船舶柴油机

第一章 船舶柴油机概述第一节 柴油机的基本工作原理 柴油机是以柴油作燃料的压燃式内燃机。工作时，空气在气缸内被压缩而产生高温，使喷入的柴油自行着火燃烧，产生高温、高压的燃气，燃气膨胀推动活塞作功，将热能转变为机械功。柴油机的工作循环由进气、压缩、喷油着火燃烧、膨胀作功和排气等过程组成。这些过程可以由四冲程柴油机来实现，也可由二冲程柴油机来实现。一、四冲程柴油机（非增压）的工作原理 图1-1所示是四冲程柴油机的基本结构图。工作时活塞作往复直线运动，曲轴作旋转运动。活塞改变运动方向瞬时的位置称止点（死点），止点处的活塞瞬时运动速度为零。离曲轴中心最远时的止点称上止点（T.D.C.），最近时的止点称下止点（B.D.C.）。 曲柄销中心与主轴颈中心之间的距离称曲柄半径R。连杆大、小端中心间的距离称连杆长度L。上、下止点间的距离称活塞行程（冲程）S。活塞行程等于曲柄半径的两倍，即S=2R。活塞在上、下止点间移动所扫过的容积称气缸工作容积VS。（1-1）式中，D为气缸直径（缸径）。 活塞位于上止点时活塞顶与气缸盖之间的气缸容积，称燃烧室容积（压缩室容积、余隙容积）VC。 气缸总容积Va与燃烧室容积之比称压缩比e。（1-2） 用四个行程（曲轴回转两转）完成一个工作循环的柴油机称四冲程柴油机。图1-2是四冲程柴油机的工作原理简图。图的上部表示四个行程中活塞、连杆、曲轴及气阀的相对位置。图的下部表示相对应的气缸内气体压力随气缸容积的变化情况，称p-V示功图。 图1-2 四冲程柴油机工作原理图 1进气行程 活塞从上止点下行，进气阀打开。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），气阀开启的延续角（图中阴影线部分）约为220250CA。 2压缩行程活塞从下止点上行，进、排气阀均关闭。上行的活塞对缸内的空气进行压缩，使其温度和压力均不断升高（曲线2-3）。压缩终点的压力pc约为36MPa；温度tc约为500700。【燃油自燃温度远低于此值，自燃温度随压缩压力而变，例如轻柴油：压缩压力pc(MPa)自燃温度t()0.12702902.82044.2195】在上止点（压缩终点）附近，燃油经喷油器以雾化的状态喷入燃烧室，并在高温高压空气的作用下，开始自行发火燃烧。 3膨胀行程在此行程的初期，燃烧仍在猛烈地进行，使缸内的压力和温度都急剧升高，其最大值分别可达6MPa和15002000左右。在高温高压燃气的作用下，活塞向下运动作功，在上止点后某一时刻（图中点4），燃烧基本结束，但高温高压燃气继续膨胀作功推动活塞下行。当活塞到达下止点前某一时刻（图中点5），排气阀开启，排气过程开始。此时，气缸内的压力pb约为0.30.6MPa，温度tb约为600700。活塞则继续下行到下止点。 4排气行程 活塞由下止点向上运动，排气阀继续开启着，上行的活塞将气缸内的废气强行推挤出去。为了实现充分排气和减少排气过程中所消耗的功，排气阀不但在下止点前提前开启，而且要在排气行程结束的上止点后才关闭（图中点6）。排气阀开启的延续角度（5-6）约为230260CA。 综上所述，在四冲程柴油机中，要经历进气、压缩、膨胀、排气等四个行程才完成一个工作循环；与此相应的是曲轴回转两转，即720曲轴转角。而且，在四个行程中，只有膨胀行程才作功，其余三个行程都要消耗功。因此，在单缸柴油机中，必须有一个足够大的飞轮来供给这三个行程所需的能量；而在多缸柴油机中，则藉助于其他气缸膨胀作功过程来供给。此外，柴油机由停车状态进入工作状态，必须藉助外源能量的驱动使其起动运转，直至喷入气缸的燃油自发火燃烧，柴油机才能自行运转。【 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。它们的开启持续角均大于180CA。进、排气阀在上、下止点前后启闭的时刻称为气阀正时（定时），通常气阀正时用距相应止点的曲轴转角（CA）表示。用曲轴转角表示气阀正时的圆图称气阀正时（定时）圆图，如补图1-1所示。在补图1-1中，进气阀在上止点前点1开启，在下止点后点2关闭。其与相应止点的夹角1、2分别称进气提前角、进气滞后角。排气阀在下止点前点5开启，在上止点后点6关闭，其与相应止点的夹角3、4分别称为排气提前角、排气滞后角。【 (1)排气阀提前开：排气阀开启初期其通道截面积很小，流动阻力很大。如果排气阀太接近下止点时才开启，提前开启的角度太小，废气排出不畅，会造成活塞上行推出废气消耗的功增大。残余废气量增加。但排气阀提前开启角也不能太大，否则会使气体膨胀功损失过大。 (2)排气阀滞后关：排气阀的滞后关一方面使活塞到达上止点时，排气阀仍有足够通道截面，有利于废气的排出；另一方面，由于利用了排气流的惯性，可使废气排得更干净。 (3)进气阀提前开：进气阀提前开除了使进气冲程开始时有较大的通道截面，以减少进气阻力，增加进气量，还可形成进排气阀叠开，对燃烧室进行扫气，减少剩余废气量，增加进气量。 (4)进气阀滞后关：进气阀延迟在下止点后关闭，一方面使活塞在下止点附近时进气阀仍有足够开度。另一方面还可充分利用进气流的惯性而吸入更多空气。总之，】气阀提前开启与延后关闭是为了将废气排除干净并增加空气的吸入量，以利于燃油的燃烧，另外排气提前还可减少排气耗功。因此，各机型（对应常用转速）有一最佳正时。按此正时工作，柴油机充入新气最多，性能最好。