第二節(jié)船用柴油機工作原理及應(yīng)用LOREMIPSUMDOLOR一、柴油機的基本概念（一）柴油機的定義基礎(chǔ)知識壹．熱機：把熱能轉(zhuǎn)換成機械能的動力機械貳.二次能量轉(zhuǎn)換①燃料燃燒(可在機器內(nèi)部或外部),使燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能;②熱能在機器內(nèi)部,轉(zhuǎn)換成機械能.

因此,所有熱機把熱能轉(zhuǎn)換成機械能都在機器內(nèi)部,而區(qū)別外燃機和內(nèi)燃機的主要標(biāo)準(zhǔn)就是①.依燃料燃燒的場所不同,而把熱機分成內(nèi)燃機和外燃機.

1.外燃機:燃料燃燒在氣缸外部，熱效率低。外燃機可分為

蒸汽機、蒸汽輪機等；2.內(nèi)燃機:燃料燃燒在氣缸內(nèi)部，熱效率高。

內(nèi)燃機可分為柴油機、汽油機、燃?xì)廨啓C等。

下圖左上、右上、左下、右下依次為

柴油機、汽油機、燃?xì)廨啓C、噴氣式發(fā)動機。

3.柴油機

1)柴油機是一種在氣缸內(nèi)進行兩次能量轉(zhuǎn)換壓縮發(fā)火的往復(fù)式內(nèi)燃機,它在熱機中熱效率最高。

2)柴油機和汽油機的區(qū)別

柴油機與汽油機雖然都是內(nèi)燃機，但是它們在可燃混合氣形成、發(fā)火方式、使用燃料、性能、結(jié)構(gòu)及壓縮比等方面均有區(qū)別。

比較項目柴油機汽油機燃料(燃燒工質(zhì))柴油或劣質(zhì)燃油（燃?xì)?空氣）汽油

點火方式(工作原理上最大不同)壓縮自行燃燒(壓縮發(fā)火)★這是本質(zhì)特征電火塞點燃供油系統(tǒng)的不同或混合氣的形成方式(結(jié)構(gòu)上的主要差異)氣缸內(nèi)混合氣缸外混合壓縮比12-226-10有效熱效率0.30-0.550.15-0.403)柴油機的優(yōu)缺點：①經(jīng)濟性好，在內(nèi)燃機中具有最高的熱效率，可達(dá)50%。②功率范圍廣。③尺寸小，重量輕。④機動性好。⑤存在振動，軸系扭轉(zhuǎn)振動和噪音。⑥燃燒室部件工作條件惡劣，承受高溫高壓與沖擊性的機械負(fù)荷。(二)柴油機的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)1.上止點(T.D.C)

活塞離曲軸中心最遠(yuǎn)的位置。2.下止點（B.D.C.）：活塞離曲軸中心最近的位置。3.行程S：上、下止點間的距離。等于曲柄半徑的兩倍，即S=2R。活塞運行一個行程，曲軸轉(zhuǎn)動半轉(zhuǎn)（180°CA）。4.氣缸直徑D：氣缸的內(nèi)徑5.余隙高度（頂隙）：活塞位于上止點時活塞頂與氣缸蓋之間的距離。6.燃燒室容積（余隙容積）VC：活塞位于上止點時活塞頂與氣缸蓋之間的氣缸容積。7.氣缸工作容積Vh：活塞從上到下止點間運動所掃過的容積。8.氣缸總?cè)莘eVa：氣缸工作容積Vh與燃燒室容積VC之和。也可以說是活塞位于下止點時活塞頂與氣缸蓋之間的氣缸容積。9.壓縮比：氣缸總?cè)莘eVa與燃燒室容積VC之比。

