船舶柴油机知识点梳理

上止点（T.D.C）是活塞在气缸中运动的最上端位置。

下止点（B.D.C）同上理。

行程（S）指活塞上止点到下止点的直线距离，是曲轴曲柄半径的两倍。

缸径（D）气缸内径。

气缸余隙容积（Vc）、气缸工作容积（Vs），气缸总容积（Va）、余隙高度（顶隙）。

柴油机理论循环（混合加热循环）：绝热压缩、定容加热、定压加热、绝热膨胀、定容放热。

混合加热循环理论热效率的相关因素：压缩比ε、压力升高比λ、绝热指数k（正相关）、初期膨胀比ρ（负相关）。

实际循环的差异：工质的影响（成分、比热、分子数变化，高温分解）、汽缸壁的传热损失、换气损失（膨胀损失功、泵气功）、燃烧损失（后燃和不完全燃烧）、泄漏损失（0.2%，气阀处可以防止，活塞环处无法避免）、其他损失。

活塞的四个行程：进气行程、压缩行程、膨胀行程和排气行程。

柴油机工作过程：进气、压缩、混合气形成、着火、燃烧与放热、膨胀做功和排气等。

四冲程柴油机的进、排气阀的启闭都不正好在上下止点，开启持续角均大于180°CA（曲轴转角）。

气阀定时：进、排气阀在上下止点前后启闭的时刻。

进气提前角、进气滞后角、排气提前角、排气滞后角。

气阀重叠角：同一气缸的进、排气阀在上止点前后同时开启的曲轴转角。

（四冲程一定有，增压大于非增压）机械增压：压气泵由柴油机带动。

废气涡轮增压：废气送入涡轮机中，使涡轮机带动离心式压气机工作。

二冲程柴油机的换气形式：弯流（下到上，再上到下）、直流（直线下而上）。

弯流可分：横流、回流、半回流。

直流：排气阀、排气口。

横流：进排气口两侧分布。

回流：进排气口同侧，排气口在进气口上面。

半回流：进排气的分布没变，排气管中装有回转控制阀。

排气阀——直流扫气：排气阀的启闭不受活塞运动限制，扫气效果较好。

弯流扫气的气流在缸内的流动路线长（通常大于2S），新废气掺混且存在死角和气流短路现象，因而换气质量较差。

横流扫气中，进排气口两侧受热不同，容易变形。

但弯流扫气结构简单，方便维修。

直流扫气质量好，但是结构复杂，维修较困难。

柴油机类型：低速柴油机n≤300r/min Vm＜6m/s中速柴油机300<n≤1000 Vm=6~9m/s高速柴油机n>1000r/min Vm>9m/s按活塞和连杆的连接方式：筒形活塞式（无十字头式）柴油机，十字头式柴油机。

两者间的区别：筒式活塞承受侧推力，活塞导向作用由活塞下部筒式裙部来承担。

活塞与连杆连接：活塞销。

十字头活塞侧推力由导板承担，导向由十字头承担。

活塞与连杆连接：活塞杆（垂直方向做直线运动）。

两者的优缺点：十字头式柴油机的活塞与缸套不易擦伤和卡死，气缸下部设隔板，能避免曲轴箱的滑油污染，利于燃烧劣质燃料。

活塞下方密闭，可作为辅助压气泵。

但重量和高度大，结构复杂。

筒式柴油机的体积小，重量轻，结构简单。

多缸机气缸排列可以分为直列式、V型（夹角90°、60°、45°）、W型（较高的单机功率与标定功率的比值）从柴油机功率输出端向自由端看，正车时按顺时针方向旋转的柴油机称为右旋柴油机，反之，左旋。

双机双桨上，由船艉向船艏看，机舱右舷的为右旋柴油机，左舷的为左旋柴油机，右机操纵侧在左侧，排气在右侧，左机相反。

（单台布置的船舶主柴油机为右旋柴油机）。

可由操作机构改变自身转向的柴油机称为可逆转柴油机。

（直接带动螺旋桨）曲轴仅能按同一方向旋转的柴油机为不可逆柴油机。

（带有倒顺车离合器、倒顺车齿轮箱、可变螺距螺旋桨）燃烧室：活塞处于上止点时，由气缸盖底面、气缸套内表面及活塞顶共同组成的燃料与空气混合燃烧的空间。

气缸盖受到螺栓预紧力和缸套支反力的作用，柴油机工作中还要受到燃气的高温、高压作用，其冷却水腔还要受到水的腐蚀。

结构复杂，金属分布不均、各部位温差很大，气缸盖承受着很大的分布很不均匀的机械应力和热应力，各阀孔间的狭窄区域（鼻梁区）工作条件更为恶劣。

要求足够的强度和刚度，以保证气缸盖既不会应力过大而损坏，也不会变形而漏泄；要求气缸盖底板良好的冷却，特别是各种阀孔之间的金属堆积处和高温部位；阀件的拆装、维护方便，水垢容易清除。