机型不同，正时也不同。正时圆图在柴油机使用说明书中均有给出，不允许任意改变。经常要以它为依据检查调整气阀正时。燃油喷射也有正时要求，也可画在这个图上。由补图1-1尚可看出，在上止点前后进气阀与排气阀同时开启着，同一气缸的进、排气阀同时开启的曲轴转角称为气阀重叠角。在气阀叠开期间，进气管、气缸、排气管连通，这样有助于废气的排出和新气的流入。此时利用废气流动惯性的抽吸作用，除可避免废气倒冲入进气管外，尚可将新鲜空气吸进气缸，并利用此压力差用新气将燃烧室内的废气扫出气缸，实现所谓燃烧室扫气。此时不但可提高换气质量，还可利用进气冷却燃烧室零件的高温表面。因而，四冲程柴油机均有一定的气阀重叠角，而且增压柴油机的气阀重叠角均大于非增压机。如补表1-1所示。 四冲程柴油机气阀重叠角 补表1-1名称非增压增压开启关闭开启关闭进气阀上止点前1530下止点后1030上止点前4080下止点后2040排气阀下止点前3545上止点后1020下止点前4055上止点后4050重叠角255080130】二、二冲程柴油机的基本工作原理用两个行程（曲轴回转一转）完成一个工作循环的柴油机称二冲程柴油机。二冲程柴油机与四冲程柴油机不同，其气缸上设有气口，图1-3中气缸右侧为排气口，左侧为进气口。排气口比进气口略高，进排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）要比大气压力稍高。 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不断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），新鲜空气停止进入气缸。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。 在这一行程中，进行了换气（曲线0-1-2）、压缩（曲线2-3）和喷油着火燃烧诸过程。 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，分别为0.250.6MPa和600800，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（点6），新鲜空气便通过进气口充入气缸，并对气缸内进行扫气，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，称为扫气过程。在这一行程中，进行了燃烧与膨胀（曲线3-4-5）、排气（曲线5- 6）和部分扫气（曲线6-0）过程。由此可见，与四冲程柴油机相比，二冲程柴油机是将进气和排气过程合并到压缩与膨胀行程中进行，从而省略两个行程。因此，二冲程柴油机在曲轴回转一转中就可以完成一个工作循环。在气缸直径、活塞行程与转速相同的条件下，二冲程柴油机的功率似乎应为四冲程柴油机的2倍；但实际上，由于二冲程柴油机的气口使其有效行程减少等原因，其功率约为四冲程柴油机的1.61.8倍。三、增压柴油机的基本工作原理 提高柴油机的进气压力，可使进气的密度增加，从而达到在同样的气缸容积中充进更多的空气量，以便喷入燃烧更多的燃油，作出更多的功来。这种用提高进气压力来提高柴油机功率的方法称为“增压”。 预先对新鲜空气进行压缩的压气机，有直接由柴油机的曲轴通过齿轮等机械驱动的方式，这种增压方式称机械增压；也有用柴油机气缸排出的废气的能量在涡轮机中膨胀作功，由涡轮机来驱动压气机的方式，称废气涡轮增压。图1-4是废气涡轮增压四冲程柴油机的工作简图。废气涡轮增压器由废气涡轮机8和与其同轴的离心式压气机2等组成。柴油机气缸排出的废气经排气管6进入涡轮机8，在其中膨胀作功推动涡轮机转动，并带动压气机2工作。被压缩后的新鲜空气经进气管3送往柴油机的各个气缸。1、3-进气管；2-压气机；4-进气阀；5-排气阀；6、9-排气管；7、8-涡轮机二冲程废气涡轮增压柴油机的工作原理和四冲程基本相同，所不同的是在二冲程柴油机中，增压空气是供入扫气箱中，然后经扫气口进入气缸；由于废气涡轮和压气机需能量平衡的原因，【老式】二冲程柴油机的废气涡轮增压系统中往往设有辅助压气机。目前，船舶柴油机已全部采用了废气涡轮增压。【 四、二冲程柴油机的换气形式在二冲程柴油机中，不同的换气形式对换气质量有重要影响。至今已出现多种换气形式。根据气流在气缸中的流动路线，二冲程柴油机的换气形式可分为弯流与直流两大类。1弯流扫气扫、排气口布置于气缸下端，扫气空气由下而上，然后由上而下地清扫废气。横流扫气的船舶主机已淘汰多年，目前仍有半回流和回流两种。 1)半回流（新横流）扫气Sulzer公司大型柴油机的传统形式。进气口布置在排气口同侧的下方及两侧。如补图1-2所示。其气缸盖结构较简单，不用设排气阀。扫气口在纵向（与气缸轴向成角度）和横向（与气缸径向成角度）两个方向均有倾斜角，使扫气空气进入气缸后有向上和绕气缸轴线旋转的运动。活塞顶的形状也有引导扫气空气向上的作用。这样可控制气流方向，防止进气直接流向排气口，减少新、废气掺混，提高换气效率；避免死角，减少残留废气，提高换气质量。某些早期的半回流扫气机型（RD型柴油机），在排气管中装有回转控制阀。可在活塞上行活塞裙开启排气口前关闭排气管，防止新鲜空气经排气口流失。（RND型柴油机不再用回转控制阀，改用长裙活塞，当活塞上行至上止点时，活塞裙仍能挡住排气口。）