1、轮机概论轮机概论2.12.1柴油机的基本概念柴油机的基本概念2.22.2柴油机的工作原理柴油机的工作原理2.32.3柴油机的主要性能指标柴油机的主要性能指标2.42.4柴油机的分类柴油机的分类2.52.5柴油机在船舶上的应用和发展柴油机在船舶上的应用和发展武汉理工大学航运学院航海专业课程武汉理工大学航运学院航海专业课程第二章第二章周宏基编制周宏基编制第二章第二章 柴油机的基本知识柴油机的基本知识 2.1柴油机的基本概念柴油机的基本概念一、热机的概念一、热机的概念 热机是指把热能转换成机械能的动力机械。典型的热机柴油机汽油机燃气轮机蒸汽机蒸汽轮机内燃机外燃机二二.柴油机与汽油机的比较柴油机与汽油
2、机的比较 表2-1 柴油机与汽油机的比较比较项目比较项目柴油机柴油机 汽油机汽油机 燃料（燃烧工质）燃料（燃烧工质）柴油或劣质燃油柴油或劣质燃油 汽油汽油 点火方式点火方式 压缩自行燃烧压缩自行燃烧 电火花塞点燃电火花塞点燃 混合气形成方式混合气形成方式 气缸内混合气缸内混合 气缸外混合气缸外混合 压缩比压缩比 1222 610 有效热效率有效热效率 0.300.55 0.150.402.2 柴油机的基本组成及工作原理柴油机的基本组成及工作原理 一一.柴油机的基本组成柴油机的基本组成二二.柴油机的常用术语柴油机的常用术语 上止点下止点SVcVsVa 1.上止点（T.D.C.）2.下止点（B.D
3、.C.）3.活塞行程（S）它等于曲轴曲柄半径R的两倍 （S=2R）4.气缸直径（D）5.压缩室容积（V c）6.气缸工作容积（Vs）活塞在气缸中从上止点移动到下止点所扫过的容积 7.气缸总容积（V a），即 V a=V s+V c 8.压缩比（）气缸总容积V a与压缩容积V c之比值，亦称几何压缩比，即：=caVVccsVVV=三三.柴油机的工作原理柴油机的工作原理1.四冲程柴油机工作原理 进气、压缩、燃烧、膨胀、排气五个过程。进气、压缩、燃烧、膨胀、排气五个过程。这五个过程这五个过程构成构成柴油机的一个柴油机的一个基本工作循环。基本工作循环。(1)进气冲程进气冲程(2)压缩冲程压缩冲程(3)
4、燃烧膨胀做功冲程燃烧膨胀做功冲程(4)排气冲程排气冲程一个工作循环，曲柄两转，四个冲程。一个工作循环，曲柄两转，四个冲程。2.四冲程柴油机的气阀正时四冲程柴油机的气阀正时正时：正时：进排气阀在上、下止点前后的启闭时刻叫做气阀正时，用曲柄转角表示气阀正时的圆图叫做气阀正时圆图。进、排气阀开启大于大于180180 曲柄转角。进气阀：上止点前打开，下止点后关闭。进气阀：上止点前打开，下止点后关闭。气阀重叠角：气阀重叠角：进气阀和排气阀在上进气阀和排气阀在上 止点止点 前后的一段时间内是同前后的一段时间内是同 时开启的，这个同时开启的时开启的，这个同时开启的 曲柄转角称为气阀重叠角。曲柄转角称为气阀重
5、叠角。排气阀：下止点前打开，上止点后关闭。排气阀：下止点前打开，上止点后关闭。目目 的：充分进新气。的：充分进新气。目目 的：少耗功，充分排废气。的：少耗功，充分排废气。3.3.二冲程柴油机工作原理二冲程柴油机工作原理 二冲程柴油机把一个工作循环的五个过程在两个冲程内完成。一个工作循环的五个过程在两个冲程内完成。需设扫气泵或鼓风机提高进气压力。1.1.换气换气 压缩冲程压缩冲程2.2.膨胀膨胀换气冲程换气冲程(1)(1)换气过程的特点换气过程的特点换气过程只占冲程的一部分，不大于换气过程只占冲程的一部分，不大于130-150130-150 曲柄转角。曲柄转角。新鲜空气和废气掺混，使部分新鲜空气
6、随废气排出。新鲜空气和废气掺混，使部分新鲜空气随废气排出。进气没有自吸能力，要靠扫气泵或辅助鼓风机。进气没有自吸能力，要靠扫气泵或辅助鼓风机。(2)(2)换气过程换气过程I I：自由排气。：自由排气。：强制排气和扫气。：强制排气和扫气。：过后排气。：过后排气。(3)(3)基本换气形式基本换气形式换气过程：以新鲜空气驱赶并置换废气的过程。换气过程：以新鲜空气驱赶并置换废气的过程。横流扫气横流扫气直流扫气直流扫气4.4.四冲程四冲程(4S)(4S)、二冲程、二冲程(2S)(2S)柴油机对比柴油机对比（1 1）1 1个工作循环内，个工作循环内，4S4S机曲柄转机曲柄转2 2转，转，2S2S机曲柄转机
