目的要求：
1．了解船舶柴油機的基本概念及優缺點。
2．掌握柴油機基本結構和主要系統。
3．掌握柴油機主要結構引數。
4．掌握
四、二沖程柴油機的工作原理。
5．比較
四、二沖程柴油機工作原理與結構上的差別。
6．了解船舶柴油機的基本分類和型號。
重點難點：
1．柴油機與汽油機的區別。
2．進排氣重疊角、定時圖。
教學時數：4學時
教學方法：多**講授
課外思考題：
1． 柴油機與汽油機有哪些區別？
2． 柴油機主要結構組成和作用。
3．壓縮比ε意義及對柴油機工作效能有什麼影響？
4．四衝程柴油機各工作過程特徵及特點。
5．二、四衝程換氣在工作上原理及結構上有什麼差別？
6．四衝程柴油機進、排氣為什麼都要提前和滯後？氣閥重疊角有何作用？
課題一船舶柴油機的基本知識
第一節柴油機的概述及發展趨勢
一、柴油機的概述
1．熱機
熱機是指把熱能轉換成機械能的動力機械。蒸汽機、蒸汽輪機以及柴油機、汽油機等是熱機中較典型的機型。
蒸汽機與蒸汽輪機同屬外燃機。在該類機械中，燃燒（燃料的化學能轉變成熱能）發生在汽缸外部（鍋爐），熱能轉變成機械能發生在汽缸內部。此種機械由於熱能需經某中間工質（水蒸氣）傳遞，必然存在熱損失，所以它的熱效率不高，況且整個動力裝置十分笨重。
在能源問題十分突出的當前，它無法與內燃機競爭，因而已經在船舶動力裝置中消失。
2．內燃機
汽油機、柴油機以及燃氣輪機同屬內燃機。雖然它們的機械運動形式（往復、迴轉）不同，但具有相同的工作特點──都是燃料在發動機的氣缸內燃燒並直接利用燃料燃燒產生的高溫高壓燃氣在氣缸中膨脹作功。從能量轉換觀點，此類機械能量損失小，具有較高的熱效率。
另外，在尺寸和重量等方面也具有明顯優勢，因而在與外燃機競爭中已經取得明顯的領先地位。
在內燃機中根據所用燃料不同，可大致分為汽油機、煤氣機、柴油機和燃氣輪機。它們都具有內燃機的共同特點，但又都具有各自的工作特點。由於這些各自不同的特點使它們在工作原理、工作經濟性以及使用範圍上均存在一定差異。
如汽油機使用揮發性好的汽油做燃料，採用外部混合法（汽油與空氣在氣缸外部進氣管中的汽化器進行混合）形成可燃混合氣。缸內燃燒為電點火式（電火花塞點火）。這種工作特點使汽油機不能採用高壓縮比，因而限制了汽油機的經濟性不能大幅度提高，而且也不允許作為船用發動機使用（汽油的火災危險性大）。
但它廣泛應用於運輸車輛。
3．柴油機
柴油機是一種壓縮發火的往復式內燃機。它使用揮發性較差的柴油或劣質燃料油做燃料。採用內部混合法（燃油與空氣的混合發生在氣缸內部）形成可燃混合氣；缸內燃燒採用壓縮式（靠缸內空氣壓縮形成的高溫自行發火）。
這種工作特點使柴油機在熱機領域內具有最高的熱效率（已達到 55％左右），而且允許作為船用發動機使用。因而，柴油機在工程界應用十分廣泛。尤其在船用發動機中，柴油機已經取得了絕對領先地位。
根據英國勞氏船級社統計，2023年全世界製造的船舶中（2000t以上）以柴油機作為推進裝置者佔99.89％，而到2023年100％為柴油機船。船用主機經濟性、可靠性、壽命是第一位，尺寸、重量是第二位，低速機適用作船用主機，大功率四衝程中速機適用作滾裝船和貨櫃船，中、高速機適用作發電機組。
柴油機通常具有以下突出優點：
（1）經濟性好。有效熱效率可達50％以上，可使用廉價的重油，燃油費用低。
（2）功率範圍寬廣，單機功率從0.6kw～45600kw，適用的領域廣。
（3）尺寸小，重量輕，有利於船舶機艙布置。
（4）機動性好。起動方便，加速效能好，有較寬的轉速和負荷調節範圍，可直接反轉，能適應船舶航行的各種工況要求。
