柴油机基本知识课件

模块一模块一 柴油机基本知识柴油机基本知识教学目标教学目标：1、具有柴油机基本知识、基本工作原理的能力；2、具有认识柴油机总体机构的能力；3、具有分析柴油机性能指标、工作参数的能力。重点重点：二冲程、四冲程柴油机的工作原理及性能比较，分类、基本概念。难点难点：定时圆图、各性能指标的理解。主要内容任务一任务一 柴油机总体机构认识柴油机总体机构认识任务二任务二 柴油机工作原理柴油机工作原理任务三任务三 拓展性理论知识拓展性理论知识一、船舶柴油机的总体结构主要运动机件：主要有活塞组、十字头组、连杆组和曲轴飞轮组。主要固定机件：主要有机座、机架、气缸体、扫气箱和气缸盖。换气和增压系统：主要有增压器、中冷器、气门机构、凸轮轴组和进排气管。喷油系统：主要有喷油泵、凸轮轴组和喷油器等。滑油系统：主要有滑油泵、滑油冷却器、滑油滤清器等。冷却系统：主要有淡水泵、海水泵、冷却管路。操纵系统：由起动装置、调速装置、换向装置以及操纵机构等组成。1 1Wartsila 32Wartsila 32型中速柴油机（氮氧化物排放低）型中速柴油机（氮氧化物排放低）二、柴油机的典型结构二、柴油机的典型结构1 1）机体用球墨铸铁铸造（无机座），所有的）机体用球墨铸铁铸造（无机座），所有的油水管路设置在机体之内油水管路设置在机体之内2 2）采用弹性底座（减轻船体振动）采用弹性底座（减轻船体振动）3 3）曲轴整体锻造）曲轴整体锻造4 4）倒挂式主轴承）倒挂式主轴承5 5）铸钢活塞头和铸铁活塞裙分开制造，裙部）铸钢活塞头和铸铁活塞裙分开制造，裙部设润滑装置改善润滑，环数量少设润滑装置改善润滑，环数量少6 6）缸套的上部加高加厚，提高强度和刚度以）缸套的上部加高加厚，提高强度和刚度以承受高的机械负荷和热负荷承受高的机械负荷和热负荷7 7）缸套内上端装防磨环）缸套内上端装防磨环(anti-polish ring,(anti-polish ring,除去积炭，减轻磨损除去积炭，减轻磨损)8 8）船用连杆大端（便于拆卸）船用连杆大端（便于拆卸）9 9）气缸盖多管道元件完成多项功能）气缸盖多管道元件完成多项功能1010）脉冲增压和单管脉冲增压）脉冲增压和单管脉冲增压1111）冷却水系统分高温水和低温水，高温水）冷却水系统分高温水和低温水，高温水冷却气缸套、气缸盖、增压空气冷却器的冷却气缸套、气缸盖、增压空气冷却器的高温部分，低温水冷却增压空气冷却器的高温部分，低温水冷却增压空气冷却器的低温部分及滑油冷却器低温部分及滑油冷却器2.MAN B&W2.MAN B&W公司的公司的S 50MC-CS 50MC-C柴油机柴油机(市场份额最大）市场份额最大）1 1）属紧凑型（长度缩短）属紧凑型（长度缩短1010，功率上升，功率上升1010，重量，重量下降下降1010）2 2）双贯穿螺栓）双贯穿螺栓3 3）气缸结构紧凑（气缸体）气缸结构紧凑（气缸体与气缸套间取消冷却水腔）与气缸套间取消冷却水腔）4 4）凸轮轴和气缸体成一体）凸轮轴和气缸体成一体5 5）薄壁轴瓦（高锡铝合金，抗疲劳强度高）薄壁轴瓦（高锡铝合金，抗疲劳强度高）6 6）主轴颈和曲柄销直径加大（增强曲轴刚度、）主轴颈和曲柄销直径加大（增强曲轴刚度、增大轴承承载面积、缩短长度）增大轴承承载面积、缩短长度）7 7）短连杆（降低高度，改善十字头润滑条件）短连杆（降低高度，改善十字头润滑条件）8 8）低置活塞环组（活塞顶岸高度提高，改善环）低置活塞环组（活塞顶岸高度提高，改善环工作性能，减轻磨损，降低气缸套与气缸盖结工作性能，减轻磨损，降低气缸套与气缸盖结合面）合面）9 9）S/DS/D达到达到4 4，p pmaxmax达到达到15MPa15MPa柴油机概述柴油机概述一、柴油机的基本概念一、柴油机的基本概念1热机（1）概念：把热能转换成机械能的动力机械。