气缸上部将受到气缸盖安装预紧力的作用，气缸内壁受到燃气高温、高压和腐蚀作用以及活塞的摩擦、敲击和侧推力作用。

气缸冷却水空间受到冷却水的腐蚀和穴蚀。

要求足够的强度、刚度、耐磨性、抗腐蚀性、并要润滑和冷却，结合面要有可靠的气封和水封。

活塞受到燃气高温、高压、烧蚀和腐蚀的作用。

热负荷和机械负荷很高，材料的机械性能在高温下降低，活塞在工作中容易发生裂纹和变形。

活塞与气缸之间，不可能建立液体动力润滑，摩擦损失功大，磨损严重。

要求强度高、刚度大、密封可靠、散热性好、冷却效果好、摩擦损失小、耐磨损。

活塞质量轻（中、高速柴油机）。

机械应力：气缸盖的水冷面为拉应力，触火面为压应力，数值均大于安装应力。

气缸套触火面拉应力和压应力最大，水冷面，拉应力最小，压应力为0。

活塞顶板上表面为压应力，下表面为压应力。

以上部件由气体压力而产生的机械应力和最高爆发压力成正比，与部件壁厚成反比。

在船舶上，轮机管理人员通常根据柴油机的排气温度来判断热负荷的高低。

热负荷过高的危害：机械性能降低，承载能力下降，受热部件膨胀、变形，改变正常的工作间隙，滑油迅速变质、结焦、蒸发乃至烧掉，有些部件烧蚀，受热部件承受的热应力过大，产生疲劳破坏。

船用柴油机活塞多为冷却式，活塞顶板受到高温燃气的加热，下表面受到低温冷却液的冷却。

同时存在轴向传热（热量沿轴向传给活塞冷却液），也有径向传热（热量沿径向经活塞环、汽缸壁传给气缸冷却水），但主要是轴向传热。

热疲劳：在交变热应力作用下出现的破坏现象。

燃烧室部件的破坏是从出现裂纹开始，逐步发展遭到疲劳破裂。

低频应力在柴油机启动——全负荷运转——停车的过程中变化很大，在触火面上产生裂纹，同时还存在着高频应力。

采用薄壁强背的结构是兼顾机械应力和热应力的有效方法。

钻孔冷却是最理想的形式。

燃烧室的裂纹以触火面占多数，特别是应力集中及金属堆积的地方，如气缸盖底面的各种阀孔处，气缸套缸口圆角处，气口边缘，注油孔边缘等，触火面裂纹主要是低频热应力引起；气缸盖水冷面产生的裂纹主要是由高频机械应力引起的。

活塞顶烧损多见于直流扫气及油冷柴油机活塞上，活塞冷却腔太脏，使冷却不良、导热不好、局部过热，会加快烧损。

活塞采用滑油冷却，使热损失减少。

十字头活塞的活塞裙不受侧推力，较短。

筒形活塞的活塞裙有较大的侧推力作用，所以要造得十分坚韧。

筒形活塞中，活塞和连杆小端靠活塞销相连。

活塞销要传递周期变化的气体力和惯性力，还要受到连杆小端和销座的摩擦和磨损。

结构形式有：浮动式（连杆小端和销座内都可自由转动，磨损小且均匀）、固定式（固定在销座上）、半浮动式（固定在连杆小端上）。

为了减轻重量，活塞销都做成中空的，径向孔用来输送润滑油冷却活塞头，润滑销座和连杆小端。

活塞的冷却：非冷却式活塞（径向散热型，传给气缸套，冷却水带走，适用小柴油机）冷却式活塞（轴向散热型，冷却介质在活塞内腔强制冷却，适用大中柴油机）自由喷射冷却（连杆杆身有输油通道，滑油压力作用自下而上，小柴油机）循环冷却(专设冷却机构把压力滑油送入活塞顶内腔循环冷却，应用较广)振荡冷却（内腔中设置大容积冷却空间，进出口位置不同，保证冷却液只有40%-60%，并循环流过，大中型强载柴油机上普遍采用）。