Sulzer公司大型柴油机发展至RTA型才放弃半回流扫气形式，改用直流扫气形式。 2)回流扫气MAN公司大型柴油机的传统形式。进、排气口在气缸下部同一侧且排气口在进气口的上方。扫气口向下倾斜，进气流先向下沿活塞顶面向对侧的缸壁流动并沿缸壁向上流动，到气缸盖再转向下流动，把废气从排气口中清扫出气缸。气流在缸内作“回线”流动。如补图1-3所示。这种扫气形式有利于凹顶活塞的扫气，其代价是扫气流动路线更长，转弯更多，流动阻力更大。由此在相同条件下，要求有更高的扫气压力。在船用大型柴油机中，MAN KZ型柴油机即为回流扫气形式。现存已不多了。 补图1-3 回流换气示意图2排气阀扫气口直流扫气B&W、三菱公司大型柴油机的传统形式。气缸下部均布一圈进气口，在气缸盖上有排气阀（1个或多个）。空气从气缸下部扫气口进入气缸，沿气缸中心线上行，驱赶废气从气缸盖上的排气阀排出，气流在缸内的流动方向是自下而上的直线流动。如补图1-4所示。进气口在纵向和横向两个方向均有倾斜角，使扫气空气进入气缸后向上和绕气缸轴线旋转。这一旋转的气流形成“界面”，使空气与废气不易掺混，扫气效率较高。同时排气阀的启闭由排气凸轮控制，不受活塞运动的限制，所以直流扫气排气启闭定时可不以下死点为对称而各自设计在最佳点如补图1-5所示。这样可使柴油机性能更优。现代船用低速柴油机（MAN/B&W MC、Sulzer RTA以及三菱UEC-LS）均为排气阀扫气口直流扫气式柴油机。 可见【二冲程】柴油机的正时圆图有两种类型。3直流与弯流扫气的比较 1)换气质量 弯流扫气 ：气流在缸内流动路线长，约为直流的两倍，且需要转向，流动阻力大，要求扫气压力高。新气与废气掺混较严重，存在死角与气流短路现象，因而换气效率较低，新气消耗量较大，换气需要消耗较多的能量，导致柴油机燃油消耗率较高；残留废气较多，换气质量较直流差。 直流扫气：新气与废气掺混少，新气损失少，扫气彻底，新气充入量多，换气效率高，质量好。 2)对“长冲程化”的适应性所谓“低转速长冲程化”，就是73年至八十年代初，能源危机爆发，石油价格飞涨，海运成本中的燃油费用猛增，船主越来越重视降低燃油消耗率。柴油机公司在激烈的竞争中，花费巨大的财力、人力，想尽办法降低燃油消耗率。 低速机均直带螺旋桨，输出功率一定时，转速越低，则采用直径越大的螺旋桨，推进效率就越高。也就是说，在不降低发动机功率（单缸功率）的情况下，降低转速就意味着提高推进效率。柴油机转速n每降低1%，推进效率p可提高0.250.30%。B&W公司首先（77年）发展“低转速长冲程化”，即降低柴油机设计转速，同时加长冲程，活塞平均速度保持不变。这样不仅提高了p，而且柴油机自身的效率也提高了。节油的收效非常显著。受到海运界热烈欢迎。销售量越来越大，超过了Sulzer，至今仍处于领先地位。仅三年，“低转速长冲程化”扩大到所有低速机（后来中速机也采用了），各公司低速机转速n越来越低，有的机型达5560r.p.m.；冲程缸径比S/D越来越大，直流扫气：2.02.53.03.253.463.824.2；弯流扫气则从1.82.1，就发展不下去了。弯流扫气：不适应长冲程化。气缸加长，弯流扫气流程增加很多，阻力大了很多，扫气压力得提高很多，新、废气掺混更厉害，换气质量、换气效率更差。S/D只能达到2.1。直流扫气：适宜长冲程化。气缸加长，扫气流程增加不多，阻力增加不多，新、废气掺混进一步减少，换气效率更高，换气质量更好。消耗新气少，燃烧更完全更及时。而且，“低转速长冲程化”后，如燃烧时间基本不变，则燃烧对应的曲柄转角减小，燃气能更充分膨胀，热效率提高；长冲程化，如压缩比不变，则燃烧室高度增大，有利于燃油的雾化混合燃烧；这些均使柴油机燃油消耗率降低。 3)气缸套变形情况弯流扫气缸套下部布置了扫、排气口，温差很大，容易产生变形。直流扫气缸套下部只有扫气口，不易因受热不均匀而变形。 4)排气启闭定时 直流扫气：排气阀开启定时与关闭定时由排气凸轮控制，可以设计成不以下死点为对称，而各自设计在最佳点，使性能进一步优化。弯流扫气：扫、排气口启闭定时由活塞控制，必然以下死点为对称。由于以上原因，Sulzer公司的低速机81年底宣布放弃传统的半回流扫气形式，改为采用直流扫气形式，设计了RTA型柴油机（84年生产第一台），震动了造船、航运界。MAN公司81年合并B&W公司后也放弃发展低速机，所以，弯流扫气在与直流扫气的竞争中已失败，已被淘汰。但我们在工作中还会用到这类旧机型。弯流扫气由于没有排气阀，结构简单、可靠，维修简便。因而曾深受航运界欢迎，七十年代Sulzer公司的低速机一直处于领先地位，多年销售量均在50以上。后来燃油价格不断上涨，经济性越发重要，原来优点突出逐渐变成缺点突出，主要矛盾转化了。】第二节 船舶柴油机的分类和总体结构 柴油机自1897年问世以来，经过一个世纪的发展，其技术已经取得了很大进步并更趋完善，在动力机械中已占据极为重要的地位。在船舶动力中也占统治地位。目前，在所有的内河及沿海中、小型船舶中，都采用柴油机作为主机和辅机；在远洋民用船舶中，在2000t以上的船舶中，以柴油机作为主机的船舶占总艘数的98%以上，占总功率的96%以上。一、柴油机的优点 柴油机能在动力机械以及船舶动力装置中占据极为重要的地位，是因为它具有许多优越的条件。与其它热机相比，它具有如下优点： （1）热效率高。