第一章柴油机的基础知识Word下载.docx

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在内燃机中燃料的燃烧是在机器内部进行的，燃烧产生的化学能转变为燃烧产物的热能，燃烧产物膨胀直接推动机械运动做功，燃烧产物（燃气）就是做功的工质。

显然在内燃机中两次能量的转换过程均发生在机器内部。

由于采用内部燃烧，从能量转换角度看，内燃机能量损失小，具有较高的热效率，另外，由于内燃机不需要庞大的外围锅炉设备，在尺寸和重量等方面比外燃机具有优越性，因而在与外燃机的竞争中处于有利地位。

内燃机按运转方式和使用燃料的不同可分为柴油机、汽油机、煤气机和燃气轮机等。

3．柴油机

柴油机和汽油机均属于往复式内燃机，它们都具有内燃机的基本优点，但又具有各自的工作特点。

因而它们在工作原理、经济性以及使用范围上均有差异，表1-1即为柴油机与汽油机的比较：

柴油机与汽油机的比较表1-1

柴油机

汽油机

燃料（燃烧工质）

柴油或劣质燃油

汽油

点火方式

压缩自行燃烧

电火花塞点燃

混合气形成方式

气缸内混合

气缸外混合

压缩比

12～22

6～10

有效热效率

0.30～0.55

0.15～0.40

由此可以看出，柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机。

柴油机与其它热机相比，除热

效率高外，还具有如下优点：

（1）功率范围广。

单机功率可从1kW到68000kW不等，因此其应用领域十分广泛。

（2）机动性好。

正常起动只需3s～5s的时间，并能很快达到全负荷，有宽广的转速负荷调节范围，并能直接反转，操作简便，能适应船舶航行的各种要求。

（3）尺寸小、重量轻。

柴油机属内燃机，不需要锅炉等大型的外围附属设备，适合于在

交通运输等动力装置中应用，特别对于船舶，有利于机舱的布置。

柴油机同时也存在如下的缺点：

（1）存在机身振动、轴系扭转振动和噪音。

（2）某些部件的工作条件恶劣，如在高温、高压并有冲击性负荷的条件下工作。

4．柴油机的基本结构参数（图1-1）

（1）上止点（T.D.C）活塞在气缸中运行的最高位置，也就是活塞离曲轴中心线最远的位置。

（2）下止点（B.D.C）活塞在气缸中运行的最低位置，也就是活塞离曲轴中心线最近的位置。

（3）曲柄半径R曲轴的曲柄销中心线与主轴颈中心线的距离。

（4）活塞行程S指活塞从上止点运行到下止点间的直线距离，简称行程。

它等于曲轴曲柄半径R的两倍。

活塞运行一个行程时曲轴转动180°

。

图1-1柴油机基本结构参数

（5）气缸直径D气缸的内径，简称缸径。

（6）行程缸径比S/D活塞行程S与气缸直径D的比值。

（7）余隙高度hc活塞在上止点时活塞的最高顶面与气缸盖底平面之间的垂直距离。

（8）压缩容积Vc活塞在气缸内位于上止点时，在活塞顶上方的全部空间容积，也称为燃烧室容积。

（9）气缸工作容积Vs活塞在气缸中从上止点运行到下止点时所扫过的容积。

显然：

（10）气缸总容积Va活塞在气缸内位于下止点时，活塞顶以上的气缸全部容积。

显然：

Va=Vs+Vc（1-2）

（11）压缩比ε气缸总容积Va与压缩容积Vc之比值，亦称几何压缩比。

即：

目前，柴油机的压缩比一般ε处在12～22，中、高速柴油机的ε高于低速机。

二、四冲程柴油机的工作原理

根据柴油机的工作特点，燃油在柴油机气缸中燃烧作功必须通过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程。

