柴油机基本知识课件

船舶柴油机第一章第一章柴油机基本知识柴油机基本知识 船舶柴油机第一章1功率：功率：70000KWL：25MH：13MB：7M功率：70000KW2第一节第一节 柴油机总论柴油机总论二、柴油机的类型四、柴油机在船舶动力装置中的应用三、船用柴油机的标号一、柴油机的基本概念第一节 柴油机总论二、柴油机的类型四、柴油机在船舶动力装置中3轮机概论轮机概论 4 热机热机 (Thermal Engine)：将热能转换为机械能的动力机械。热机内燃机(Internal combustion engine)外燃机(External combustion engine)汽油机(Gasoline engine)柴油机(Diesel engine)蒸汽机(Steam engine)蒸汽轮机(Steam turbine engine)燃气轮机(Gas turbine engine)第一节第一节 柴油机总论柴油机总论柴油机的基本概念轮机概论 4 热机(Thermal Engine)：将4第一节第一节 柴油机总论柴油机总论柴油机：柴油机：是一种压缩发火的往复式内燃机。使用柴油或劣质油做燃料，在气缸内与空气混合形成可燃混合气，缸内燃烧采用压燃式发火(Compression(Compression ignition)ignition)。柴油机在热机中具有最高的热效率。柴油机在热机中具有最高的热效率。柴油机柴油机柴油机的优点：1 1 经济性好。经济性好。2 2 功率范围宽广功率范围宽广3 3 尺寸小，重量轻尺寸小，重量轻4 4 机动性好机动性好,适应船舶航行的各种工况要求适应船舶航行的各种工况要求5 5 可靠性高，寿命长，维修方便可靠性高，寿命长，维修方便柴油机的缺点：振动和噪音振动和噪音工作条件恶劣工作条件恶劣第一节 柴油机总论柴油机：是一种压缩发火的往复式内燃机。使用5 6 固定部件(Fixed parts)气缸盖气缸体、汽缸套机架机座等运动部件(Moving parts)活塞组件连杆曲轴第一节第一节 柴油机总论柴油机总论柴油机的基柴油机的基本组成本组成柴油机的基本结构 6 固定部件(Fixed parts)气缸盖气缸体、6 7 第二章第二章 船舶柴油机动力装置船舶柴油机动力装置燃烧室组件气缸盖(Cylinder cover)气缸(Cylinder)活塞(Piston)往复回转活塞(Piston)连杆(Connecting rod)曲轴(Crankshaft)辅助装置启动系统(Starting sys.)燃油系统(F.O sys)滑油系统(L.O sys)冷却系统(Cooling sys.)操纵机构、换向机构第一节第一节 柴油机总论柴油机总论柴油机的基柴油机的基本组成本组成 7 第二章 船舶柴油机动力装置燃烧室组件气缸盖(Cy7第一节第一节 柴油机总论柴油机总论柴油机的柴油机的基本结构基本结构参数参数上止点上止点(Top Dead Center,TDC)：活塞在气缸中运动到最上端位置，也就是活塞离曲轴中心线最远的位置。下止点下止点(Bottom Dead Center,BDC)：活塞在气缸中运动到最下端位置，也就是活塞离曲轴中心线最近的位置。行程行程(Stroke)：活塞从上止点移动到下止点的距离。行程等于曲轴曲柄半径的2倍。活塞移动一个行程，曲轴转180。VsVas上止点下止点Vc第一节 柴油机总论柴油机的基本结构参数上止点(Top De8(8)气缸总容积(）(9)压缩比(4)缸径(D)(5)气缸余隙容积(V)(6)余隙高度(顶隙)(7)气缸工作容积（）第一节第一节 柴油机总论柴油机总论柴油机的柴油机的基本结构基本结构参数参数气缸总容积与压缩室容积之比值:(8)气缸总容积(）(9)压缩比(4)缸径(D)(9第一节第一节 柴油机总论柴油机总论柴油机的类型1、四冲程柴油机和二冲程柴油机（按工作循环分）2、低速、中速和高速柴油机（按柴油机的转速分）7、增压柴油机和非增压柴油机3、筒形活塞式和十字头式柴油机（按柴油机的结构特点分）4、直列式和V型柴油机（按柴油机汽缸的排列分）5、右旋和左旋柴油机6、可逆转和不可逆转柴油机第一节 柴油机总论柴油机的类型1、四冲程柴油机和二冲程柴油机10第一节第一节 柴油机总论柴油机总论直列四冲程柴油机V型四冲程柴油机第一节 