根据冷却机构的不同，可以分为套管式（密封好，但是存在液击现象）和铰链式（密封不好，结构简单仅用油冷）。

活塞环的作用不同分为压缩环（气环）和刮油环两种。

筒形滑油飞溅，要刮油环，十字头注油润滑，只有气环，活塞裙较长的装承磨环。

异常磨损（磨损后极不均匀，磨损速度过快）的原因：磨合不良、运行中超负荷、润滑不好、滑油品质不好、滑油品质不合要求、燃烧不良、冷却不佳、摩擦表面有硬质颗粒等。

活塞环因活塞或气缸过热（滑油变油漆）、燃烧不良（炭粒）、滑油过多不净将活塞环粘着在环槽里。

活塞环折断的原因：搭口间隙过小、环槽积碳、活塞环压入（与汽缸壁不能很好贴合，主要因素）。

活塞环长时间使用产生不均匀磨损或由于过热、粘着和疲劳等使其弹力部分或全部丧失。

气环可分为矩形环（简单，容易卡死）、梯形环（间隙可变促磨合，防烧结，但配合精度高）、倒角环（容易磨合，有利于形成油楔，但不适合做一二道环）、内切槽扭曲环（（第一道，密封性好），外切槽环（第二、三道）。

气环的搭口可分为直搭口、斜搭口（简单，加工方便）与重叠搭口（气密性好，但容易折断）。

搭口不要摆在上下一条线上，应该避开，彼此相反。

油环可分为单刃油环、双刃油环。

特点：接触面积小，刮油效果好；天地间隙小，泵油作用小。

如果裙较长不安装承磨环，活塞和气缸磨合中会拉缸。

气缸套外表面与冷却水直接接触称为湿式气缸套，散热好，缸套刚性好，制造与更换方便，但外表面易受冷却水的腐蚀与穴蚀。

干式气缸套，外表面不与冷却水接触，冷却水腔设于气缸体内，特点与湿式相反，仅适用于小柴油机。

气缸套磨损：熔着磨损（局部高温，熔融粘着、脱落）、磨料磨损（硬质颗粒进入摩擦面，形成磨料，挤压滚撞）、腐蚀磨损（含硫燃油燃烧，生成硫酸等，还有生成氧化物）。

气缸套的过度磨损（远远超过正常值）的原因：结构设计、材料选用、加工装配质量、管理（气缸活塞过热、活塞环密封不好、刮油环不对或性能下降、油或气中硬质颗粒过多，磨合不良、气缸油量过多或者过少）。

由硫酸引起的腐蚀称为低温硫酸腐蚀或“冷”腐蚀。

含有海水或盐的燃油、空气、润滑油会对气缸套盐酸腐蚀。

防止腐蚀的措施：避免低负荷运行，适当提高冷却水温度，采用适当的气缸润滑油，滑油孔设在较高的位置，滑油注入能均匀分布。

气缸套穴蚀：气缸套外表面冷却壁上出现光亮无沉淀的蜂窝状小孔群损伤的现象。

由空泡腐蚀和电化学腐蚀两种因素共同形成的。

闭式循环淡水冷却柴油机，缸套穴蚀主要由空泡腐蚀引起；开式海水冷却的柴油机中，缸套穴蚀主要是电化学腐蚀。

穴蚀直接影响柴油机寿命和可靠性。

缸套振动是缸套穴蚀的重要原因。

防止穴蚀的措施：降低缸套振动（增加壁厚、提高支撑刚度和数量、减少缸套轴向间距、减少活塞和缸套的装配间隙），提高缸套抗穴蚀能力（抗穴蚀材料、外表面处理、冷却水腔结构合理，水流平顺、水处理提高消振性能），冷却水水温不能过高、水压足够、防止冷却水含有大量空气、保护水腔清洁、控制拆哟及负荷转速。

气缸盖分类：单体式气缸盖（密封性好，但中心距增大，长度和质量都增加）、整体式气缸盖（中心距小，结构紧凑，质量变轻，易变形，密封性差，结构复杂）、分组式气缸盖（介于两者之间）十字头和导板的作用是将活塞组件和连杆组件连接起来，把活塞的气体力和惯性力传给连杆，承受侧推力并给活塞在气缸中的运动导向。

（导板5左侧导板为正车导板，正车膨胀或者倒车压缩受侧推力，导板6相反）连杆的功用是将作用在活塞上的气体压力和惯性力传给曲轴，并把活塞或十字头与曲轴连接起来，将活塞的往复运动变成曲轴的回转运动。