7、曲柄转1 1转。转。（2 2）相同工作条件下，）相同工作条件下，2S2S机功率约为机功率约为4S4S机的机的1.6-1.71.6-1.7倍。倍。（3 3）2S2S机比机比4S4S机回转均匀。机回转均匀。（4 4）2S2S机比机比4S4S机换气质量差。机换气质量差。（5 5）2S2S机比机比4S4S机结构简单，管理方便。机结构简单，管理方便。（6 6）2S2S机可以使用劣质燃油，动力、经济性好。机可以使用劣质燃油，动力、经济性好。（7 7）2S2S机用作主机，机用作主机，4S4S机可用作主机或发电柴油机。机可用作主机或发电柴油机。1.1.增压的基本概念增压的基本概念增压：就是提高柴油机气缸进气空
8、气的压力，使空气密度增加，从而增加进增压：就是提高柴油机气缸进气空气的压力，使空气密度增加，从而增加进入气缸的空气量。进气量的增加就可以相应增加喷入气缸的燃油量，也就使入气缸的空气量。进气量的增加就可以相应增加喷入气缸的燃油量，也就使得在气缸结构尺寸、转速等条件不变的情况下，提高柴油机功率。得在气缸结构尺寸、转速等条件不变的情况下，提高柴油机功率。2.2.增压的三种形式增压的三种形式(1)(1)机械增压机械增压：直接用柴油机驱动。：直接用柴油机驱动。(2)(2)废气增压：利用柴油机排出的废气驱动涡轮机，由涡轮机带动压气机再增废气增压：利用柴油机排出的废气驱动涡轮机，由涡轮机带动压气机再增压。可
9、以回收部分废气能量，提高经济性。压。可以回收部分废气能量，提高经济性。(3)(3)复合增压：是上两种方式的结合复合增压：是上两种方式的结合。四四.柴油机的柴油机的增压增压图图2-6 废气涡轮增压二冲程柴油机工作原理图废气涡轮增压二冲程柴油机工作原理图3.废气增压工作原理废气增压工作原理废气涡轮增压器废气涡轮增压器4.4.废气增压器的喘振问题废气增压器的喘振问题(1)(1)喘振现象喘振现象 当增压器的压气机在工作时，由于工况的偏离造成气流产生强烈脉动，当增压器的压气机在工作时，由于工况的偏离造成气流产生强烈脉动，并有气体倒流，从而引起压气机工作不稳定，导致压气机振动，并发出异常并有气体倒流，从而
10、引起压气机工作不稳定，导致压气机振动，并发出异常声响的现象。声响的现象。(2)(2)喘振原因喘振原因 根本上是由于压气机的实际流量小于该转速下引起喘振的限制流量，造成根本上是由于压气机的实际流量小于该转速下引起喘振的限制流量，造成气流与叶片的强烈撞击与脱离。气流与叶片的强烈撞击与脱离。气流通道堵塞气流通道堵塞。增压器和柴油机的运行失配增压器和柴油机的运行失配。环境温度变化环境温度变化。各缸负荷严重不均各缸负荷严重不均。增压器和柴油机的运行失配增压器和柴油机的运行失配的常见原因的常见原因 船舶满载、顶风、污底时阻力增加，主机负荷加大，柴油机在低转速高负荷船舶满载、顶风、污底时阻力增加，主机负荷加
11、大，柴油机在低转速高负荷下运行易喘振，可降低油门消除。下运行易喘振，可降低油门消除。在风浪天气发生飞车时，并联和串联增压系统会发生喘振。单独增压系统，在风浪天气发生飞车时，并联和串联增压系统会发生喘振。单独增压系统，螺旋桨入水时也会喘振。螺旋桨入水时也会喘振。操作不当，会造成柴油机和增压器的暂时失配而发生喘振。如高速下停车、操作不当，会造成柴油机和增压器的暂时失配而发生喘振。如高速下停车、主机急速降速、加速过快时易喘振。主机急速降速、加速过快时易喘振。2.3 2.3 柴油机的主要工作指标柴油机的主要工作指标一一.动力性指标动力性指标柴油机的主要工作指标：柴油机的主要工作指标：动力性、经济性、动