（2）种类：蒸汽机 外燃机 汽轮机 燃料燃烧在气缸外部，效率低 热机 汽油机 内燃机 柴油机 燃料燃烧在气缸内部，效率高 燃汽轮机煤气机2柴油机（1）概念：是一种在气缸内进行两次能量转换压缩发火的往复式内燃机。是热效率最高的一种内燃机。（2）优缺点：经济性好，热效率高，可达50%，可燃用劣质油。功率范围广。尺寸小，重量轻。机动性好。可直接反转。存在振动，轴系扭转振动和噪音。燃烧室部件工作条件恶劣，承受高温高压与冲击负荷。柴油机：155270g/KWh汽轮机：4351200g/KWh燃气轮机：245350g/KWh汽油机：245350g/KWh3柴油机与汽油机的区别：柴油机与汽油机虽然都是内燃机，但是它们在使用燃料、可燃混合气形成、发火方式、性能及压缩比等方面均有区别。汽油机柴油机使用燃料汽油柴油（重油）油气混合方式外部（化油器）内部（喷油器）发火方式火花塞点火压缩发火压缩比小（6-10）大（12-22）热效率低15-40%高30-55%性能低温起动性能好，工作柔和，噪音小低温起动性能差，工作粗暴，噪音大二、柴油机的基本结构参数（1）上止点（T.D.C.）：（2）下止点（B.D.C.）：（3）行程：即S=2R。（4）气缸直径：D（5）气缸工作容积Vs：（6）燃烧室容积（余隙容积）VC：（7）气缸总容积Va：（8）余隙高度：（9）压缩比e：=Va/VC=（Vs+VC）/VC=1+Vs/VCA.压缩比表示缸内工质压缩程度，也就是活塞从下止点运动到上止点时，把缸内空气压缩了多少倍。它是柴油机的一个重要结构参数，对柴油机的经济性、燃烧和起动性能以及机械负荷等有重要的影响。大说明缸内空气被压缩厉害，压缩终点的温度和压力就高，有利于燃油的燃烧和柴油机的起动，并可提高热效率。但过大，会使柴油机PZ过高，工作粗暴，热负荷过大，降低可靠性和缩短柴油机的寿命。过小，则压缩终点的气体压力和温度过低，不利于燃烧，柴油机起动困难耗油率增加，功率下降。B不同的机型特点：小型高速机的大型低速机。因小型高速机气缸尺寸小，单位容积的散热面积大，允许提高以增加热效率.非增压机的增压机。因增压机气缸进气压力高，压缩终点压力和温度高，燃烧最高爆炸压力和温度比非增压机高，为了降低机械负荷和热负荷，要小些。四冲程机的二冲程机。柴油机的汽油机。C影响的因素：连杆大小端轴承严重磨损，使活塞组件下沉。十字头销（活塞销）与曲柄销严重磨损。活塞顶面、缸盖底面被烧蚀或积碳，使VC改变。船用大端杆身凸缘与大端轴承座之间的调整垫片厚度。缸盖底面密封垫片厚度。连杆杆身发生弯曲。D的调整方法：(1)增加或减小连杆长度：（增加船用大端垫片或十字头式柴油机活塞杆与十字头间平面或与活塞裙连接面间的垫片，可使活塞组件升高，即hc减小，从而压缩比增大）；(2)增加或减小气缸垫床厚度：当增加时，压缩比减小。三、柴油机的类型1按工作循环分类：四冲程和二冲程柴油机。2按是否增压分类：增压和非增压柴油机。3按曲轴转速分类：高速、中速和低速机。（1）低速柴油机：n1000r/min，Vm9m/s。4按结构特点分类：（1）筒状活塞式：活塞起导向作用，缸壁承担侧推力。