柴油机基本知识.pdf

第一章柴油机基本知识第一节柴油机总论一、柴油机及其在船舶动力装置中的地位1．柴油机与动力机械机械设备通常可分为动力机械和工作机械两大类。动力机械是将其它形式的能量，如热能、电能、风能等转化为机械能，而工作机械则是利用机械能来完成所需的工作。把热能转换成机械能的动力机械称之为热机。热机是最重要的动力机械，蒸汽机、蒸汽轮机以及柴油机、汽油机等都是热机中较典型的机型。热机在工作过程中需要完成两次能量转化过程。第一次能量转化过程是将燃料的化学能通过燃烧转化为热能，第二次能量转化过程是将热能通过工质膨胀转化为机械能。如果两次能量转化过程是在同一机械设备的内部完成的，则称之为内燃机，汽油机、柴油机以及燃气轮机都属于内燃机。由于在内燃机中，两次能量转换均发生在气缸内部，从能量转换观点，此类机械能量损失小，具有较高的热效率。另外，在尺寸和重量等方面也具有明显优势(例如，燃气轮机在热机中的单位重量功率最大)。如果两次能量转化过程分别在两个不同的机械设备内部完成，则称之为外燃机。在该类机械中，化学能转变成热能的过程（燃烧）发生在锅炉中，热能转变成机械能发生在汽缸内部。此种机械由于热能需经某中间工质(水蒸气)传递，必然存在热损失，所以它的热效率不高，整个动力装置也十分笨重。内燃机在与外燃机竞争中已经取得明显的领先地位。动力机械的运动机构基本上有两种运动形式，一种为往复式，一种为回转式。在往复式发动机中，工质的膨胀作功是通过活塞的往复运动实现的；而回转式发动机则是利用高速流动的工质在工作叶轮内膨胀，推动叶轮转动而工作的。往复式发动机是间歇工作的，其工质的最高温度较高，而回转式发动机是连续工作的，由于受材料热强度的限制，其工质的最高温度不能太高，这就限制了其热效率的进一步提高。柴油机和汽油机同属往复式内燃机，但又都具有各自的工作特点。汽油机使用挥发性好的汽油做燃料，采用外部混合法(汽油与空气在气缸外部进气管中的汽化器进行混合)形成可燃混合气。其燃烧为电点火式(电火花塞点火)。这种工作特点使汽油机不能采用高压缩比，因而限制了汽油机的经济性不能大幅度提高，而且也不允许作为船用发动机使用(汽油的火灾危险性大)。但它广泛应用于运输车辆。柴油机使用挥发性较差的柴油或劣质燃料油做燃料。采用内部混合法(燃油与空气的混合发生在气缸内部)形成可燃混合气；缸内燃烧采用压缩式(靠缸内空气压缩形成的高温自行发火)。这种工作特点使柴油机在热机领域内具有最高的热效率，在船用发动机中，柴油机已经取得了绝对统治地位。2．柴油机的主要优缺点通常，柴油机具有以下突出优点：(1)经济性好。有效热效率可达50%以上，可使用价廉的重油，燃油费用低。(2)功率范围宽广，单机功率从0.6kW～68,000kW，适用的领域广。(3)尺寸小，重量轻，有利于船舶机舱布置。(4)机动性好。起动方便，加速性能好。有较宽的转速和负荷调节范围，可直接反转，能适应船舶航行的各种工况要求。(5)可靠性高，寿命长，维修方便。同时，柴油机也具有以下缺点：(1)存在机身振动、轴系扭转振动和噪音。(2)某些部件的工作条件恶劣，承受高温、高压并具有冲击性负荷。3．柴油機的基本結構參數(1)上止点(TDC)活塞在气缸中运动的最上端位置，也就是活塞离曲轴中心线最远的位置。(2)下止点(BDC)活塞在气缸中运动的最下端位置，也就是活塞离曲轴中心线最近的位置。(3)行程(S)指活塞从上止点移动到下止点间的直线距离。它等于曲轴曲柄半径R的两倍(S＝2R)。活塞移动一个行程，相当于曲轴转动180°CA(曲轴转角)。(4)缸径(D)气缸的内径。(5)气缸余隙容积(压缩室容积，V)活塞在气缸内上止点时，圖１-１氣缸容積ｃ活塞顶上的全部空间(活塞顶、气缸盖底面与气缸套表面之间所包围的空间)容积。如图１-１所示。(6)余隙高度(顶隙)上止点时活塞最高顶面与气缸盖底平面之垂直距离。(7)气缸工作容积（Ｖ）活塞在气缸中从上止点移动到下止点时所扫过的容积。见图1-1。ｓ显然：vD2s（１-１）s4(8)气缸总容积(Ｖ)活塞在气缸内位于下止点时，活塞顶以上的气缸全部容积，亦称气缸最ａ大容积。见图１-１。显然Ｖ＝Ｖ＋Ｖ（１-２）ａｓｃ(9)压缩比（ε）气缸总容积与压缩室容积之比值，亦称几何压缩比。VVVVacs1S（１-３）VVVccC压缩比表示缸内工质压缩程度。柴油机压缩比约为12～22。4．柴油机在船舶动力装置中的地位柴油机由于在各种动力机械中热效率最高，功率范围宽广，起动迅速，维修方便，运行安全，使用寿命长，因而得到了广泛的应用，特别是在船舶方面，柴油机作为主机和副机更是占有统治地位。根据1998所世界各国造船造机结果统计，1998年世界各国造船总数为1080艘，总功率12,090,702kW，其中柴油机船为1078艘，主