12、力性、经济性、可靠性、可靠性、运转性（冷车起动、加速运转性（冷车起动、加速性、加载性和排放性）和耐久性、性、加载性和排放性）和耐久性、重量和外形尺寸等。重量和外形尺寸等。1.平均指示压力平均指示压力pi 平均指示压力是气缸中假定的一个不变的平均压力，它推动活塞在一个平均指示压力是气缸中假定的一个不变的平均压力，它推动活塞在一个行程内所作的功与一个工作循环的指示功相等。行程内所作的功与一个工作循环的指示功相等。2.指示功率指示功率Pi 指示功率是指发动机每单位时间内作用于活塞上的指示功。整台柴油机指示功率是指发动机每单位时间内作用于活塞上的指示功。整台柴油机的指示功率有下面的表达式：的指示功率有
13、下面的表达式：Pi=Cpini （kW）式中：式中：i 气缸数；气缸数；C气缸常数，对法定单位气缸常数，对法定单位C=V hm/60000。n柴油机转速（柴油机转速（r/min）；）；m每转工作行程数，四冲程机每转工作行程数，四冲程机m=1/2，二冲程机，二冲程机m=1。60000nmVphi60000nmVphi3 3.有效功率有效功率P e和机械损失功率和机械损失功率Pm有效功率有效功率P e：从柴油机曲轴飞轮端处测量的功率，又叫轴功率。从柴油机曲轴飞轮端处测量的功率，又叫轴功率。机械损失功率机械损失功率Pm：能量传递过程中损失掉的功率，包括摩擦损失、泵气损失能量传递过程中损失掉的功率，包
14、括摩擦损失、泵气损失和带动辅助机械所消耗的功率。和带动辅助机械所消耗的功率。所以，有效功率也就是指示功率减去机械损失功率所以，有效功率也就是指示功率减去机械损失功率Pm所剩的功率，即：所剩的功率，即：P e=PiPm4.机械效率机械效率miePPimiPPP imPPm=1目前船用柴油机的机械效率为目前船用柴油机的机械效率为70%92%。5.平均有效压力平均有效压力p e 平均有效压力是一个假定不变的力，它推动活塞在一个膨胀行程内所作的平均有效压力是一个假定不变的力，它推动活塞在一个膨胀行程内所作的 功，与一个循环中曲轴所输出的有效功相等。功，与一个循环中曲轴所输出的有效功相等。1.指示耗油率
15、指示耗油率g i柴油机的指示耗油率柴油机的指示耗油率g i表示单位指示功率每小时的耗油量，即：表示单位指示功率每小时的耗油量，即：g i=（kg/kWh）式中：式中：GT柴油机每小时耗油量（柴油机每小时耗油量（kg/h）；）；Pi指示功率（指示功率（kW）。）。二、经济性指标二、经济性指标iTPG2.指示热效率指示热效率i指示热效率是柴油机的实际循环指示功与得到此指示功所消耗的燃料热量之比指示热效率是柴油机的实际循环指示功与得到此指示功所消耗的燃料热量之比值，即：值，即：i=式中：式中：Li指示功（指示功（J）；）；Q i 为得到指示功为得到指示功Li所加入气缸内的总热量（所加入气缸内的总热量
16、（J）;H u所用燃料的低热值所用燃料的低热值42700（kJ/kg）iiQLHugi 36003.有效耗油率有效耗油率g e柴油机的有效耗油率柴油机的有效耗油率g e表示单位有效功率每小时的耗油量，即：表示单位有效功率每小时的耗油量，即：g e=（kg/kWh）eTPGmig 4.有效热效率有效热效率ee e=im=ueHg3600 三、排气污染指标三、排气污染指标一氧化碳一氧化碳CO、碳氢化合物、碳氢化合物HC、氧化氮、氧化氮NO x和二氧化硫和二氧化硫SO2 国际海事组织的国际海事组织的MARPOL73/78公约公约中关于限制船舶柴油机排气污中关于限制船舶柴油机排气污染的最新附则（染的最
17、新附则（1999年年12月月31日开始实施），对船舶柴油机的排放规定如表日开始实施），对船舶柴油机的排放规定如表2-2所示。所示。表表2-2 船舶柴油机排放限制船舶柴油机排放限制排放物排放物 中速机中速机g/kW h低速机低速机g/kW h排放物排放物中速机中速机g/kW h 低速机低速机g/kW hNO x 1217CO2 660660CO 1.61.6SO2 4.2%S 4.2%SHC 0.5 0.5 表中表中S为燃油中的含硫量，且不得大于为燃油中的含硫量，且不得大于1.5%。2.4 柴油机的分类柴油机的分类一一.按工作循环分类按工作循环分类1.1.筒状活塞和十字头式柴油机；筒状活塞和十字
