1、第一章第一章 柴油机的工作过程柴油机的工作过程n第一节 柴油机的热力循环n第二节 柴油机的工作过程n第三节 柴油机的性能指标n第四节 船舶柴油机的类型和发展第一节第一节 柴油机的热力循环柴油机的热力循环 一柴油机概况 柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机。其工作过程 进气进气膨胀膨胀排气排气压缩压缩燃烧燃烧工作循环工作循环表示柴油机工作原理的术语表示柴油机工作原理的术语:n n柴油机的基本参数结构柴油机的基本参数结构n n（1 1）上止点）上止点TDCTDCn n（2 2）下止点）下止点BDCBDCn n（3 3）行程）行程S Sn n（4 4）缸径）缸径DDn n（5 5）压缩室容积）压缩室容
2、积 VcVc（6 6）余隙高度（顶隙）（）余隙高度（顶隙）（7 7）气缸工作容积）气缸工作容积 VsVs（8 8）气缸总容积）气缸总容积 VaVa（9 9）压缩比压缩比 二二 柴油机理论循环柴油机理论循环n n（1 1）等容加热循环等容加热循环（OttoOtto循环循环）：由绝热压缩）：由绝热压缩1-21-2、等容加热等容加热2-32-3（加入热量（加入热量Q1Q1）、绝热膨胀）、绝热膨胀3-43-4和定和定容放热容放热4-14-1（放出热量（放出热量Q2Q2）等过程组成。点燃式内）等过程组成。点燃式内燃机（如汽油机）按此循燃机（如汽油机）按此循环工作（某些高速柴油机环工作（某些高速柴油机也近
3、似按此循环工作）。也近似按此循环工作）。n n（2）等压加热循环（Diesel循环）：n n由绝热压缩1-2、等压加热2-3（加入热量Q1）、绝热膨胀3-4和定容放热4-1（放出热量Q2）等过程组成。早期的空气喷射式柴油机按此循环工作。现代高增压柴油机有向定压加热循环发展的趋势。n n（3）混合加热循环（Sabathe循环）：n n是在定容加热2-3和定压加热3-4条件下加入热量Q1，其它同定压或定容加热循环。现代柴油机基本上都是按混合加热循环工作。n n（4）继续膨胀混合加热循环(Atkinson)循环：n n上述理论循环中，工质只绝热膨胀到5点，然后定容放热(相当于排入大气)，由此必然损失
4、部分排气能量。若使工质由Pz一直膨胀到进气压力Pa，即在5点以后继续绝热膨胀到6点，然后定压放热Q2(6-1)。涡轮增压柴油机理论循环三种理论循环热效率的比较三种理论循环热效率的比较 比较可知：等容加热循环的热效率最高，等压加热循环的热效率最低，混合加热循环的热效率位于中间区域。n n现代柴油机的最高爆发压力Pz已经达到了相当的限度，这种限制最高爆发压力的柴油机以等压燃烧循环的工作热效率最高。所以，现代高增压柴油机有向等压加热循环发展的趋势。n n三三 柴油机实际循环柴油机实际循环n n柴油机的实际循环存在着许多不可避免的损失，使它无法达到理论循环的热效率t t和平均压力pt t。n n实际循
5、环：工质是实际混合气，以燃烧加热和排气放热，并记及各种热力损失的实际工作循环。n n引起各种损失的原因如下：n n工质的成分变化n n工质比热的变化n n工质的高温分解n n工质分子数的变化n n2。气缸壁的传热损失n n3。换气损失n n4。时间损失n n5。燃烧损失n n6。泄漏损失1。工质的影响工质的影响一一.四冲程柴油机工作原理四冲程柴油机工作原理 n n四冲程柴油机：柴油机工作循环的五个过程是通四冲程柴油机：柴油机工作循环的五个过程是通过进气、压缩、膨胀和排气四个行程来实现的（过进气、压缩、膨胀和排气四个行程来实现的（曲轴转动曲轴转动 720720）。）。四冲程柴油机动化演示四冲程柴