（2）十字头式：活塞不起导向作用，缸套没有侧推力的作用，导向作用由十字头滑块承担，侧推力由导板承担。气缸下部加设一横隔板，把气缸与曲轴箱隔开，以防气缸中的污油、结炭或燃气漏入曲轴箱污染滑油。十字头式柴油机可靠性较筒形活塞式高。5按气缸排列分：（1）直列：气缸数小于12缸（2）V型：气缸夹角有90、60、45。6按转向分：右旋机：由飞轮端（功率输出端）向自由端看，正车时按有顺时针方向旋转的柴油机。左旋机：由飞轮端（功率输出端）向自由端看，正车时按有逆时针方向旋转的柴油机。7按可否逆转分：有不可逆转和可逆转柴油机。四、船舶用柴油机的型号现代船用大型低速柴油机的结构特点现代船用大型低速柴油机的结构特点采用定压涡轮增压系统和高效率废气涡轮增压器采用定压涡轮增压系统和高效率废气涡轮增压器增大行程缸径比增大行程缸径比S/DS/D提高最高燃烧压力提高最高燃烧压力p pz z与平均有效压力与平均有效压力p pe e之比之比增大压缩比增大压缩比采用可变喷油定时（采用可变喷油定时（VIT)VIT)机构（机构（variational variational ignition timing)ignition timing)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 采用旋转式排气阀及液压式气阀传动机构采用旋转式排气阀及液压式气阀传动机构 采用薄壁轴承采用薄壁轴承曲轴上增设轴向减振器曲轴上增设轴向减振器 焊接曲轴焊接曲轴 轴带发电机（轴带发电机（PTOPTO）（）（PowerPower Take Off)Take Off)四冲程柴油机工作原理四冲程柴油机工作原理进气行程进气行程压缩行程压缩行程燃烧和燃烧和膨胀行程膨胀行程排气行程排气行程进气阀一般在活塞到达上止点前打开，进气阀一般在活塞到达上止点前打开，下止点后延迟关闭，进气持续角下止点后延迟关闭，进气持续角2202202502500 0（CA)CA)自排气阀在膨胀行程末提前打开，自排气阀在膨胀行程末提前打开，到上止点后关闭为止，持续约到上止点后关闭为止，持续约230230 1601600 0（CA)CA)自上止点附近开始燃烧，只到活塞到自上止点附近开始燃烧，只到活塞到下止点前结束，压力最高升到下止点前结束，压力最高升到15MPa15MPa，温度最高升到温度最高升到18001800自进气阀关闭开始压缩，到上止点自进气阀关闭开始压缩，到上止点为止，压力增高到为止，压力增高到3 36MPa6MPa，温度升高，温度升高到到600600700700，持续，持续1401401601600 0（CA)CA)柴油机柴油机热力循环和工作原理热力循环和工作原理柴油机热力循环和工作原理总结：总结：四冲程柴油机每完成一个工作循环，曲轴要回转两四冲程柴油机每完成一个工作循环，曲轴要回转两转，每个工作循环中只有膨胀行程是对外做功的；转，每个工作循环中只有膨胀行程是对外做功的；四冲程柴油机的进、排气阀的启闭都不正好在上下四冲程柴油机的进、排气阀的启闭都不正好在上下止点，而是在上、下止点前后某一时刻，开启持续止点，而是在上、下止点前后某一时刻，开启持续角都大于角都大于1801800 0（CACA）；）；提前开启和滞后关闭都是为了排气干净并增加空气提前开启和滞后关闭都是为了排气干净并增加空气吸气量，减少排气耗功；吸气量，减少排气耗功；在上止点附近，进气阀和排气阀同时开启，叫做气在上止点附近，进气阀和排气阀同时开启，叫做气阀重叠角。