第4章船舶柴油機

一柴油機的主要部件及常用名詞

柴油機根據(jù)其工作原理的不同，可分成四沖程柴油機和二沖程柴油機兩大類。這兩類柴油機在結(jié)構(gòu)上有一定的區(qū)別。

1、四沖程柴油機的主要部件如圖4-1所示，它包括：

4-1柴油機的基本構(gòu)造和工作原理柴油機是以柴油為燃料，且燃料在機器內(nèi)部（氣缸中）經(jīng)過燃燒，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并以燃?xì)鉃楣べ|(zhì)，再將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功的一種內(nèi)燃式熱力發(fā)動機。由于它熱效率高，經(jīng)濟性好，使用安全可靠，因此，無論在陸地上或船舶上都獲得了廣泛的應(yīng)用。

1）固定部件機座1、機身4、主軸承3、氣缸套6、氣缸蓋7等。

2）運動部件活塞8、活塞銷9、連桿10、連桿螺栓11、曲軸13等。

3）配氣機構(gòu)凸輪軸14、頂桿15、搖臂16、進氣閥17、排氣閥18、氣閥彈簧19等。

4）燃油系統(tǒng)高壓噴油泵20、高壓油管21、噴油器2等。

5）輔助部件進氣管5、排氣管12等。此外，柴油機還必須具備潤滑、冷卻、操縱控制、調(diào)整、傳動機構(gòu)等系統(tǒng)的零部件。

圖4-1四沖程柴油機的主要部件

1-機座；2-噴油器;3-主軸承；4-機身；

5-進氣管;6-氣缸套;7-氣缸蓋；8-活塞；

9-活塞銷；10-連桿;11-連桿螺栓;12-排氣管;13-曲軸;14-凸輪軸;15-頂桿；16-搖臂；17-進氣閥;18-排氣閥;19-氣閥彈簧；20-高壓噴油泵；21-高壓油管。

2、二沖程柴油機的主要部件如圖4-2所示，它包括：

1）固定部件機座1、主軸承2、機架3、導(dǎo)板4、掃氣箱5、氣缸體7、氣缸蓋6等。

2）運動部件活塞8、活塞桿9、十字頭10、連桿11、曲軸12等。

3）配氣機構(gòu)凸輪軸15、凸輪軸傳動鏈16、排氣轉(zhuǎn)閥17等。

4）燃油系統(tǒng)噴油泵18、高壓燃油管19、噴油器20等。

5）增壓系統(tǒng)增壓器21、單向閥14、空氣冷卻器13等。此外，它也具備潤滑、冷卻、傳動機構(gòu)、操縱調(diào)節(jié)等系統(tǒng)。圖4-2二沖程柴油機的主要部件

1-機座；2-主軸承；

3-機架；4-導(dǎo)板；

5-空氣箱；6-氣缸；

7-氣缸體；8-活塞；

9-活塞桿；10-十字頭；11-連桿；12-曲軸；13-空氣冷卻器；14-單向閥；15-凸輪軸；16-凸輪軸傳動鏈；17-排氣轉(zhuǎn)閥;18-噴油泵；19-高壓柴油管；20-噴油器；21-增壓器。

