998所世界各國造船造機結(jié)果統(tǒng)計，1998年世界各國造船總數(shù)為1080艘，總功率12,090,702kW，其中柴油機船為1078艘，主機總功率12,058,386kW。低速二沖程柴油主機裝船數(shù)為762（占造船總數(shù)的70.6%），功率9,477,693kW（占總功率的78.4%），中速四沖程柴油主機裝船數(shù)為316（占造船總數(shù)的29.3%），總功率2,580,693kW（占總功率的21.3%）。日本船級社1999年登記的新造船為281艘，總功率為2,389,851kW，其中柴油機主機驅(qū)動的占278艘（占造船總數(shù)的98.9%），功率為2,330,851kW(占總功率的97.5%)。柴油機的類型根據(jù)用途不同，對柴油機的要求也不同，因而柴油機的類型很多。通常有以下幾種分類方式：1．四沖程柴油機和二沖程柴油機按工作循環(huán)可分為四沖程柴油機和二沖程機兩類。柴油機的一個工作循環(huán)包括進氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣五個過程，四沖程柴油機是曲軸轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)，也就是活塞運動四個行程完成一個工作循環(huán)，而二沖程柴油機是曲軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，也就是活塞運動兩個行程完成一個工作循環(huán)。2．增壓柴油機和非增壓柴油機在柴油機中，我們把用增加進氣壓力來提高功率的方法稱為柴油機的增壓。增壓柴油機和非增壓柴油機的主要區(qū)別在于進氣壓力不同，非增壓柴油機是在大氣壓力下進氣的，而增壓柴油機則是在較高的壓力下進氣的。為了實現(xiàn)柴油機的增壓，必須在柴油機上裝設(shè)一臺壓氣泵，若壓氣泵由柴油機帶動則稱機械增壓。如果把廢氣的能量充分利用起來，將柴油機排出的廢氣送入渦輪機中，使渦輪機高速回轉(zhuǎn)來帶動一離心式壓氣機工作，從而提高進入柴油機的空氣壓力以實現(xiàn)增壓，我們稱這種增壓方式為廢氣渦輪增壓。使用渦輪增壓器既可使柴油機的功率增加，又可提高柴油機的經(jīng)濟性。3．低速、中速和高速柴油機柴油機的速度可以用曲軸轉(zhuǎn)速n(ｒ／ｍｉｎ)和活塞平均速度Ｖｍ（ｍ／ｓ)表示。活塞的平均速度為：（m/s）按此指針分類一般為：低速柴油機ｎ≤３００ｒ／ｍｉｎＶｍ＜６ｍ／ｓ中速柴油機３００＜ｎ≤１,０００ｒ／ｍｉｎＶｍ＝６ｍ／ｓ～９ｍ／ｓ高速柴油機n＞１,０００ｒ／ｍｉｎＶｍ＞９ｍ／ｓ圖１-2筒形活塞式和十字頭式柴油機簡圖圖１-2筒形活塞式和十字頭式柴油機簡圖圖1-2(a)為筒形活塞的示意圖，它的活塞通過活塞銷直接與連桿相連。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、輕便，發(fā)動機高度小。它的缺點是由于運動時有側(cè)推力，活塞與氣缸之間的磨損較大。中高速柴油機一般都采用此結(jié)構(gòu)。圖所示為十字頭式柴油機。它的活塞設(shè)有活塞桿，通過十字頭與連桿相連接，并在氣缸下部設(shè)中隔板將氣缸與曲軸箱隔開。十字頭柴油機工作可靠，壽命長。它的缺點是重量和高度增大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大型低速二沖程柴油機都采用這種結(jié)構(gòu)。5．直列式和V型柴油機船用柴油機通常均為多缸機。這樣可以增大柴油機單機功率，同時可滿足船舶機動性、可靠性的要求。多缸柴油機的氣缸排列可以有直列式、V型、W型等。船用柴油機均為直列式與V型兩圖１-3直列式和V型柴油機種。具有兩個或兩個以上直立氣缸，并呈一列布置的柴油機稱直列式柴油機，如圖1-3(a)所示。直列式柴油機的氣缸數(shù)因曲軸剛度和安裝上的限制一般不超過12缸。當缸數(shù)超過12缸時通常采用V型柴油機，如圖1-3(b)所示。它具有兩個或兩列氣缸，其中心線夾角呈Ｖ型，并共享一根曲軸輸出功率。V型機的氣缸數(shù)可達18甚至24，氣缸夾角通常為90°、６０°和４５°。V型機具有較高的單機功率和較小的比重量圖１-3直列式和V型柴油機6．右旋和左旋柴油機觀察者由柴油機功率輸出端向自由端看，正車時按順時針方向旋轉(zhuǎn)的柴油機稱右旋(轉(zhuǎn))柴油機；觀察者由柴油機功率輸出端向自由端看，正車時按逆時針方向旋轉(zhuǎn)的柴油機稱左旋柴油機。某些船舶的推進裝置(如客輪)采用雙機雙槳推進裝置。在這種船舶上，由船艉向船艏看，布置在機艙右舷的柴油機為右旋柴油機，亦稱右機；布置在機艙左舷的柴油機為左旋柴油機，亦稱左機。在這種動力裝置中，為便于操縱管理，右機的操縱側(cè)即凸輪軸側(cè)布置在柴油機左側(cè)(即內(nèi)側(cè))，而排氣側(cè)布置在右側(cè)；左機的操縱側(cè)在柴油機的右側(cè)(即內(nèi)側(cè))。單臺布置的船舶主柴油機通常均為右旋柴油機。7．可逆轉(zhuǎn)和不可逆轉(zhuǎn)柴油機可由操縱機構(gòu)改變自身轉(zhuǎn)向的柴油機稱可逆轉(zhuǎn)柴油機。曲軸僅能按同一方向旋轉(zhuǎn)的柴油機稱不可逆轉(zhuǎn)柴油機。在船舶上凡直接帶動螺旋槳的柴油機均為可逆轉(zhuǎn)柴油機；凡帶有倒順車離合器、倒順車齒輪箱或可變螺距螺旋槳的柴油機以及船舶發(fā)電柴油機均為不可逆轉(zhuǎn)柴油機。船舶柴油機提高經(jīng)濟性的主要措施現(xiàn)代船用大型低速柴油機近十多年在提高經(jīng)濟性方而取得的成效超過了過去幾十年。各種節(jié)能措施相繼出現(xiàn)并日趨完善。這些措施主要有：采用定壓渦輪增壓系統(tǒng)和高效率廢氣渦輪增壓器在高增壓柴油機上采用定壓渦輪增壓系統(tǒng)代替脈沖渦輪增壓系統(tǒng)是現(xiàn)代柴油機一在顯著特點，同時也有利于提高增壓器的效率。新型渦輪增壓器的發(fā)展和使用，使增壓器效率由60年代的50-60%提高于60-76%，由此顯著降低了柴油機燃油消耗率。增大行程缸徑比S/D增大行程缸徑比S/D的主要目的是在保持活塞平均速度Ｖｍ不變的情況下大幅度降低柴油機轉(zhuǎn)速，以提高螺旋槳效率，從而提高動力裝置的總效率。這是自石油危機以來提高柴油機動力裝置經(jīng)濟性的重要措施。因此自70年代末期開始，S/D的增大速度很快，并逐步開發(fā)了低速柴油機的長行程和超長行程柴油機系列。S/D的增加，也使柴油機本身的經(jīng)濟性有所提高。目前，MANB&W公司的SMC-C系列柴油機的S/D值已達4.0，而W?rtsil?瑞士公司的SULZERRTA-T系列柴油機的S/D值甚至已達到了4.17。然而，增大S/D使柴油機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價增加，因而S/D的增加是有限度的。3．提高最高爆發(fā)壓力pz與平均有效壓力ｐｅ之比pz／ｐｅ由柴油機的理論循環(huán)研究與實踐證實，提高pz／ｐｅ可顯著降低燃油消耗率。研究指出，當pz／ｐｅ從7.8提高到12，油耗率可下降約12g/ｋＷ·ｈ。因而，現(xiàn)代船用柴油機均采用這種措施降低油耗率。但是，大幅度提高pz是十分困難的，它受到了柴油機負荷的限制，必須同時采取相應(yīng)措施保證柴油機的可靠性。因而從60年代到70年代中期，船用柴油機的pz雖然逐步增加，但增加幅度不大(在近20年內(nèi)pz僅提高約2.5ＭＰａ)。從70年代中期到80年代中期，柴油機的pz值有了大幅度增長，增加約5ＭＰａ。目前有些柴油機的pz已達15ＭＰａ(如SulzerRTA機)，甚至18ＭＰａ。在保持pz不變時降低pe值同樣可降低油耗率，這也是目前廣泛采用的節(jié)能措施。降低ｐｅ就是柴油機降功率使用，如保持標定轉(zhuǎn)速而選用較低(如80%)的ｐｅ，或在使用較低轉(zhuǎn)速(如80%)時選用較低的ｐｅ等。4．增大壓縮比ε在增壓柴油機上尤其是高增壓柴油機上，為了限制pz，保證柴油機有足夠的機械強度，過去常用的措施是降低柴油機的壓縮比，但由此也降低了經(jīng)濟性。顯然，這種措施已不符合現(xiàn)代柴油機的發(fā)展需求?，F(xiàn)代船用低速柴油機為了提高經(jīng)濟性，根據(jù)理論循環(huán)的結(jié)論仍然采用了適當增大壓縮比的措施，把壓縮比由10左右提高到16～19之間。5．采用可變噴油定時(ＶＩＴ)機構(gòu)把提高pz作為節(jié)能措施時，更要重視提高柴油機部分負荷下的pｚ值。因為其一，現(xiàn)代船用柴油機的實際使用功率通常均小于標定功率；其二，柴油機在部分負荷運轉(zhuǎn)時pz隨負荷的減小而降低。