ε=Va/VC=（Vh+VC）/VC=1+Vh/VC1）壓縮比表示活塞從下止點運動到上止點時，缸內(nèi)空氣被壓縮的倍數(shù)。2）壓縮比是容積之比，并非壓力之比。3）壓縮比是柴油機的一個重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，對柴油機的經(jīng)濟性、燃燒和起動性能以及機械負(fù)荷等有重要的影響。4）ε大說明缸內(nèi)空氣被壓縮厲害，壓縮終點的溫度和壓力就高，有利于燃油的燃燒和柴油機的起動，并可提高熱效率。5）不同的機型ε不同：①小型高速機的ε＞大型低速機。②非增壓機的ε＞增壓機。③四沖程機的ε＞二沖程機。④柴油機的ε＞汽油機。6）影響ε的因素：①連桿大小端軸承嚴(yán)重磨損，使活塞組件下沉。②十字頭銷（活塞銷）與曲柄銷嚴(yán)重磨損。③活塞頂面、缸蓋底面被燒蝕或積碳，使VC改變。④船用大端桿身凸緣與大端軸承座之間的調(diào)整墊片厚度。⑤缸蓋底面密封墊片厚度。⑥連桿桿身發(fā)生彎曲。7）ε的調(diào)整方法：增減余隙高度，若余隙高度增加，VC增加，壓縮比變小。①增減氣缸頭墊片厚度。--中小型四沖程柴油機②增減連桿大端凸緣與軸承座之間的調(diào)整墊片厚度。--十字頭式柴油機可增加船用大端墊片或活塞桿平面墊片（三）柴油機基本工作過程

作功過程：進氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣。包括上述五個過程的全部熱力循環(huán)過程稱為柴油機工作過程，包括上述五個過程的周而復(fù)始的循環(huán)叫工作循環(huán)。

1.進氣行程φ1-2約為220°--250°1）作用：使氣缸充滿新鮮空氣。

2）進氣閥啟閉時刻：上止點前提前開啟，下止點后延后關(guān)閉。2.壓縮行程φ2-3約為140°--160°1）作用：①使燃燒過程升溫，提高工作循環(huán)的熱效率②為工質(zhì)的升溫升壓，為冷車起動和著火作準(zhǔn)備③使循環(huán)的工質(zhì)得到更大的膨脹比，對活塞做更多的功。2）壓縮終點：pc=3～6MPa；tc=600～700℃。燃油自燃溫度為210~270℃。3）壓縮后期，燃油與高溫空氣混合、加熱，并自行發(fā)火燃燒。

a.進氣行程b.壓縮行程3.燃燒和膨脹過程φ3-4-51）作用：高溫高壓的燃?xì)猓üべ|(zhì)）膨脹推動活塞作功。2）PZ=5～8MPa；TZ=1400～1800℃。Pb=0.3～0.6MPa，Tb=600～700℃4．排氣行程φ5-6約為230°--260°1）作用：將做功后的廢氣排出缸外，為下一個循環(huán)充入新氣做準(zhǔn)備。2）排氣閥啟閉時刻：下止點前提前開啟，上止點后延后關(guān)閉。c燃燒和膨脹過程d排氣行程小結(jié)在四沖程柴油機中，要經(jīng)歷進氣、壓縮、膨脹、排氣等四個行程才完成一個工作循環(huán)；與此相應(yīng)的是曲軸回轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)，即720?曲軸轉(zhuǎn)角。進氣和排氣沖程均大于180?CA。壓縮與膨脹沖程均小于180?CA。在四個行程中，只有膨脹行程才作功，其余三個行程都要消耗功。因此，在單缸柴油機中，必須有一個足夠大的飛輪來供給這三個行程所需的能量；而在多缸柴油機中，則借助于其他氣缸膨脹作功過程來供給。此外，柴油機由停車狀態(tài)進入工作狀態(tài)，必須借助外源能量的驅(qū)動使其起動運轉(zhuǎn)，直至噴入氣缸的燃油自發(fā)火燃燒，柴油機才能自行運轉(zhuǎn)。（四）柴油機的分類和特點1.按工作循環(huán)分類：四沖程柴油機和二沖程柴油機。

