輪機概論 第2章 柴油機的基本知識

1、輪機概論輪機概論2.12.1柴油機的基本概念柴油機的基本概念2.22.2柴油機的工作原理柴油機的工作原理2.32.3柴油機的主要性能指標柴油機的主要性能指標2.42.4柴油機的分類柴油機的分類2.52.5柴油機在船舶上的應用和發(fā)展柴油機在船舶上的應用和發(fā)展武漢理工大學航運學院航海專業(yè)課程武漢理工大學航運學院航海專業(yè)課程第二章第二章周宏基編制周宏基編制第二章第二章 柴油機的基本知識柴油機的基本知識 2.1柴油機的基本概念柴油機的基本概念一、熱機的概念一、熱機的概念 熱機是指把熱能轉換成機械能的動力機械。 典型的熱機柴油機汽油機燃氣輪機蒸汽機蒸汽輪機內(nèi)燃機外燃機二二. 柴油機與汽油機的比較柴油機與

2、汽油機的比較 表2-1 柴油機與汽油機的比較比較項目比較項目柴油機柴油機 汽油機汽油機 燃料（燃燒工質(zhì)）燃料（燃燒工質(zhì)） 柴油或劣質(zhì)燃油柴油或劣質(zhì)燃油 汽油汽油 點火方式點火方式 壓縮自行燃燒壓縮自行燃燒 電火花塞點燃電火花塞點燃 混合氣形成方式混合氣形成方式 氣缸內(nèi)混合氣缸內(nèi)混合 氣缸外混合氣缸外混合 壓縮比壓縮比 1222 610 有效熱效率有效熱效率 0.300.55 0.150.402.2 柴油機的基本組成及工作原理柴油機的基本組成及工作原理 一一. 柴油機的基本組成柴油機的基本組成二二. 柴油機的常用術語柴油機的常用術語 上止點下止點SVcVsVa 1. 上止點（T.D.C.） 2.

3、 下止點（B.D.C.） 3. 活塞行程（S） 它等于曲軸曲柄半徑R的兩倍 （S=2R） 4. 氣缸直徑（D） 5. 壓縮室容積（V c） 6. 氣缸工作容積（Vs） 活塞在氣缸中從上止點移動到下止點所掃過的容積 7. 氣缸總容積（V a），即 V a=V s + V c 8. 壓縮比（） 氣缸總容積V a與壓縮容積V c之比值，亦稱幾何壓縮比，即： =caVVccsVVV = 三三.柴油機的工作原理柴油機的工作原理1.四沖程柴油機工作原理 進氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣五個過程。進氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣五個過程。這五個過程這五個過程構成構成柴油機的一個柴油機的一個基本工作循環(huán)?；竟ぷ餮h(huán)

4、。(1)進氣沖程進氣沖程(2)壓縮沖程壓縮沖程(3)燃燒膨脹做功沖程燃燒膨脹做功沖程(4)排氣沖程排氣沖程一個工作循環(huán)，曲柄兩轉，四個沖程。一個工作循環(huán)，曲柄兩轉，四個沖程。2.四沖程柴油機的氣閥正時四沖程柴油機的氣閥正時正時：正時：進排氣閥在上、下止點前后的啟閉時刻叫做氣閥正時，用曲柄轉角表示氣閥正時的圓圖叫做氣閥正時圓圖。進、排氣閥開啟大于大于180180 曲柄轉角。進氣閥：上止點前打開，下止點后關閉。進氣閥：上止點前打開，下止點后關閉。氣閥重疊角：氣閥重疊角：進氣閥和排氣閥在上進氣閥和排氣閥在上 止點止點 前后的一段時間內(nèi)是同前后的一段時間內(nèi)是同 時開啟的，這個同時開啟的時開啟的，這個同

5、時開啟的 曲柄轉角稱為氣閥重疊角。曲柄轉角稱為氣閥重疊角。排氣閥：下止點前打開，上止點后關閉。排氣閥：下止點前打開，上止點后關閉。 目目 的：充分進新氣。的：充分進新氣。目目 的：少耗功，充分排廢氣。的：少耗功，充分排廢氣。3.3.二沖程柴油機工作原理二沖程柴油機工作原理 二沖程柴油機把一個工作循環(huán)的五個過程在兩個沖程內(nèi)完成。一個工作循環(huán)的五個過程在兩個沖程內(nèi)完成。需設掃氣泵或鼓風機提高進氣壓力。1.1.換氣換氣 壓縮沖程壓縮沖程2.2.膨脹膨脹換氣沖程換氣沖程(1) (1) 換氣過程的特點換氣過程的特點換氣過程只占沖程的一部分，不大于換氣過程只占沖程的一部分，不大于130-150130-15