如果在部分負荷時能使pz值一保持其標定值，結(jié)果是pz與ｐｅ的比值pz／ｐｅ變大，則燃油消耗率減少。ＶＩＴ機構(gòu)可在柴油機負荷變化時自動調(diào)整其噴油提前角，保證在部分負荷(通常為80%～100%負荷)時柴油機的pz基本不變，而在50%～80%負荷范圍內(nèi)也有較高的pz值(與無ＶＩＴ機構(gòu)比較)。6．降低摩擦損失功提高機械效率ηｍ柴油機的摩擦損失約占機械損失的40%，因而降低摩擦損失是提高ηｍ的主要途徑?，F(xiàn)代船用低速柴油機采用短裙和超短裙活塞、減少活塞環(huán)數(shù)量(如由5道減為4道)及改善活塞環(huán)的工作條件等措施降低摩擦損失，提高機械效率。7．軸帶發(fā)電機（ＰＴＯ）在主柴油機正常運轉(zhuǎn)期間(通常要求主機轉(zhuǎn)速＞７０％標定轉(zhuǎn)速)，通過專設(shè)的恒速傳動裝置驅(qū)動發(fā)電機，可發(fā)出滿足船舶航行所需要的電力。在主機轉(zhuǎn)速變動或波動時通過恒速傳動裝置可保證發(fā)電機轉(zhuǎn)速恒定，或可通過變頻裝置保證發(fā)出的電壓與頻率不變。采用軸帶發(fā)電機在航行期間可停止柴油發(fā)電機運轉(zhuǎn)。此裝置并不直接降低柴油機油耗率，但提高船舶動力裝置的經(jīng)濟性。這種裝置的優(yōu)點主要有：可使用油耗率較低的主柴油機供應(yīng)電力，可節(jié)省柴油發(fā)電機運轉(zhuǎn)時的滑油消耗，減少柴油發(fā)電機的數(shù)量與維修費用。8．柴油機廢熱再利用柴油機的廢氣和冷卻介質(zhì)帶走了燃料總發(fā)熱量中50%左右的熱量。充分利用這一部分廢熱的能量，對提高整個動力裝置的經(jīng)濟性有重要意義。如利用廢氣渦輪發(fā)電機組、廢氣鍋爐發(fā)電機等。目前這方面的問題仍在研究與探索之中。9．改進噴射與燃燒技術(shù)在高增壓柴油機中縮短噴射持續(xù)期，改善霧化質(zhì)量提高燃燒效率是該型柴油機的重大研究課題之一。為此，發(fā)展了高噴油壓力(達100Mpa～140Mpa)、高噴油率以縮短噴射持續(xù)期的噴射系統(tǒng)，并采取優(yōu)化噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)措施提高霧化質(zhì)量，提高燃燒效率。目前，智能化的電子控制噴射柴油機已開始裝船應(yīng)用。具體機型為SULZERRtflex58T—B。船舶柴油機的發(fā)展及當前使用情況和技術(shù)水平船舶柴油機的發(fā)展任何一門科學技術(shù)的發(fā)展，總是與社會生產(chǎn)力的需要和當時科學的發(fā)展水平相適應(yīng)的。18世紀初，英國資本主義生產(chǎn)力的發(fā)展促進了1776年瓦特蒸汽機的發(fā)展，并由此開始了產(chǎn)業(yè)革命，推動了生產(chǎn)力的發(fā)展。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，這種熱機由于熱效率低以及過于笨重而又不適應(yīng)社會生產(chǎn)力的發(fā)展，對新型動力機械的需求增加。1876年，德國人奧托(N.A.Otto)第一次提出了四沖程循環(huán)(即進氣、壓縮、膨脹、排氣)原理，并發(fā)明了電點火的四沖程煤氣機。該煤氣機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，熱效率可高達14%，在當時曾得到普遍使用。之后，在1880年一些工程師，如英國的D.Clerk和J.Robson，以及德國人K.Benz等成功地開發(fā)了二沖程內(nèi)燃機。1892年德國工程師RudolfDiesel申請了壓縮發(fā)火內(nèi)燃機專利，并于1897年在MAN公司制成第一臺實際使用的柴油機(壓燃式、空氣噴射、定壓燃燒)，其效率因可采用較大的壓縮比而比煤氣機有顯著提高。1904年柴油機首次用于船舶推進裝置(29.4kW,260r/min)。從此在船舶領(lǐng)域里開始了與蒸汽推進裝置的競爭局面。在此后40多年中，柴油機在自身逐步完善中有了很大發(fā)展，如1927年在柴油機上正式使用了由Ｒ．Ｂｏｓｃｈ發(fā)明的噴油泵(回油孔式)—噴油器噴射系統(tǒng)，代替了原需用7ＭＰａ壓縮空氣噴油的空氣噴射系統(tǒng)，實現(xiàn)了混合燃燒。1926年瑞士人AlfredBuechi設(shè)計了一臺廢氣渦輪增壓柴油機，當時由于增壓器制造水平的限制，此項技術(shù)未能迅速推廣。但總的來看在與蒸汽推進裝置競爭中無突破性進展，在船舶使用中，蒸汽推進裝置仍占據(jù)領(lǐng)先地位。從第二次世界大戰(zhàn)到50年代中后期，由于社會生產(chǎn)力的迅速發(fā)展，對船舶推進裝置提出了新的要求。柴油機在此期間完成了大缸徑、焊接結(jié)構(gòu)、廢氣渦輪增壓以及使用劣質(zhì)燃油等四項重大技術(shù)成果，并逐步發(fā)展了船用低速柴油機系列。此期間在國外大致有八種船用低速柴油機型號(由八大船用柴油機制造廠生產(chǎn))。在這些技術(shù)成就中，廢氣渦輪增壓技術(shù)在船用二沖程柴油機上的成功使用是船用低速柴油機發(fā)展中的重要里程碑。國外稱這一時期是船用低速柴油機的第一次飛躍，其技術(shù)特征是廢氣渦輪增壓技術(shù)的普及。至此，在與蒸汽動力裝置的競爭中柴油機逐漸取得了領(lǐng)先地位。從60年代到70年代船用低速柴油機進入了黃金時代，它在船舶動力裝置中取得了明顯的壓倒優(yōu)勢。各船用柴油機廠之間開始進行調(diào)整、合并、淘汰。柴油機技術(shù)趨于完善。此期間的船用低速柴油機的性能參數(shù)大致范圍為缸徑Ｄ＝600ｍｍ～1,050ｍｍ，行程Ｓ＝1,000ｍｍ～1,800ｍｍ，單缸有效功率達3,000ｋＷ(單機組達36,000ｋＷ)，油耗率約為0.21ｋｇ／（ｋＷ·ｈ）(有效熱效率ηｅ＝４０％)。此期間內(nèi)船用低速柴油機發(fā)展的特點按順序大致為增大機組功率，提高可靠性，提高經(jīng)濟性。70年代的兩次石油危機誘發(fā)了世界范圍內(nèi)的能源危機。石油產(chǎn)品價格大幅度上漲使船舶柴油機的燃油費用支出一躍占總營運成本的40%～50%。由此，改變了人們長期以來的傳統(tǒng)觀念，降低柴油機的燃油支出費用，提高柴油機經(jīng)濟性已成為第一要求。70年代末到80年代，各類節(jié)能型柴油機大量出現(xiàn)，機型更新周期大大縮短(甚至僅為2年～3年)，各類柴油機均采用各種節(jié)能措施降低油耗率，努力提高柴油機的有效熱效率；同時，由于供給船用柴油機的燃油質(zhì)量日益低劣，使得船用柴油機在使用劣質(zhì)燃油的技術(shù)上又有了新的發(fā)展。目前，現(xiàn)代船用低速柴油機的油耗率已降低到0.155kg/kWh～0.160kg/kWh，有效熱效率可高達55%。國外把這一時期船用柴油機的發(fā)展稱為第二次飛躍。其主要技術(shù)特征是節(jié)能技術(shù)的普及。隨著柴油機節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，柴油機的可靠性(在規(guī)定的使用期間按規(guī)定的負荷運轉(zhuǎn)，不因故障而停車或降功率使用的能力)也有了長足的發(fā)展。各種先進技術(shù)(如材料、加工、結(jié)構(gòu)等)的運用大大提高了船用柴油機的可靠性。當前現(xiàn)代船用低速柴油機的吊缸周期已從60年代的5000ｈ～6,000ｈ提高到8,000ｈ～12,000ｈ，甚至高達20,000ｈ?，F(xiàn)代船用柴油機發(fā)展中的第三個特點是控制與操縱自動化，即對船用柴油機及其附屬設(shè)備進行自動控制及自動監(jiān)視。60年代初曾進行在控制室內(nèi)對主機集中控制與集中監(jiān)視，70年代電子技術(shù)開始在柴油機上使用。80年代柴油機的電子控制技術(shù)已有了很大發(fā)展，除可監(jiān)視柴油機的運行工況外，還可保持柴油機各運行參數(shù)的最佳值，以求得柴油機功率、燃油消耗率和其它有關(guān)性能的最佳平衡，并由此發(fā)展了對柴油機的故障診斷、未來趨勢預(yù)報等技術(shù)，把柴油機的管理技術(shù)提高到一個嶄新的水平。2000年，W?rtsil?公司成功地推出了SULZERRT-flex全電子控制的智能型柴油機，并開始裝船使用。在船用低速二沖程柴油機發(fā)展的同時，大功率四沖程中速柴油機自50年代開始也得到了穩(wěn)步發(fā)展，至今已經(jīng)歷了四代機型。它的最大優(yōu)點是重量輕，尺寸小，可選用最佳的螺旋槳轉(zhuǎn)速。