阀重叠角。柴油机柴油机热力循环和工作原理热力循环和工作原理柴油机热力循环和工作原理二冲程柴油机工作原理二冲程柴油机工作原理（二冲程柴油机都采用废气涡轮增压的方（二冲程柴油机都采用废气涡轮增压的方法提高进气压力）法提高进气压力）排、扫气过程排、扫气过程压缩和燃烧压缩和燃烧膨胀过程膨胀过程活塞下行，排气口打开，一段时间后，活塞下行，排气口打开，一段时间后，进气口打开，直到活塞到进气口打开，直到活塞到BDCBDC后又上行，后又上行，之后进气口先关闭，排气口再关闭。之后进气口先关闭，排气口再关闭。自排气口关闭后直到上止点为压缩过程，自排气口关闭后直到上止点为压缩过程，上止点附近燃烧完毕。上止点附近燃烧完毕。燃烧后直到活塞下行至排气阀打开燃烧后直到活塞下行至排气阀打开为膨胀过程。为膨胀过程。柴油机柴油机热力循环和工作原理热力循环和工作原理总结：总结：二冲程柴油机每个工作循环曲轴转一转；二冲程柴油机每个工作循环曲轴转一转；进气过程在下死点附近完成，压缩行程小于进气过程在下死点附近完成，压缩行程小于1801800 0（CA)CA)，膨胀过程小于，膨胀过程小于90900 0（CA)CA)，排气过程大于，排气过程大于9090小于小于 1801800 0（CA)CA)；进气过程包含在排气过程中，进气的同时还可帮进气过程包含在排气过程中，进气的同时还可帮助排气，此称为扫气。助排气，此称为扫气。柴油机柴油机热力循环和工作原理热力循环和工作原理特别要求：特别要求：一定要理解为什么二冲程柴油机一定要理解为什么二冲程柴油机一个工作循环，曲轴转一转；一个工作循环，曲轴转一转；会分析二冲程柴油机的定时圆图；会分析二冲程柴油机的定时圆图；思考二冲程柴油机的压缩比与四思考二冲程柴油机的压缩比与四冲程柴油机有何不同？冲程柴油机有何不同？柴油机柴油机热力循环和工作原理热力循环和工作原理柴油机热力循环和工作原理二冲程柴油机与四冲程柴油机的比较二冲程柴油机与四冲程柴油机的比较功率比较功率比较相同尺寸和转速时，二冲程功率为相同尺寸和转速时，二冲程功率为四冲程四冲程1.61.61.81.8倍；倍；回转均匀性回转均匀性二冲程柴油机较均匀均匀二冲程柴油机较均匀均匀维修保养维修保养二冲程柴油机较简单二冲程柴油机较简单换气质量换气质量二冲程柴油机较差二冲程柴油机较差热负荷热负荷二冲程柴油机较高二冲程柴油机较高各自优越性各自优越性提高功率方面，二冲程机优越；提高功率方面，二冲程机优越；提高强化程度方面，四冲程机优越提高强化程度方面，四冲程机优越柴油机柴油机热力循环和工作原理热力循环和工作原理增压柴油机的基本工作原理1概念：在气缸容积不变的情况下，通过提高进气压力来提高柴油机功率的方法。2增压方式：（按增压器所利用能量不同）（1）机械增压（2）废气涡轮增压（3）复合增压3增压压力分类（1）低增压 PK0.17MPa(2)中增压0.17MPaPK0.25MPa（3）高增压0.25MPaPK0.35MPa（4）超高增压PK0.35MPa二冲程柴油机的换气形式二冲程柴油机的换气形式换气形式换气形式特点特点简单横流扫气简单横流扫气 