船舶柴油机第三章换气和增压系统原理和管理
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《船舶柴油机》 Marine diesel engine
第三章换气和增压系统原理和管理
2020/11/24
1
3.1 柴油机换气过程 3.2 换气机构 3.3 废气涡轮增压系统和涡轮增压器 3.4 增压系统的故障与维护管理
2020/11/24
2
3.1 柴油机换气过程
四冲程柴油机
1自由排气阶段：
压力差作用
2020/11/24
15
钻孔水冷（空气槽）
2020/11/24
16
3.2 换气机构
气阀机构 气阀驱动机构 凸轮轴及其传动机构 换气机构的故障和管理
工作条件 材料与表面处理
结构形式 气阀与阀座的配合
气门弹簧 气阀导杆 气阀旋转机构
2020/11/24
17
气阀组件（带阀壳和不带阀壳 ）
气阀采用耐热耐磨合金钢制造。气阀座圈采用合金铸铁或耐磨合金钢
二冲程柴油机中，受排气阀扫气口正时、清洁程度影响 排气提前角的影响 a-最合适；b-过早；c-过晚
2020/11/24
8
ChapteFra Baidu bibliotek 3 换气与增压
3.1 柴油机换气过程 3.2 换气机构 3.3 废气涡轮增压系统和涡轮增压器 3.4 增压系统的故障与维护管理
2020/11/24
9
3.2 换气机构
2020/11/24
5
3.1 柴油机换气过程
充气系数 实际吸入气缸的新鲜空气量与进气管状态下充满
气缸工作容积V的空气量m之比值 影响因素 ① 进气流动阻力的影响（进气阀>排气阀,主要因素） ② 进气过程结束时气缸内气体温度的影响(n,p不同,是
次要因素) ③ 残余废气系数的影响(排气背压↑ηv↓，四冲程很小) ④ 柴油机气阀正时的影响
2020/11/24
10
3.2 换气机构
2020/11/24
11
3.2 换气机构
气阀机构 气阀驱动机构 凸轮轴及其传动机构 换气机构的故障和管理
工作条件 材料与表面处理
结构形式 气阀与阀座的配合
气门弹簧 气阀导杆 气阀旋转机构
2020/11/24
12
气阀机构
工作条件(高温、撞击、磨损和腐蚀) 气阀承受着很高的热负荷 劣质重油高温腐蚀 气体爆发压力及落座撞击力 阀盘反复滑移着楔入阀座，造成磨损
19
3.2 换气机构
气阀机构 气阀驱动机构 凸轮轴及其传动机构 换气机构的故障和管理
工作条件 材料与表面处理
结构形式 气阀与阀座的配合
气门弹簧 气阀导杆 气阀旋转机构
2020/11/24
20
气阀与阀座的配合方式
2020/11/24
21
气阀与阀座配合方式比较
全接触式(小高速机)。 优点：接触面大、耐磨、传热好 缺点：易结炭，敲击产生麻点 外接触式(0.5~1.0°，强载中速机中) 优点：接触面小，密封性好，内侧不与燃气接触；阀
气阀机构 气阀驱动机构 凸轮轴及其传动机构 换气机构的故障和管理
工作条件 材料与表面处理
结构形式 气阀与阀座的配合
气门弹簧 气阀导杆 气阀旋转机构
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25
气阀导管
功用： 承受着摇臂所引起的侧推力 气阀散热 间隙要求： 过小→气阀的动作迟滞甚至咬死 过大→散热不良，横向振动和漏气加剧，甚至可
2强制排气阶段：
活塞上行强制作用
3进气过程：
进气门开到关(理论上)
4气阀叠开和燃烧室扫气：
双阀开，相通（叠开角度要合适）
四冲程柴油机的换气角度为400~500度
2020/11/24
3
3.1 柴油机换气过程
二冲程柴油机 1自由排气阶段(B-R) 2强制排气和扫气阶段(R-C) 3过后排气阶段(C-E)
2020/11/24
18
阀壳紧固螺栓
采用柔性螺栓 使阀壳、缸盖等受热零件因受热膨胀不一致而
产生的附加应力较小，不易发生蠕变而松脱； 阀壳承受着脉动的气体压力，柔性螺栓所受的
交变应力变化幅度较普通螺栓小，不易疲劳断 裂； 柔性螺栓断面较细表面光滑，结构上力求避免 应力集中，疲劳强度较高。
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盘拱腰变形增加接触面，减小接触应力增加散热。 内接触式(0.2~0.5 °，长行程低速柴油机) 优点：接触面小，密封性好。接触面温度低腐蚀小。
阀盘周边翘曲增加接触面，减小接触应力增加散热。
2020/11/24
22
3.2 换气机构
气阀机构 气阀驱动机构 凸轮轴及其传动机构 换气机构的故障和管理
2020/11/24
6
流动阻力分析
要求尽可能增大进气通道截面积f。因此中大 型机采用多个进气阀结构
柴油机往往尽可能增大进气阀直径，使进气阀 直径大于排气阀直径
在中高速时,流动阻力损失占主要,所以要特别 注意进气道的通畅
n2 P K f 2
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7
柴油机气阀正时的影响分析
排气阀提前开（应最佳） 排气阀滞后关(惯性、有利于排气) 进气阀提前开(有利于进气，燃烧室扫气） 进气阀滞后关（n不同应该变化）