柴油机总论直列四冲程柴油机V型四冲程柴油机11第一节第一节 柴油机总论柴油机总论二冲程柴油机第一节 柴油机总论二冲程柴油机12第一节第一节 柴油机总论柴油机总论低速柴油机 300r/min Vmm/s中速柴油机 3001,000 r/min Vm m/sm/s高速柴油机 n1,000 r/min Vm9 m/s第一节 柴油机总论低速柴油机13第一节第一节 柴油机总论柴油机总论筒形活塞式 十字头式直列机V型机第一节 柴油机总论筒形活塞式十字头式直列机V型机14第一节第一节 柴油机总论柴油机总论船用柴油船用柴油机的标号机的标号国产柴油机 低速柴油机 6ESDZ43/82B国外柴油机 SULZER（NSD）-RD，RND，RLA，RTAMAN-B&W-MC,L-MC/MCE,S-MC-C三菱-UEC第一节 柴油机总论船用柴油机的标号国产柴油机 15第一节第一节 柴油机总论柴油机总论柴油机在船舶柴油机在船舶动力装置中的动力装置中的应用应用在船舶动力装置中占绝对的主导地位，目前占在船舶动力装置中占绝对的主导地位，目前占98%98%以上的份额以上的份额主要造机公司：低速机 MAN B&W公司 Wrtsil瑞士公司 三菱公司（日本）中速机 Wrtsil瑞士公司 MAN B&W公司 德国的Mak公司目前技术发展方向：经济性 可靠性 电子技术 排放控制 第一节 柴油机总论柴油机在船舶动力装置中的应用在船舶动力装置16第二节 柴油机热力循环和工作原理一、柴油机理论循环和实际循环二、四冲程柴油机工作原理三、二冲程柴油机工作原理四、二冲程柴油机的换气形式第二节 柴油机热力循环和工作原理一、柴油机理论循环和实际循环17第二节 柴油机热力循环和工作原理柴油机理论循柴油机理论循环和实际循环环和实际循环1、柴油机理论循环定容加热循环定压加热循环 混合加热循环（现代柴油机循环）第二节 柴油机热力循环和工作原理柴油机理论循环和实际循环1、18继续膨胀循环第二节 柴油机热力循环和工作原理继续膨胀循环第二节 柴油机热力循环和工作原理19理论循环的热效率第二节 柴油机热力循环和工作原理式中：压缩比压力升高比初期膨胀比工质绝热指数理论循环的热效率第二节 柴油机热力循环和工作原理式中：20第二节 柴油机热力循环和工作原理2、柴油机实际循环6、其他损失1、工质的影响工质的成分变化；工质比热的变化；工质的高温分解；工质分子数的变化2、气缸壁的传热损失3、换气损失4、燃烧损失5、泄漏损失第二节 柴油机热力循环和工作原理2、柴油机实际循环6、其他损21第二节 柴油机热力循环和工作原理基本工作原理：基本工作原理：采用压缩发火使燃料在气缸内燃烧，产生高温、高压的燃气工质在气缸中膨胀推动活塞作往复运动，再通过活塞连杆曲柄机构将往复运动转变为曲轴的回转运动，从而对外界做功。柴油机工作过程柴油机工作过程(Working process)：燃油在柴油机气缸中燃烧必须通过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程的全部热力循环过程。二冲程柴油机二冲程柴油机(Two-stroke diesel engine)：用活塞的两个行程完成柴油机的一个工作循环的柴油机。四冲程柴油机四冲程柴油机(Four-stroke diesel engine)：用活塞的四个行程完成柴油机的一个工作循环的柴油机。柴油机工柴油机工作原理作原理第二节 柴油机热力循环和工作原理基本工作原理：采用压缩发火使22第二节 柴油机热力循环和工作原理第一行程-进气行程进气行程(Inlet stroke)：活塞从上止点下行，进气阀打开，排气阀关闭，新鲜空气进入气缸。进气阀在上止点前打开，下止点后关闭，进气持续220-250曲轴转角。四冲程柴四冲程柴油机工作油机工作原理原理第二节 柴油机热力循环和工作原理第一行程-进气行程(Inl23第二节 柴油机热力循环和工作原理第二行程-压缩行程压缩行程(Compression stroke)：活塞从上止点上行，进气阀关闭，排气阀关闭。气缸内空气空气被压缩，压力3-6MPa，温度600-700C。压缩后期喷油器喷油，燃油与空气混合、加热、自行发火燃烧。压缩过程持续140-160曲轴转角。