柴油機基本知識

2023-02-09 12:21:02 字數 4417 閱讀 1592

機械裝置通常可分為動力機械和工作機械兩大類。動力機械是將其它形式的能量,如熱能、電能、風能等轉化為機械能,而工作機械則是利用機械能來完成所需的工作。把熱能轉換成機械能的動力機械稱之為熱機。

熱機是最重要的動力機械,蒸汽機、蒸汽輪機以及柴油機、汽油機等都是熱機中較典型的機型。

熱機在工作過程中需要完成兩次能量轉化過程。第一次能量轉化過程是將燃料的化學能通過燃燒轉化為熱能,第二次能量轉化過程是將熱能通過工質膨脹轉化為機械能。如果兩次能量轉化過程是在同一機械裝置的內部完成的,則稱之為內燃機,汽油機、柴油機以及燃氣輪機都屬於內燃機。

由於在內燃機中,兩次能量轉換均發生在氣缸內部,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(例如,燃氣輪機在熱機中的單位重量功率最大)。如果兩次能量轉化過程分別在兩個不同的機械裝置內部完成,則稱之為外燃機。

在該類機械中,化學能轉變成熱能的過程(燃燒)發生在鍋爐中,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,整個動力裝置也十分笨重。內燃機在與外燃機競爭中已經取得明顯的領先地位。

動力機械的運動機構基本上有兩種運動形式,一種為往復式,一種為迴轉式。在往復式發動機中,工質的膨脹作功是通過活塞的往復運動實現的;而迴轉式發動機則是利用高速流動的工質在工作葉輪內膨脹,推動葉輪轉動而工作的。往復式發動機是間歇工作的,其工質的最高溫度較高,而迴轉式發動機是連續工作的,由於受材料熱強度的限制,其工質的最高溫度不能太高,這就限制了其熱效率的進一步提高。

柴油機和汽油機同屬往復式內燃機,但又都具有各自的工作特點。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。其燃燒為電點火式(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。柴油機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,在船用發動機中,柴油機已經取得了絕對統治地位。

通常,柴油機具有以下突出優點:

(1)經濟性好。有效熱效率可達50%以上,可使用價廉的重油,燃油費用低。

(2)功率範圍寬廣,單機功率從0.6kw~68,000kw,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。

(5)可靠性高,壽命長,維修方便。

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。

(1)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。

(2)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。

(3)行程(s) 指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°ca(曲軸轉角)。

(4)缸徑(d) 氣缸的內徑

(5)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。如圖1-1所示。

(6)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。

(7)氣缸工作容積(vs) 活塞在氣缸中從上止點移動到下止點時所掃過的容積。見圖1-1。顯然:

(8)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。見圖1-1。顯然

(9)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。

壓縮比表示缸內工質壓縮程度。柴油機壓縮比約為12~22。

柴油機由於在各種動力機械中熱效率最高,功率範圍寬廣,起動迅速,維修方便,執行安全,使用壽命長,因而得到了廣泛的應用,特別是在船舶方面,柴油機作為主機和副機更是占有統治地位。

根據1998所世界各國造船造機結果統計,2023年世界各國造船總數為1080艘,總功率12,090,702kw,其中柴油機船為1078艘,主機總功率12,058,386 kw。低速二沖程柴油主機裝船數為762(佔造船總數的70.6%),功率9,477,693kw(佔總功率的78.

4%),中速四衝程柴油主機裝船數為316(佔造船總數的29.3%),總功率2,580,693 kw(佔總功率的21.3%)。

日本船級社2023年登記的新造船為281艘,總功率為2,389,851 kw,其中柴油機主機驅動的佔278艘(佔造船總數的98.9%),功率為2,330,851 kw(佔總功率的97.5%)。

根據用途不同,對柴油機的要求也不同,因而柴油機的型別很多。通常有以下幾種分類方式:

按工作迴圈可分為四衝程柴油機和二沖程機兩類。柴油機的乙個工作迴圈包括進氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣五個過程,四衝程柴油機是曲軸轉兩轉,也就是活塞運動四個行程完成乙個工作迴圈,而二沖程柴油機是曲軸轉一轉,也就是活塞運動兩個行程完成乙個工作迴圈。

在柴油機中,我們把用增加進氣壓力來提高功率的方法稱為柴油機的增壓。增壓柴油機和非增壓柴油機的主要區別在於進氣壓力不同,非增壓柴油機是在大氣壓力下進氣的,而增壓柴油機則是在較高的壓力下進氣的。

為了實現柴油機的增壓,必須在柴油機上裝設一台壓氣幫浦,若壓氣幫浦由柴油機帶動則稱機械增壓。如果把廢氣的能量充分利用起來,將柴油機排出的廢氣送入渦輪機中,使渦輪機高速迴轉來帶動一離心式壓氣機工作,從而提高進入柴油機的空氣壓力以實現增壓,我們稱這種增壓方式為廢氣渦輪增壓。使用渦輪增壓器既可使柴油機的功率增加,又可提高柴油機的經濟性。