在工作可靠性、使用壽命、經(jīng)濟性及對劣質(zhì)燃油的適應(yīng)性方面均有明顯改進，基本上達到與低速機相近的水平。近年建造的2000總噸以上船舶中，使用中速機做主機者占25%左右。一般對船用主機來講，經(jīng)濟性、可靠性和使用壽命是第一位的，重量和尺寸是第二位的。據(jù)此，低速二沖程柴油機因其效率高、功率大、工作可靠、壽命長、可燃用劣質(zhì)油以及轉(zhuǎn)速低(通常為100ｒ／ｍｉｎ左右，最低可達56ｒ／ｍｉｎ)等優(yōu)點適于作船舶主機使用。大功率四沖程中速柴油機因其尺寸與重量小較適于作為滾裝船和集裝箱船舶主機。船舶發(fā)電柴油機(稱副機)因其發(fā)電機要求功率不大，轉(zhuǎn)速較高以及結(jié)構(gòu)簡單，因而均采用中、高速四沖程筒形活塞式柴油機。經(jīng)過近幾十年尤其是近十多年的發(fā)展，現(xiàn)代船用柴油機已經(jīng)發(fā)展到一個較高的技術(shù)水平。今后，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，將會對船用柴油機提出更高的要求，船舶柴油機也將繼續(xù)發(fā)展改進。當前柴油機的發(fā)展可以概括為：以節(jié)能為中心，充分兼顧到排放與可靠性的要求，全面提高柴油機性能。根據(jù)此發(fā)展目標，今后的研究趨勢大致為：提高經(jīng)濟性的研究，包括燃燒、增壓、低摩擦、低磨損等的研究；降低柴油機排放的研究，排放是現(xiàn)代柴油機面臨的嚴重挑戰(zhàn)，隨著對船舶柴油機排放控制的限制，使得經(jīng)濟性的提高更加困難，這也是船舶柴油機發(fā)展中的新課題；提高可靠性與耐久性的研究；電子控制技術(shù)的研究；代用燃料的研究。2.船舶柴油機當前使用情況和技術(shù)水平船用低速柴油機當前使用情況和技術(shù)水平船用低速柴油目前主要由MANB&W、W?rtsil?瑞士公司和日本三菱三家公司生產(chǎn)，據(jù)1998年世界各國造船造機結(jié)果統(tǒng)計，MANB&W公司占市場份額的64.54%，W?rtsil?瑞士公司占市場份額的27.6%,日本三菱不足8%。MANB&W和W?rtsil?r瑞士公司近年主要機型的工作參數(shù)如下：表1-1船用低速油機的主要參數(shù)機型RTA48T RTA58T RTA68TS46MC-CS50MC-CS60MC-C缸徑(mm)480 580680460 500600行程(mm)2000 241627201932 2000 2400缸徑行程（S/D)4.17 4.174.04.2 4.0 4.0轉(zhuǎn)速(r/min)124 10392129 127 105活塞平均速度(m/s)8.3 8.38.38.3 8.58.4平均有效壓力bar18.2 18.218.2191919最大燃燒壓力bar142 142142145 150單缸功率kW1360 200027501310 15802255燃油消耗率g/kWh171 170169 174 171170從上述參數(shù)可以看出，目前新型船用低速柴油機的S/D值已達到4.0以上，活塞平均速度在8.3～8.5m/s左右,平均有效壓力高達19.0bar,最大燃燒壓力在140bar以上,而燃油消耗率則下降到169g/kWh,其動力性和經(jīng)濟性已經(jīng)達到了相當高的水平。船用中速柴油機當前使用情況和技術(shù)水平船用中速柴油機目前雖然生產(chǎn)廠家較多，但主要集中于幾家在公司，據(jù)1998年世界各國造船造機結(jié)果統(tǒng)計，W?rtsil?公司占市場份額的40%，MANB&W公司占市場份額的22.4%,Mak占市場份額的11.2%。其余公司占26.4%。W?rtsil?和MANB&W公司近年主要機型的工作參數(shù)如下：表1-2船用中速油機的主要參數(shù)機型MANB&WL27/38WARTSILAL32WARTSILAL64缸徑（mm）270320640行程（mm）380400900S/D1.4:11.25:11.4:1壓縮比16.5:116.0:1活塞平均速度（m/s）10.110.09.8平均有效壓力(bar)23.523.325.5最大燃燒壓力(bar)200190200燃油消耗率(g/kWh)185.3182171燃油噴射壓力(bar)16002000使用燃油質(zhì)量(cSt/50C)700730730功率范圍（kW）2040~30602700~828010050~18090柴油機熱力循環(huán)和工作原理柴油機的基本工作原理是采用壓縮發(fā)火方式使燃料在缸內(nèi)燃燒，以高溫高壓的燃氣做工質(zhì)在氣缸中膨脹推動活塞往復(fù)運動，并通過活塞—連桿—曲柄機構(gòu)將往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的回轉(zhuǎn)運動，從而帶動工作機械。根據(jù)柴油機的上述工作特點，燃油在柴油機氣缸中燃燒作功必須通過進氣、壓縮、燃燒、膨脹與排氣五個過程。包括進氣、壓縮、混合氣形成、著火、燃燒與放熱、膨脹作功和排氣等在內(nèi)的全部熱力循環(huán)過程，稱柴油機工作過程；包括進氣、壓縮、膨脹和排氣等過程的周而復(fù)始的循環(huán)叫工作循環(huán)。在柴油機中可用活塞的兩個行程或四個行程完成一個工作循環(huán)，相應(yīng)稱為二沖程或四沖程柴油機。柴油機理論循環(huán)和實際循環(huán)1．柴油機的理論循環(huán)在柴油機的實際循環(huán)中，燃料的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功的過程是十分復(fù)雜的。例如，在整個循環(huán)中工質(zhì)的質(zhì)和量不斷變化，整個過程是不可逆的。在能量轉(zhuǎn)變中還存在著機械摩擦、泵氣、散熱及燃燒不完全等一系列必不可免的損失，使切地描述其實際熱力過程變得十分困難。圖１-4圖１-4柴油機的理論循環(huán)通過研究這些理論循環(huán)可以：用簡單的公式說明循環(huán)中務(wù)基本熱力參數(shù)的關(guān)系，以明確提高理論循環(huán)熱效率和平均壓力的有效途徑；確定循環(huán)熱效率的理論極限，以判斷柴油機循環(huán)的完善程度；有利于比較各種熱力循環(huán)的經(jīng)濟性和動力性。柴油機的理論循環(huán)基本上為混合加熱循環(huán)(Sabathe循環(huán))，如圖1-4所示。在定容（2-3）與定壓（３-４）過程中加入熱量Ｑ１（Ｑ′１＋Ｑ″１＝Ｑ１）。由工程熱力學可知，理論循環(huán)示功圖所包圍的面積１-２-３-４-５-１即為一個循環(huán)所作的理論功Wｔｈ。該理論循環(huán)的熱效率ηｔ與平均壓力ｐｔ的計算公式為（1-4）式中：ε——壓縮比，ε＝Ｖａ／Ｖｃ；λ——壓力升高比，λ＝ｐｚ／ｐｃ；圖１-5繼續(xù)膨脹混合加熱循環(huán)ρ——初期膨脹比，ρ＝Ｖｚ／Ｖｃ圖１-5繼續(xù)膨脹混合加熱循環(huán)ｋ——工質(zhì)絕熱指數(shù)；由式（１-４），混合加熱循環(huán)的理論熱效率ηｔ隨壓縮比ε、壓力升高比λ和絕熱指數(shù)k的增加而提高，隨初期膨脹比ρ的減小而提高。為了使柴油機的工作循環(huán)進行的更加完善，現(xiàn)代高增壓柴油機有向定壓加熱循環(huán)發(fā)展的趨勢。上述理論循環(huán)中，工質(zhì)只絕熱膨脹到5點，然后定容放熱(相當于排入大氣)，由此必然損失部分排氣能量。若使工質(zhì)由pｚ一直膨脹到進氣壓力pａ，即在5點以后繼續(xù)絕熱膨脹到6點(如圖１-5所示)，然后定壓放熱Q２(６-１)，這種循環(huán)稱繼續(xù)膨脹混合加熱循環(huán)。顯然此種循環(huán)比上述循環(huán)更完善。此循環(huán)即為渦輪增壓柴油機理論循環(huán)(相當于柴油機與燃氣輪機聯(lián)合工作)，稱修正阿特金遜(Atkinson)循環(huán)。在柴油機氣缸內(nèi)如實現(xiàn)此種循環(huán)，氣缸必須做得很長。采用柴油機與燃氣渦輪聯(lián)合工作可合理解決此問題：氣缸內(nèi)膨脹４-５，燃氣渦輪內(nèi)膨脹５-６。2、柴油機實際循環(huán)柴油機的實際循環(huán)存在著許多不可避免的損失，使它不可能達到理論循環(huán)的熱效率ηｔ和平均壓力ｐｔ。工質(zhì)是實際混合氣，以燃燒加熱和排氣放熱，并計及各種熱力損失的實際工作循環(huán)稱實際循環(huán)。為了改善實際循環(huán)，減少與理論循環(huán)指針上的差距，應(yīng)分析兩種循環(huán)之間的差異和引起各項損失的原因。