3常用名詞述語

柴油機根據(jù)其活塞在氣缸中所處的位置不同，通常采用下列名詞述語：（如圖4-3所示）

1）上止點

活塞在氣缸中運動的最上端位置，也就是活塞離曲軸中心線最遠的位置，俗稱上死點。

2）下止點

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，俗稱下死點。

3）沖程（行程）

指活塞從上止點到下止點間的直線距離，常用S表示。它等于曲柄半徑R的兩倍（S=2R）?；钊苿右粋€沖程相當(dāng)柄曲轉(zhuǎn)動180°。

4）缸徑

氣缸內(nèi)徑，常用D表示。

5）壓縮容積

活塞在氣缸內(nèi)位于上止點時，在活塞頂上的全部空間（活塞頂與氣缸蓋底面之間所包含的空間），稱為壓縮容積，以Vc表示。

6）氣缸工作容積

活塞在氣缸中從上止點移到下止點時所經(jīng)過的空間。又稱為活塞排量，以Vs表示（圖1-13）。

7）氣缸總?cè)莘e

活塞在下止點時，活塞頂以上的氣缸全部容積叫做氣缸總?cè)莘e，以Va

表示。

圖4-3氣缸容積

1、四沖程柴油機工作原理

1)工作循環(huán)過程

柴油機的循環(huán)是通過進氣、壓縮、工作（燃燒及膨脹）、排氣四個過程來實現(xiàn)的。這樣四個連續(xù)的過程就稱為柴油機的一個工作循環(huán)。四沖程柴油機的一個工作循環(huán)是在活塞的四個沖程（即曲軸旋轉(zhuǎn)兩周）內(nèi)完成的。圖4-4所示的四個簡圖，分別表示四沖程柴油機四個沖程進行的情況和活塞等部件的有關(guān)動作位置及PV圖上的表示線段。第一沖程——進氣沖程，曲柄轉(zhuǎn)角表示進氣過程。第二沖程——壓縮沖程，壓縮過程用曲柄轉(zhuǎn)角表示。第三沖程——工作（燃燒及膨脹）沖程，工作（燃燒與膨脹）過程用曲柄轉(zhuǎn)角表示。第四沖程——排氣沖程，排氣過程用曲柄轉(zhuǎn)角表示。

二柴油機的工作原理

圖4-4四沖程柴油機工作原理

1-進氣閥；2-排氣閥；3-噴油器；4-連桿；5-曲軸；6-活塞第一沖程——進氣沖程，曲柄轉(zhuǎn)角Φa-b

表示進氣過程。第二沖程——壓縮沖程，壓縮過程用曲柄轉(zhuǎn)角Φb=c

表示。第三沖程——工作沖程，工作過程用曲柄轉(zhuǎn)角Φc-d-e

表示。第四沖程——排氣沖程，排氣過程用曲柄轉(zhuǎn)角Φe-f

表示。

2）工作循環(huán)特點

a)四沖程柴油機完成一個工作循環(huán)，曲軸回轉(zhuǎn)兩周，活塞移動四個沖程完成。

b)每個工作循環(huán)中只有工作沖程（燃燒及膨脹沖程）是做功的，在這個沖程里完成了燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎蜔崮苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C械功的兩次能量轉(zhuǎn)換。

c)其它三個沖程都是為工作沖程作準(zhǔn)備，都需要外界供給能量，因此柴油機常做成多缸的，這樣，進氣、壓縮、排氣沖程所需的能量可由其它正在工作沖程的氣缸供給。如果是單缸柴油機，則可由較大的飛輪供給，即在工作沖程時，柴油機帶動飛輪旋轉(zhuǎn)加速，依靠飛輪的旋轉(zhuǎn)慣性，帶動柴油機完成其它三個沖程。

2.二沖程柴油機工作原理

二沖程柴油機把進氣、壓縮、燃燒及膨脹、排氣過程緊縮在活塞的兩個沖程內(nèi)完成，使曲軸每旋轉(zhuǎn)一周就完成一個循環(huán)。

1)基本原理

二沖程柴油機的特點是沒有專門的排氣沖程和進氣沖程，它的排氣與進氣是在膨脹沖程末及壓縮沖程之初進行的，其廢氣的排出除了一部分自由泄放外，剩余部分則是靠壓入氣缸的新鮮空氣來把廢氣掃出去的。為此，必須采用專設(shè)的掃氣泵，以便增加進入的新鮮空氣壓力，以將剩余廢氣掃出氣缸，這個過程就稱為“換氣過程”又叫“掃氣過程”。掃氣泵可采用羅茨泵、活塞泵等。由于采取掃氣代替柴油機活塞來完成進、排氣過程，因此每一個工作循環(huán)減少了兩個輔助沖程，能在每兩個沖程內(nèi)得到一個做功沖程，這就大大提高了柴油機做功能力。