6、油机动化演示n第一行程：进气行程，空气进入气缸时相应的活塞行程。n第二行程：压缩行程，工质在气缸内被压缩时相应的活塞行程。n第三行程：燃烧和膨胀行程，工质在气缸内燃烧膨胀时相应的活塞行程。n第四行程：排气行程，废气从气缸内排出时相应的活塞行程。n n用曲柄转角表示气阀定时的圆图称为定时圆图。如图，它表示了各工作过程的次序与规律。二二.二冲程柴油机工作原理二冲程柴油机工作原理n n活塞在两个行程内完成一个工作循活塞在两个行程内完成一个工作循环（环（曲轴转动曲轴转动 360360）的柴油机，叫）的柴油机，叫做二冲程柴油机。做二冲程柴油机。n n二冲程柴油机的工作过程包括第一行程二冲程柴油机的工作过
7、程包括第一行程（压缩行程）、第二行程（膨胀冲程）和（压缩行程）、第二行程（膨胀冲程）和换气过程（进、排气过程）。压缩行程指换气过程（进、排气过程）。压缩行程指活塞从下止点上行遮住排气口开始（图中活塞从下止点上行遮住排气口开始（图中点点4 4），当活塞到达上止点时，压缩过程结），当活塞到达上止点时，压缩过程结束（图中的点束（图中的点C C）。膨胀行程是指从上止点）。膨胀行程是指从上止点燃油发火燃烧开始到活塞下行打开排气口燃油发火燃烧开始到活塞下行打开排气口结束（图中的点结束（图中的点1 1），），z z点表示缸内的最大点表示缸内的最大爆发压力点，爆发压力点，d2d2点表示工作循环的最高温点表示工
8、作循环的最高温度点，在此过程中燃气膨胀推动活塞下移度点，在此过程中燃气膨胀推动活塞下移向外输出有效功。换气过程是指从膨胀行向外输出有效功。换气过程是指从膨胀行程终止后开始，随着活塞的移动，活塞依程终止后开始，随着活塞的移动，活塞依次打开排气口（点次打开排气口（点1 1）、打开扫气口（点）、打开扫气口（点2 2）、到达下止点（点）、到达下止点（点0 0）、关闭扫气口）、关闭扫气口（点（点3 3）、关闭排气口（点）、关闭排气口（点4 4），到压缩行），到压缩行程开始前结束。废气排出气缸，新鲜空气程开始前结束。废气排出气缸，新鲜空气进入气缸进行清扫的过程，不占有单独的进入气缸进行清扫的过程，不占有单
9、独的行程，因而又称为行程，因而又称为“扫气过程扫气过程”。n n二冲程柴油机也可以用定时圆图来表示它的各项定时时刻。图为某二冲程柴油机的定时圆图。二冲程柴油机与四冲程柴油机的比较功率比较相同尺寸和转速时，二冲程功率为四冲程1.61.8倍；回转均匀性二冲程柴油机较均匀均匀,可使用较小的飞轮维修保养二冲程柴油机较简单,便于维修保养换气质量二冲程柴油机较差,耗气量也大热负荷二冲程柴油机较高各自优越性提高功率方面，二冲程机优越；提高强化程度方面，四冲程机优越四、二冲程柴油机的换气形式四、二冲程柴油机的换气形式换气形式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回流式扫气回流式扫气:进排气口在
10、气缸下部同一侧且排气口在进气口的上方半回流扫气：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，在气缸盖上有排气阀第三节第三节 柴油机的性能指标柴油机的性能指标 柴油机的性能通常可以从动力性、经济性、运柴油机的性能通常可以从动力性、经济性、运性、可靠性和耐用性等方面进行衡量，在此，性、可靠性和耐用性等方面进行衡量，在此，我们重点分析动力性和经济性指标。我们重点分析动力性和经济性指标。动力性和经济性指标可分成动力性和经济性指标可分成指示指标指示指标和和有效指标。有效指标。一、动力性指标：一、动力性指标：一、动力性指标：一、
11、动力性指标：是指柴油机对外作功能力的指是指柴油机对外作功能力的指是指柴油机对外作功能力的指是指柴油机对外作功能力的指标标标标（功率、平均有效功率、平均有效压力、转速和（功率、平均有效功率、平均有效压力、转速和（功率、平均有效功率、平均有效压力、转速和（功率、平均有效功率、平均有效压力、转速和活塞平均速度等）活塞平均速度等）活塞平均速度等）活塞平均速度等）有效功率有效功率有效功率有效功率功率：功率：柴油机在单位时间内所作的功称柴油机在单位时间内所作的功称功率功率。n n 指示功率：柴油机在气缸中单位时间内所指示功率：柴油机在气缸中单位时间内所作的功称为指示功率。作的功称为指示功率。n n有效功率