一般地說，兩者之間的差異如下：1）工質(zhì)的影響理論循環(huán)中的工質(zhì)是理想氣體，而實際循環(huán)中的工質(zhì)是空氣和燃燒產(chǎn)物。工質(zhì)成分的變化、工質(zhì)比熱的變化、工質(zhì)的高溫分解以及工質(zhì)分子數(shù)的變化會使燃燒階段的壓力、溫度增加減少，使實際循環(huán)的熱效率和作功能力下降。2)氣缸壁的傳熱損失在實際循環(huán)中，柴油機的工質(zhì)與缸壁之間始終存在著熱量交換，并非絕熱過程。例如在壓縮過程初期，氣缸壁溫度較高使空氣被加熱；而在后期，由于氣體溫度超過了缸壁溫度，便發(fā)生從氣體到缸壁的熱量傳遞。因此，實際壓縮終點壓力低于絕熱壓縮終點壓力。在膨脹初期由于后燃現(xiàn)象以及原在高溫時已分解的燃燒產(chǎn)物的重新復(fù)合反應(yīng)，使缸內(nèi)工質(zhì)為加熱膨脹；在膨脹后期，由于后燃結(jié)束及復(fù)合反應(yīng)的減弱使工質(zhì)為散熱膨脹。膨脹終點缸內(nèi)壓力高于絕熱膨脹壓力。3)換氣損失理論循環(huán)中是混合加熱和定容放熱，無需進行工質(zhì)的替換。而實際循環(huán)必須排出廢氣和吸入新鮮空氣。在排氣過程中，為了減少排氣消耗的功，其排氣閥總是提前開啟，讓廢氣在下止點前某點就開始逸出，由此減少了一部分有用功，稱膨脹損失功。另外，實際循環(huán)的進氣過程與排氣過程均消耗軸功，稱泵氣功。膨脹損失功與泵氣功之和即為實際循環(huán)的換氣損失。4)燃燒損失燃燒損失是指后燃和不完全燃燒所引起的損失。在理論循環(huán)中，全部熱量是由高溫熱源吸入熱量Q１，無燃燒過程。但在實際循環(huán)中是由燃油的燃燒得到的，必然存在部分燃油在膨脹中仍繼續(xù)燃燒的后燃現(xiàn)象。另外由于空氣不足，或混合物形成不良造成的不完全燃燒，使燃料的熱值未充分利用，則促使燃燒膨脹線的位置下移，產(chǎn)生不完全燃燒損失。5)泄漏損失氣閥處的泄漏可以完全防止，但活塞環(huán)處的泄漏卻無法避免。不過在良好的磨合狀態(tài)下，其泄漏量約為氣缸內(nèi)工質(zhì)總重的0.2%。通常，漏氣損失可并入熱交換損失中。6)其它損失如工質(zhì)的渦動損失以及活塞運動速度與燃燒速度不相配合而偏離定容、定壓加熱過程的時間損失等。在上述各項損失中，工質(zhì)影響是不可避免的。對實際循環(huán)損失影響較大的還有傳熱損失、換氣損失和燃燒損失。由于上述各項損失的存在，使實際循環(huán)的熱效率明顯下降。如一臺非增壓四沖程柴油機的壓縮比ε＝１３，過量空氣系數(shù)α＝２，最高爆發(fā)壓力ｐｚ＝５ＭＰａ，其理論循環(huán)熱效率ηｔ＝６１％，而實際循環(huán)熱效率降低到45%，僅為理論循環(huán)熱效率的74%。二、四沖程柴油機工作原理圖１-6中所示的四個簡圖分別表示四個活塞行程的進行情況以及活塞、曲軸、氣閥等部件的有關(guān)動作位置。圖１-6四沖程柴油機工作原理第一行程——進氣行程，空氣進入氣缸時相應(yīng)的活塞行程?；钊麖纳现裹c下行，進氣閥a打開。由于氣缸容積不斷增大，缸內(nèi)壓力下降，依靠氣缸內(nèi)與大氣的壓差，新鮮空氣經(jīng)進氣閥被吸入氣缸。進氣閥一般在活塞到達上止點前即提前打開(曲柄位于點1)，下止點后延遲關(guān)閉(曲柄位于點2)。曲軸轉(zhuǎn)角φ１－２(圖中陰影線所占的角度)表示進氣持續(xù)角Δθｉ，約為220℃Ａ～２５０℃Ａ。第二行程——壓縮行程，工質(zhì)在氣缸內(nèi)被壓縮時相應(yīng)的活塞行程?；钊麖南轮裹c向上運動，自進氣閥a關(guān)閉(點2)才開始壓縮，一直到上止點(點3)為止。第一行程吸入的新氣經(jīng)壓縮后，壓力增高到3MPa～6MPa，溫度升高到600℃～700℃(燃油的自燃溫度為210℃～270℃。壓縮終點的壓力和溫度分別用符號ｐｃ和ｔｃ表示。在壓縮過程的后期由噴油器(c)噴入氣缸的燃油，與高溫空氣混合、加熱，并自行發(fā)火燃燒。曲軸轉(zhuǎn)角φ２－３表示壓縮過程，約為140℃Ａ～160℃Ａ。第三行程——燃燒和膨脹行程，工質(zhì)在氣缸內(nèi)燃燒膨脹時相應(yīng)的活塞行程。活塞在上止點附近，由于燃油強烈燃燒，使氣缸(點5)。曲軸轉(zhuǎn)角φ３－４－５表示燃燒和膨脹過程。第四行程——排氣行程，廢氣從氣缸內(nèi)排出時相應(yīng)的活塞行程。在上一行程末，排氣閥b開啟時活塞尚在下行，廢氣靠氣缸內(nèi)外壓力差經(jīng)排氣閥排出。當活塞由下止點上行時，廢氣被活塞推出氣缸，此時的排氣過程是在略高于大氣壓力(約1.05至1.1大氣壓)且在壓力基本不變的情況下進行的。排氣閥一直延遲到上止點后(點6)才關(guān)閉。曲軸轉(zhuǎn)角φ５－６表示排氣持續(xù)角Δθｅ，約為230℃Ａ～260℃Ａ。進行了上述的四個行程，柴油機就完成了一個工作循環(huán)。當活塞繼續(xù)運動時，另一個新的循環(huán)又按同樣的順序重復(fù)進行。圖１－7氣閥正時圓圖四沖程柴油機每完成一個工作循環(huán)，曲軸要回轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)(720°曲軸轉(zhuǎn)角)。每個工作循環(huán)中只有第三行程(膨脹行程)是作功的，其它三個行程都是為膨脹行程服務(wù)的，都需要外界供給能量。柴油機常做成多缸的，這樣，進氣、壓縮、排氣行程的能量可由其它正在作功的氣缸供給。如果是單缸柴油機，那就由較大的飛輪供給。圖１－6下方的ｐ－Ｖ圖表示出一個工作循環(huán)內(nèi)氣缸中氣體壓力隨活塞位移(即氣缸容積圖１－7氣閥正時圓圖四沖程柴油機的進、排氣閥的啟閉都不正好在上、下止點，而是在上、下止點前后某一時刻。它們的開啟持續(xù)角均大于180°CA。進、排氣閥在上、下止點前后啟閉的時刻稱為氣閥定時，通常氣閥定是用距相應(yīng)止點的曲軸轉(zhuǎn)角(℃A)表示。用曲軸轉(zhuǎn)角表示氣閥定時的圓圖稱氣閥定時圓圖，如圖１－7所示。在圖１-7中，進氣閥在上止點前點1開啟，在下止點后點2關(guān)閉。其與相應(yīng)止點的夾角φ１、φ２分別稱進氣提前角、進氣滯后角。排氣閥在下止點前點5開啟，在上止點后點6關(guān)閉，其與相應(yīng)止點的夾角φ３、φ４分別稱為排氣提前角、排氣滯后角。氣閥提前開啟與延后關(guān)閉是為了將廢氣排除干凈并增加空氣的吸入量，以利于燃油的燃燒，另外還可減少排氣耗功。因此，氣閥定時是影響四沖程柴油機作功的重要因素。由圖１－7尚可看出，在上止點前后進氣閥與排氣閥同時開啟著，同一氣缸的進、排氣閥在上止點前后同時開啟的曲軸轉(zhuǎn)角稱為氣閥重疊角。在氣閥疊開期間，進氣管、氣缸、排氣管連通，此時利用廢氣的流動慣性，除可避免廢氣倒沖入進氣管外，尚可抽吸新鮮空氣進入氣缸，并利用此壓力差在將新氣吸入氣缸的同時將燃燒室內(nèi)的廢氣掃出氣缸，實現(xiàn)所謂燃燒室掃氣。此時不但可提高換氣質(zhì)量，還可利用進氣冷卻燃燒室有關(guān)部件。因而，四沖程柴油機均有一定的氣閥重疊角，而且增壓柴油機的氣閥重疊角均大于非增壓機。如表１－3所示。表１－3四沖程柴油機氣閥重疊角°三、二沖程柴油機工作原理活塞在兩個行程內(nèi)完成一個工作循環(huán)的柴油機叫做二沖程柴油機。在四沖程柴油機中新氣的吸入與廢氣的排出是靠活塞的抽吸與推擠作用完成的。在二沖程柴油機中沒有單獨的進氣與排氣過程，其進氣與排氣過程幾乎重疊在下止點前后約120℃Ａ～１５０℃Ａ內(nèi)同時進行。因此在結(jié)構(gòu)上，二沖程柴油機必須在氣缸套下部開設(shè)氣口，采用氣缸套掃氣口－排氣口或采用氣缸套下部掃氣口—氣缸蓋上排氣閥的換氣機構(gòu)，而且還必須提高進氣壓力，使進氣能從掃氣口進入氣缸并將廢氣掃出氣缸，提高進氣壓力可以由機械驅(qū)動的掃氣泵或由廢氣渦輪驅(qū)動的增壓器來實現(xiàn)。這樣，就可以進、排氣過程(掃氣過程)縮減到下止點前后的部分行程中完成。圖１-圖１-８廢氣渦輪增壓二衝程柴油機工作原理圖圖１－9ＥＳＤＺ４３／８２Ｂ型柴油機的定時圓圖新氣通過氣缸下部的進氣口a進入氣缸，而廢氣則通過氣缸蓋上的排氣閥b排出氣缸。在進、排氣管道上分別安裝了離心式壓氣機e和廢氣渦輪機d(兩者組合成廢氣渦輪增壓器)，廢氣渦輪從廢氣中獲得能量而帶動壓氣機一起轉(zhuǎn)動。新鮮空氣則從大氣通過吸入口f吸入壓氣機，經(jīng)壓縮后壓力和溫度升高，然后由管g經(jīng)冷卻器k冷卻后導入進氣管h和掃氣箱i，準備進入氣缸。當活塞下行還沒有打開進氣口a之前，排氣閥b首先被氣閥機構(gòu)打開(曲柄在點1)，廢氣大量排出氣缸，并經(jīng)排氣閥和排氣管j進入廢氣渦輪d中。