大型低速柴油机的有效效率已达到5053，远远高于其他热机；而且柴油机在全工况范围内的热效率都较其它热机高。热效率高，也就是燃料消耗量小；柴油机又能燃用重油，甚至劣质重油；而且柴油机在停车状态时不需要消耗燃料。故燃料费用低，船舶的续航力大。 （2）功率范围大。柴油机的单机功率自1至68,000kW，因此其适应的领域宽广。 （3）机动性好。正常起动只需35s，并能很快达到全负荷。有宽广的转速和负荷范围，能适应船舶航行的各种要求，而且操作简便。 （4）尺寸小，重量轻。柴油机不需要锅炉等大型附属设备，使柴油机动力装置的尺寸小、重量轻，特别适合于在交通运输等动力装置中应用。 （5）可直接反转。柴油机可设计成直接反转的换向柴油机，而且倒车性能好，使装置结构简单。二、柴油机的类型 由于柴油机的应用广泛，因此，为满足各种不同的使用要求，柴油机的类型也就多种多样。根据柴油机的各种不同特点以及不同的分类方法，船舶柴油机大体上有以下类型： （1）按工作循环分类。有四冲程柴油机和二冲程柴油机。 （2）按进气方式分类。有增压柴油机和非增压柴油机。 （3）按曲轴转速分类。有高速、中速和低速柴油机。 高速柴油机：n1000r/min；中速柴油机：n=3001000r/min；低速柴油机：n300r/min。 （4）按柴油机结构特点分类。有筒状活塞式和十字头式柴油机；有单列气缸和多列气缸式柴油机。图1-5是筒状活塞和十字头式柴油机的构造示意图。筒状活塞式柴油机的活塞直接与连杆连接，活塞往复运动的导向作用和工作过程中所产生的侧压【推】力都是由活塞本身承担。十字头式柴油机的活塞是通过活塞杆和十字头与连杆连接，活塞的导向作用和侧压力由十字头滑块与导板承担。1-活塞；2-活塞杆；3-滑块；4-连杆；5-十字头；6-导板【这两种柴油机各有其特点，十字头式柴油机由于活塞不起导向作用，同时与缸套之间没有侧推力N的作用，因而两者之间的磨损减小，擦伤和卡死的可能性减小。此外，由于活塞杆只在垂直方向作直线运动，因而可在气缸下部加设一横隔板，把气缸与曲轴箱隔开，以免气缸中的污油、结炭或燃气漏入曲轴箱污染滑油。这也为十字头机燃用劣质燃料创造了有利条件。十字头式柴油机可靠性较筒形活塞式高。但十字头机的重量和高度增大，结构也较复杂，不具备筒形活塞式柴油机体积小、重量轻、结构简单的优点。】图1-6a）所示为气缸排成一列的直列式柴油机简图。为了提高柴油机的单位长度的功率，扩大单机功率范围，以及降低柴油机的重量指标，也有将柴油机设计成如图b)g）所示的V型，H型、辐射式或对置气缸式等多列气缸的形式。在民用船舶柴油机中，主要是直列式和V型。 【 某些船舶的推进装置（如客轮）采用双机双桨推进装置。在这种船舶上，由船艉向船艏看，布置在机舱右舷的柴油机为右旋柴油机，亦称右机；布置在机舱左舷的柴油机为左旋柴油机，亦称左机。在这种动力装置中，为便于操纵管理，右机的操纵侧即凸轮轴侧布置在柴油机左侧（即内侧），而排气侧布置在其右侧；左机的操纵侧在柴油机的右侧（即内侧）。 单台布置的船舶主柴油机通常均为右旋柴油机。】 （5）按柴油机排气管的位置分类。有右或左单列柴油机。 由飞轮端向自由端看，排气管位于气缸中心线所在平面右侧的单列柴油机称为右单列柴油机；排气管位于气缸中心线所在平面左侧的单列柴油机称为左单列柴油机。（6）按柴油机的转向分类。由飞轮端（功率输出端）向自由端看，有顺时针方向和逆时针方向旋转的柴油机。前者称右旋柴油机，后者称左旋柴油机。（7）按柴油机可否逆转分类。曲轴仅能按同一方向旋转的柴油机称不可逆转柴油机；可由操纵机构改变其曲轴转向的称可逆转柴油机。【三、几种常用机型简介1低速机：设计厂家在竞争中已减少到3个 1) B&W公司：81年MAN公司购并了B&W公司，低速机由MAN-B&W公司哥本哈根（丹麦）分公司设计试制。机型研制成功时间VT2BF60K-EF68K-GF73L-GF76L-GFC78L-GFCA79L-GB/GBE81/82L-MC/MCE83 L-MC还发展了S-MC、K-MC，其字母L表示长冲程，S表示超长冲程，K表示一般冲程。 70年代中后期，B&W低速机装船千瓦数占世界总数比例在1/41/3左右。80年接到订货单开始超过Sulzer公司，到80年代中就接近60%。 2) Sulzer公司：机型研制成功时间RD57RND68RND-M75RLA77RLB79RTA（直流扫气）8370年代中后期，Sulzer低速机装船千瓦数占世界总数百分比在50以上60左右。后来逐渐降至1/3左右。Sulzer公司 New Sulzer公司 Wartsila-NSD公司 3) 三菱重工业公司：机型研制成功时间UEC-H79UEC-HA82UEC-L83UEC-LA UEC-LS 三菱重工业公司低速机装船千瓦数占世界总数百分比一直在10左右。 4) MAN公司：机型研制成功时间KZ-E64KSZ70KSZ-A73KSZ-B76KSZ-BL77KSZ-C/CL79 70年代中后期，MAN公司低速机装船千瓦数占世界总数百分比曾保持在10左右，后来就更少了。81年合并B&W公司后就放弃发展低速机了。 2中速机： 中速机的厂家相当多，这里仅能列举最著名的几家。 1)S.E.M.T.（法国热机研究学会） PC2-5PC2-6PC2-6B（缸径D=400） PC4PC4-2PC4-2B（缸径D=570） 2)Wartsila公司 3)MAN公司 4)Sulzer公司 5)大发公司 6)MaK公司】四、柴油机总体结构简介 为保证正常工作，一台柴油机应具备必需的机件、部件和系统。