12、指示功率减去消耗于内部零件有效功率：指示功率减去消耗于内部零件的摩擦损失、泵气损失和驱动附件损失等机的摩擦损失、泵气损失和驱动附件损失等机戒损失功率之后，从发动机曲轴输出的功率戒损失功率之后，从发动机曲轴输出的功率称称。n n如：柴油机曲轴每分钟的转速为如：柴油机曲轴每分钟的转速为n n，曲轴每秒，曲轴每秒输出的有效功率为输出的有效功率为We,We,由于由于n nWe=2We=2n/60 n/60 Me Me N.mN.mn n则柴油机的有效功率为：则柴油机的有效功率为：Ne=Ne=nMe/30000 nMe/30000 kwkwn n式中式中MeMe为为有效有效扭扭矩矩n n 标定功率标定
13、功率n n 1 1小时功率：柴油机允许连续运转小时功率：柴油机允许连续运转1 1小时的最大有效功率小时的最大有效功率n n 持续功率：柴油机允许长期运转的最大有效功率持续功率：柴油机允许长期运转的最大有效功率n n 其它有效功率其它有效功率n n 升功率升功率NL NL：n n 单位活塞面积功率单位活塞面积功率NANA n n 平均有效压力：平均有效压力：它是一个作用在活塞顶上的假象的大它是一个作用在活塞顶上的假象的大小不变的压力，它使活塞移动一个行程所作的功，等于每循小不变的压力，它使活塞移动一个行程所作的功，等于每循环所作的有效功。环所作的有效功。n nNe=Ne=Vs Vs PePe n
14、/n/3030 (KW (KW)气缸数气缸数VsVs气缸气缸 工作容积工作容积n nPePe平均有效压力平均有效压力n n发动机转速，发动机转速，r/minr/minn nn n 柴油机的冲程数，四：柴油机的冲程数，四：=4=4二：二：=2=2n nPePe:非增压柴油机：非增压柴油机：0.50.8Mp0.50.8Mpa a 增压柴油机：增压柴油机：0.83.2MPa0.83.2MPa n n转速和活塞平均速度n n 转速：柴油机曲轴每分钟的转速，用转速：柴油机曲轴每分钟的转速，用 r/minr/min表示。表示。n n：最高转速nmaxmaxn n：最低稳定转速nminminn n活塞平均速
15、度Cm mn n Cm m=2Sn/60=Sn/30 (m/s)n n S行程.m。n n二、经济性指标n n燃油消耗率：简称比油耗或耗油率，它是柴油机工作时每千瓦小时所消耗油量的克数，（kwh)。n n指示耗油率：以指示功率计。n n有效耗油率：以有效功率计。n n注：柴油机产品说明只所指的燃油消耗率都是指有效燃油消耗率。若：测出扭矩Me和转速n，以及每小时燃油消耗量GT T和有效功率Ne以后，用下式即可求出有效燃油消耗率e en ne e=G=GT T/Ne/Ne10/(kwh)n n滑油消耗率：柴油机在标定工况下，每千瓦柴油机在标定工况下，每千瓦小时所消耗滑油量的克数称为滑油消耗率，用小
16、时所消耗滑油量的克数称为滑油消耗率，用/（kwkw h)h)表示。表示。n n消耗的原因：消耗的原因：串入燃烧室烧掉。n n：雾化或蒸发。第三节第三节 柴油机的性能指标柴油机的性能指标n n三、重量和外形尺寸指标n n重量指标：亦称单位功率重量，是柴油机净重G 与标定功率Ne的比值。即即=G/Ne e。(Kg/KW)(Kg/KW)n n外形尺寸指标：亦称紧凑性n n指标，是通过柴油机的单位体n n积功率来衡量。第三节第三节 柴油机的性能指标柴油机的性能指标n四、排气污染指标n废气污染主要有：n n一氧化碳（CO）：n n碳氢化合物（HC）：n n氮氧化和物（Nox）:n n二氧化硫（SO）:n