當活塞繼續(xù)下行使氣缸內(nèi)的壓力降低到接近于增壓壓力時，活塞將掃氣口a打開(曲柄在點2)，等待在掃氣口外邊的增壓空氣即進入氣缸，并把廢氣掃出。當活塞運動到下止點并轉(zhuǎn)向上行時，掃氣口a被關(guān)閉(曲柄在點3)，接著排氣閥關(guān)閉(曲柄在點圖１－9ＥＳＤＺ４３／８２Ｂ型柴油機的定時圓圖二沖程柴油機也可以用定時圓圖來表示它的各項定時時刻。圖１－9為國產(chǎn)ESDZ４３／８２Ｂ型二沖程柴油機的定時圓圖。由上述可知，無論四沖程或二沖程柴油機，它們真正壓縮的始點均不在下止點而在進氣閥或排氣閥(口)全部關(guān)閉時刻。通常將進或排氣閥(口)全部關(guān)閉瞬時的氣缸容積與壓縮室容積之比值稱有效壓縮比εｅ。對二沖程柴油機（１－5）式中：φｓ—行程失效系數(shù)；φｓ＝氣口高度/行程從上述四沖程與二沖程柴油機工作原理比較，看出兩者有以下特點：(1)二沖程柴油機二個行程即曲軸一轉(zhuǎn)完成一個工作循環(huán)，由此可提高柴油機功率。二臺氣缸尺寸與轉(zhuǎn)速相同的四沖程與二沖程柴油機，計及氣口行程損失和掃氣損失，則二沖程柴油機的功率約為四沖程機的1.6倍～1.8倍。(2)由于二沖程柴油機曲軸每一轉(zhuǎn)完成一個工作循環(huán)，因而它的回轉(zhuǎn)要比四沖程機均勻，可使用較小的飛輪。(3)二沖程柴油機的換氣機構(gòu)較簡單，便于維修保養(yǎng)。(4)二沖程柴油機的換氣質(zhì)量較四沖程機差。(5)二沖程柴油機的工作循環(huán)比四沖程機多一倍，所以二沖程機的熱負荷比四沖程機高?？傊谔岣吖β史矫娑_程柴油機比四沖程機優(yōu)越，而在提高柴油機的強化程度方面四沖程機較二沖程機優(yōu)越。四、二沖程柴油機的換氣形式在二沖程柴油機中，目前普遍采用氣口—氣閥直流掃氣，但在1980's年代以前，出現(xiàn)過多種換氣形式。不同的換氣形式對換氣質(zhì)量有重要影響。根據(jù)氣流在氣缸中的流動路線，二沖程柴油機的換氣形式可分為彎流(掃氣空氣由下而上，然后由上而下清掃廢氣)與直流(氣流在氣缸內(nèi)呈直線由下而上清掃廢氣)兩大類。每一大類中又有不同的換氣形式。即：橫流：簡單橫流，掃氣口裝有單向閥橫流：簡單橫流，掃氣口裝有單向閥彎流彎流回流：半回流(新型橫流)，簡單半回流，掃氣口有閥控制，排氣口有閥控制直流排氣閥—掃氣口式排氣口—掃氣口式1簡單橫流掃氣進、排氣口位于氣缸中心線的兩側(cè)，空氣從進氣口一側(cè)沿氣缸中心線向上，然后在靠近燃燒室部位回轉(zhuǎn)到排氣口的另一側(cè)，再沿著氣缸中心線向下，把廢氣從排氣口清掃出氣缸，如圖１-10所示。圖中ADFEA所包圍的面積即為排氣口的角度—面積值；弧線BC與橫坐標（φ）所包圍面積為掃氣口角度—面積值。其中A為排氣口開啟時的相應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角，B為掃氣口開啟、C為掃氣口關(guān)閉、E為排氣口關(guān)閉時的相應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角。圖１-10簡單橫流掃氣示意圖2回流式掃氣進、排氣口在氣缸下部同一側(cè)且排氣口在進氣口的上方。進氣流沿活塞頂面向?qū)?cè)的缸壁流動并沿缸壁向上流動，到氣缸蓋轉(zhuǎn)向下流動，把廢氣從排氣口中清掃出氣缸。氣流在缸內(nèi)作“回線”流動。如圖１-11（ａ）所示。圖(b)為氣口的角度—面積值(簡稱角面值)。

在船用大型柴油機中，MAN-KZ型柴油機即為回流掃氣形式。圖１-11回流掃氣示意圖3半回流掃氣進氣口布置在排氣口的下方及兩側(cè)，氣流在氣缸內(nèi)的流動特征兼有橫流與回流的特點，如圖１-12(a)所示。某些早期的半回流掃氣形式，在排氣管中裝有回轉(zhuǎn)控制閥，圖(b)曲線CHIC即為回轉(zhuǎn)控制閥開度曲線。該回轉(zhuǎn)閥可在活塞上行活塞裙開啟排氣口前關(guān)閉排氣管，防止新鮮空氣經(jīng)排氣口流失。在船用大型柴油機中SulzerRD、RND、RLA、RLB等型柴油機均為半回流掃氣形式。圖１-12半回流掃氣示意圖4排氣閥—掃氣口直流掃氣氣缸下部均布一圈進氣口，在氣缸蓋上有排氣閥。空氣從氣缸下部進氣口端進入氣缸，沿氣缸中心線上行驅(qū)趕廢氣從氣缸蓋上的排氣閥排出氣缸。如圖１-13(a)所示。顯然，氣流在缸內(nèi)的流動方向是自下而上的直線流動。進氣口在縱向(與氣缸軸線成角度)和橫向(與氣缸半徑成角度)兩個方向有傾斜角，使掃氣空氣進入氣缸后有向上和繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)的運動。這一旋轉(zhuǎn)的氣流形成“氣墊”，使空氣與廢氣不易摻混，掃氣效果較好。同時排氣閥的啟閉由排氣凸輪控制不受活塞運動的限制，所以排氣閥可以與進氣口同時關(guān)閉，如圖１-13(b)；也可以提早關(guān)閉，如圖１-13(c)。在船用柴油機中B&W、UEC等機型是傳統(tǒng)的排氣閥—掃氣口直流掃氣式柴油機?，F(xiàn)代船用超長行程柴油機MANB&W—MC系列、SulzerRTA系列機型都采用排氣閥—掃氣口直流掃氣形式。圖１-13排氣閥—掃氣口直流掃氣形式示意圖上述彎流掃氣柴油機氣流在缸內(nèi)流動路線長(通常均大于2S)，新氣與廢氣易摻混且存在死角與氣流短路現(xiàn)象，因而換氣質(zhì)量較差。尤其在橫流掃氣中，缸套下部的進、排氣口兩側(cè)受熱不同，容易產(chǎn)生變形。但彎流掃氣的結(jié)構(gòu)簡單，維修較方便，因而在行程缸徑比S/D＜2.2的船用大型柴油機中，因行程較短尚可保證較滿意的換氣質(zhì)量而曾經(jīng)得到普遍使用。直流掃氣則相反，氣流在缸內(nèi)流動路線短(約為S)，新氣與廢氣不易摻混，因而換氣質(zhì)量較好。同時缸套下方受熱均勻。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修較困難。現(xiàn)代船用大型柴油機隨著行程缸徑比S/D的增加，發(fā)展了長行程(S/D＞2.5)和超長行程(S/D＞3)柴油機。在這種情況下，彎流掃氣的換氣質(zhì)量無法與直流掃氣相比，因而直流式(氣閥—氣口式)掃氣成為現(xiàn)代船用大型柴油機的主要換氣形式。某些傳統(tǒng)的彎流掃氣式柴油機已改為排氣閥—掃氣口直流掃氣形式，如SulzerRTA系列柴油機。第三節(jié)柴油機的性能指針和工作參數(shù)柴油機的性能通?？梢詮膭恿π?、經(jīng)濟性、運轉(zhuǎn)性(冷車起動、排放性、加速性與加載性等)、可靠性和耐久性等方面加以衡量。本節(jié)著重分析動力性和經(jīng)濟性指針。動力性和經(jīng)濟性指針可以分成指示指針和有效指針兩類。指示指針是以氣缸內(nèi)示功圖所表示的工作循環(huán)指示功為基礎(chǔ)的，它只考慮缸內(nèi)燃燒不完全及傳熱等方面的熱損失，沒有考慮各運動副間所存在的摩擦損失，主要用來評定缸內(nèi)工作循環(huán)的完善程度。有效指針是以在柴油機輸出軸上所得到的有效功為基礎(chǔ)的，它既考慮熱損失也考慮機械損失，它是評定柴油機工作性能的最終指針。除上述指針外，柴油機還有一些工作參數(shù)用來表征機械負荷、熱負荷、基本結(jié)構(gòu)和強化程度等性能。一、指示指標指示指標包括平均指示壓力pi、指示功率Pi、指示熱效率ηi和指示燃油消耗率bi(簡稱指示油耗率)。1平均指示壓力pi假定一個數(shù)值不變的壓力作用在活塞上，在一個膨脹行程內(nèi)所作的功與一個工作循環(huán)的指示功Ｌi相等(如圖１-14)，這個假想的壓力就稱為平均指示壓力。由此Li＝pi·Ｆ·Ｓ（Ｎ·ｍ或Ｊ）（１-6）pi＝Ｌi／（Ｆ·Ｓ）＝Ｌi／Ｖs（Ｎ／ｍ２或Pａ）式中：ｐi——平均指示壓力，Pa；Ｆ——活塞面積，ｍ２；S——活塞行程，ｍ；Ｖs——氣缸工作容積，ｍ３。由式（１-７）可見，平均指示壓力ｐi也就是一個工作循環(huán)中每單位氣缸工作容積的指示功。它的數(shù)值與氣缸容積無關(guān)，因此可以用ｐi來比較不同類型和不同氣缸尺寸的柴油機氣缸工作容積的利用程度。ｐi值大，說明其單位氣缸工作容積的作功能力大，其工作循環(huán)比較完善。所以ｐi是評定柴油機工作循環(huán)動力性的重要指針。在船舶實踐中，ｐi由測取的ｐ－Ｖ示功圖經(jīng)計算得到。ｐi的影響因素主要是循環(huán)供油量或負荷大小，其次是燃燒質(zhì)量。一般來說，增壓機的ｐi高于非增壓機，四沖程機ｐi高于二沖程機，直流掃氣的ｐi高于彎流掃氣。在標定工況下船用柴油機的平均指示壓力ｐi的數(shù)值范圍如表１－4所示。2指示功率Ｐi指示功率是指柴油機氣缸內(nèi)的工質(zhì)在單位時間內(nèi)所作的指示功(kW)。