船舶机电基础ppt教材和课后练习之————第二、三章.doc

Ø学习目标知识目标：1. 能正确叙述柴油机的基本结构参数以及柴油机的优缺点2. 初步掌握各种常见类型的柴油机的工作原理3. 了解柴油机的主要部件的组成、工作原理和功用4. 熟悉船舶操纵控制系统各组成部分的结构、工作原理及功用5. 能正确叙述船舶轴系的组成、作用及轴线的布置6. 能正确叙述船舶传动轴系的结构能力目标：1. 熟悉船舶动力装置的基本组成部件；2. 熟悉柴油机的类型、能基本识别柴油机主要部件3. 基本熟悉船舶操纵控制系统，初步具有操作柴油机的能力4. 能识别船舶传动轴系第二章 船舶动力装置第一节 柴油机的基本概念一、 概述1．热机所谓热机是指把热能转换为机械能的动力机械根据燃料燃烧场所的不同，热机可分为外燃机和内燃机两大类外燃机燃料的燃烧发生在机器的外部，而热能转变为机械能发生在机器内部由于热能需经中间工质（蒸汽）传递，必然存在热损失，所以外燃机的热效率不高典型的外燃机有蒸汽机、汽轮机和燃气轮机等内燃机燃料的燃烧发生在机器的内部，它以燃气为工质，直接利用燃烧产生的高温高压燃气在气缸中膨胀做功（热能转换为机械能）由于内燃机的两次能量转换过程都发生在气缸内部，能量损失小，所以其热效率较高。

典型的内燃机有柴油机、汽油机、煤气机等2．柴油机柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机它使用柴油或劣质燃油做燃料，采用内部混合法形成可燃混合气，缸内燃烧采用压燃式，即靠缸内空气压缩形成的高温自行发火这些特点使柴油机在热机范畴内具有最高的热效率，因而柴油机在工程界得到了广泛的应用，尤其在船用发动机中取得了绝对领先地位柴油机在船舶上除用作主推进发动机（主机）外，还广泛用作发电机的原动机、动力型救生艇发动机、应急发电机原动机和应急消防泵原动机等3．柴油机的优缺点与其他热机相比，柴油机具有如下优点：(1) 经济性好、热效率高有效热效率达到50％以上，可使用劣质燃料，耗油率低，燃料费用低2) 尺寸小、重量轻，有利于船舶机舱布置3) 功率范围广能满足不同类型、不同尺寸船舶的使用要求4) 机动性好启动方便，加速性能好，有宽广的转速和负荷调节范围，并可直接反转，能适应船舶航行的各种要求同时，柴油机也具有以下缺点：(1) 存在着振动和噪声；(2) 某些部件的工作条件恶劣,高温高压并有冲击性负荷二、 柴油机的基本结构参数（图2-1）(1) 上止点（T.D.C）：活塞在气缸中运动到离曲轴中心线最远的位置2) 下止点（B.D.C）：活塞在气缸中运动到离曲轴中心线最近的位置。

3) 曲柄半径（R）：曲轴主轴径中心线与曲柄销中心线的距离4) 行程(S)：活塞从上（下）止点移动到下（上）止点的直线距离它等于曲轴曲柄半径的两倍(S=2R)活塞移动一个行程，相当于曲轴转动180ºCA（曲轴转角）5) 缸径（D）：气缸的内径6) 压缩室容积（VC）：活塞在上止点时，活塞顶面以上的全部空间（活塞顶、气缸盖底面与气缸套表面所包围的空间）容积，亦称气缸余隙容积或燃烧室容积上止点下止点图2-1 柴油机基本结构参数(7) 气缸工作容积（Vh）：活塞在气缸中从上止点移动到下止点时所扫过的容积Vh＝πD2.S/4 （8）气缸总容积（Va）：活塞在气缸内位于下 止点时，活塞顶面以上的全部气缸容积 显然 ： Va＝Vh＋VC（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 ε＝Va/ VC＝（Vh＋VC）/ VC＝1＋Vh/ VC 压缩比是柴油机的一个重要性能参数，它表示 气缸内空气被活塞压缩的程度。

