船舶柴油机一问答及计算题CH1-12

第一章柴油机的基本知识2.试综述热机的分类。

答：按照热机二次能量转换(化学能——热能——机械能)的特点，热机又可分为外燃机和内燃机。

一．外燃机，[燃料的燃烧发生在气缸外部(锅炉)并利用某种中间工质(蒸汽)在气缸内膨胀作功。

]1）往复式：蒸汽机2）回转式：蒸汽轮机[由于在外燃机中热能需经过中间工质传递，必然存在热损失。

所以，它的热效率不高，而且装置笨重。

]二．内燃机，[燃料的燃烧发生在气缸内部并直接利用燃烧产物(燃气)在缸内膨胀(例如推动活塞)对外作功，即所谓在气缸内发生二次能量转变。

]根据使用燃料和工作方式的不同可大致分为：1）往复式：ａ）汽油机：[汽油机是一种(电)点火往复式内燃机，利用汽油做燃料在气缸外通过化油器形成汽油蒸气与空气混合(称外部混合)，此种混合气在缸内经适度压缩后在上止点附近由电火花塞点火燃烧； ]ｂ）柴油机：[柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机，它使用挥发性较差的柴油或其他劣质燃油做燃料，采用内部混合法(燃油与空气在缸内压缩终点混合)形成可燃混合气，并依靠缸内的压缩高温自行发火燃烧(称压缩发火)。

因此柴油机在内燃机中具有最高的热效率(压缩比高)，并允许作为船舶动力装置(燃料的火灾危险性小)。

]2）回转式ａ）燃气轮机：[燃气轮机是一种高速回转的内燃机，它的最大优点是装置轻便，重量体积最小，最适于航空或舰船加速时使用的(辅助)动力机械。

][相对而言，内燃机的热效率较高且装置轻便，机动性较好。

]2.试综述内燃机的理论循环。

答：三．内燃机有三种理论循环：1）容加热循环(亦称奥托循环)；2）等压加热循环(亦称狄塞尔循环)；3）合加热循环(亦称萨巴特循环)。

四．理论循环的应用1）柴油机基本按等容加热循环工作；2）早期柴油机(空气喷射式)按等压加热循环工作；3）现代柴油机(机械喷射式)基本按混合加热循环工作；4）现代高增压船用新型柴油机(采用限制最高爆发压力工作)有向等压加热循环过渡的趋势；5）而废气涡轮增压柴油机的理论循环是继续膨胀混合加热循环。

3.试综述柴油机实际循环与理论循环的差异。

答：柴油机的实际循环存在着许多不可避免的损失，使它不可能达到理论循环的热效率ηt和平均压力pt。

一般地说，两者之间的差异如下：一．工质的影响理论循环中的工质是理想气体，而实际循环中的工质是空气和燃烧产物，所以产生如下影响：1)工质成分的变化。

[燃烧前的工质是新鲜空气和上一循环残留在压缩容积里的燃烧气体的混合物；燃烧后，工质成为燃烧产物。

]2)工质比热的变化。

[工质的比热随温度的升高而增大。

]3)工质的高温分解。

[高温分解需要吸收热量，使燃烧阶段的压力、温度增加较少，也使实际循环的热效率和作功能力下降。

]4)工质分子数的变化。

[燃油在气缸中燃烧后使工质的分子数增加，这对提高柴油机的效率是有利的，但影响极小。

]二．气缸壁的传热损失实际过程的热量交换总趋势是缸内工质向缸壁散热。

因此，压缩终点压力低于绝热压缩终点压力。

三．换气损失而实际循环必须排出废气和吸人新鲜空气。

1) 膨胀损失功: [在排气过程中，为了减少排气消耗的功，其排气阀总是提前开启，让废气在下止点前某点就开始逸出，由此减少了一部分有用功，称膨胀损失功。

]2) 泵气功: [实际循环的进气过程与排气过程均消耗轴功，称泵气功。

]3) 换气损失: [膨胀损失功与泵气功之和即为实际循环的换气损失。

]四．燃烧损失燃烧损失是指后燃和不完全燃烧所引起的损失。

五，泄漏损失气阀处的泄漏可以完全防止，但活塞环处的泄漏却无法避免。

六．其他损失如工质的涡动损失以及活塞运动速度与燃烧速度不相配合而偏离定容、定压加热过程的时间损失等。

4.试综述现代船用柴油机的结构特点。

答：现代船用大型柴油机的结构特点大致有：1)燃烧室采用钻孔冷却结构；2)旋转排气阀及液压式气阀传动机构；3)可变喷油定时机构(VIT)式喷油泵；4)薄壁轴承(如十字头轴承采用高锡铝薄壁轴承)；5)气缸润滑随负荷自动调整的自动控制系统，以改善气缸润滑；6)曲轴自由端装设轴向减振器以消减曲轴的轴向振动；7)焊接曲轴，大大减轻曲轴的重量(减轻20％～30％)。