柴油機的每個氣缸每個工作循環(huán)工質(zhì)所作的指示功為Ｗi＝ｐiＶs（Ｊ）柴油機一個氣缸的指示功率為Ｐi＝piVs（Ｎ·ｍ／ｓ）（1－7）或Ｐi＝ｐiＶs（Ｗ）或Ｐ′i＝（ｋＷ）于是，整臺柴油機指示功率的一般式為Ｐi＝（ｋＷ）（1－8）式中：ｐi——平均指示壓力，Ｐａ或Ｎ／ｍ２；Ｖs——氣缸工作容積，ｍ３；ｎ——柴油機的轉(zhuǎn)速，ｒ／ｍｉｎ；ｍ——每轉(zhuǎn)工作行程數(shù)，四沖程機m＝１／２，二沖程機ｍ＝１；ｉ——氣缸數(shù)。如各缸負荷不均勻，則可將各缸功率相加而得到整臺柴油機的功率。在船上，應(yīng)經(jīng)常測量示功圖并計算柴油機的功率。對既定的柴油機其Ｖs和m為定值，為簡化計算起見，令Ｖsｍ／60,000為C，C稱為氣缸常數(shù)。這樣，整臺柴油機指示功率的公式可簡化為Ｐi＝Ｃｐiｎｉ（ｋＷ）（１－９）表１-4ｐi,ｐｅ值統(tǒng)計表機型ｐi（ＭＰａ）ｐｅ（ＭＰａ）四沖程非增壓0.75～1.120.60～0.92增壓0.95～3.750.80～3.0二沖程非增壓0.65～0.950.50～0.70增壓0.80～2.030.70～1.803指示熱效率ηi和指示油耗率bi（gi）根據(jù)實測示功圖求得每個工作循環(huán)工質(zhì)對活塞所作的指示功Wi和指示功率Ｐi。按照效率定義，柴油機的指示熱效率為指示功的熱當量與相應(yīng)消耗的燃料熱量之比值，即：ηi＝Ｗi/Ｑ吸入式中：Ｗi——指示功，Ｊ；Ｑ吸入——為得到指示功Wi而加入氣缸內(nèi)的總熱量，Ｊ。對于一臺柴油機，當測得其指示功率Ｐi和每小時燃油消耗量B時，根據(jù)ηi的定義，可用下式進行計算ηi＝3,600Ｐi/ＢＨu（１-１０）式中：B——柴油機每小時油耗量，kg/h；Hu——所用燃料低熱值，通常?。萿＝42,700kJ/kg；Ｐi——指示功率，kW。指示油耗率bi以一千瓦指示功率每小時消耗的燃油量表示，即bi＝B/Pi(kg/kW·h)（１-１１）ηi和ｂi是評定柴油機實際工作循環(huán)經(jīng)濟性的重要指針。兩者之間的關(guān)系為目前船用柴油機的ηi與ｂi統(tǒng)計資料如表１－5所示。二、有效指標有效指標包括平均有效壓力pe、有效功率Pe、有效熱效率e、和有效油耗率be1．有效功率Pe和機械效率m從柴油機曲軸飛輪端傳出的功率稱為有效功率，用Pe表示。也可以說指示功率減去機械損失功率Pm所剩的功率稱為有效功率。即Pe=Pi-Pm。表１－5柴油機的ηi、ｂi、ηｅ、ｂｅ、ηｍ的資料機型ηibiηebe(g/kWηｍ四沖程非增壓0.43～0.50204～1630.30～0.40272～2310.78～0.85增壓0.44～0.58195～1470.37～0.5231～1600.85～0.92二沖程非增壓0.36～0.51238～1700.29～0.35300～2450.70～0.80增壓0.45～0.60192～1430.38～0.55225～1550.85～0.94柴油機的有效功率在試驗臺上用水力測功器（或電力測功器）測出，在船舶上可用扭力計測出，此時：（ｋＷ）（１-１２）式中：Ｍｅ——柴油機輸出的有效扭矩，Ｎ·ｍ；n——柴油機轉(zhuǎn)速，ｒ／ｍｉｎ。機械損失功率Ｐｍ是指作用在活塞上的指示功率傳遞到曲軸的(有效功率)過程中所損失的功率。它包括：(1)摩擦損失功率克服柴油機各相對運動部件表面摩擦力所消耗的功率。顯然，此損失功率與柴油機轉(zhuǎn)速、摩擦表面壓力、滑油質(zhì)量、機械加工質(zhì)量及裝配質(zhì)量等多種因素有關(guān)。經(jīng)驗表明，活塞、活塞環(huán)與氣缸套壁間的摩擦損失約占全部摩擦損失的55%～65%，而各軸承處的摩擦損失約占35%～45%。(2)拖動損失功率帶動柴油機輔助機械(如噴油泵、注油器、氣閥傳動機構(gòu)、掃氣泵、空氣分配器等)所消耗的功率。其損失隨柴油機轉(zhuǎn)速的提高而增加。(3)泵氣損失功率在非增壓四沖程柴油機中進、排氣過程所消耗的功率。在增壓四沖程柴油機中進氣壓力大于排氣壓力，泵氣功率是正值，這時泵氣功率應(yīng)從機械損失中除掉。二沖程柴油機，由于沒有單獨的進氣與排氣行程，所以泵氣損失功率為零。上述機械損失功率一般不用它的絕對值Ｐｍ表示,而常用機械效率ηｍ表示。機械效率ηｍ是有效功率Ｐｅ與指示功率Pi之比值，即ηｍ＝Pe／Pi＝（Pi－Pｍ）/Pi＝1－Pｍ／Pi（１－１３）機械效率ηｍ的大小不僅決定于設(shè)計和制造質(zhì)量，還受柴油機負荷、轉(zhuǎn)速、滑油溫度與冷卻水溫度等因素影響。如果轉(zhuǎn)速不變，負荷增加時，機械效率將相應(yīng)增加。當柴油機空載運行時，ηm＝０。如pi不變，當轉(zhuǎn)速提高時，由于摩擦損失功率增大，機械效率隨之下降。但是，轉(zhuǎn)速對摩擦損失功率的影響比較復(fù)雜，很難用解析法求出。通常，柴油機的ηｍ在出廠時以ηｍ－ｎ曲線的形式給出。因而，在求出Ｐi后可用Ｐｅ＝Ｐiηｍ計算Ｐｅ。如適當提高滑油溫度與冷卻水溫度，則可適當提高ηｍ。但若溫度過高使油膜遭到破壞或過熱，則會因破壞了正常潤滑狀態(tài)而大大降低ηｍ，甚至引起重大運轉(zhuǎn)事故?，F(xiàn)代柴油機的機械效率值見表１-5。2．有效燃油消耗率be(ge)和有效熱效率ηe有效油耗率是指每一千瓦有效功率每小時所消耗的燃油量，單位是kg/(kW（ｋＷ·ｈ），即:ｂｅ＝Ｂ／Ｐｅ或ｂｅ＝ｂi／ηｍ（１－１４）式中：B——柴油機每小時油耗量，ｋｇ／ｈ；Ｐｅ——柴油機有效功率，ｋＷ。有效熱效率ηｅ是指曲軸有效功與所消耗的熱量之比，即（１－１５）或根據(jù)ηi公式（１－１０）可得（１－１６）ηｅ與ｂｅ是評定柴油機經(jīng)濟性的重要指針，兩者之間的關(guān)系是ηｅ＝３.６００beHu目前，船用柴油機的ｂｅ與ηｅ數(shù)值如表１－5所示。3．平均有效壓力ｐｅ知道了平均指示壓力ｐi和機械效率ηｍ之后，就可以求出柴油機的平均有效壓力pe＝ｐiηｍ平均有效壓力ｐｅ是柴油機在每一工作循環(huán)每單位氣缸工作容積所作的有效功，仿照指示指針的公式，可以由測得的有效功率Pe和轉(zhuǎn)速n推算出來，即pe＝Pe/Ｃｎｉ圖１－14平均指示壓力p圖１－14平均指示壓力pi示意圖pm＝Pｍ/Ｃｎｉ則平均有效壓力ｐｅ也可以寫為ｐｅ＝ｐi－ｐｍ，見圖１－14。pe的數(shù)值取決于工作循環(huán)進行的完善程度和機械損失的大小，它是衡量柴油機作功能力的重要參數(shù)。pe值越高，說明柴油機的強化程度越高。目前船用柴油機的平均有效壓力ｐｅ的范圍如表１－4所示。三、柴油機的工作參數(shù)1最高爆發(fā)壓力pｚ(最高燃燒壓力)燃燒過程中氣缸內(nèi)工質(zhì)的最高壓力稱最高爆發(fā)壓力pz。pz是柴油機周期性變化的機械負荷的主要外力，它引起各受力部件的應(yīng)力和變形，造成疲勞破壞、磨損和振動。pz值的大小對柴油機的結(jié)構(gòu)與性能均有很大的影響，這主要有：(1) 過大的pｚ值使結(jié)構(gòu)尺寸增大，使柴油機笨重。(2) 過大的pz值使螺栓預(yù)緊力相應(yīng)增大，造成結(jié)合面比壓過大。(3) 過大的pz值破壞潤滑油膜，加劇活塞環(huán)與缸套、軸頸與軸瓦等的磨損，使壽命下降。(4) pz值過高，使沖擊振動和噪音增大。為了避免工作粗暴，一般限制其平均壓力增長率Δｐ／Δφ＝（pz－pｃ）／Δφ不超過(0.4～0.6)ＭＰａ／℃Ａ。(5) 適當提高pz、ε和λ，可以提高柴油機的熱效率，降低燃油消耗。pz一般隨平均有效壓力ｐｅ的增長而增長，但增長速度較ｐｅ緩慢。一般高速柴油機的pz／ｐｅ(或p／pｅ)＝３～９；中速柴油機的pz／pｅ＝５～７；低速柴油機的pz／ｐｅ＝６～１０。目前柴油機pz值的資料范圍是：非增壓柴油機pz＝６ＭＰａ～８ＭＰａ增壓低速二沖程柴油機pz＝７ＭＰａ～１５ＭＰａ增壓中、高速柴油機pz＝７ＭＰａ～１７ＭＰａ2排氣溫度tｒ非增壓柴油機的排氣溫度指排氣管內(nèi)廢氣的平均溫度，增壓柴油機的排氣溫度指氣缸蓋排氣道出口處廢氣的平均溫度。對同一臺柴油機而言，排氣溫度高低反映了缸內(nèi)負荷的大小與燃燒質(zhì)量的好壞。因而在船舶上通常用排氣溫度衡量熱負荷的大小。柴油機排氣溫度過高，不但標志熱負荷過高，而且還會引起經(jīng)濟性下降、可靠性下降。因而，排氣溫度是柴油機運轉(zhuǎn)管理中重要的監(jiān)測參數(shù)。為保證柴油機可靠運轉(zhuǎn)，通常均對排氣溫度的最高值進行限制。通常船用柴油機排氣溫度的最高值應(yīng)低于550℃。3活塞平均速度Ｖｍ在曲軸一轉(zhuǎn)兩個行程中活塞運動速度的平均值稱活塞平均速度Ｖｍ，即Ｖｍ＝２Ｓｎ／６０＝Ｓｎ／３０（ｍ／ｓ）式中：n——柴油機轉(zhuǎn)速，ｒ／ｍｉｎ；S——柴油機活塞行程，ｍ?