包括上述五个过程的全部热力循环过程称为柴油机工作过程,包括上述五个过程的周而复始的循环叫工作循环。

对往复式柴油机可用P-V示功图清楚地描绘其工作循环中各过程的进行情况。

现将每一工作循环按活塞行程分为四个阶段。

（参阅图1-2）。

1.进气行程。

活塞从上止点下行，进气阀a已打开。

由于活塞下行的抽吸作用，新鲜空气充入气缸。

为了能充入更多的空气，进气阀一般在上止点前提前开启（曲柄位于点1），在下止点后延迟关闭（曲柄位于点2），进气阀开启的延续角度φ1-2（图中阴影线部分）约为220°

～250°

2.压缩行程。

活塞从下止点向上运动，自进气阀a关闭（曲柄到达点2）开始压缩，一

图1-2四冲程柴油机工作原理图

直到活寒到达上止点（曲柄到这点3）为止。

第一行程吸入的新鲜空气经压缩后，压力增

高到3～6MPa，温度升至600～700℃（燃油的自燃温度为210～270℃）。

将压缩终点时的压力和温度分别用符号pc和tc表示。

在压缩过程的后期由喷油器c喷入气缸的燃油与高温空气混合、加热，并自行发火燃烧。

曲轴转角φ2-3表示压缩过程，约为140°

～160°

3.燃烧和膨胀行程。

活塞在上止点附近，由于燃油猛烈燃烧，使气缸内的压力和温度急剧升高，压力约达5～8MPa，甚至13MPa以上，温度约为1400～1800℃或更高些。

将燃烧产生的最高压力称最高爆发压力，简称爆压用pz表示。

高温高压的燃气（即工质）膨胀推动活塞下行而作功。

由于气缸容积逐渐增大使压力下降，在上止点后的某一时刻（曲柄位于点4）燃烧基本结束，此时温度接近最高点。

膨胀一直到排气阀b开启时结束。

与进气阀相同，排气阀b总是在活塞到达下止点前提早开启（曲两位于点5），曲轴转角φ3-4-5表示燃烧和膨胀过程。

4.排气行程。

在上一行程末，排气阀b开启时，活塞尚在下行，废气靠气缸内外压力差经排气阀排出。

当活塞越过下止点开始上行时，活塞将废气推出，排气阀一直延迟到活塞越过上止点后（曲柄位于点6）才关闭。

排气过程用曲轴转角φ5-6表示，约为230°

～260°

在上止点之前，排气阀还没有关闭，进气阀再次打开，又重复第一行程，开始第二个工作循环，以维持柴油机的持续稳定的运转。

虽然进气阀在上止点之前1点打开，但由于此时缸内的气体压力仍高于外界大气压力，气缸内无法进气，只有当缸内气体压力降低到等于或低于外界大气压力时，气缸才开始进气。

由此可见，四冲程非增压柴油机的实际进气始点不是在上止点前而是在上止点后的某一时刻。

四冲程柴油机每完成一个循环，活塞上下运行四次，曲轴转两转，凸轮轴转一转。

将四

图1-3气阀正时圆图冲程柴油机的工作过程按曲柄所在的位置及旋转的角度依次画在一个圆图上，则可得到柴油机的“定时圆图”。

如图1-3所示。

由图1-3可见，为了提高进排气量，进排气阀的开启和关闭均不在上下止点，而是提前开启、延后关闭，进气阀在点1开启、点2关闭；

排气阀在点5开启、点6关闭。

进气阀开启瞬时，曲柄位置与上止点之间的曲轴转角称为进气阀开启提前角，如图中的φ1；

进气阀关闭瞬时，曲柄位置与下止点之间的曲轴转角称为进气阀关闭延后角，如图中的φ2；

依此类推，排气阀开启提前角为φ3，排气阀关闭延后角为φ4。

进气持续角为φ1+180+φ2，排气持续角为φ3+180+φ4，显然，四冲程柴油机的进排气行程所占曲轴转角均大于180°

，换气总曲轴转角角度约为450°

～500°

，而压缩与膨胀行程所占曲轴转角均小于180°

凸轮作用角为相应各过程持续角的1/2。

由图1-3还可看到，在上止点前后的一段曲轴转角内,进、排气阀有一个同时打开的角度,称为进、排气重叠角（气阀重叠角）。

它等于进气提前角+排气滞后角即φ1+φ4,由于此时气缸与进、排气管相通，当排气按惯性流动将近停止时，因新鲜空气冲入气缸，继续将废气清扫出气缸，有利于将气缸内的废气彻底清除，故常称之为“燃烧室扫气”。