2)掃氣方式按照掃氣方式的不同，二沖程柴油機又在幾種形式，常見的有直流掃氣和橫流掃氣（如圖4-5所示，a直流掃氣b橫流掃氣）。

圖4-5a)直流掃氣b)橫流掃氣

3)工作循環(huán)過程（直流掃氣二沖程柴油機）

第一沖程——掃氣及壓縮。活塞自下死點向上移動時活塞在遮住掃氣口之前，掃氣空氣通過掃氣口進入氣缸，掃氣空氣是由柴油機帶的掃氣泵供給的。氣缸中殘存廢氣被掃氣空氣從排氣閥中排出?；钊^續(xù)上行，先遮住掃氣口（曲柄在點的位置），空氣停止充入，接著排氣閥關(guān)閉（曲柄在點a的位置），氣缸中的空氣就開始被壓縮，壓縮至上死點（點b）前一些（點）噴入燃油，燃油在高溫高壓下自行發(fā)火燃燒。第二沖程——燃燒膨脹及排氣?；钊谌?xì)獾母邏鹤饔孟孪蛳逻\動，由于氣缸容積增大，壓力開始下降，在上死點后某一時刻（點c位置）燃燒結(jié)束，直到排氣閥打開（點d位置），排氣閥打開時間比掃氣口打開更早，掃氣口開啟前，壓力較高的大量廢氣便從排氣閥排出。氣缸內(nèi)的壓力迅速下降到稍高于掃氣空氣的壓力，當(dāng)掃氣口開啟（曲柄在點e位置）后，掃氣空氣進入氣缸，同時把氣缸內(nèi)的廢氣從排氣閥擠出去，掃氣過程一直持續(xù)到下死點（點位置）后活塞將掃氣口全部遮住（點位置），排氣閥關(guān)閉（點a位置）為止。活塞繼續(xù)運動，又開始了下一個循環(huán)。

圖4-6(1)二沖程柴油機工作原理圖4-6(2)二沖程柴油機工作原理

4)工作循環(huán)特點a）二沖程柴油機能在每兩個沖程內(nèi)（每曲軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)）得到一個作功沖程。這就提高了柴油機的作功能力，對于二臺氣缸尺寸及轉(zhuǎn)速相同的柴油機，二沖程的功率似乎應(yīng)比四沖程的大一倍，但實際上由于二沖程柴油機熱負(fù)荷比四沖程發(fā)動機嚴(yán)重，加上氣口損失以及掃氣所耗的功率影響等，所以功率只為四沖程的1.6~1.8倍。顯然，如果發(fā)動機功率相同則二沖程柴油機的重量較輕。

b）在構(gòu)造方面，二沖程柴油機較四沖程的簡單一些，特別是橫流掃氣式二沖程柴油機，它完全省去了氣閥及其傳動裝置，所以二沖程柴油機的維護，保養(yǎng)就簡單得多。

c）由于二沖程柴油機在活塞的二個過程內(nèi)就完成一個循環(huán)，做一次功，因而它的回轉(zhuǎn)要比四沖程柴油機均勻。

二沖程柴油機雖然有以上優(yōu)點，但也存在一些缺點，其換氣過程遠沒有四沖程進行得那樣完善，氣缸內(nèi)廢氣的清除和新氣的充入都較四沖程困難得多。此外，二沖程柴油機進入氣缸的新氣在排氣口開啟著的時候，要隨同廢氣一起泄出一部分，這就增加了新氣的消耗量，從而損失了柴油機的一部分功率。

1.增壓的概念所謂“增壓”就是將進入氣缸前的新鮮空氣的壓力提高，因此在同樣的氣缸容積下，可以吸入更多的空氣量。這樣就可以保證燃燒更多的燃油從而提高了柴油機的功率。