6、0 曲柄轉角。曲柄轉角。新鮮空氣和廢氣摻混，使部分新鮮空氣隨廢氣排出。新鮮空氣和廢氣摻混，使部分新鮮空氣隨廢氣排出。進氣沒有自吸能力，要靠掃氣泵或輔助鼓風機。進氣沒有自吸能力，要靠掃氣泵或輔助鼓風機。(2) (2) 換氣過程換氣過程I I：自由排氣。：自由排氣。 ：強制排氣和掃氣。：強制排氣和掃氣。 ：過后排氣。：過后排氣。 (3)(3)基本換氣形式基本換氣形式換氣過程：以新鮮空氣驅趕并置換廢氣的過程。換氣過程：以新鮮空氣驅趕并置換廢氣的過程。橫流掃氣橫流掃氣直流掃氣直流掃氣4.4.四沖程四沖程(4S)(4S)、二沖程、二沖程(2S)(2S)柴油機對比柴油機對比（1 1）1 1個工作循環(huán)內(nèi)，個

7、工作循環(huán)內(nèi)，4S4S機曲柄轉機曲柄轉2 2轉，轉，2S2S機曲柄轉機曲柄轉1 1轉。轉。（2 2）相同工作條件下，）相同工作條件下，2S2S機功率約為機功率約為4S4S機的機的1.6-1.71.6-1.7倍。倍。（3 3）2S2S機比機比4S4S機回轉均勻。機回轉均勻。（4 4）2S2S機比機比4S4S機換氣質(zhì)量差。機換氣質(zhì)量差。（5 5）2S2S機比機比4S4S機結構簡單，管理方便。機結構簡單，管理方便。（6 6）2S2S機可以使用劣質(zhì)燃油，動力、經(jīng)濟性好。機可以使用劣質(zhì)燃油，動力、經(jīng)濟性好。（7 7）2S2S機用作主機，機用作主機，4S4S機可用作主機或發(fā)電柴油機。機可用作主機或發(fā)電柴油機

8、。1.1.增壓的基本概念增壓的基本概念增壓：就是提高柴油機氣缸進氣空氣的壓力，使空氣密度增加，從而增加進增壓：就是提高柴油機氣缸進氣空氣的壓力，使空氣密度增加，從而增加進入氣缸的空氣量。進氣量的增加就可以相應增加噴入氣缸的燃油量，也就使入氣缸的空氣量。進氣量的增加就可以相應增加噴入氣缸的燃油量，也就使得在氣缸結構尺寸、轉速等條件不變的情況下，提高柴油機功率。得在氣缸結構尺寸、轉速等條件不變的情況下，提高柴油機功率。2.2.增壓的三種形式增壓的三種形式(1)(1)機械增壓機械增壓：直接用柴油機驅動。：直接用柴油機驅動。(2)(2)廢氣增壓：利用柴油機排出的廢氣驅動渦輪機，由渦輪機帶動壓氣機再增廢

9、氣增壓：利用柴油機排出的廢氣驅動渦輪機，由渦輪機帶動壓氣機再增壓?？梢曰厥詹糠謴U氣能量，提高經(jīng)濟性。壓?？梢曰厥詹糠謴U氣能量，提高經(jīng)濟性。(3)(3)復合增壓：是上兩種方式的結合復合增壓：是上兩種方式的結合。四四.柴油機的柴油機的增壓增壓圖圖2-6 廢氣渦輪增壓二沖程柴油機工作原理圖廢氣渦輪增壓二沖程柴油機工作原理圖3. 廢氣增壓工作原理廢氣增壓工作原理廢氣渦輪增壓器廢氣渦輪增壓器4.4.廢氣增壓器的喘振問題廢氣增壓器的喘振問題(1)(1)喘振現(xiàn)象喘振現(xiàn)象 當增壓器的壓氣機在工作時，由于工況的偏離造成氣流產(chǎn)生強烈脈動，當增壓器的壓氣機在工作時，由于工況的偏離造成氣流產(chǎn)生強烈脈動，并有氣體倒流，

10、從而引起壓氣機工作不穩(wěn)定，導致壓氣機振動，并發(fā)出異常并有氣體倒流，從而引起壓氣機工作不穩(wěn)定，導致壓氣機振動，并發(fā)出異常聲響的現(xiàn)象。聲響的現(xiàn)象。(2)(2)喘振原因喘振原因 根本上是由于壓氣機的實際流量小于該轉速下引起喘振的限制流量，造成根本上是由于壓氣機的實際流量小于該轉速下引起喘振的限制流量，造成氣流與葉片的強烈撞擊與脫離。氣流與葉片的強烈撞擊與脫離。氣流通道堵塞氣流通道堵塞。增壓器和柴油機的運行失配增壓器和柴油機的運行失配。環(huán)境溫度變化環(huán)境溫度變化。各缸負荷嚴重不均各缸負荷嚴重不均。增壓器和柴油機的運行失配增壓器和柴油機的運行失配的常見原因的常見原因 船舶滿載、頂風、污底時阻力增加，主機負