18、头式柴油机；2.2.直列式、直列式、V V型式；型式；高速、中速和低速柴油机高速、中速和低速柴油机高速机：高速机：n1000 r/minn1000 r/min中速机：中速机：300300n1000 r/minn1000 r/min低速机：低速机：n300 r/minn300 r/min筒状活塞式筒状活塞式十字头式十字头式四冲程柴油机和二冲程柴油机四冲程柴油机和二冲程柴油机二二.按结构分类按结构分类三三.按转速分类按转速分类 船用船用柴油机主要品牌柴油机主要品牌MAN B&W （德国）苏尔寿 （瑞士）瓦锡兰 （荷兰）卡特彼勒（美国）YANMAR（日本）三菱重工（日本）一、船舶柴油机的应用一、船舶
19、柴油机的应用 柴油机自上世纪初开始用于商船至今近百年来，由于其热效率高、耗油柴油机自上世纪初开始用于商船至今近百年来，由于其热效率高、耗油量低、尺寸小、重量轻、起动性能好、工作可靠、能适应广泛的功率和转速量低、尺寸小、重量轻、起动性能好、工作可靠、能适应广泛的功率和转速范围等优点，因此获得了巨大的发展。目前，它在大、中、小型船舶上和海范围等优点，因此获得了巨大的发展。目前，它在大、中、小型船舶上和海军舰艇上已被广泛采用。军舰艇上已被广泛采用。柴油机除了作为船舶推进用的主机外，还可作为船舶发电用原动机、应柴油机除了作为船舶推进用的主机外，还可作为船舶发电用原动机、应急救火泵和应急空压机的原动机以
20、及救生艇用的推进机械。船舶主机多采用急救火泵和应急空压机的原动机以及救生艇用的推进机械。船舶主机多采用低速二冲程十字头式柴油机，现在也有一些采用大功率中速四冲程柴油机；低速二冲程十字头式柴油机，现在也有一些采用大功率中速四冲程柴油机；发电用原动机多采用中、高速机；其它则多采用高速机。总之，柴油机的类发电用原动机多采用中、高速机；其它则多采用高速机。总之，柴油机的类型很多，应用于船舶上，一般应根据船舶的大小、类型和用途等来选用。型很多，应用于船舶上，一般应根据船舶的大小、类型和用途等来选用。2.5 柴油机在船舶上的应用和发展柴油机在船舶上的应用和发展1.气缸尺寸采用长行程或超长行程气缸尺寸采用长
21、行程或超长行程 改善燃烧性能，提高经济性。改善燃烧性能，提高经济性。2.燃烧室部件普遍采用钻孔冷却结构燃烧室部件普遍采用钻孔冷却结构 加强冷却效果，有利于提高增压度。加强冷却效果，有利于提高增压度。3.采用旋转式排气阀和液压式气阀传动机构采用旋转式排气阀和液压式气阀传动机构 减低了排气阀的噪音，延长了气阀机构的使用寿命。减低了排气阀的噪音，延长了气阀机构的使用寿命。4.喷油泵采用可变喷油定时（喷油泵采用可变喷油定时（VIT）机构、电子喷油等技术）机构、电子喷油等技术 以便在不同的负荷段获得良好的经济性、排放性。以便在不同的负荷段获得良好的经济性、排放性。5.采用薄壁轴瓦作轴承以提高其工作可靠性
22、采用薄壁轴瓦作轴承以提高其工作可靠性6.采用独立的气缸润滑系统、电子注油系统采用独立的气缸润滑系统、电子注油系统 气缸注油量随负荷自动调整，以保证气缸套的可靠润滑节省滑油消耗和防气缸注油量随负荷自动调整，以保证气缸套的可靠润滑节省滑油消耗和防止结炭、活塞环断裂、扫气箱燃烧等故障。止结炭、活塞环断裂、扫气箱燃烧等故障。二、船舶柴油机的发展二、船舶柴油机的发展7.焊接曲轴焊接曲轴 这是现代曲轴制造工艺的一项重要成就，降低曲轴的成本、和废品率。这是现代曲轴制造工艺的一项重要成就，降低曲轴的成本、和废品率。8.曲轴上增设轴向减振器以有效地消减曲轴的轴向振动。曲轴上增设轴向减振器以有效地消减曲轴的轴向振动。9.智能化。智能化。船用柴油机的发展可概括为：船用柴油机的发展可概括为：以节能为中心，充分兼顾到排放与可靠性的要求，全面提高柴油机的性能。以节能为中心，充分兼顾到排放与可靠性的要求，全面提高柴油机的性能。