三柴油機的增壓

2.增壓的分級按照增壓壓力的高低，增壓可分為低、中、高三級：低增壓：中增壓：高增壓：

3.增壓的方法目前柴油機所采用的增壓方法，主要有機械增壓和廢氣渦輪增壓二種。

a)機械增壓圖4-7a）所示為一齒輪傳動的離心式機械增壓器的示意圖，增壓器是直接由柴油機本身通過齒輪或鏈條來帶動的。

圖4-7柴油機的增壓

a)機械增壓

b)廢氣渦輪增壓圖4-7b)表示了廢氣渦輪增壓器的簡單線圖。圖4-7柴油機的增壓

b)廢氣渦輪增壓

c)兩種增壓方法的比較機械增壓的柴油機中，增壓壓力一般不能太高（以不超過0.16~0.17MPa為宜），因為增壓壓力過高．將引起增壓器消耗功率過大而降低柴油機的經(jīng)濟性。廢氣渦輪增壓柴油機中，帶動增壓器的功率完全由廢氣渦輪供給，并不消耗內(nèi)燃機的有效功率，因此可采用較高的增壓度，增壓比可達3.5～4。從而使柴油機平均有效壓力大大提高，燃料消耗率下降，所以在增壓柴油機上被廣泛應(yīng)用。

4-2柴油機的工作參數(shù)為了分析比較柴油機的工作性能和質(zhì)量的好壞,常用一些工作參數(shù)把它的全貌綜合地反映出來。柴油機的工作參數(shù)主要有動力參數(shù)和經(jīng)濟性參數(shù)。

一指示指標(biāo)

示功圖概念

如圖1-18a）所示，用PV圖表示柴油機一個工作循環(huán)內(nèi)氣缸中燃?xì)鈮毫﹄S活塞位移而變化的情形?？v坐標(biāo)表示氣缸內(nèi)的氣體壓力P，橫坐標(biāo)相當(dāng)于活塞行程的氣缸容積V。氣缸內(nèi)氣體的壓力和容積是同時變化的，我們可以用示功儀器測量出來。因此，PV圖可用來研究柴油機工作過程進行的情況，并可用來算出柴油機完成一個工作循環(huán)所作的功，所以把PV圖稱為示功圖。燃燒膨脹所作的功，減去其他過程所消耗的功，就是柴油機一個循環(huán)向外輸出的功（圖中陰影線所包圍的面積）。a)b)

圖1-18柴油機示功圖

1．平均指示壓力Pi

假定有一個在整個活塞行程內(nèi)不變的壓力作用在活塞上，使活塞在一個行程內(nèi)所作的功與閉合循環(huán)（即陰影線所包圍的面積）所作的功相等，如圖1-18b)所示，則，這個假定不變的壓力稱為平均指示壓力Pi（MPa）。它代表了在實際循環(huán)中每單位氣缸容積所做的功。表示氣缸內(nèi)氣體工作循環(huán)所做功的大小，即

Vs——氣缸工作容積,m3。一般計算時，平均指示壓力的單位用MPa，以Pi

表示。

平均指示壓力Pi是指發(fā)動機工作循環(huán)中每單位氣缸工作容積所做的指示功，平均指示壓力愈高，標(biāo)志著發(fā)動機氣缸工作容積利用程度愈佳。

2.指示功率Ni

1）指示功率的表達式從示功圖知道柴油機每個氣缸，每個循環(huán)所作的功為Li，則每秒鐘作功為：式中:

n——曲軸每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)；

τ——沖程系數(shù)，四中程τ

=4，二沖程τ

=2；

Pi——平均指示壓力，MPa(應(yīng)該是Pa吧？)；

Vs——氣缸工作容積，m3。

對于i個氣缸的整臺柴油機來說，指示功率為：

2）提高功率Ni的方法

a)增大缸徑D——體積和重量增加，造價增加，維護和修理較復(fù)雜。

b)增大沖程S——體積和重量增加，造價增加，維護和修理較復(fù)雜。

c)增大轉(zhuǎn)速n——受到活塞的平均速度所限制，因為速度越高將增加零件的磨損，運動部件的慣性力以及氣缸的熱應(yīng)力等，這些將影響柴油機的壽命，對于二沖程柴油機將影響到換氣。

d)增加氣缸數(shù)i——缸數(shù)增多使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和維修困難。因此最有效的方法是提高Pi值也即是提高增壓度的方法。