图1-7所示为S60MC型船用低速柴油机的总体结构图。根据其各组成部件的基本作用，可将它分成以下几个组成部分： （1）主要运动机件。它们是把气缸内燃烧气体所作的功，转换成以曲轴回转形式输出的机构。主要机件有活塞组、十字头组、连杆组和曲轴飞轮组等。 （2）主要固定机件。它们是柴油机的骨架和支承。主要机件有机座、机架、气缸体、扫气箱和气缸盖等。 （3）换气和增压系统。它们实现对新鲜空气的增压，并按柴油机工作循环的要求，保证换气过程的正常进行。主要部件有：增压器、空冷器、气阀机构、凸轮轴组和进排气管等。 （4）燃油喷射系统。它们按工作循环的要求，定时、定量地向气缸内喷射燃油。主要的部件有喷油泵、凸轮轴组、喷油器等。 （5）润滑系统。它向柴油机各摩擦副供给润滑油，以减少摩擦阻力和机件的磨损并带走部分热量。主要的部件有润滑油泵、滑油冷却器、滤器等。 （6）冷却系统。它将柴油机受热部件的热量传出，以保证受热部件处于正常的工作温度范围内。（7）操纵系统。由起动装置（使柴油机从停车状态进入工作状态）、调速装置（控制和调节柴油机的转速）、换向装置（实现柴油机的正、反转）以及操纵机构等组成。 图1-7 L60MC柴油机总体结构第三节 船舶柴油机的主要技术指标为了从总体上或从某一方面去评估一台柴油机，常常利用柴油机的一些主要技术指标来判断和衡量。这些技术指标除了动力性指标、经济性指标，还有重量和外形尺寸指标、排气污染指标等。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。它们既是反映柴油机工作循环完善程度的参数，更是评估柴油机性能的主要依据。 1有效功率Ne 从柴油机曲轴输出端传出的功率称为有效功率，用Ne表示。 柴油机的有效功率Ne 在试验台上用水力测功器（或电力测功器）测出，在船舶上可用扭力计测出： （1-6）式中：Me柴油机输出的有效扭矩，Nm； n柴油机转速，r/min。 2平均有效压力pe 在柴油机有效指标中，同样也可以引入与pi类似的折合到单位气缸工作容积的指标平均有效压力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。它消去了柴油机气缸工作容积的因素，所以它的数值与气缸工作容积的大小无关。因此便于用它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。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。 pe的值大表明其工作循环进行得比较完善或和机械损失小。pe 是评定柴油机工作循环动力性的重要指标。 二、其它动力性和经济性指标 1 转速 内燃机曲轴每分钟的转速，用r/min表示。转速对内燃机性能和结构影响很大，而且其范围十分宽广。各种类型内燃机使用转速范围各不相同，其中有两个转速值得注意： （1）最高转速nmax受调速控制时，柴油机所能达到的最高转速。 （2）最低稳定转速nmin柴油机能够稳定工作的最低转速。 在最低稳定转速和最高转速之间是柴油机转速的工作范围。 2 活塞平均速度Cm 活塞在气缸中运动的速度是不断变化的，在行程中间较大，在止点附近较小，止点处为零。若已知内燃机转速n时，则活塞平均速度可由下式计算： （1-7）式中，S行程（m）。【 柴油机的速度可以用曲轴转速n（r/min）和活塞平均速度Cm（m/s）表示。 低速柴油机n300r/min Cm=6.0m/s7.2m/s 中速柴油机3001000r/min Cm=9.0m/s14.2m/s】 3 滑油消耗率 柴油机在标定工况时，每千瓦小时所消耗滑油量的克数称为滑油消耗率，单位为g/（kWh）。 柴油机的滑油是在机内不断循环使用的，其消耗的原因主要是：柴油机在运转时滑油经活塞窜入燃烧室内或由气阀导管流入气缸内烧掉，未烧掉的则随废气排出；另外，有一部分滑油由于在曲轴箱内雾化或蒸发，而由曲轴箱通风口排出。柴油机的滑油消耗率一般在0.54g/（kWh）左右。 三、重量和外形尺寸指标 柴油机的重量和外形尺寸是评价柴油机结构紧凑性和金属材料利用率的一项指标。各种类型的柴油机对重量和外形尺寸的要求是不同的。 1 重量指标 柴油机的重量指标通常以比重量来衡量。比重量（gw又称单位功率重量，是柴油机净重Gw与标定功率Ne的比值，即（kg/kw） （1-8） 所谓净重是指不包括燃油、滑油、冷却水以及其它未直接装在内燃机本体上的附属设备与辅助系统的重量。 比重量的大小，除了和柴油机类型、结构、附件的大小有关外，还和所用材料和制造技术有关。 各类柴油机比重量（kg/kW）的一般范围如下： 船用高速机：1.43.7；船用中速机：1019；船用低速机：2035。 2 外形尺寸指标 外形尺寸指标又称紧凑性指标，是指柴油机总体布置紧凑程度的指标。通常以柴油机的单位体积功率来衡量。 单位体积功率Nv是柴油机的标定功率Ne与柴油机外廓体积V的比值，即（kW/m3） （1-9）式中：V=LBH，其中L、B、H为柴油机的最大长、宽、高尺寸。 四、排气污染指标 在柴油机的排气中含有数量不大的但非常有害的排放物。它们是：一氧化碳CO、碳氢化合物HC、氧化氮NO【X】和二氧化硫SO2。