压缩比越大，压缩 终点的压力和温度就越高，燃油就越容易燃烧，柴油机就越容易起动压缩比对柴油机的燃烧、热效率、起动性能和机械负荷都有一定影响，其大小随柴油机的型式而定，一般柴油机的压缩比在11～20之间第二节 柴油机的工作原理 柴油机的基本工作原理是采用压缩发火方式使燃料在气缸内部燃烧，以高温、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—―曲柄机构将活塞往复运动转变为曲轴的回转运动，从而带动工作机械 根据柴油机的工作特点，燃油在柴油机气缸中燃烧作功必须通过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程柴油机每完成从进气到排气这五个过程一次称为一个工作循环，然后进入下一个工作循环，从而周而复始的运行下去 如果柴油机的一个工作循环分别在四个活塞行程中完成（即曲轴回转720℃A），称为四冲程柴油机若柴油机的一个工作循环分别在二个活塞行程中完成（即曲轴回转360°CA），称为二冲程柴油机 一、四冲程柴油机的工作原理 1、四冲程柴油机工作过程 第一行程：进气冲程 如图2-2所示，活塞从上止点下行，进气阀a已打开，由于气缸容积的不断增大，缸内压力下降，依靠缸内气体与大气的压差，新鲜空气经进气阀a被吸入气缸。

进气阀一般均在活塞到达上止点前即提前打开（曲柄位于点1），进气阀提前在上止点前开启的曲轴角度称进气阀开启提前角，活塞到下止点后延迟关闭（曲柄位于点2），进气阀延迟在下止点后关闭的曲轴角度称进气阀关闭延迟角曲轴转角φ1－2（图中阴影所占的角度表示进气持续角）为进气冲程，约为220°～250°CA ，其作用是使气缸内充满新鲜空气 第二行程：压缩行程 活塞从下止点向上运动，自进气阀a关闭（点2）开始对气体进行压缩，一直到活塞到达上止点（曲柄到达点3）为止第一行程吸入的新鲜空气经压缩后，压力增高到3～6MPa，温度升至600～700℃（燃油的自燃温度为210～270℃）压缩终点的压力和温度分图2－2 四冲程柴油机工作原理图别用符号pc和tc表示在压缩过程的后期，喷油器在活塞运行到上止点前某一角度（喷油提前角）将燃油喷入气缸，使高压燃油与高温空气混合、加热，并自行发火燃烧曲柄转角φ2－3表示压缩过程，约为140～160°CA压缩行程的作用是通过活塞的压缩，使气缸内的空气达到一定的压力和温度，从而为燃油的燃烧和工质的膨胀作功创造条件 第三行程：燃烧和膨胀行程活塞在上止点附近，由于燃油猛烈燃烧，使气缸内的压力和温度急剧升高，压力约达5～8MPa，（至达到14MPa以上），温度约为1400～1800℃或更高些。

将燃烧产生的最高压力称最高爆发压力，用Pz表示，最高温度用tz表示高温高压的燃气（即工质）膨胀推动活塞下行而作功由于气缸容积逐渐增大，而压力下降，在上止点后的某一时刻（曲柄位于点4）燃烧基本结束，膨胀一直持续到排气阀b开启时结束膨胀终了时缸内气体压力Pb 约为0.25～0.45MPa，温度tb约为600～700℃由于排气阀流通截面积在开启过程中只能逐渐地增大，因此与进气阀相同，排气阀b总是在活塞到达下止点前(点5)提前开启，实现充分排气曲柄转角φ3－4－5表示燃烧和膨胀，约为140～160°CA其作用是将燃油燃烧产生的热能转变成机械能向外输出第四行程：排气行程为使下一循环的新鲜空气再次进入，应先将气缸内的废气排出在上一行程末，排气阀b开启时活塞尚在下行，废气靠气缸内外压力差经排气阀排出，当活塞由下止点上行时，剩余废气可被上行活塞强行推挤出气缸，此时的排气过程是在略高于大气压力（约1.05～1.1大气压）且在压力基本不变的情况下进行的为使缸内废气排出得更干净，并减少排气过程的耗功，排气阀一直延迟到上止点后（点6）才关闭排气过程用曲柄转角φ5－6表示，约为230～260°CA其作用是将作功后的废气排出气缸。