3．指示效率和指示耗油率

1)指示效率ηi

在柴油機里，每循環(huán)噴入氣缸中的燃油，并不都能作功。因為在完成一個循環(huán)時有許多損失，如由于燃燒不好而引起的不完全燃燒的損失；傳給氣缸壁氣缸蓋等受熱零件而由冷卻水帶走的熱量損失；由排氣所帶走的熱量損失，以及由于氣缸漏氣所造成的熱量損失等，這些都是熱量的損失。通常是用指示效率ηi來表示損失的大小。式中:Li——氣缸中每循環(huán)所作的指示功，J；

Qi——每循環(huán)噴入氣缸的燃油所能發(fā)出的熱量，J。

式中:GT——每小時所消耗的燃油量，kg。

式中:Hu

——每千克燃油的低發(fā)熱值，KJ/kg。

2)指示耗油率gi

它代表每一指示千瓦小時所消耗的燃油量。

很明顯，指示耗油率gi愈大，即表示為了在氣缸里作出一千瓦小時的功所消耗的燃油愈多。這就說明工作循環(huán)進行得不好，熱損失大，當(dāng)然這時的指示效率ηi也就愈低。所以ηi、gi是表示工作循環(huán)進行得好壞的指標(biāo)。

（二）有效指標(biāo)柴油機的指示指標(biāo)是以工質(zhì)對活塞作功為基礎(chǔ)上的。但在實際上，柴油機是通過曲軸對外作功的，曲軸上的功才是實際的有效功。以曲軸上所得功為基礎(chǔ)的指標(biāo)即為有效指標(biāo)，有效指標(biāo)有下列幾種：

1．械損失功率Nm和有效功率Ne

1）機械損失功率Nm

：（

由以下四部分組成）

a）摩擦損失功率Nm1：柴油機各相對運動部件表面因摩擦而消耗的功率（與摩擦面上的正壓力、運動速度，加工質(zhì)量等有關(guān)）。

b）帶動輔助機械所消耗的功率Nm2：如帶有噴油泵、燃油泵、冷卻水泵、滑油泵、分配機構(gòu)等。

c）泵氣功率損失Nm3：這種損失只產(chǎn)生在非增壓四沖程柴油機中，即進排氣過程中所引起的功率損失。

d）機械增壓器或掃氣泵功率損失Nm4：機械增壓器或掃氣泵（羅茨泵），由于通過曲軸驅(qū)動，均需消耗一部分功率。顯然廢氣渦輪增壓或不帶機械增壓器的柴油機，無這種功率損失。

整個機械損失功率為：

2)有效功率Ne

將氣缸內(nèi)，發(fā)出的指示功率Ni扣除了機械損失功率Nm以后就是柴油機輸出軸向外輸出的有效功率Ne，又稱軸功率或制動功率。柴油機有效功率是在試驗臺上用水力測功器或電力測功器直接測出，在船上可用扭力測功器等儀器測出。

2．機械效率ηm

柴油機的機械效率就是有效功率與指示功率的比值，即

現(xiàn)代船用柴油機在額定工況下ηm值：四沖程非增壓柴油機ηm約為0.75~0.85；四沖程增壓柴油機ηm約為0.80~0.92；二沖程非增壓柴油機ηm約為0.73~0.862；二沖程增壓柴油機ηm約為0.80~0.95。

3．平均有效壓力Pe

知道了平均指示壓力Pe和機械效率ηm之后，就可以求出柴油機的平均有效壓力。

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。pe值高，則說明柴油機的強化程度高，氣缸內(nèi)的潛力發(fā)揮得充分，所以它是柴油機中一個極為重要的指標(biāo)。