这些燃烧产物排入大气，污染环境而且有害于人体健康，从而造成社会公害。 随着环境保护意识的增强，对柴油机排气污染的限制也日益严格。我国已实施的国家标准（GB267-87）对柴油机排放的NOX限制如下： 当pe300kPa时，在ge214g/(kWh)时NOX限值为29g/(kWh)；在ge=214g/(kWh)268g/(kWh)时，限值为25g/(kWh)14g/(kWh)； 在ge268g/(kWh)时，NOX限值为11g/(kWh)。 国际海事组织的MARPOL73/78公约中关于限制船舶柴油机排气污染的最新附则（1999年12月31日开始实施），对船舶柴油机的排放规定如表1-1所示。船舶柴油机排放限制 表1-1 排放物中速机g/(kWh)低速机g/(kWh)NOX1217CO1.61.6HC0.50.5CO2660660SO24.2%S4.2%S表中S为燃油中的含硫量，且不得大于1.5。第二章 主要运动部件【 柴油机的主要运动部件是指活塞组、连杆组、曲轴飞轮组等组成，在十字头式柴油机中还包括了十字头组。它们的作用是把气缸內燃气所做的功以曲轴回转运动的形式输出】第一节 活塞组当活塞处在上止点时，由气缸盖底面、气缸套内表面及活塞顶面共同组成的空间称燃烧室。燃料与空气在燃烧室内混合和燃烧。燃烧室部件的相互配合状况如图2-1所示。图2-1大型低速柴油机燃烧室 1活塞组的工作条件和活塞本体的常用材料 1)活塞组的工作条件 活塞组所处的工作条件极为恶劣，它是在高温、高负荷【压】、高速【往复】运动、润滑不良以及冷却困难等情况下工作的。受到烧蚀和腐蚀的作用。 （1）活塞组受气缸内气体作用力P、往复惯性力Pj以及侧推力PH的周期性作用。在近代增压柴油机中，【气体作用力】已达到相当可观的程度，并带有冲击性质。它们将使活塞组各部分受到相当大的交变机械应力。然而，盲目地用增加壁厚来提高活塞组的机械强度，反而会使【活塞的温差增大，热应力增加。而且使活塞组的质量增加，惯性力增大。】【它的机械负荷很高。】 （2）活塞组受到高温燃烧气体的周期加热，长时间在高温状态下工作，不仅使活塞材料的强度降低，同时，活塞组靠近燃烧室的部分也将产生热变形和很大的热应力。【它的热负荷很高。】 （3）【在气缸中，由于活塞往复运动、【压力】温度很高、燃气冲刷等原因，它和气缸之间不可能建立液体动力润滑。】活塞组在侧推力【气体力】作用 和润滑不良的条件下进行高速往复运动，使活塞组产生较大的摩擦损失和磨损。同时【筒状活塞式柴油机中】，周期性改变方向的侧推力也必将使活塞不断撞击气缸套，引起活塞变形和气缸套振动。【在中、高速柴油机中，活塞具有较大的往复惯性力，使得柴油机的振动加剧。】 【活塞是柴油机的关键性部件之一，对柴油机的动力性、经济性和可靠性影响很大。因此，要求活塞强度高、刚度大、气密可靠、冷却效果好、摩擦损失小、耐磨损。摩擦副具有良好的润滑、较小的磨损以及较少的润滑油消耗量。对中、高速柴油机活塞还要求重量轻。】针对以上的工作条件，活塞组必须满足以下要求：在保证强度和刚度足够的前提下，尽可能减轻质量；尽量减少活塞顶从燃烧气体吸收热量，又能尽快地将所吸收的热量散走，防止活塞过热；既要保证燃烧室良好的气密性，又应尽可能减少活塞组的摩擦损失；摩擦副具有良好的润滑、较小的磨损以及较少的润滑油消耗量。 上述各项要求是相互制约彼此矛盾的，一般是通过选用合适的材料和合理的结构形式来满足。 2)活塞本体的常用材料 目前【活塞本体（包括头部、裙部）】常用的材料有合金铸铁、铝合金、球墨铸铁和耐热合金钢。 合金铸铁材料具有较高的机械强度、较小的热膨胀系数以及良好的耐磨和耐腐蚀性能，价格低廉，工艺性好；但其缺点是密度大【质量大】，吸热性和导热性比铝合金差。【低速机活塞裙用它制造。】 铝合金材料密度小，铝合金活塞比铸铁的要轻30%50%，因而能相应地减小活塞组的往复惯性力，因此中、高速柴油机的活塞广泛采用铝合金材料。但铝合金材料的热强度较差，热膨胀系数较大。【中、高速机活塞裙或整体活塞用它制造。】 铸铁活塞与气缸套的热膨胀系数非常接近，因此，无论是在冷态或是在热态状态下，活塞与气缸套的配合间隙几乎保持相同的数量值；而铝合金活塞由于其热膨胀系数较大，与气缸套的冷态配合间隙要比铸铁的大一倍左右，这在冷车启动和低负荷运转时，将加剧活塞对气缸套的撞击。 球墨铸铁和耐热合金材料【钢】具有更高的机械强度。在强载柴油机中，常用这种材料制成薄壁式的活塞结构，以增加其承受热负荷的综合能力。耐热合金钢一般用作组合式活塞的头部材料。【球墨铸铁用作筒状组合式活塞的裙部材料。】 2筒状活塞组 1)筒状活塞的结构 筒状活塞按其散热方式的不同分为两大类：冷却式和非冷却式。 在非冷却式活塞中，活塞头所吸收的热量主要是通过活塞环向气缸套及其外侧的冷却水散出。因此，为使吸入的热量能畅通而均匀地流向各道活塞环，活塞头部的结构应该是便于散热的形式，即散热断面要大，散热路程要短,如图2-2 所示，活塞顶厚度大并沿半径方向逐渐增大,顶部内腔环带的过渡圆弧半径较大,既有利于散热,又能使活塞顶具有足够的强度和刚度。 图2-2 非冷却式活塞 显然，非冷却式活塞只能用于缸径较小，强载度较低的柴油机中。强载度较高的柴油机【必须】用冷却式活塞。 冷却式活塞所吸收的热量主要由冷却介质带走。筒状活塞的冷却介质是润滑油。