柴油機的速度可以用曲軸轉速n(r/min)和活塞平均速度vm(m/s)表示。活塞的平均速度為m/s)

按此指標分類一般為:

低速柴油機

中速柴油機

高速柴油機n

圖1-2(a)為筒形活塞的示意圖,它的活塞通過活塞銷直接與連桿相連。這種結構的優點是結構簡單、緊湊、輕便,發動機高度小。它的缺點是由於運動時有側推力,活塞與氣缸之間的磨損較大。

中高速柴油機一般都採用此結構。

圖1-2(b)所示為十字頭式柴油機。它的活塞設有活塞桿,通過十字頭與連桿相連線,並在氣缸下部設中隔板將氣缸與曲軸箱隔開。十字頭柴油機工作可靠,壽命長。

它的缺點是重量和高度增大,結構複雜,大型低速二沖程柴油機都採用這種結構。

船用柴油機通常均為多缸機。這樣可以增大柴油機單機功率,同時可滿足船舶機動性、可靠性的要求。

多缸柴油機的氣缸排列可以有直列式、v型、w型等。船用柴油機均為直列式與v型兩

種。具有兩個或兩個以上直立氣缸,並呈一列布置的柴油機稱直列式柴油機,如圖1-3(a)所示。直列式柴油機的氣缸數因曲軸剛度和安裝上的限制一般不超過12缸。

當缸數超過12缸時通常採用v型柴油機,如圖1-3(b)所示。它具有兩個或兩列氣缸,其中心線夾角呈v型,並共享一根曲軸輸出功率。v型機的氣缸數可達18甚至24,氣缸夾角通常為90°、60°和45°。

v型機具有較高的單機功率和較小的比重量(柴油機淨重量與標定功率的比值),在中、高速柴油機中用得較多。

觀察者由柴油機功率輸出端向自由端看,正車時按順時針方向旋轉的柴油機稱右旋***柴油機;觀察者由柴油機功率輸出端向自由端看,正車時按逆時針方向旋轉的柴油機稱左旋柴油機。

某些船舶的推進裝置(如客輪)採用雙機雙槳推進裝置。在這種船舶上,由船艉向船艏看,布置在機艙右舷的柴油機為右旋柴油機,亦稱右機;布置在機艙左舷的柴油機為左旋柴油機,亦稱左機。在這種動力裝置中,為便於操縱管理,右機的操縱側即凸輪軸側布置在柴油機左側(即內側),而排氣側布置在右側;左機的操縱側在柴油機的右側(即內側)。

單台布置的船舶主柴油機通常均為右旋柴油機。

可由操縱機構改變自身轉向的柴油機稱可逆轉柴油機。曲軸僅能按同一方向旋轉的柴油機稱不可逆轉柴油機。

在船舶上凡直接帶動螺旋槳的柴油機均為可逆轉柴油機;凡帶有倒順車離合器、倒順車齒輪箱或可變螺距螺旋槳的柴油機以及船舶發電柴油機均為不可逆轉柴油機。

現代船用大型低速柴油機近十多年在提高經濟性方而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:

在高增壓柴油機上採用定壓渦輪增壓系統代替脈衝渦輪增壓系統是現代柴油機一在顯著特點,同時也有利於提高增壓器的效率 。新型渦輪增壓器的發展和使用,使增壓器效率由60年代的50-60%提高於60-76%,由此顯著降低了柴油機燃油消耗率。

增大行程缸徑比s/d的主要目的是在保持活塞平均速度vm不變的情況下大幅度降低柴油機轉速,以提高螺旋槳效率,從而提高動力裝置的總效率。這是自石油危機以來提高柴油機動力裝置經濟性的重要措施。因此自70年代末期開始,s/d的增大速度很快,並逐步開發了低速柴油機的長行程和超長行程柴油機系列。

s/d的增加,也使柴油機本身的經濟性有所提高。目前,man b&w公司的smc-c系列柴油機的s/d值已達4.0,而wrtsil瑞士公司的sulzer rta-t系列柴油機的s/d值甚至已達到了4.

17。然而,增大s/d使柴油機結構複雜,造價增加,因而s/d的增加是有限度的。

柴油機基本知識

機械裝置通常可分為動力機械和工作機械兩大類。動力機械是將其它形式的能量,如熱能 電能 風能等轉化為機械能,而工作機械則是利用機械能來完成所需的工作。把熱能轉換成機械能的動力機械稱之為熱機。熱機是最重要的動力機械,蒸汽機 蒸汽輪機以及柴油機 汽油機等都是熱機中較典型的機型。熱機在工作過程中需要完成兩次...

船舶柴油機的基本知識

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...

船舶柴油機的基本知識

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...