4．柴油機的有效效率ηe和有效耗油率ge

在考慮了柴油機的熱損失和機械損失之后，所剩下的就是柴油機的輸出功了。我們用有效效率ηe來表示柴油機的總效率：和有效效率ηe相對應(yīng)的是有效耗油率ge，它表示柴油機每發(fā)出一千瓦小時的功率所消耗的燃油量。式中:GT——每小時燃油消耗量。

4-4柴油機的特性

一概述

1、指示功率的表達式

Ni=pi·vs

·

n·i/(0.03τ)KW2、有效功率的表達式

Ne=Ni·

ηm=pi·vs

·

n·i·ηm/(0.03τ)KW(pe=pi·ηm)

Ne

=pe·vs

·

n·i/(0.03τ)KW3、參數(shù)關(guān)系

1)對一給定的柴油機來講，vs、i、

τ為已知常數(shù)。因此，Ne是隨pe

、

n而變的函數(shù)：

Ne

=f（pe

、n）

2)

輸出矩扭Me與Ne之間的關(guān)系為：

Ne

=Me·n/9

.55

或Ne

=f（Me、n）或Me=9

.55Ne

/n式中：Me————柴油機的輸出矩扭。

3)

輸出矩扭Me與平均有效壓力pe

之間的關(guān)系為：

Me=9

.55Ne

/n=9

.55Vs·pe/(0.03τ)=K·pe式中：

Vs————柴油機的氣缸工作容積總和。Vs=vs

·iK———對一給定的柴油機來講，

K=

9

.55Vs/(0.03τ)=常數(shù)。因此，

Me與pe

成正比，即與噴油量成正比。記為：

Me=f(pe

)

4)

總結(jié)：

Ne

=f（pe

、n）

Me=f(pe

)

3、柴油機運行規(guī)律與參數(shù)之間的關(guān)系：

1）n變，

pe

不變。（即每一個工作循環(huán)的噴油量不變）

2）n變，

pe

也變。

3）n不變，

pe

變。

4、柴油機特性概念：柴油機工作參數(shù)（

Ni，Ne，ηi，ηe，gi，

ge，Me等）和變量pe

、n之間的函數(shù)關(guān)系為稱柴油機的特性。

5、柴油機特性分類：柴油機工作參數(shù)（Ni，

Ne，ηi，ηe，gi，

ge，Me等）隨轉(zhuǎn)速n和隨平均有效壓力Pe而變化的規(guī)律分別叫做柴油機的速度特性和負(fù)荷特性。

柴油機特性分類如下：

柴油機特性

二、速度特性(n變)

1、外特性

n變，pe一定時，由Ne=f（pe

、n）知:

Ne∝n;Me=f(pe

)=常數(shù)。

Ne

=Me·n/9

.55=f(n)

即Ne

與n成直線關(guān)系,如下圖所示.

實際上有如下因素影響：

（1）每循環(huán)進氣量與n有關(guān)。2）熱態(tài)狀與n有關(guān)。（3）指示效率的變化。（4）每循環(huán)噴油量也與n有關(guān)。定時，因此，pe

是變化的。

1）外特性的定義

在速度特性線中，把柴油機在噴油量（即pe）不變時，在各種轉(zhuǎn)速n下的最大做功能力稱為柴油機的外特性。

2）外特性的種類

根據(jù)柴油機工作時的強化程度不同，其又可分為：（1）極限功率外部特性曲線（簡稱極限外特性線）（平均有效壓力pe1

）含義：柴油機熱負(fù)荷和機械負(fù)荷達到極限程度。

（2）冒煙外特性線（又稱為15分鐘功率特性曲線）含義：柴油機熱負(fù)荷非常高，表示開始冒煙與不冒煙的分界線。（平均有效壓力pe2

）

pe2=(0.85~0.92)pe1

（3）超額外特性線（又稱為1小時功率特性曲線）

含義：柴油機熱負(fù)荷很高，一般作為船用主機的最大功率或超額功率，持續(xù)使用時間不應(yīng)超過1小時。