进排气口为与气缸中心线的两侧进排气口为与气缸中心线的两侧回流式扫气回流式扫气进排气口在气缸下部同一侧且排气口在进气口进排气口在气缸下部同一侧且排气口在进气口的上方的上方半回流扫气半回流扫气进气口布置在排气口的下方及两侧，气流在气进气口布置在排气口的下方及两侧，气流在气缸内兼有横流与回流的特点缸内兼有横流与回流的特点直流式扫气直流式扫气气缸下部均布一圈进气口，在气缸盖上有排气气缸下部均布一圈进气口，在气缸盖上有排气阀阀柴油机柴油机热力循环和工作原理热力循环和工作原理二冲程柴油机的扫气弯流与直流扫气的比较弯流与直流扫气的比较弯流扫气弯流扫气直流扫气直流扫气换气质量换气质量弯流换气质量差弯流换气质量差直流换气质量好直流换气质量好气缸受热气缸受热受热不均匀，易产生变形受热不均匀，易产生变形受热均匀，不易变受热均匀，不易变形形可维修性可维修性结构简单，维修方便结构简单，维修方便结构复杂，维修较结构复杂，维修较困难困难柴油机柴油机热力循环和工作原理热力循环和工作原理单元四单元四 拓展性理论知识拓展性理论知识一、柴油机的性能指标和工作参数（一）、动力性和经济性指标柴油机的主要性能指标包括动力性和经济性两个方面的指标。动力性和经济性指标又可以分成指示指标和有效指标两类。指示指标有效指标动力性 pi平均指示压力pe平均有效压力Ni指示功率Ne有效功率经济性 i指示热效率e有效热效率gi指示燃油消耗率 ge有效燃油消耗率1指示指标：是以缸内工质对活塞所作的功为基础的指标，表征气缸内部工作情况，其优劣取决于气缸内部实际工作循环进行的完善程度（包括不完全燃烧、燃烧延迟、气体泄漏、气缸壁传热损失等）。2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指标，它扣除了柴油机内的一切损失，其优劣取决于工作循环进行的完善程度外，还得取决于机械损失的大小。(二二)、指示指标、指示指标1平均指示压力pi平均指示压力pi：是一个假想的作用在活塞上的数值不变的压力，它推动活塞一个行程所作的功与一个工作循环的指示功Li相等。即：（Nm或J）式中：pi平均指示压力，Pa；F活塞面积，m2；S活塞行程，m；VS气缸工作容积，m3。因此平均指示压力pi是单位气缸工作容积每一工作循环的指示功。它的数值与气缸工作容积的大小无关。因此可以用pi 来比较不同气缸尺寸和不同类型的柴油机的做功能力强化程度。pi 值大，表明其单位气缸工作容积的做功能力大，柴油机气缸工作容积利用程度大。喷入的燃油量相同时，pi 值大表明其工作循环进行得比较完善。所以pi 是评定柴油机工作循环动力性的重要指标。影响pi值的因素：（1）负荷即循环的供油量。（2）缸内工质混合的完善程度（3）过量空气系数（4）换气质量（5）燃烧质量 增压机pi非增压机；四冲程机pi二冲程机；直流pi弯流2指示功率Ni 指示功率是指气缸内的工质在单位时间内所作的指示功。3指示热效率i和指示油耗率gi式中：3600一千瓦小时相当的热量，kJ/（kWh)；Gf柴油机每小时油耗量，kg/h；Hu所用燃料低热值 Ni指示功率，kW。(三三)、有效指标、有效指标1有效功率Ne和机械效率m（1）曲轴输出端传出的功率称为有效功率，用Ne表示，Ne=Ni-Nm。（2）机械损失功率Nm：包括：摩擦损失摩擦损失。主要是活塞、活塞环与缸套间的摩擦损失，约占全部摩擦损失5565。拖动损失损失。泵气损失功率泵气损失功率。非增压四冲程柴油机。（3）机械效率m：机械效率m是有效功率Ne与指示功率Ni，之比值，即：影响机械效率m的因素：负荷：当转速不变，机械效率随负荷增加而增加。空载运行时，m=0。转速：当负荷（pi）不变，机械效率随转速提高而降低。