同時，柴油機也具有以下缺點：
（1）存在機身振動、軸系扭轉振動和噪音。
（2）某些部件的工作條件惡劣，承受高溫、高壓並具有衝擊性負荷。
二、現代船用柴油機的發展趨勢
經過近幾十年尤其是近十年的發展，現代船用柴油機已經發展到乙個較高的技術水平。今後，隨著生產力的發展，將會對船用柴油機提出更高的要求，船舶柴油機也將繼續發展改進。當前柴油機的發展可以概括為：
以節能為中心，充分兼顧到排放與可靠性的要求，全面提高柴油機效能。根據此發展目標，今後的研究趨勢大致為：
1）提高經濟性的研究，包括燃燒、增壓、低磨損等的研究；
2）降低柴油機的排放的研究，排放是現代柴油機面臨的嚴重挑戰，隨著對船舶柴油機排放控制的限制，使得經濟性的提高更加困難，這也是船舶柴油機發展中的新課題；
3）提高可靠性與耐久性的研究；
4）電子控制技術的研究；
5）代用燃料的研究。
1．現代船用柴油機提高經濟性的主要措施
現代船用大型低速柴油機近十多年在提高經濟性方面取得的成效超過了過去幾十年。各種節能措施相繼出現並日趨完善，這些措施主要有：
1）採用定壓渦輪增壓系統和高效率廢氣渦輪增壓器。
2）增大行程缸徑比s／d。
3）提高最高爆發壓力pz與平均有效壓力pe之比pz／pe。
4）增大壓縮比ε。
5）採用可變噴油定時（vit）機構。
6）降低摩擦損失功提高機械效率ηm。
7）採用動力渦輪系統（tcs）。
8）軸帶發電機（pto）。
9）柴油機廢熱再利用。
10）改進噴射與燃燒技術。
2．現代船用低速柴油機的結構特點
1）燃燒室部件普遍採用鑽孔冷卻結構。
2）採用旋轉式排氣閥及液壓式氣閥傳動機構。
3）噴油幫浦採用可變噴油定時（vit）機構。
4）採用薄壁軸承。
5）採用獨立的氣缸潤滑系統。
6）曲軸上增設軸向減振器。
7）焊接曲軸。
第二節柴油機的基本結構
一、柴油機的基本工作原理
柴油機是一種壓縮發火的往復式內燃機。它的基本工作原理是使燃油直接在發動機的氣缸中燃燒，將燃油的化學能轉變成熱能，從而生成高溫高壓的燃氣，因燃氣膨脹，推動活塞運動，通過曲柄連桿對外做功，將熱能轉變為機械能。
柴油機必須經過進氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣五個過程才能完成了乙個工作迴圈。然後不斷重複進行這些過程，使柴油機持續工作。
二、柴油機的基本結構（教材圖1-1）
圖1-l 柴油機的基本結構組成
l-氣缸蓋；2-活塞；3-氣缸套；4-心活塞銷；5-連桿；6-連桿螺栓；7-曲軸；8-機座；9-主軸承；10-機體；11-凸輪軸；12-噴油幫浦；13-頂桿；14-進氣管；15-搖臂；16-過氣閥；17-高壓油管；18-噴油器；19-排氣閥；20-氣閥彈簧；21-排氣管
（1）固定部件
主要由氣缸蓋、氣缸套、機體、機座、主軸承等構成柴油機本體和運動件的支承，並和有關運動部件配合構成柴油機的工作空間。
（2）運動部件
主要由活塞、活塞銷、連桿，連桿螺栓、曲軸等組成。它們與固定部件配合完成空氣壓縮及熱能到機械能的轉換。
（3）配氣系統
它包括進氣系統和排氣系統。
進氣系統主要由空氣濾清器、進氣管件、氣缸蓋內的進氣道、進氣閥、氣閥彈簧、搖臂、頂桿、凸輪軸和凸輪軸傳動機構等所組成，用來在規定的時間內向氣缸內充入足夠的新鮮空氣。
排氣系統主要由排氣閥、氣閥彈簧、搖臂、頂桿、凸輪軸和傳動機構以及排氣管、排氣消音器等組成。用來在規定時間內將氣缸內作功後的廢氣排入大氣。