2.按進氣方式分類：非增壓柴油機

增壓無中冷柴油機機械增壓柴油機增壓柴油機廢氣渦輪增壓柴油機增壓帶中冷柴油機（按壓氣機的驅(qū)動方式）復(fù)合增壓柴油機低增壓PK≤0.17MPa

（按增壓壓力PK）中增壓PK＝0.17—0.25MPa

高增壓PK＝0.25—0.35MPa

超高增壓PK＞0.35MPa3.按曲軸轉(zhuǎn)速n及活塞平均速度vm分類

低速柴油機n≤300r/min低速柴油機vm＜6m/sn中速柴油機300＜n≤1000r/minvm中速柴油機vm＝6--9m/s

高速柴油機n＞1000r/min高速柴油機vm≥9m/s

4.按結(jié)構(gòu)特點分類（1）筒形活塞式柴油機與十字頭式柴油機（2）直列式柴油機與V形柴油機（3）可倒轉(zhuǎn)柴油機和不可倒轉(zhuǎn)式柴油機（4）左旋柴油機和右旋柴油機：由飛輪端（功率輸出端）向自由端看，正車時順者右旋或右型柴油機：逆者左旋或左型柴油機。（5）左單列機和右單列機5.按行程缸徑比S/D分類短行程柴油機S/D≤2.5

長行程柴油機2.5＜S/D≤3.0

超長行程柴油機S/D＞3.0筒形活塞式柴油機十字頭式柴油機直列式柴油機V形柴油機

二、四沖程柴油機的工作原理1.四沖程柴油機的工作過程

.活塞走一個行程，曲軸轉(zhuǎn)半轉(zhuǎn)。

.活塞走四個行程，曲軸轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)。

.四沖程柴油機完成一個工作循環(huán)（活塞走四個行程）凸輪軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)。

.所以，曲軸與凸輪軸的轉(zhuǎn)速比為2∶1。

2.四沖程柴油機的氣閥定時（1）定時圓圖：將四沖程柴油機的工作過程按曲柄位置及旋轉(zhuǎn)角度依次繪制在一個圓圖上。這個用曲軸轉(zhuǎn)角表示正時的圓圖叫定時圓圖。那么，氣閥的開啟和關(guān)閉時刻也就可以在這樣的圓圖上表示，即為氣閥定時圓圖。（2）★為了提高進排氣量，進排氣閥的開啟和關(guān)閉都不在上下止點，而是提前開啟、延后關(guān)閉（早開晚關(guān)）。1）進氣閥：進氣持續(xù)角是φ1+180°+φ21開，點1至上止點的角度φ1為進氣提前角；

2關(guān)，下止點至點2的角度φ2為進氣延后角。2）排氣閥：排氣持續(xù)角是φ3+180°+φ4

5開，點5至下止點的角度φ3為排氣提前角；

6關(guān)，上止點至點6的角度φ4為排氣延后角。

3）★無論進排，過程均大于180度曲軸轉(zhuǎn)角；那么，壓膨過程就均小于180度曲軸轉(zhuǎn)角。換氣總角度為450°CA—500°CA.。凸輪作用角為相應(yīng)過程持續(xù)角的1/2。（曲軸與凸輪軸的轉(zhuǎn)速比為2∶1。）進氣凸輪作用角：φ12=（φ1+180+φ2）/2；排氣凸輪作用角：φ34=（φ3+180+φ4）/2；3.四沖程柴油機的氣閥重疊角

（1）氣閥重疊角的定義：在上止點前后的一段的曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，進排氣閥有一個同時打開的角度，稱為氣閥重疊角，它等于φ1+φ4。（2）★兩個唯有：

1)★唯有在上止點前后存在：從氣閥定時圓圖上看，似乎在下止點也有一個氣閥重疊角，即φ3+φ2。這難道不也是一個氣閥重疊角嗎？這種說法是想當(dāng)然。從四沖程柴油機的工作過程可以想見，排氣閥在下止點前開啟時，已經(jīng)歷了壓縮、燃燒、膨脹做功諸過程，而壓縮過程開始于進排氣閥全部關(guān)閉時，此時，進氣閥早就關(guān)閉了。故而，在下止點前后根本不存在氣閥重疊角。