滑油温度与冷却水温度：应适当，过高或过低均会使m降低m。2平均有效压力pe 平均有效压力pe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。pe 值大，表明其单位气缸工作容积的做功能力大，柴油机气缸工作容积利用程度大。3有效燃油消耗率ge和有效热效率e 有效油耗率是指每一千瓦有效功率每小时所消耗的燃油量。单位是kg/（kWh）。即式中：Gf柴油机每小时油耗量，kg/h；Ne柴油机有效功率，kW。有效热效率e是指曲轴有效功与所消耗的热量之比，即：二、其它常用参数1最高爆发压力pz：燃烧过程中气缸内工质的最高压力。表示柴油机零件所承受的机械负荷的大小。最高爆发压力pz对柴油机结构性能的影响：（1）pz增大使柴油机结构尺寸增大，柴油机笨重。（2）pz增大使各受力部件的应力和变形，会造成疲劳破坏、使磨损和振动和噪音增大。（3）pz增大会破坏润滑油膜，加剧活塞环与缸套、轴颈与轴瓦等的磨损，使寿命下降；（4）pz增大会提高最高爆发压力pz，可提高柴油机的热效率，降低燃油消耗。2排气温度：一般用排气温度来衡量热负荷的高低。3活塞平均速度Vm Vm=n.S/30。Vm增加Ne增加，但零件的机械负荷和热负荷同时增加，机件磨损增加。4行程缸径比S/D。5强化系数peVm。6压缩比。7.比重量。8.单位体积功率。柴油机的热力循环柴油机的热力循环一、柴油机理论循环和实际循环一、柴油机理论循环和实际循环1、柴油机的理论循环、柴油机的理论循环基于工程热力学的基本理论把实际过程加以抽象基于工程热力学的基本理论把实际过程加以抽象和简化，将其概括成由几个基本热力过程所组成和简化，将其概括成由几个基本热力过程所组成的循环叫理论循环或理想循环。的循环叫理论循环或理想循环。基本上为混合加热循环。基本上为混合加热循环。为了使柴油机工作循环为了使柴油机工作循环进行更加完善，现代高增进行更加完善，现代高增压柴油机有向定压加热循压柴油机有向定压加热循环发展的趋势。环发展的趋势。通过研究理论循环可以：通过研究理论循环可以：（1）用简单的公式说明循环中各基本热力参数的）用简单的公式说明循环中各基本热力参数的关系，以明确提高理论循环热效率和平均有效压力关系，以明确提高理论循环热效率和平均有效压力的有效途径；的有效途径；（2）确定循环热效率的理论极限，以判断柴油机）确定循环热效率的理论极限，以判断柴油机循环的完善程度；循环的完善程度；（3）有利于比较各种热力循环的经济性和动力性。）有利于比较各种热力循环的经济性和动力性。2、柴油机的实际循环、柴油机的实际循环工质是实际混合气，以燃烧加热和排气放热，工质是实际混合气，以燃烧加热和排气放热，并计及各种热力损失的实际工作循环。并计及各种热力损失的实际工作循环。特点（与理论循环的差异）特点（与理论循环的差异）（1）工质为混合气体）工质为混合气体 （2）存在着不可避免的损失）存在着不可避免的损失气缸壁的传热损失气缸壁的传热损失换气损失（膨胀损失功泵气功）换气损失（膨胀损失功泵气功）燃烧损失（后燃和不完全燃烧引起的损失）燃烧损失（后燃和不完全燃烧引起的损失）漏泄损失（活塞环处的泄漏无法避免）漏泄损失（活塞环处的泄漏无法避免）其他损失（工质的涡动损失、活塞运动速度与燃其他损失（工质的涡动损失、活塞运动速度与燃烧速度不相配合而偏离定容、定压加热过程的时烧速度不相配合而偏离定容、定压加热过程的时间损失等。）间损失等。）