第二节 柴油机热力循环和工作原理第二行程-压缩行程(Com24第二节 柴油机热力循环和工作原理第三行程-燃烧和膨胀行程燃烧和膨胀行程(Combustion&expansion stroke)：燃油猛烈燃烧，气缸内燃气燃气压力5-8MPa，温度1400-1800C。高温高压的燃气膨胀推动活塞下行做功。膨胀过程在排气阀开启时结束。该行程持续120-140曲轴转角。第二节 柴油机热力循环和工作原理第三行程-燃烧和膨胀行程(25第二节 柴油机热力循环和工作原理第四行程-排气行程排气行程(Exhaust stroke)：进气阀关闭，排气阀打开。图中5-下止点，活塞下行，废气靠压差排出。活塞自下止点上行，废气被活塞排出气缸。排气阀在上止点后关闭。该行程持续230-260曲轴转角。第二节 柴油机热力循环和工作原理第四行程-排气行程(Exh26四冲程柴油机一个工作循环，曲柄回转两转，四个行程四冲程柴油机一个工作循环，曲柄回转两转，四个行程中只有第三行程对外做功。其它三个行程运动所需的能量，对于多缸柴油机来源于正在做功的气缸，而对于单缸柴油机则来源于曲轴上的飞轮(Flywheel)。第二节 柴油机热力循环和工作原理四冲程柴油机一个工作循环，曲柄回转两转，四个行程中只有第三行27第二节 柴油机热力循环和工作原理 气阀定时和气阀重叠角气阀定时和气阀重叠角气阀正时圆图61521432下止点上止点正时正时(Timing)：进、排气阀的启闭时刻称为气阀正时。以上、下止点前后曲柄转角表示(称为气阀提前角、滞后角)。排气持续角e=3+180+4气阀的提前开启与延后关闭是为了将废气排除干净、增加空气的吸入量，利于燃油的燃烧，减少排气耗功。气阀重叠角气阀重叠角(Angle of valve overlap)：进上止点前后进气阀和排气阀同时开启，这段重叠着的曲柄转角称为气阀重叠角。气阀重叠可实现燃烧室扫气。第二节 柴油机热力循环和工作原理 气阀定时和气阀重叠角气阀正28第二节 柴油机热力循环和工作原理 只有压缩和膨胀行程，取消吸、排气行程二冲程柴二冲程柴油机工作油机工作原理原理第二节 柴油机热力循环和工作原理 只有压缩和膨胀行程，取29第二节 柴油机热力循环和工作原理 四冲程与二冲程柴油机的比较四冲程与二冲程柴油机的比较:l二冲程机的热负荷比四冲程机高 二冲程柴油机功率大，约为四冲程机的 1.6倍1.8倍。二冲程柴油机回转比四冲程机均匀 二冲程柴油机的换气机构较简单 二冲程柴油机的换气质量较四冲程机差第二节 柴油机热力循环和工作原理 四冲程与二冲程柴油机的比较30第二节 柴油机热力循环和工作原理二冲程柴油二冲程柴油机的换气形机的换气形式式柴油机的换气柴油机的换气:换气过程换气过程(Gas exchange process)：每个工作循环必须排出废气、吸入新鲜空气，从排气过程、扫气过程到进气过程结束的整个气体交换过程。4S机换气质量好。2S机换气与排气同时进行，新气与废气混合，换气质量差。2S机的换气形式包括：简单横流扫气、回流扫气、半回流扫气、直流扫气。换气过程:第二节 柴油机热力循环和工作原理二冲程柴油机的换气形式柴油机31(1)简单横流扫气(Cross/transverse scavenging)(2)回流扫气(Loop scavenging)(3)半回流扫气(Hemi-loop scavenging)(4)排气阀-扫气口直流流扫气(Exhaust valve-scavenge port uniflow scavenging)第二节 柴油机热力循环和工作原理(1)(2)(3)(4)(1)简单横流扫气(Cross/transverse sc32第三节第三节 柴油机的性能指标和工作参数柴油机的性能指标和工作参数 柴油机的性能通常可以从动力性、经济性、运转性、可靠性和耐久性加以衡量。本节着重分析动力性和经济性指标。一、指示指标 二、有效指标 三、其它常用参数第三节 柴油机的性能指标和工作参数 柴油机的性能通常可33第三节第三节 柴油机的性能指标和工作参数柴油机的性能指标和工作参数一、指示指标l1平均指示压力l2指示功率l3指示热效率和指示油耗率b()指示指标 以气缸内示功图所表示的工作循环 指示功为基础，主要用来评定缸内 工作循环的完善程度。