5.试综述提高船用柴油机经济性的措施。

答：提高船用柴油机经济性的主要措施有：1)采用等压涡轮增压系统及高效率废气涡轮增压器。

[采用等压增压可明显提高增压器效率，使目前增压器效率提高到68％—72％。

]2)提高行程缸径比S／D。

[一方面可增加燃气膨胀功，另一方面在保持活塞平均速度不变的情况下，显著降低柴油机转速以提高螺旋桨效率，目前已发展到S／D=4的超长行程柴油机。

]3)提高最高爆发压力pz，与平均有效压力pe之比pz／pe。

[理论研究并经实践证实，提高pz／pe可提高柴油机经济性，所以目前户：已达15～18MPa。

]4)增大压缩比。

[高增压柴油机在过去曾一度采用低压缩比，以保证柴油机足够的机械强度，当前为提高经济性，仍然采取增大压缩比的措施，如现代大型柴油机压缩比已提高到16～19。

]5)采用可变喷油正时机构(VIT)[可变喷油正时机构可以提高部分负荷运转的经济性。

]6)提高机械效率。

[采用超短裙活塞并减少活塞环数目，改善气缸润滑，以提高机械效率。

]7)轴带负荷(如轴带发电机)。

[利用船舶推进轴系同时驱动一专用发电机，在正常运转期间可供船舶全部用电。

]8)余热再利用。

[开发与利用柴油机的余热(如排气、冷却液所携带的热量)。

]9)改进喷射与燃烧技术。

[如提高喷油压力，增大喷油率，缩短喷油持续期及采用小喷孔喷油器等提高燃烧质量。

]第二章柴油机结构及主要零部件1.什么叫柴油机的机械负荷？它有哪些特点？答：机械负荷是指柴油机部件承受最高燃烧压力、惯性力、振动冲击等的强烈程度。

由此，柴油机的机械负荷主要来自气体力、惯性力、装配预紧力，以及由振动、变形引起的附加应力。

其中以气体力与惯性力为主。

柴油机的机械负荷有以下两个特点：(1)周期交变(以工作循环为交变周期)；(2)冲击性。

2.什么叫柴油机的热负荷？热负荷有哪几种表示方法？答：热负荷是措柴油机的燃烧室部件承受温度、热流量与热应力的强烈程度。

通常，热负荷的表示方法有以下几种：(1)热流密度。

单位时间单位面积上的热流量q（kJ／m2．h)；(2)热应力。

由壁面温差形成的应力：(3)温度场。

受热部件的温度分布图。

另外还可用比活塞功率(单位活塞面积上的有效功率)来表示。

3.试述活塞的作用是什么？对它有哪些要求？答：活塞的作用有：(1)组成燃烧室，(2)传递动力，将气体力经连杆传给曲轴：(3)在筒形活塞式柴油机中，活塞承受侧推力，起着滑块(导向)作用；(4)在二冲程机中启闭气口控制换气。

由此，活塞是柴油机的关键性部件。

对活塞的要求有：强度高、刚度大、密封性好、散热性好、冷却效果好、摩擦损失小，耐磨损，中、高速机还要求活塞重量轻。

4.柴油机活塞的冷却方式有哪几种？冷却机构有哪几种？答，活塞的冷却方式主要有：(1)喷射冷却：压力滑油经连杆杆身的内部油道自喷嘴喷出，冷却活塞内壁后自由落人曲轴箱i(2)循环冷却，压力油均匀地在活塞头部的油道中流动。