冷却式活塞【发展过程中】结构形式较多，但其基本原则是：既要保证活塞良好的冷却，又要使其各处的温度尽可能均匀，特别是活塞头部位的温差要小，以免产生过大的热应力。计算和试验都已表明，在如活塞、缸盖等这样一些既承受机械负荷又承受热负荷的部件中，热应力要比机械应力大得多，是影响部件强度和可靠性的主要因素。图2-3 由连杆小端喷射润滑油的喷射式活塞 图2-3所示为由连杆小端喷射润滑油的喷射式活塞，活塞顶厚度较薄，并用加强筋来增大活塞顶内腔的散热面积，以便提高冷却效果，同时也提高了活塞顶的强度和刚度【薄壁强背】。为了减少流向环带部分的热量，减小活塞环的热负荷，活塞顶部内腔与环带的过渡处采用内凹圆弧。图2-4是蛇形管冷却式铝合金活塞，冷却油管通常是设置在尽量靠近活塞顶部或热流流向第一环槽的通道上，因而加强了对环槽部分的冷却。冷却活塞的润滑油是通过连杆、活塞销上的钻孔，以及活塞销座内的通道进入蛇形管内。由于冷却油在狭小的蛇形管内流速较低，不易形成紊流运动，使冷却效果受到一定的限制。 图2-4 蛇形管冷却式铝合金活塞图2-5所示的环形冷却油腔活塞，由于冷却油并不充满环形冷却油腔，当活塞上下往复运动时，利用惯性作用使冷却油在油腔内强烈振荡，提高冷却油与油腔壁的相对运动速度，以便提高冷却油的放热系数，从而获得较好的冷却效果。这种冷却方式称为振荡冷却。 图2-5 环形冷却油腔活塞 在强载程度更高的柴油机中，由于活塞所受的热负荷和机械负荷都更大，【采用组合式活塞】，通常采用将热负荷和机械负荷分开来处理的办法。【活塞头因承受很高的热负荷和机械负荷并受到活塞环的磨损，因此】活塞头部采用机械强度高的球墨铸铁或耐热合金钢材料，以较薄的活塞顶厚度，足够大的冷却腔容积和散热表面积，以及采用振荡冷却方式，将活塞吸收热量的90% 以上沿轴向由冷却介质传出，从而有效地减小了活塞顶的温度梯度和热应力，提高了活塞承受热负荷的能力；同时，用较小跨距的内支撑来增加活塞顶的刚性【薄壁强背】，提高了承受机械负荷的能力。【筒形活塞的活塞裙起导向作用，除承受气体力的作用外，还要承受较大的侧推力，承受与气缸的摩擦，所以应有足够的刚度并耐磨损。】活塞裙部用铝合金或球墨铸铁材料。 图2-6所示为PC2-6大功率中速柴油机的活塞，它是体现上述设计思想的组合式活塞的典型结构。活塞头部用耐热合金钢制造，活塞裙1则用铝合金制成，两者用柔性螺栓10连接起来。【这里采用柔性螺栓连接可增大螺栓的弹性，避免活塞受热膨胀导致螺栓因塑性变形而松动，可增大螺栓的疲劳强度。】【浅盆形活塞顶与气缸盖的平底面相配合，形成一定形状的空间，以适应喷油器所喷出的油束，利于油、气混合和燃烧。 】活塞顶的壁较薄，并采用内支承的结构，构成了薄壁强背的活塞头。活塞采用滑油冷却， 滑油从连杆、活塞销和活塞裙中的通道先送至环形冷却腔A，再由此流入中央冷却腔C，最后从冷却腔的中央孔泄至曲轴箱中。中央孔的位置和孔径控制了冷却腔中的油量，以保证振荡冷却的实现。 图2-6 组合式筒状活塞1-活塞裙；2-卡簧；3-活塞销；4-衬管；5-刮油环；6、7、8-压缩环；9-活塞头；10-柔性螺栓；11-密封圈；12-垫块；13-螺母；14-衬管端盖；15-密封圈；A、C-冷却腔；B-避让坑 环带部分有活塞环槽，其内安装有活塞环。由于活塞环在环槽内不断运动而撞击环槽，尤其是燃用劣质燃油时【机械杂质及】生成的硬质炭粒，将加速环槽的磨损。为此，在铝合金活塞中常采用奥氏体铸铁耐磨镶圈（见图2-4）；在钢顶组合式活塞中，对环槽上下表面进行镀铬、淬火或氮化等表面处理，以提高环槽的耐磨性。 活塞在工作状态下，其温度沿轴向分布也很不均匀，因而将产生不同程度的热变形，为了使活塞在工作时能与气缸套保持合适的配合间隙，活塞侧表面做成上小下大的各种形状。如图2-7所示，图中a)，活塞头部做成锥形，裙部做成圆柱形，适用于裙部温差不大的场合；图中b)根据裙部温度的差别，也将裙部做成了锥形；图中c)在裙部的下端又做成倒锥形，在活塞运动时可以形成“油楔”，减小活塞裙部的磨损；图中d)是根据活塞温度沿轴向的差别，由三段不同锥度的锥面组合，只是在最下面温度较低处保留有一段圆柱形；图中e)的头部是锥面，裙部是“曲线型面”。这种形状不仅适应裙部的热膨胀，而且在活塞往复运动时，能形成良好的“油楔”，减小裙部的磨损。但这种形状的加工比较复杂。 活塞裙部的销座部分，由于壁厚极不均匀而产生不均匀的热变形，使裙部沿销座中心线方向增大。同样，活塞在气体压力以及侧推力作用下的变形更使其沿销座中心线方向变长，而与活塞销座中心线垂直方向的直径将要缩短，即发生了裙部“椭圆变形”，如图2-8所示。为了适应这种变形，防止发生过大的局部磨损，甚至拉缸事故，裙部常被做成反椭圆形（即短轴在活塞销中心线上）或将销座周围的裙部表面内凹一些。 图2-8 活塞裙部的椭圆变形 【我们测量活塞裙的磨损量时，必须参照以往的测量记录。】 【筒状活塞滑油的输送普遍采用：滑油由主轴承经曲轴中钻孔送至连杆大端，经过连杆中钻孔送至连杆小端，再经过活塞销和活塞销座中的孔道送至活塞头冷却空间（见图2-5）。冷却后的滑油泄回曲轴箱。】 2)活塞销 活塞销是活塞和连杆的连接件。它把活塞所承受的气体压力以及活塞组的往复运动惯性力传给连杆，这些力的大小和方向是周期性变化的，并带有冲击性质。活塞销在轴承中是作摆动运动，难以实现液体油膜润滑。因此，活塞销必须有足够的疲劳强度、刚度、表面硬度和抗冲击韧性。 