能引起烟灰进入间隙使气阀卡住。
2020/11/24
26
3.2 换气机构
气阀机构 气阀驱动机构 凸轮轴及其传动机构 换气机构的故障和管理
工作条件 材料与表面处理
结构形式 气阀与阀座的配合
工作条件 材料与表面处理
结构形式 气阀与阀座的配合
气门弹簧 气阀导杆 气阀旋转机构
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气阀弹簧
内、外双弹簧结构 每根弹簧负荷↓→尺寸,应力↓抗疲劳能力↑ 自振频率不同，互相干扰→减振 防止自动研磨 防止一根弹簧断裂后卡进另一根弹簧中
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24
3.2 换气机构
2020/11/24
13
3.2 换气机构
气阀机构 气阀驱动机构 凸轮轴及其传动机构 换气机构的故障和管理
工作条件 材料与表面处理
结构形式 气阀与阀座的配合
气门弹簧 气阀导杆 气阀旋转机构
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材料与表面处理
气阀与阀座 气阀材料→耐热合金钢 阀座材料→合金铸铁或耐热合金钢 阀座→钻孔水冷（空气槽） 阀杆→氮化、镀铬、滚压、抛光等工艺
扫气箱空气压力
二冲程柴油机的换气角度为120~150度
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4
3.1 柴油机换气过程
时面值、角面值 在一次换气过程中各个阶段气口或气阀的通流能力
是以它们所拥有的时面值来衡量的。
fd： t 时面值
角面值表示气口或气阀的通流能力，对于给定的柴油 机它是一个定值与转速无关。
f ()d：角面值
第三章换气和增压系统原理和管理
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3.1 柴油机换气过程 3.2 换气机构 3.3 废气涡轮增压系统和涡轮增压器 3.4 增压系统的故障与维护管理
2020/11/24
2
3.1 柴油机换气过程
四冲程柴油机
1自由排气阶段：
压力差作用
2020/11/24
15
钻孔水冷（空气槽）
2020/11/24
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3.2 换气机构
气阀机构 气阀驱动机构 凸轮轴及其传动机构 换气机构的故障和管理
工作条件 材料与表面处理
结构形式 气阀与阀座的配合
气门弹簧 气阀导杆 气阀旋转机构
2020/11/24
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气阀组件（带阀壳和不带阀壳 ）
气阀采用耐热耐磨合金钢制造。气阀座圈采用合金铸铁或耐磨合金钢
二冲程柴油机中，受排气阀扫气口正时、清洁程度影响 排气提前角的影响 a-最合适；b-过早；c-过晚
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ChapteFra Baidu bibliotek 3 换气与增压
3.1 柴油机换气过程 3.2 换气机构 3.3 废气涡轮增压系统和涡轮增压器 3.4 增压系统的故障与维护管理
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3.2 换气机构
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3.1 柴油机换气过程
充气系数 实际吸入气缸的新鲜空气量与进气管状态下充满
气缸工作容积V的空气量m之比值 影响因素 ① 进气流动阻力的影响（进气阀>排气阀,主要因素） ② 进气过程结束时气缸内气体温度的影响(n,p不同,是
次要因素) ③ 残余废气系数的影响(排气背压↑ηv↓，四冲程很小) ④ 柴油机气阀正时的影响
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3.2 换气机构
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3.2 换气机构
气阀机构 气阀驱动机构 凸轮轴及其传动机构 换气机构的故障和管理
工作条件 材料与表面处理
结构形式 气阀与阀座的配合
气门弹簧 气阀导杆 气阀旋转机构
2020/11/24
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气阀机构
工作条件(高温、撞击、磨损和腐蚀) 气阀承受着很高的热负荷 劣质重油高温腐蚀 气体爆发压力及落座撞击力 阀盘反复滑移着楔入阀座，造成磨损
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3.2 换气机构
气阀机构 气阀驱动机构 凸轮轴及其传动机构 换气机构的故障和管理
工作条件 材料与表面处理