（4）燃油系統
它包括**和噴射兩個系統。前者由日用油櫃、燃油濾清器，輸油幫浦等組成，後者由噴油幫浦、高壓油管和噴油器組成。其功用是供給柴油機燃燒作功所需的燃油。
（5）潤滑系統
主要作用是潤滑摩擦表面，以減少機件的磨損，延長使用壽命，降低摩擦功率損失，提高機械效率。
（6）冷卻系統
主要作用是維持柴油機受熱零部件在合適的溫度狀態下工作。
（7）起動系統
柴油機本身無自行起動能力。起動系統的任務就是使柴油機從停車狀態發動起來。
（8）調速裝置
調速裝置的作用是使柴油機能按外界阻力矩的變化而自動改變噴油幫浦的噴油量，從而使柴油機在選定轉速下穩定運轉。
此外，船舶柴油機還設有換向裝置，並將起動、調速、換向和停車集中控制組成操縱系統。多數柴油機還設有增壓系統，用於進一步提高柴油機作功能力
三、柴油機的基本結構引數（教材圖1-2）
（1）氣缸直徑d：氣缸套的名義內徑。
（2）曲柄半徑r：曲軸的曲柄銷中心與主軸頸中心間的距離。
（3）上止點（tdc）：活塞在氣缸中運動的最上端位置，也就是活塞離曲軸中心線最遠的位置。
（4）下止點（bdc）：活塞在氣缸中運動的最下端位置，也就是活塞離曲軸中心線最近的位置。
（5）衝程（s），又稱行程：活塞從上止點移動到下止點間的直線距離。它等於曲軸曲柄半徑r的兩倍（s＝2r）。活塞移動乙個行程，相當於曲軸轉動180°（曲軸轉角）。
（6）氣缸餘隙容積（壓縮室容積vc）：活塞在氣缸內上止點時，活塞頂上的全部空間（活塞頂、氣缸蓋底面與氣缸套表面之間所包圍的空間）容積。
（7）餘隙高度（頂隙）：上止點時活塞最高頂面與氣缸蓋底平面之垂直距離。
（8）氣缸工作容積（vh）：活塞在氣缸中從上止點移動到下止點時所掃過的容積。
（9）氣缸總容積（va）：活塞在氣缸內位於下止點時，活塞頂以上的氣缸全部容積，亦稱氣缸最大容積。va＝vc＋vh
（10）壓縮比（ε）：氣缸總容積與壓縮室容積之比值，亦稱幾何壓縮比。ε＝va／vc＝1＋vh／vc
圖l-2 柴油機的主要幾何名稱
壓縮比ε是柴油機主要效能引數之一，表示缸內工質被壓縮程度。ε愈大，被壓縮終點的壓力、溫度愈高，柴油機易起動，熱效率也高，ε過高使柴油機工作粗暴，機械負荷過大，磨損加劇，消耗壓縮功增大，機械效率降低，輸出功率減小。ε可通過改變vc來調節。
柴油機壓縮比約為12～22。中、高速機壓縮比高於低速機。低速機：
13～15，中速機：14～17，高速機：15～22，增壓機：
11～14（低散熱少，增壓後pc、tc相應高）。
當氣缸直徑與活塞衝程確定後，氣缸工作容積vh也隨著確定了，所以若要調整壓縮比，可通過改變壓縮容積vc來實現。
第三節柴油機的工作原理
一、四衝程柴油機工作原理（教材圖1-3）
若柴油機工作迴圈的進氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣五個過程是通過四個衝程（即曲軸迴轉兩周）來完成的，這種柴油機就叫四衝程柴油機。
第一衝程──進氣衝程
這一衝程的任務是使氣缸內充滿新鮮空氣。活塞由上止點下行，進氣閥已開啟，由於氣缸容積不斷增大，缸內壓力下降，依靠氣缸內外的氣壓差作用，新鮮空氣通過進氣閥被吸入氣缸。由於受流阻等影響，在進氣過程的大部分時間裡，氣缸內壓力低於大氣壓力，到下止點時，缸內氣壓的為0.
08～0.95mpa，溫度約為30～70℃。這時，排氣閥和噴油器均關閉。
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