进行了上述四个行程后，柴油机就完成了一个工作循环当活塞继续运动时，另一个新的工作循环又按同样的顺序重复进行四冲程柴油机每完成一个工作循环，曲轴要回转两转（凸轮轴回转一圈）每个工作循环中只有燃烧膨胀行程对外作功，其它三个行程都是为燃烧膨胀行程服务的，都需要由外界供给能量因此柴油机常做成多缸的，这样，进气、压缩、排气行程所需的能量可由其它处于作功行程的气缸供给如果是单缸柴油机，那就由较大的飞轮储存和提供能量图2－2下方P～V图表示一个工作循环内气缸中气体的压力随活塞位移（或气缸容积）变化的情况，称p～v示功图可用来研究柴油机工作过程进行的情况并可用来计算柴油机一个工作循环的指示功图 2－3 二冲程柴油机工作原理图二、二冲程柴油机工作原理通过活塞的两个行程完成一个工作循环的柴油机叫做二冲程柴油机在二冲程柴油机中，没有单独的进气与排气过程，其进气与排气过程几乎重叠在下止点前后约120～150°CA内同时进行因此在结构上，二冲程柴油机必须采用a、气缸套下部设扫气口－排气口，或气缸套下部设扫气口－气缸盖上设排气阀的换气机构b、而且还必须设置一个专门的扫气泵以提高进气压力，使进气能从扫气口进入气缸并清扫废气出气缸。

由此可把进、排气过程缩减到下止点前后的部分行程中完成现以扫气泵为罗茨式泵的二冲程柴油机为例来说明其工作原理如图2－3所示，采用扫气口—－排气口换气形式机带扫气泵b设在柴油机一侧，空气由泵的吸入口a吸入，经压缩后储存在具有较大容积的扫气箱d中并保持一定压力（105～140kpa）在柴油机膨胀行程中，柴油机活塞下行，先将排气口f打开（曲柄点1位置）缸内废气经排气口排入排气管g当气缸内压力降至接近扫气压力时，活塞下行把扫气口e打开（曲柄位于点2位置），扫气空气由扫气箱d经扫气口e进入气缸同时清扫废气出气缸，于是进气与排气同时进行，一直到下止点（点0）并转而上行把扫气口关闭（点3）扫气结束，活塞继续上行把排气口关闭（点4）至此，换气过程全部完成（进、排气结束），而开始进行压缩、燃烧和膨胀过程这两个过程进行情况同四冲程柴油机基本相同 图2－3（b）示出二冲程柴油机的P-V示功图其尾部1－2－0－3－4即为它的排气、进气过程（称换气过程）尾部形状明显不同于四冲程柴油机，是在膨胀行程末和压缩行程初这一较短时间内完成的在上止点前d1开始喷油，在上止点c开始燃烧，到点d2时燃烧结束二冲程柴油机与四冲程比较，在相同条件下，其功率约为四冲程的1.6～1.7倍，而且其回转也比四冲程均匀，但二冲程的换气质量较四冲程差、热负荷也比四冲程机高。

图2-4 废气涡轮增压二冲程柴油机工作原理图 三、二冲程增压柴油机的工作原理在柴油机中我们把用增加进气压力来提高气缸功率的方法称为柴油机增压为此必须装设一个压气泵如果压气泵是由柴油机带动的，则进气压力的提高会使柴油机消耗于压气泵的功率增多这种方式称为机械增压，一般用这种机械增压的增压压力不超过0.17×103kpa实现柴油机增压的最好方案是采用由柴油机排气驱动的废气蜗轮增压器，这种增压方式称为废气涡轮增压它既能提高柴油机功率，同时又可提高柴油机的经济性，这是目前应用广泛的一种增压方式废气涡轮与同轴安装的压气机合称为废气涡轮增压器图2－4所示为一种具有废气涡轮增压的二冲程柴油机工作原理图 它的新气通过气缸下部的进气口a进入气缸，而废气则通过气缸盖上的排气阀b排出气缸在进、排气管道上分别安装了离心式压气机e和废气蜗轮机d废气蜗轮从废气中获得能量而带动压气机高速回转新鲜空气经压气机压缩后压力和温度升高，然后由管g经冷却器k冷却后进入进气管h和扫气箱i准备进入气缸 气缸内工作循环。