11、荷加大，柴油機在低轉速高負荷船舶滿載、頂風、污底時阻力增加，主機負荷加大，柴油機在低轉速高負荷下運行易喘振，可降低油門消除。下運行易喘振，可降低油門消除。 在風浪天氣發(fā)生飛車時，并聯(lián)和串聯(lián)增壓系統(tǒng)會發(fā)生喘振。單獨增壓系統(tǒng)，在風浪天氣發(fā)生飛車時，并聯(lián)和串聯(lián)增壓系統(tǒng)會發(fā)生喘振。單獨增壓系統(tǒng)，螺旋槳入水時也會喘振。螺旋槳入水時也會喘振。 操作不當，會造成柴油機和增壓器的暫時失配而發(fā)生喘振。如高速下停車、操作不當，會造成柴油機和增壓器的暫時失配而發(fā)生喘振。如高速下停車、主機急速降速、加速過快時易喘振。主機急速降速、加速過快時易喘振。2.3 2.3 柴油機的主要工作指標柴油機的主要工作指標一一. .動力

12、性指標動力性指標柴油機的主要工作指標：柴油機的主要工作指標：動力性、經(jīng)濟性、動力性、經(jīng)濟性、可靠性、可靠性、運轉性（冷車起動、加速運轉性（冷車起動、加速性、加載性和排放性）和耐久性、性、加載性和排放性）和耐久性、重量和外形尺寸等。重量和外形尺寸等。1. 平均指示壓力平均指示壓力pi 平均指示壓力是氣缸中假定的一個不變的平均壓力，它推動活塞在一個平均指示壓力是氣缸中假定的一個不變的平均壓力，它推動活塞在一個行程內(nèi)所作的功與一個工作循環(huán)的指示功相等。行程內(nèi)所作的功與一個工作循環(huán)的指示功相等。 2. 指示功率指示功率Pi 指示功率是指發(fā)動機每單位時間內(nèi)作用于活塞上的指示功。整臺柴油機指示功率是指發(fā)動

13、機每單位時間內(nèi)作用于活塞上的指示功。整臺柴油機的指示功率有下面的表達式：的指示功率有下面的表達式： Pi=Cpini （kW）式中：式中： i 氣缸數(shù)；氣缸數(shù)； C氣缸常數(shù)，對法定單位氣缸常數(shù)，對法定單位C=V hm / 60000。 n柴油機轉速（柴油機轉速（r / min）；）； m每轉工作行程數(shù)，四沖程機每轉工作行程數(shù)，四沖程機m=1/2，二沖程機，二沖程機m=1。60000nmVphi60000nmVphi3 3. .有效功率有效功率P e和機械損失功率和機械損失功率Pm有效功率有效功率P e ：從柴油機曲軸飛輪端處測量的功率，又叫軸功率。從柴油機曲軸飛輪端處測量的功率，又叫軸功率。機

14、械損失功率機械損失功率Pm：能量傳遞過程中損失掉的功率，包括摩擦損失、泵氣損失能量傳遞過程中損失掉的功率，包括摩擦損失、泵氣損失和帶動輔助機械所消耗的功率。和帶動輔助機械所消耗的功率。 所以，有效功率也就是指示功率減去機械損失功率所以，有效功率也就是指示功率減去機械損失功率Pm所剩的功率，即：所剩的功率，即：P e = PiPm4. 機械效率機械效率miePPimiPPP imPPm = = 1目前船用柴油機的機械效率為目前船用柴油機的機械效率為70%92%。 5. 平均有效壓力平均有效壓力p e 平均有效壓力是一個假定不變的力，它推動活塞在一個膨脹行程內(nèi)所作的平均有效壓力是一個假定不變的力，

15、它推動活塞在一個膨脹行程內(nèi)所作的 功，與一個循環(huán)中曲軸所輸出的有效功相等。功，與一個循環(huán)中曲軸所輸出的有效功相等。1. 指示耗油率指示耗油率g i柴油機的指示耗油率柴油機的指示耗油率g i表示單位指示功率每小時的耗油量，即：表示單位指示功率每小時的耗油量，即： g i= （ kg/kWh）式中：式中：GT柴油機每小時耗油量（柴油機每小時耗油量（kg/h）；）； Pi指示功率（指示功率（kW）。）。二、經(jīng)濟性指標二、經(jīng)濟性指標iTPG2. 指示熱效率指示熱效率i指示熱效率是柴油機的實際循環(huán)指示功與得到此指示功所消耗的燃料熱量之比指示熱效率是柴油機的實際循環(huán)指示功與得到此指示功所消耗的燃料熱量之比