此时，由于进入气缸的新群空气温度较低，当它扫过时可以降低柴油机燃烧室部件的热负荷。

当然这时不可避免地会有部分新鲜空气从排气阀流失而降低空气利用率。

增压柴油机因气缸热负荷大，因而常采用加大气阀重叠角的办法，以改善柴油机的工作条件、延长柴油机承受高温部件的工作寿命。

气阀正时不仅取决于柴油机类型、转速、进排气阀凸轮的形状，在实际运转中还由于磨损、间隙以及震动等原因而发生改变，轮机管理人员必须定期进行测量和调整。

柴油机气阀正时和气阀重叠角的范围列于表1-2。

四冲程柴油机气阀重叠角度表1-2

名称

非增压

增压

开启

关闭

关闭

进气阀

上止点前15°

～30°

下止点后10°

上止点前40°

～80°

下止点后20°

～40°

排气阀

下止点前35°

～45°

上止点后10°

～20°

下止点前40°

～50°

上止点后40°

重叠角

25°

80°

～130°

三、二冲程柴油机的工作原理

二冲程柴油机把进气、压缩、燃烧、膨胀、排气过程紧缩在活塞的两个活塞行程内完成，使曲轴角旋转一周就完成一个工作循环。

二冲程柴油机与四冲程柴油机不同，其气缸上设有气口，图1-4中气缸右侧为排气口，左侧为进气口。

排气口比进气口略高，气口的开关均由活塞控制。

此外，二冲程柴油机设有扫气泵，扫气泵预先将空气压缩并送入扫气箱中，扫气箱中的空气压力（扫气压力）要比大气压力高。

1．换气—压缩行程。

活塞由下止点向上运动。

在活塞遮住进气口之前，新鲜空气通过进气口充入气缸并将气缸内的废气经排气口驱除出去。

当活塞上行到将进气口全部遮闭时（点l），新鲜空气就停进入气缸。

当排气口被活塞遮闭后（点2），气缸内的空气就被上行的活塞压缩，压力和温度亦随之升高。

在活塞到达上止点前的某一时刻（点2’），柴油经喷油器喷入气缸，并与高温高压空气混合后着火燃烧。

图1-4二冲程柴油机工作原理在这一行程中，进行了换气（曲线0-1－2）、压缩（曲线2－3）和喷油着火燃烧过程。

2.膨胀—换气行程。

活塞由上止点向下运动。

在此行程的初期，燃烧仍在继续猛烈地进行，到点4才基本结束。

高温高压的燃气膨胀推动活塞下行作功。

当活塞下行将排气口打开时（点5），由于此时缸内的燃气的压力和温度仍较高，分别约为0.5～0.6MPa和600～800℃，因而气缸内燃气藉助于气缸内外的压差经排气口高速排出，缸内的压力也随之下降，当缸内压力下降到接近扫气压力时，下行的活塞将进气口打开。

新鲜空气便通过进气口充入气缸，清扫废气，将气缸内的废气经排气口驱除出去。

这个过程一直要延续到下一个循环活塞再次上行将进气口关闭时为止。

在这一行程中，进行了燃烧与膨胀（曲线3-4-5）、排气图1-5二冲程柴油机正时圆图

（曲线5-6）和部分扫气（曲线6-0）过程。

通常情况下,二冲程柴油机的燃烧和膨胀行程约占