17、 n微粒（PT）:n nCO:过量空气系数：1汽油机达容积的6%第三节第三节 柴油机的性能指标柴油机的性能指标五、其它常用参数n n最高爆发压力PZ Z n n排气温度trn n活塞平均速度Cmn n行程缸径比S/Dn n强化系数peCm n n升功率PL L第四节第四节 船舶柴油机的类型和发展船舶柴油机的类型和发展一、柴油机的类型1.低速、中速、高速柴油机低速机n300r/min300r/min中速机300300n1000r/min1000r/min高速机 n1000r/min1000r/min第四节第四节 船舶柴油机的类型和发展船舶柴油机的类型和发展n n筒形活塞式与十字头式柴油机(筒)(
18、十)用活塞销直接用活塞销直接用十字头连接用十字头连接连接活塞与连杆连接活塞与连杆活塞杆与连杆活塞杆与连杆第四节第四节 船舶柴油机的类型和发展船舶柴油机的类型和发展n n直列式和V型机（气缸夹角通常为45、60和90）四四冲冲程程柴柴油油机机第四节第四节 船舶柴油机的类型和发展船舶柴油机的类型和发展右旋和左旋柴油机观察者由柴油机输出端(飞轮)向自由端看,正车时按顺时针方向旋转的柴油机称右旋机,反之,则为左旋机。单台布置的船舶主柴油机通常均为右旋。可逆转和不可逆转柴油机可由操纵机构改变自身转向的称为可逆转柴油机，而曲轴只能按一个方向旋转的则称为不可逆转柴油机。第四节第四节 船舶柴油机的类型和发展船
19、舶柴油机的类型和发展二、船舶柴油机的型号二、船舶柴油机的型号1 1我国国产柴油机我国国产柴油机低速柴油机型低速柴油机型6ESDZ43/82B6ESDZ43/82B型型改进序号改进序号气缸直径（气缸直径（cm)/cm)/活塞行程（活塞行程（cm)cm)技术特征代号技术特征代号 技术特征代号的含义技术特征代号的含义 气缸数气缸数 E E 二冲程二冲程 C C 船用船用 中中 、小型柴油机型号小型柴油机型号 Z Z 增压增压 G G 高增压高增压 6 250 Z C 6 250 Z C D D 可倒转可倒转 S S 十字头十字头 技术特征代号技术特征代号 A A 第一次改进第一次改进 气缸直径气缸直
20、径 B B 第二次改进型第二次改进型 气缸数气缸数 V VV V型排列型排列 第四节第四节 船舶柴油机的类型和发展船舶柴油机的类型和发展n n 几种国外柴油机的型号几种国外柴油机的型号n nSulzerSulzern n6RTA84M6RTA84Mn n改进代号改进代号n n气缸直径气缸直径(cm)(cm)n n技术特征代号技术特征代号n n气缸数气缸数n nMANMANn nK9Z60/105EK9Z60/105E改进发展顺序改进发展顺序气缸直经气缸直经技术特征代号技术特征代号气缸数气缸数(十字头十字头)1776年年瓦特蒸汽机瓦特蒸汽机1876年年奥托四冲程奥托四冲程煤气机煤气机1880年年
21、D.ClerkJ.RobsonK.Benz二冲程内燃机二冲程内燃机1892年年Rudolf Diesel压缩发火内燃机压缩发火内燃机1897年年MAN公司公司首次使用柴油机首次使用柴油机1904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1927年在柴油机上正年在柴油机上正式使用式使用Bosch喷油泵喷油泵1927年年MAN公司制造了公司制造了废气涡轮增压器废气涡轮增压器20世纪世纪50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20世纪世纪60、70年代年代电子控制技术的使用电子控制技术的使用2000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第四节 船用船用柴油机柴油机的发展的发展