；钊骄俣仁怯绊懖裼蜋C機械負荷、熱負荷和壽命的重要參數(shù)之一。提高Ｖｍ可以提高柴油機的功率，但零件的機械負荷、熱負荷同時增加，機件的磨損也相應(yīng)增加，因而靠提高Ｖｍ來提高功率是有限度的?，F(xiàn)代船用大型二沖程柴油機多采用長或超長行程。為了維持較長的壽命和適當?shù)模郑碇担x用較低轉(zhuǎn)速。如標定轉(zhuǎn)速低于100，甚至僅為60～７０。這對提高螺旋槳的推進效率也是有利的。4行程缸徑比S/D行程缸徑比是柴油機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。S/D在不同條件下影響不同，在活塞平均速度Ｖｍ及缸徑D為定值的條件下，S/D對柴油機的影響有：(1)影響柴油機的尺寸和重量。S/D增大，則柴油機的寬度、高度及重量均相應(yīng)增加。(2)影響機械負荷。缸內(nèi)氣體壓力不直接受S/D的影響，但最大往復(fù)慣性力Ｆｊｍａｘ將隨S/D的增加而減小，即S/D增加，機械負荷減小。(3)影響熱負荷。S/D增大，氣缸散熱面增大，熱負荷將減小，同時影響燃燒室各部件的傳熱量分配比例。如S/D增大，氣缸套的熱負荷增大，而氣缸蓋與活塞頂?shù)臒嶝摵上鄳?yīng)減小。(4)影響混合氣形成。S/D增大，燃燒室余隙高度增大，對混合氣形成有利。(5)影響掃氣效果。S/D增大，因氣流在缸內(nèi)流動路線長將降低掃氣效果，但此影響隨掃氣形式不同各異。如對直流掃氣的影響較小，允許使用較大的S/D值，而對彎流掃氣的影響較大，不允許使用較大的S/D值(通常不高于2.2)。(6)影響曲軸剛度。S/D增大使曲柄半徑變大，曲軸軸頸的重疊度降低，曲軸剛度下降。(7)影響軸系的振動性能。S/D增大，軸系的縱振及扭振固有頻率降低，容易產(chǎn)生不允許的縱振和扭振。船用柴油機的S/D值范圍見表１－6。表１－6各種機型的S/D值機型高速機中速機低速機彎流直流長(超長)行程S/D0.9～1.251.0～1.81.71～2.051.88～2.262.42～4.205強化系數(shù)ｐｅ·Ｖｍ強化系數(shù)ｐｅ·Ｖｍ用來表示柴油機所受熱負荷和機械負荷兩方面的綜合強烈程度。不同類型柴油機的強化系數(shù)見表１－7。表１－7各種機型的強化系數(shù)值機型低速機中速機高速機四沖程二沖程pe（MPa）1.15～1.81.4～3.00.9～1.11.4～2.2pe·Vm（MPa7.5～14.76.6～8.56壓縮比ε壓縮比是一個對柴油機性能影響很大的結(jié)構(gòu)參數(shù)，它的影響主要表現(xiàn)在經(jīng)濟性、燃燒與起動及機械負荷等方面。(1)經(jīng)濟性在一定范圍內(nèi)提高ε可明顯提高經(jīng)濟性，當ε＞12后對經(jīng)濟性的影響程度減弱。ε過高時將由于余隙高度過小不利于霧化與混合而使經(jīng)濟性降低。(2)機械負荷ε增加將使壓縮壓力ｐｃ增加，繼而使最高爆發(fā)壓力Pz提高，使柴油機的機械負荷增加，磨損加劇。因此，機械負荷限制了ε的上限。在柴油機增壓技術(shù)的發(fā)展中對高增壓柴油機曾使用過降低壓縮比(ε＜１０＝以限制其機械負荷的技術(shù)措施。當代船用大型超長行程柴油機為了提高經(jīng)濟性，使ε提高到16~19的高水平。(3)燃燒和起動為了使柴油機燃燒良好以保證冷車起動，ε不能太低。因此，保證柴油機具有良好的冷車起動性成為限制ε的下限。

第二章柴油機的結(jié)構(gòu)及主要部件柴油機的主要部件是指燃燒室部件(活塞、氣缸、氣缸蓋)、曲柄連桿機構(gòu)(十字頭、連桿、曲軸和軸承)、機架、機座和貫穿螺栓等部件。這些部件構(gòu)成柴油機的主體，它們工作得好壞不但直接影響柴油機的技術(shù)性能指標，而且還和安全航行密切相關(guān)。統(tǒng)計表明，船用柴油機主要部件發(fā)生的故障占柴油機故障總數(shù)的90%左右，其中燃燒室部件故障約占故障總數(shù)的50%。因此，輪機管理人員應(yīng)該深入了解主要部件，這是降低柴油機故障發(fā)生率的重要一環(huán)。柴油機的總體結(jié)構(gòu)一．柴油機的基本組成船舶柴油機的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，它是由許多機構(gòu)和系統(tǒng)組成。盡管各種柴油機的結(jié)構(gòu)、型號各異，但從工作原理和總體結(jié)構(gòu)上則有很多共同之處。柴油機主要由以下機構(gòu)和系統(tǒng)組成1．主要固定件柴油機的主要固定件由機座、機架、氣缸和氣缸蓋等組成，對于中小型柴油機常將氣缸體和機架做成一體稱為機體，并省去機座代之以輕便的油底殼。它們構(gòu)成了柴油機的骨架，支撐運動件和輔助系統(tǒng)。2．主要運動件柴油機的主要運動件由活塞、連桿組件及曲軸組成，對于大型低速柴油機還有十字頭組件?；钊c氣缸及氣缸蓋構(gòu)成燃燒室，保證柴油機工作過程的進行，同時通過連桿將活塞的往復(fù)運動變?yōu)榍S的回轉(zhuǎn)運動，使燃氣推動活塞的動力通過曲軸以回轉(zhuǎn)的方式向外輸出。3．配氣機構(gòu)及換氣系統(tǒng)配氣機構(gòu)由進排氣閥、氣閥傳動機構(gòu)、凸輪軸及凸輪軸傳動機構(gòu)組成。進排氣系統(tǒng)由空氣濾器、進排氣管和消音器組成，對于增壓柴油機還有增壓器及空冷器。它們的作用是按照工作循環(huán)的需要，定時地向氣缸內(nèi)供應(yīng)充足、清潔的新鮮空氣，并將燃燒后的廢氣排出氣缸。4．燃油系統(tǒng)燃油系統(tǒng)由燃油供給系統(tǒng)和燃油噴射系統(tǒng)組成。燃油供給系統(tǒng)是把符合使用要求的燃油暢通無阻地輸送到噴油泵入口端。該系統(tǒng)通常由加裝和測量、貯存、駁運、凈化處理、供給五個基本環(huán)節(jié)組成。燃油噴射系統(tǒng)由噴油泵、噴油器和高壓油管組成，其作用是定時、定量地向燃燒室內(nèi)噴入霧化良好燃油，保證燃燒過程的進行。5．潤滑系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)的作用是將清潔的潤滑油送至柴油機的各運動件磨擦表面，起到減磨、冷卻、清潔、密封和防銹作用，保證柴油機的正常工作。對于大型低速柴油機通常由氣缸注油系統(tǒng)和曲軸箱油系統(tǒng)兩部分組成，而對于中小型柴油機只有曲軸箱油系統(tǒng)，也稱之為機油系統(tǒng)。6．冷卻系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)由泵、冷卻器和溫控器等組成。船舶柴油機通常以淡水和滑油為冷卻劑在機內(nèi)流動，將受熱零部件所吸收的熱傳導出去，保證零部件有正常的工作溫度。而淡水和滑油本身被海水冷卻。7．起動和控制系統(tǒng)起動系統(tǒng)是借助于外力帶動曲軸回轉(zhuǎn)，并使其達到一定的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)柴油機的第一次著火燃燒，由靜止轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。根據(jù)柴油機的不同，起動系統(tǒng)可分為兩類，一類是借助于外力矩使曲軸轉(zhuǎn)動起來，如人力手搖起動、電機起動和氣馬達起動等；另一類是借助于加在活塞上的外力推動活塞運動使曲軸旋轉(zhuǎn)起來，如壓縮空氣起動。柴油機的控制系統(tǒng)是為了滿足船舶機動操作的要求，設(shè)置的使起動、換向和調(diào)速裝置各種裝置聯(lián)合動作的操縱機構(gòu)。二．柴油機的典型結(jié)構(gòu)船舶在結(jié)構(gòu)上主要可分為十字頭式柴油機和筒型柴油機。隨著柴油機的發(fā)展，MANB&W公司生產(chǎn)的MC系列柴油機和W?rtsil?瑞士公司生產(chǎn)的SULZERRTA系列柴油機已成為二沖程十字頭式柴油機市場的主導產(chǎn)品，而W?rtsil?,MANB&W,Mak等公司的產(chǎn)品則在四沖程中速柴油機市場占主導地位。下面以MANB&W公司生產(chǎn)的S50MC-C型柴油機和W?rtsil?L32型柴油機為例介紹低速二沖程柴油機和四沖程柴油機的總體結(jié)構(gòu)MANB&W公司的S50MC-C型柴油機自1982年MC系列柴油機投入使用以來，這一系列柴油機已成為最經(jīng)常被選用的船用主機，占據(jù)了市場的最大份額。在近二十年的發(fā)展過程中，這一系列的柴油機仍在不斷地改進和發(fā)展，經(jīng)驗、新技術(shù)、新材料都在柴油機的發(fā)展過程中得到體現(xiàn)，MC-C型柴油機就是近年內(nèi)發(fā)展起來的廣泛用于貨船主機的一個新機型。