结构形式 气阀与阀座的配合
气门弹簧 气阀导杆 气阀旋转机构
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气阀与阀座的配合方式
2020/11/24
21
气阀与阀座配合方式比较
全接触式(小高速机)。 优点：接触面大、耐磨、传热好 缺点：易结炭，敲击产生麻点 外接触式(0.5~1.0°，强载中速机中) 优点：接触面小，密封性好，内侧不与燃气接触；阀
气阀机构 气阀驱动机构 凸轮轴及其传动机构 换气机构的故障和管理
工作条件 材料与表面处理
结构形式 气阀与阀座的配合
气门弹簧 气阀导杆 气阀旋转机构
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气阀导管
功用： 承受着摇臂所引起的侧推力 气阀散热 间隙要求： 过小→气阀的动作迟滞甚至咬死 过大→散热不良，横向振动和漏气加剧，甚至可
2强制排气阶段：
活塞上行强制作用
3进气过程：
进气门开到关(理论上)
4气阀叠开和燃烧室扫气：
双阀开，相通（叠开角度要合适）
四冲程柴油机的换气角度为400~500度
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3.1 柴油机换气过程
二冲程柴油机 1自由排气阶段(B-R) 2强制排气和扫气阶段(R-C) 3过后排气阶段(C-E)
2020/11/24
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阀壳紧固螺栓
采用柔性螺栓 使阀壳、缸盖等受热零件因受热膨胀不一致而
产生的附加应力较小，不易发生蠕变而松脱； 阀壳承受着脉动的气体压力，柔性螺栓所受的
交变应力变化幅度较普通螺栓小，不易疲劳断 裂； 柔性螺栓断面较细表面光滑，结构上力求避免 应力集中，疲劳强度较高。
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盘拱腰变形增加接触面，减小接触应力增加散热。 内接触式(0.2~0.5 °，长行程低速柴油机) 优点：接触面小，密封性好。接触面温度低腐蚀小。
阀盘周边翘曲增加接触面，减小接触应力增加散热。
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3.2 换气机构
气阀机构 气阀驱动机构 凸轮轴及其传动机构 换气机构的故障和管理
2020/11/24
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流动阻力分析
要求尽可能增大进气通道截面积f。因此中大 型机采用多个进气阀结构
柴油机往往尽可能增大进气阀直径，使进气阀 直径大于排气阀直径
在中高速时,流动阻力损失占主要,所以要特别 注意进气道的通畅
n2 P K f 2
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柴油机气阀正时的影响分析
排气阀提前开（应最佳） 排气阀滞后关(惯性、有利于排气) 进气阀提前开(有利于进气，燃烧室扫气） 进气阀滞后关（n不同应该变化）
能引起烟灰进入间隙使气阀卡住。
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3.2 换气机构
气阀机构 气阀驱动机构 凸轮轴及其传动机构 换气机构的故障和管理
工作条件 材料与表面处理
结构形式 气阀与阀座的配合
工作条件 材料与表面处理
结构形式 气阀与阀座的配合
气门弹簧 气阀导杆 气阀旋转机构
2020/11/24
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气阀弹簧
内、外双弹簧结构 每根弹簧负荷↓→尺寸,应力↓抗疲劳能力↑ 自振频率不同，互相干扰→减振 防止自动研磨 防止一根弹簧断裂后卡进另一根弹簧中
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3.2 换气机构
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3.2 换气机构
气阀机构 气阀驱动机构 凸轮轴及其传动机构 换气机构的故障和管理
工作条件 材料与表面处理
结构形式 气阀与阀座的配合
气门弹簧 气阀导杆 气阀旋转机构
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材料与表面处理
气阀与阀座 气阀材料→耐热合金钢 阀座材料→合金铸铁或耐热合金钢 阀座→钻孔水冷（空气槽） 阀杆→氮化、镀铬、滚压、抛光等工艺
扫气箱空气压力
二冲程柴油机的换气角度为120~150度
2020/11/24
4
3.1 柴油机换气过程
时面值、角面值 在一次换气过程中各个阶段气口或气阀的通流能力
是以它们所拥有的时面值来衡量的。
fd： t 时面值
角面值表示气口或气阀的通流能力，对于给定的柴油 机它是一个定值与转速无关。
f ()d：角面值