活塞销的材料一般是用含碳量较低的优质碳钢或合金钢，经外表面渗碳、淬火处理，使活塞销表面具有足够硬度，而内部仍有较高的韧性。也有用优质中碳钢经表面氮化处理的。 活塞销的结构与其连接方式有关，一般为空的圆柱体结构。活塞销与销座、连杆小端的连接方式有： （1）活塞销浮动于活塞销座和连杆小端衬套中。这种浮动式活塞销，广泛应用于中、高速柴油机中 ，由于活塞销可以浮动，故活塞销表面磨损小而且均匀。但是，浮动式活塞销与销座以及连杆小端衬套的配合精度要求较高。如果这两处配合间隙过大，会由于间隙的积累使冲击负荷增大，配合间隙过小又可能发生咬死现象。为防止浮动式活塞销轴向窜动而刮伤气缸套，在中、小型柴油机中常用图2-9所示的弹簧锁环。在尺寸比较大的柴油机中，常用图2-10所示的方法限制活塞销的轴向窜动。图中a)、b)是用螺钉固定的盖板，图中c)是在活塞销两端各装一块软金属（如铝合金）的塞盖。 图2-9 活塞销的轴向定位（2）活塞销固定于连杆小端而在活塞销座内摆动。活塞销与连杆小端凸缘用螺钉连接（见图2-11），可以增大活塞销上半部主要承压面的面积，缩小两销座间的跨距，提高销座的承载能力，减小活塞销的变形和磨损。这种结构常用于二冲程柴油机中。 图2-11 活塞销与连杆小端固定连接 3)活塞环 活塞环按其功用可分为气环（密封环）和油环两种。 气环的功用主要是密封气缸和散热。【气环的密封作用，主要是靠气环本身的弹性而紧贴于气缸壁（一次密封），以及在气缸内气体压力的作用下而紧贴于气缸壁和环槽下平面（二次密封）实现的 。第二次密封比第一次密封更重要。但没有可靠的第一次密封，就不能可靠地形成第二次密封。】 【多道气环还可以形成一种曲径式密封，即当环与缸壁、环槽壁贴合不严密时，特别是当环悬浮在环槽中时，气体通过多道环形成的间隙的节流作用，可以大大减少漏气。】为减少摩擦功损失，新型柴油机的发展是适当减少活塞环的数目。一般为保证密封的可靠性，高速柴油机常采用23道气环，中速柴油机用34道气环；新型十字头式低速柴油机用45道气环。其最后一道气环还具有布油作用（又称布油环）。【布油环上有布油槽，现代低速机已不用。】【 活塞环的工作条件。第一道活塞环直接受到高温高压燃气的作用，其它环由于燃气经环的搭口、气缸壁面和环槽处的漏泄，也受到燃气的不同程度的作用。通常气缸内气体经两道气环密封后，第二道环下方的气体压力已经下降到缸内气体压力的10%左右。因此，密封的主要作用是靠上两道气环 。活塞环在工作中被活塞带动相对于气缸套做往复运动。由于气体压力、活塞环往复运动的惯性力和气缸套间产生的摩擦力、活塞横向振动和气口挂碰等作用，使活塞环在环槽中产生十分复杂的运动。其中有：轴向运动、径向运动、回转运动、扭曲振动等。由于气缸套壁面失圆、有锥度，活塞环在本身弹力作用下还要产生张合的交变运动。活塞环在高温下工作，润滑条件较差，在环槽中的运动状态又十分复杂，使它与气缸套、活塞环槽之间产生严重的摩擦和磨损。活塞环因振动、与气口挂碰、弹性张合等作用有可能产生裂纹和折断。柴油机在运行中，还会因燃烧不良、滑油过多将活塞环粘着在环槽里，使活塞环失去密封作用，造成燃烧室窜气，使活塞环损坏。因此要求活塞环应有良好的密封性能，且要耐磨，特别是抗熔着磨损的性能要高；要有适当的弹性，足够的强度和热稳定性。】 活塞环材料常用显微镜组织细密的珠光体基体，在它上面均匀分布片状或微细粒状和球状石墨的灰铸铁或合金铸铁，也有用球墨铸铁的。【其硬度应比气缸套硬一些。为改善初期磨合性能，可对其工作表面进行渗硫、镀铜等表面处理。为提高气环的使用寿命，可对其工作表面进行孔性镀铬、氮化（以提高耐磨性）、喷钼（以防粘着磨损）等表面处理。】 气环的截面和切口形状应具有较高的密封性能；有利于磨合，有较强的抗熔着磨损能力和抗结胶能力；对润滑油具有良好的控制调节作用。气环的截面形状如图2-12所示。 图2-12 气环的截面形状 矩形截面环（图a），形状简单、加工方便。【应用最广泛，低速机均用矩形截面环，但工作温度200以上时，容易结焦、卡死。】它与气缸壁接触面积较大，表面接触压力较低，尤其是当活塞因热变形（图2-6）或摇晃引起活塞不能与气缸套保持良好接触时，将影响密封效果。目前在中等功率的柴油机中仍应用较多。某些大功率柴油机为加快气环同气缸套的磨合，在矩形环上表面镶嵌青铜或其他容易磨合的材料（图k、l）。【高、中速机气环的截面形状变化较多，除矩形截面环外，还有以下截面环：】 锥面环（图b），具有较高的表面接触比压，不仅增强了密封作用，缩短磨合时间，而且下行时刮油效果良好，上行时由于锥面的“油楔”作用可在气缸壁上布成油膜。但是，当其外圆锥面受到气体压力作用时，其径向分力将使表面压力减小，【容易造成“压入”，】降低密封作用。因此，锥面环不适宜作第一道气环，安装时有方向要求，不可装反。内切正扭曲环（图c）、d），由于断面形状不对称，工作时将发生盆状扭曲变形，使环的下棱边与气缸壁接触，具有锥面环的特点 。安装时也有方向要求。外切正扭曲环（图e）、f），同样也将发生盆状扭曲变形具有锥面环的特点，同时，由于其外圆面切割了集油槽，还可以防止因刮下的润滑油积聚过多使油压升高而上窜，有利于减少润滑油的消耗量。安装时也有方向要求，见补图2-10。【当把它装在气缸内时，由于弯曲便在环的外圆产生拉应力，环的内圆产生压应力，如上图所示。因为内、外圆的内力不在一个平面上，如中图所示，使