16、值，即：值，即： i= =式中：式中：Li指示功（指示功（J）；）； Q i 為得到指示功為得到指示功Li所加入氣缸內(nèi)的總熱量（所加入氣缸內(nèi)的總熱量（J）; H u所用燃料的低熱值所用燃料的低熱值42700 （kJ/kg） iiQLHugi 36003. 有效耗油率有效耗油率g e柴油機的有效耗油率柴油機的有效耗油率g e表示單位有效功率每小時的耗油量，即：表示單位有效功率每小時的耗油量，即： g e= （kg/kWh）eTPGmig 4. 有效熱效率有效熱效率ee e= = im = =ueHg3600 三、排氣污染指標三、排氣污染指標一氧化碳一氧化碳CO、碳氫化合物、碳氫化合物HC、氧化氮

17、、氧化氮NO x和二氧化硫和二氧化硫SO2 國際海事組織的國際海事組織的MARPOL73/78公約公約中關于限制船舶柴油機排氣污中關于限制船舶柴油機排氣污染的最新附則（染的最新附則（1999年年12月月31日開始實施），對船舶柴油機的排放規(guī)定如表日開始實施），對船舶柴油機的排放規(guī)定如表2-2所示。所示。表表2-2 船舶柴油機排放限制船舶柴油機排放限制排放物排放物 中速機中速機g / kW h低速機低速機g / kW h排放物排放物中速機中速機g / kW h 低速機低速機g / kW hNO x 1217CO2 660660CO 1.61.6SO2 4.2%S 4.2%SHC 0.5 0.5

18、表中表中S為燃油中的含硫量，且不得大于為燃油中的含硫量，且不得大于1.5%。2.4 柴油機的分類柴油機的分類一一. 按工作循環(huán)分類按工作循環(huán)分類1.1.筒狀活塞和十字頭式柴油機；筒狀活塞和十字頭式柴油機；2.2.直列式、直列式、V V型式；型式； 高速、中速和低速柴油機高速、中速和低速柴油機高速機：高速機：n1000 r/minn1000 r/min中速機：中速機：300300n1000 r/minn1000 r/min低速機：低速機：n300 r/minn300 r/min筒狀活塞式筒狀活塞式十字頭式十字頭式四沖程柴油機和二沖程柴油機四沖程柴油機和二沖程柴油機二二. 按結構分類按結構分類三三

19、. 按轉速分類按轉速分類 船用船用柴油機主要品牌柴油機主要品牌MAN B&W （德國）蘇爾壽 （瑞士）瓦錫蘭 （荷蘭）卡特彼勒（美國）YANMAR （日本）三菱重工（日本）一、船舶柴油機的應用一、船舶柴油機的應用 柴油機自上世紀初開始用于商船至今近百年來，由于其熱效率高、耗油柴油機自上世紀初開始用于商船至今近百年來，由于其熱效率高、耗油量低、尺寸小、重量輕、起動性能好、工作可靠、能適應廣泛的功率和轉速量低、尺寸小、重量輕、起動性能好、工作可靠、能適應廣泛的功率和轉速范圍等優(yōu)點，因此獲得了巨大的發(fā)展。目前，它在大、中、小型船舶上和海范圍等優(yōu)點，因此獲得了巨大的發(fā)展。目前，它在大、中、小型

20、船舶上和海軍艦艇上已被廣泛采用。軍艦艇上已被廣泛采用。 柴油機除了作為船舶推進用的主機外，還可作為船舶發(fā)電用原動機、應柴油機除了作為船舶推進用的主機外，還可作為船舶發(fā)電用原動機、應急救火泵和應急空壓機的原動機以及救生艇用的推進機械。船舶主機多采用急救火泵和應急空壓機的原動機以及救生艇用的推進機械。船舶主機多采用低速二沖程十字頭式柴油機，現(xiàn)在也有一些采用大功率中速四沖程柴油機；低速二沖程十字頭式柴油機，現(xiàn)在也有一些采用大功率中速四沖程柴油機；發(fā)電用原動機多采用中、高速機；其它則多采用高速機。總之，柴油機的類發(fā)電用原動機多采用中、高速機；其它則多采用高速機?？傊?，柴油機的類型很多，應用于船舶上，一般應根據(jù)船舶的大小、類型和用途等來選用。型很多，應用于船舶上，一般應根據(jù)船舶的大小、類型和用途等來選用。2.5 柴油機在船舶上的應用和發(fā)展柴油機在船舶上的應用和發(fā)展1. 氣缸尺寸采用長行程或超長行程氣缸尺寸采用長行程或超長行程 改善燃燒性能，提高經(jīng)濟性。改善燃燒性能，提高經(jīng)濟