2）★唯有四沖程柴油機存在：二沖程柴油機有沒有氣閥重疊角呢？那是沒有的，原來，二沖程柴油機可以分為彎流和直流兩大類，直流柴油機沒有進氣閥，彎流柴油機不僅沒有進氣閥，連排氣閥都沒有，氣閥重疊角又從何談起？故而，唯有四沖程柴油機擁有一個、也僅此一個在上止點前后的氣閥重疊角。3.四沖程柴油機的氣閥重疊角（3）設(shè)置氣閥重疊角的意義：

1）在氣閥疊開期間，進、排氣管與氣缸相通，利用廢氣流動慣性的作用，在燃燒室內(nèi)形成一定的低壓，造成抽吸新鮮空氣的有利條件，將新氣吸入氣缸。

2）利用吸入的新氣更好地把廢氣掃出氣缸。

3）利用新氣對燃燒室部件進行冷卻。（4）氣閥重疊角的大小：教材P6表1-3名稱非增壓增壓開啟關(guān)閉開啟關(guān)閉進氣閥上止點前15°--30°下止點后10°--30°上止點前40°--80°下止點后20°--40°排氣閥下止點前35°--45°上止點后10°--20°下止點前40°--55°上止點后40°--50°重疊角25°--50°80°--130°三、二沖程柴油機的工作原理活塞走一個行程，曲軸半轉(zhuǎn)。活塞走兩個行程，曲軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)。二沖程柴油機完成一個工作循環(huán)（活塞走兩個行程），凸輪軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)。曲軸與凸輪軸的轉(zhuǎn)速比為1∶1。1.換氣-壓縮過程

活塞由下止點向上運動。在活塞遮住進氣口之前，新鮮空氣充入氣缸，氣缸內(nèi)的廢氣被進入氣缸的掃氣空氣驅(qū)除出去。當(dāng)掃、排氣口被活塞遮閉時，缸內(nèi)的空氣被壓縮，燃油在壓縮終點噴入氣缸燃燒。2.膨脹—換氣行程活塞由高溫高壓的燃?xì)馀蛎浲苿酉滦凶鞴Α．?dāng)活塞下行將排氣口打開時，膨脹過程結(jié)束，廢氣從排氣口迅速排出，缸內(nèi)的廢氣壓力迅速降低。當(dāng)缸內(nèi)壓力下降到接近掃氣壓力時，接著掃氣口打開，新鮮空氣充入氣缸，并將氣缸內(nèi)的廢氣趕出缸外。壹燃燒和膨脹行程占90°—120°曲軸轉(zhuǎn)角；換氣過程占130°—150°曲軸轉(zhuǎn)角；壓縮行程占120°曲軸轉(zhuǎn)角。貳換氣過程活塞不做有效功，相應(yīng)這部分活塞行程容積ΔVS稱為損失容積。(ΔVS就是氣口高度乘以活塞截面積)。在這個容積中，活塞作無效功。叁換氣過程容積損失的多少通常用行程損失系數(shù)φS來表示。

（φS=ΔVS∕VS）肆有效壓縮比：εe=1+(1-φS)VS/VC

3.二沖程柴油機的換氣形式根據(jù)氣流在氣缸中的流動路線，二沖程柴油機的換氣形式可以分為：

（1）簡單橫流掃氣：掃、排在兩側(cè)

特點：缸蓋上沒有進、排氣閥，掃、排氣口分別布置在氣缸兩側(cè)，排氣口高于掃氣口。（2）回流式掃氣：

掃、排下部同一側(cè)

特點：缸蓋上沒有進、排氣閥，掃、排氣口分別布置在氣缸同一側(cè)，排氣口高于掃氣口，掃氣口向下傾斜，活塞制成凹頂。（