MC-C型柴油機首先是在大缸徑機上實現(xiàn)的，這些發(fā)動機是為大型集裝箱船而設(shè)計制造的，相對原型機其轉(zhuǎn)速有所提高。根據(jù)市場需求，MANB&W公司又推出了中缸徑的MC-C型柴油機（S50，S60及S70MC-C）。S-MC-C系列柴油機的發(fā)展目標是，在提高功率輸出的前提下改善可靠性，減輕重量，縮短柴油機的長度，這就是“C”緊湊型的概念。一般來說，對相同尺寸的發(fā)動機其長度約縮短10%，而功率上升10%,重量下降10%，如：S50MC-C的氣缸中心距從S50MC的890mm下降到850mm,6S50MC-C型機的長度比6S50MC的長度短700mm。S50MC-C型機在結(jié)構(gòu)上的最明顯的特征是以雙貫穿螺栓代替了傳統(tǒng)的單貫穿螺栓，而且與傳統(tǒng)的貫穿螺栓的不同之處還在于它不再一直插到機座底部，而是擰入到機座頂部的螺孔之中。機座在不增加寬度的情況下將地腳螺栓移到外側(cè),這樣,簡化了焊接工藝并有利于廠家的安裝。在氣缸體設(shè)計上，S50MC-C的顯著特點是氣缸體的高度減小，使其重量變輕，加工制造和維護管理更加方便。特別是將凸輪軸箱和氣缸體做成一體,并取消了氣缸體內(nèi)的冷卻水腔。新型的S-MC-C柴油機所有的大型軸承普遍采用現(xiàn)代的薄壁軸瓦結(jié)構(gòu),軸承材料采用Sn40Al,這種軸承材料具有較低的溫度敏感性和很強的抗疲勞能力,這大大地提高了主軸承的可靠性。由于S50MC-C型柴油機的行程／缸徑比已經(jīng)達到了4.0,最高燃燒壓力達到150bar，對曲軸剛度和軸承負荷影響很大。因此在曲軸設(shè)計上采用加大主軸頸和曲柄銷的直圖2-1S50MC-C型柴油機

徑方法，并減少軸頸的長度。軸頸直徑的增加和長度的縮短增強了曲軸的剛度，彌補了S/D值增大對剛度的影響，而軸頸直徑的加大又可以增大軸承的承載面積，在相同的軸承負荷下縮短軸頸長度，當然這也和采用新型軸承材料有關(guān)。軸頸的縮短使氣缸中心距和整機長度減小，減輕了機器的重量，也可以使機艙空間減小，從而增大用于營運的船舶容積。S50MC-C型油機采用短連桿結(jié)構(gòu)，其主要目的是降低機器的高度，減輕機器重量，并可以減少振動質(zhì)量和降低成本。其十字頭銷設(shè)計成非常簡單的直段軸形，省去了兩個端銷，直徑也縮小了。這樣既簡化了加工過程，又減輕了重量。在活塞結(jié)構(gòu)上采用了低置活塞環(huán)組，提高活塞頂岸高度，這對于柴油機氣缸工作是非常有利的。由于活塞環(huán)位置的降低，活塞環(huán)處于溫度較低的區(qū)域，離燃氣區(qū)較遠，使燃燒產(chǎn)物不易進入磨擦面，活塞環(huán)工作條件和潤滑性能改善，活塞環(huán)組的工作性能提高，活塞的磨損大大減輕。活塞頂岸高度的提高也使氣缸蓋與氣缸套結(jié)合面降低成為可能，這使得氣缸蓋與氣缸套結(jié)合面以及氣缸套的熱負荷降低，使其工作條件改善。主要的熱負荷由鋼制的氣缸蓋承受。由于鋼制的氣缸蓋的抗熱負荷能力比鑄鐵缸套要大，這也使其可靠性提高。2．W?rtsil?32型中速柴油機W?rtsil?32型中速柴油機是以在燃燒技術(shù)上取得的最新成就為基礎(chǔ)而設(shè)計制造的。它具有氮氧化物排放低，可靠性高，維護管理方便，運轉(zhuǎn)費用低等優(yōu)點。在結(jié)構(gòu)上有下列特點：柴油機的機體用球墨鑄鐵鑄造。W?rtsil?32機使用最新的鑄造技術(shù)，將所有的油水管路設(shè)置在機體之內(nèi)，使之成為外部光潔的真正無管路的發(fā)動機。柴油機采用彈性底座，確保柴油機的振動不會傳到機外。柴油機的曲軸是整體鍛造的并進行了全面的機加工，對曲柄直徑和過度圓角的仔細優(yōu)化和對軸承負荷的精心計算，并且在每個曲柄臂上都裝有平衡重，保證了曲軸在高的氣缸壓力下的可靠工作，并將軸承負荷控制在允許的范圍之內(nèi)。也使柴油機的總體長度達到最小。主軸承采用倒掛式主軸承，通過選擇最合適的軸承材料和對關(guān)鍵區(qū)域油槽的優(yōu)化設(shè)計，保證了足夠的油膜厚度，確保了軸承的良好工作?；钊怯设T鋼的活塞頭和鑄鐵活塞裙制造的組合式活塞，W?rtsil?32型柴油機活塞的特點是在活塞的裙部設(shè)有潤滑裝置，這確保了活塞環(huán)和活塞裙的可靠潤滑并使磨擦損失降低到最小。在活塞上僅裝有兩道壓縮環(huán)和一道刮油環(huán)，第一道環(huán)設(shè)有特殊的耐磨層。這使得磨擦損失達到最小。在W?rtsil?32型柴油機的氣缸套在其上部加高加厚，有足夠的強度和剛度承受機械負荷和熱負荷，通過鉆孔冷卻，控制其溫度及熱負荷。在缸套內(nèi)部上端設(shè)有一個防磨環(huán)，可以除去活塞頭部的積炭，減少缸套的磨損和滑油的消耗連桿采用船用大端連桿，對于這種持續(xù)在高燃燒壓力下工作的柴油機而言，這種連桿是最安全的。桿身與連桿大端的結(jié)合面正處于連桿大端軸承座的上方，可以方便地拆卸和維護。螺栓用液壓工具同時上緊。氣缸蓋采用四螺栓結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計使其具有最大的剛度，可以確保閥和閥座的均勻接觸及氣缸套的圓度。進排氣道在設(shè)計上通過計算液體力學的分析，使其的流動損失最小。氣缸蓋上采用多管道元件代替了傳統(tǒng)柴油機上單獨元件的結(jié)構(gòu)，可以完成空氣進入氣缸，廢氣排至排氣系統(tǒng)，冷卻水從氣缸蓋排出等多項功能。圖2-2W?rtsil?32型中速柴油機

增壓系統(tǒng)可采用脈沖增壓系統(tǒng)和單管脈沖增壓系統(tǒng)并帶有廢氣和空氣旁通閥，確保了廢氣側(cè)和空氣側(cè)最小的流動損失。冷卻水系統(tǒng)分為兩個系統(tǒng)。即高溫水系統(tǒng)和低溫水系統(tǒng)。氣缸套和氣缸蓋及增壓空氣冷卻器的高溫部分等的溫度由高溫水系統(tǒng)控制，系統(tǒng)溫度保持在約95℃,保證燃用低質(zhì)燃燒油時的良好工作。而低溫系統(tǒng)則用于冷卻增壓空氣冷卻器的低溫部分及滑油冷卻器。對于動力裝置總體來說，這種冷卻方式能夠獲得最大的熱回收和總體效率。燃燒室部件燃燒室部件是柴油機中最重要的部件，包括活塞組件、氣缸蓋組件和氣缸組件。當活塞處在上止點時，由氣缸蓋底面、氣缸套內(nèi)表面及活塞頂共同組成的燃料與空氣混合和燃燒的這一空間稱燃燒室。如圖２-3所示。柴油機的工作主要是在這里完成的。圖２-3燃燒室一、燃燒室部件承受的負荷及結(jié)構(gòu)特點由于在燃燒室中進行著壓縮、燃燒和膨脹過程，燃燒室部件將受到燃氣高溫、高壓和腐蝕作用以及活塞的摩擦、敲擊和側(cè)推力作用及冷卻水的腐蝕和穴蝕作用，因此，它是柴油機中工作條件最惡劣的部分。1．機械負荷機械負荷指柴油機部件承受最高燃燒壓力、慣性力、振動沖擊等的強烈程度。燃燒室部件所承受的機械負荷，對氣缸蓋和氣缸套來說主要是來自氣體壓力和安裝預(yù)緊力，對活塞來說還有往復(fù)慣性力。柴油機的機械負荷有兩個特點，其一為周期交變；其二為具有沖擊性。1)安裝預(yù)緊力引起的負荷為了在柴油機運轉(zhuǎn)中的任何工況下，氣缸蓋不與氣缸套脫開，應(yīng)保證固定螺栓的預(yù)緊力pｄ＝(1.25～2)πR１２pｚ(R１為密封帶平均半徑)。在安裝時螺栓預(yù)緊力不可過大與過小。當代新型柴油機的氣缸蓋固緊螺栓均采用液壓拉伸器按規(guī)定液壓力固緊。氣缸蓋與氣缸套的安裝應(yīng)力與最高爆發(fā)壓力成正比與其構(gòu)件的高度成反比。2)氣體力引起的機械應(yīng)力圖２-4氣缸套壁內(nèi)機械應(yīng)力分布圖由于氣缸內(nèi)的氣體力是周期變化的，其最大值為最高爆發(fā)壓力p圖２-4氣缸套壁內(nèi)機械應(yīng)力分布圖當柴油機工作時，氣缸蓋和活塞在氣體壓力ｐ作用下產(chǎn)生彎矩，并使上下表面產(chǎn)生機械應(yīng)力：水冷面為拉應(yīng)力，觸火面為壓應(yīng)力。氣缸套內(nèi)部在承受最高爆發(fā)壓力ｐｚ作用時，其應(yīng)力分布如圖2-4所示。觸火面切向應(yīng)力最大(拉應(yīng)力)，徑向應(yīng)力最大(壓應(yīng)力)；水冷面切向應(yīng)力最小(拉應(yīng)力)徑向應(yīng)力為零。2.熱負荷熱負荷是指柴油機的燃燒室部件承受溫度、熱流量及熱應(yīng)力的強烈程度。柴油機強化程度的提高導致柴油機熱負荷和機械負荷隨之提高。熱負荷過高對燃燒室部件所造成的危害是多方面的，主要有：使材料的機械性能降低，承載能力下降；使受熱部件膨脹、變形，改變了原來的正常工