第三节 柴油机的性能指标和工作参数一、指示指标1平均指示34第三节第三节 柴油机的性能指标和工作参数柴油机的性能指标和工作参数1、平均指示压力 假定一个数值不变的压力作用在活塞上，在一个膨胀行程内所作的功与一个工作循环的指示功相等，这个假想的压力就称为平均指示压力 Lp （或）pL/()L/V(Pa）第三节 柴油机的性能指标和工作参数1、平均指示压力 35第三节第三节 柴油机的性能指标和工作参数柴油机的性能指标和工作参数2指示功率l指示功率是指柴油机气缸内的工质在单位时间内所作的指示功(kW)l柴油机每个气缸每个工作循环工质所作的指示功iis（）单缸指示功率 Pi/60（）或 Pi/60000（）整机指示功率 pVnmi/60,000（）每转工作行程数，四冲程机m；二冲程机；令气缸常数 C=（）第三节 柴油机的性能指标和工作参数2指示功率指示功率36第三节第三节 柴油机的性能指标和工作参数柴油机的性能指标和工作参数l指示热效率为指示功的热当量与相应消耗的燃料热量之比值 /吸入l对于一台柴油机，当测得和B时 3,600Pi/BHB每小时油耗量，；所用燃料低热值，通常取42,700；l指示油耗率 以一千瓦指示功率每小时 消耗的燃油量表示 （）第三节 柴油机的性能指标和工作参数指示热效率为指示功的热当37第三节第三节 柴油机的性能指标和工作参数柴油机的性能指标和工作参数二、有效指标1 有效功率Pe2 平均有效压力pe3 有效热效率e和有效油耗率b e 有效指标是以在柴油机输出轴上所得到的 有效功为基础的，它既考虑热损失也考虑 机械损失，它是评定柴油机工作性能的最 终指标。第三节 柴油机的性能指标和工作参数二、有效指标1 有效38第三节第三节 柴油机的性能指标和工作参数柴油机的性能指标和工作参数1、有效功率Pe和机械效率ml有效功率 从柴油机曲轴飞轮端传出的功率，用P e表示。l机械损失功率 作用在活塞上的指示功率传递到曲轴的(有效功率)过程中所损失的功率。(1)摩擦损失 (2)拖动损失功率 (3)泵气损失功率 =e机械效率 是有效功率与指示功率P之比值 影响机械效率的因素:柴油机负荷 转速 滑油温度 冷却水温度第三节 柴油机的性能指标和工作参数1、有效功率Pe和机械效39第三节第三节 柴油机的性能指标和工作参数柴油机的性能指标和工作参数2、平均有效压力l平均有效压力是柴油机在每一工作循环每单位气缸工作容积所作的有效功/平均机械损失压力/的数值取决于工作循环进行的完善程度和 机械损失的大小，它是衡量柴油机作功能力的 重要参数。第三节 柴油机的性能指标和工作参数2、平均有效压力平均40第三节第三节 柴油机的性能指标和工作参数柴油机的性能指标和工作参数3、有效燃油消耗率和有效热效率l有效油耗率是每一千瓦有效功率每小时所消耗的燃油量，单位是kgkwhl有效热效率是指曲轴有效功与所消耗的热量之比，第三节 柴油机的性能指标和工作参数3、有效燃油消耗率和41第三节第三节 柴油机的性能指标和工作参数柴油机的性能指标和工作参数三、柴油机的其他常用工作参数6压缩比1最高爆发压力2排气温度t3活塞平均速度4行程缸径比S/D5强化系数第三节 柴油机的性能指标和工作参数三、柴油机的其他常用工作42第四节 船用柴油机的发展17761776年年 瓦特蒸汽机瓦特蒸汽机 18761876年年 奥托四冲程奥托四冲程 煤气机煤气机 18801880年年 D.ClerkD.Clerk J.RobsonJ.Robson K.BenzK.Benz二冲程内燃机二冲程内燃机18921892年年 RudolfDieselRudolfDiesel压缩发火内燃机压缩发火内燃机 18971897年年MANMAN公司公司 首次使用柴油机首次使用柴油机 19041904年柴油机首次年柴油机首次 用于船舶推进装置用于船舶推进装置 19271927年在柴油机上正年在柴油机上正 式使用式使用BoschBosch喷油泵喷油泵 19271927年年MANMAN公司制造了公司制造了 废气涡轮增压器废气涡轮增压器 2020世纪世纪5050年代中后期四项年代中后期四项 重大技术：大缸径、焊接重大技术：大缸径、焊接 结构、透平技术、劣质燃油结构、透平技术、劣质燃油 2020世纪世纪6060、7070年代年代 电子控制技术的使用电子控制技术的使用 20002000年以后年以后 智能型柴油机的使用智能型柴油机的使用 第四节 船用柴油机的发展1776年 1876年 1880年43