通常在活塞顶内设置冷却腔或蛇形管。

(3)振荡冷却：在活塞头中设置较大容积的冷却空间，冷却液在其中充满40％～60％并以一定循环速度流过。

由于活塞的变速运动使冷却液在惯性力作用下在冷却腔内上下振荡。

活塞的冷却机构是指冷却液的输送方式。

在筒形活塞式柴油机中有两种冷却机构：其一是曲轴箱内设固定喷管，其二是在曲轴、连杆钻孔，冷却后滑油自由落回曲轴箱。

在大型十字头柴油机中则广泛使用套管式或绞链管式两种。

5.为什么十字头轴承是柴油机中工作条件最差的轴承？改善其可靠性的措施有哪些？答：十字头轴承的工作条件最为恶劣，主要有以下几点：(1)轴承比压大：其所受气体力与活塞惯性力较大，而尺寸由于结构限制，使单位面积上的作用力(比压)较大。

(2)难以形成足够的润滑油膜：十字轴承为绕十字头销摆动，其摆动角速度较小，且不断改变方向，难以形成全油膜润滑。

(3)单向受力：增压二冲程柴油机，十字头销始终压在轴承下瓦上，不利于滑油的供应与楔形油膜的形成。

(4)受力分布不均：柴油机工作时，由于十字头销与叉形连杆小端轴承的变形不一致。

易使轴承内侧局部受力严重。

提高十字头轴承可靠性的措施：1) 减小轴承比压(1)限制柴油机最高爆发压力，使其不过高。

(2)加大十字头销直径，以增大承压面积並提高刚度；加大轴颈与轴瓦的接触包角。

(3)采用全支承式轴承，以增大承压面积。

2) 使轴承负荷分布均匀(1)采用弹性结构如自整位式轴承，这种轴承座的变形和十字头销的变形相协调，从而保证它们之间的良好接触，使轴承负荷沿轴线均匀分布。

(2)采用刚性结构提高十字头销与轴承座的刚度，减少其变形。

(3)采用反变形法拂刮轴瓦，使十字头销受力发生塌腰变形时，销与轴承内侧不会发生过大接触应力，从而使负荷均匀。

(4) 增大承压面的贴合面积，通过拂刮或精密加工方法，使轴承与销间的贴合包角在90°～120°之间，避免局部比压过高。

3) 良好的润滑和冷却(1)保证润滑油压滑油压力达1.6～2.3 MPa，实现液体静力润滑。

(2)合理开设油槽。

(3)合适的轴承间隙。

(4)缩短连杆长度，改善轴承的润滑条件。

4) 采用薄壁轴瓦提高抗疲劳强度。

5)提高十字头销表面光洁程度。

6.曲轴的作用是什么？曲轴的工作条比较苛刻主要表现在哪些方面？答：曲轴的作用是：(1)把活塞的往复运动变为回转运动；（2）汇集各缸动力并以回转形式输出；(3)带动柴油机的附属设备，如喷油泵、进排气阀、起动空气分配器等。

曲轴工作条件比较苛刻主要表现在以下四个方面：(1)受力复杂：承受交变气体力、往复惯性力和离心惯性力以及它们所产生的扭矩与弯矩。

(2)应力集中严重：曲轴形状复杂，弯头很多，使曲轴内部的应力分布极不均匀，以致在曲柄臂与轴颈的过渡圆角处及润滑油孔周围产生严重的应力集中现象。

(3)附加应力大：曲轴在径向力、切向力及扭矩作用下产生扭转振动、横向振动与，纵向振动，并由此产生附加应力。

尤其当发生共振时，轴系将承受较大的附加应力。

(4)轴颈遭受磨损：使轴系产生附加弯矩而且此种磨损也降低轴系承受负荷的能力。

第三章燃油喷射与燃烧1.试述燃油硫分和矾、钠含量对柴油机使用的影响。

答：燃油中的硫分和钒、钠含量是燃油重要的理化性能指标。

它们产生的腐蚀条件是不同的：一低温腐蚀或冷腐蚀：硫分的腐蚀产生的条件是缸壁温度低于硫的氧化产物和水蒸气的露点时，在缸壁表面形成强酸(硫酸)，故亦称低温腐蚀或冷腐蚀。

二高温腐蚀：而钠钒的燃烧产物是一种多成分的低熔点混合物，当燃烧室部件温度(如：排气阀)高于这种低熔点混合物的熔点时(如最低熔点仅为300℃)，它们就会熔化附着在金属表面上，与金属表面发生氧化还原反应而腐蚀金属(化学腐蚀)。