柴油机课件

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
15
三、二冲程柴油机工作原理
只有压缩和膨胀行程，取消吸、排气行程
15
ห้องสมุดไป่ตู้
四冲程与二冲程柴油机的比较
• 二冲程柴油机功率大，约为四冲程机的 1.6倍～1.8倍。
• 二冲程柴油机回转比四冲程机均匀 • 二冲程柴油机的换气机构较简单
• 二冲程柴油机的换气质量较四冲程机差 • 二冲程机的热负荷比四冲程机高
•ｐｅ的数值取决于工作循环进行的完善程度和 机械损失的大小，它是衡量柴油机作功能力的 重要参数。
3、有效燃油消耗率ｂｅ和有效热效率ηｅ
• 有效油耗率是每一千瓦有效功率每小时所消耗 的燃油量，单位是kg／kwh
ｂｅ＝Ｂ／Ｐｅ ｂｅ＝ｂｉ／ηｍ
• 有效热效率ηｅ是指曲轴有效功与所消耗的热 量之比，
e
We
1、低速、中速和高速柴油机 11 2 筒形活塞式和十字头式柴油机 12 3 直列式和V型柴油机 12 4 右旋和左旋柴油机 5 可逆转和不可逆转柴油机 6 增压柴油机和非增压柴油机 13
低速、中速和高速柴油机
低速柴油机
ｎ≤ 300r/min 中速柴油机
Vm＜６m/s
（活塞平均速度
Vm
Sn 30
）
300＜ｎ≤1,000 r/min Vm＝６ m/s～９m/s
一、指示指标
•指示指标 以气缸内示功图所表示的工作循环 指示功为基础，主要用来评定缸内 工作循环的完善程度。
• 1 平均指示压力ｐｉ • 2 指示功率Ｐｉ • 3 指示热效率ηｉ和指示油耗率bｉ(ｇｉ)
1、平均指示压力ｐｉ
假定一个数值不变的压力作用在活塞上，在一个膨胀行程内所作 的功与一个工作循环的指示功Ｌｉ相等，这个假想的压力就称为 平均指示压力 Lｉ＝pｉ·Ｆ·Ｓ （ Ｎ·ｍ或Ｊ） pｉ＝Lｉ/(Ｆ·Ｓ)＝Lｉ/Vｓ(Pa） 单位气缸工作容积的指示功
6
三、在船舶动力装置中的地位及目前发展方向
在船舶动力装置中占绝对的主导地位，目前占 98%以上的份额
主要造机公司：低速机
MAN B&W公司 Wärtsilä瑞士公司 三菱公司（日本）
中速机 Wärtsilä瑞士公司 MAN B&W公司
Mak
目前技术发展方向：经济性
可靠性
电子技术
排放控制
6
第二节 柴油机工作原理
第一章 柴油机的基本知识
第一节 柴油机总论 柴油机工作原理 柴油机的性能指标
功率： 70000KW L：25M H：13M B：7M
第一节 柴油机总论
一、柴油机的基本概念 7 二、柴油机的分类 10
三、在船舶动力装置中的地位及目前发展方向
14 15
一、柴油机的基本概念
热机
外燃机 内燃机
蒸汽机 蒸汽轮机 柴油机 汽油机 燃气轮机
(1)安装预紧力引起的负荷
螺栓的预紧力 pｄ=(１.２５～２)πＲ２１ｐｚ
R1
气缸盖上表面安装应力为拉应力 下表面为压应力 大小与螺栓预紧力成正比 与气缸盖的高度成反比
气缸套 安装应力主要存在于其上部的凸肩部位 应力的大小与螺栓预紧力ｐｄ成正比， 与其凸肩的高度成反比
(2)气体力引起的机械应力
气缸盖 水冷面为拉应力
2 指示功率Ｐｉ
• 指示功率是指柴油机气缸内的工质在单位时间内所作的指示功 (kW)
• 柴油机每个气缸每个工作循环工质所作的指示功
Ｗi＝ｐiＶs（Ｊ） 单缸指示功率 P’i ＝ｐｉＶｓｎｍ/ 60（Ｗ）或
P’i ＝ｐｉＶｓｎｍ/60000（ｋＷ）
整机指示功率 Ｐｉ＝pｉVｓnmi/60,000（ｋＷ）
柴油机
柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机。 –使用挥发性较差的柴油或劣质燃料油作燃料； –采用内部混合法形成可燃混合气； –缸内燃烧采用压缩式发火。
柴油机的优点
柴油机的缺点
1 经济性好。 2 功率范围宽广 3 尺寸小，重量轻 4 机动性好 5 适应船舶航行的各种工况要求
振动和噪音 工作条件恶劣
常用术语
• 为了降低活塞顶板的机械应力，应增加活塞顶 的厚度
• 活塞顶板厚度的增加又会导致热应力的增加
•薄壁强背结构：薄壁就是燃烧室部件的受热壁 要薄，以减少热应力；强背就是在薄壁的背面 设置强有力的支承，以降低机械应力。
钻孔冷却 • 冷却水孔实际上将壁分为冷热两部分， • 热区很薄——薄壁，减少了热应力； • 冷区很厚——强背，减少了机械应力。
3
σt
r σr
2 热负荷是指柴油机的燃烧室部件承受温度、 热流量及热应力的强烈程度。
热负荷的表示方法: •热流密度q：单位时间内单位面积的热流量
q=Q/F
•温度场：受热部件中温度分布图，准确表示受热 部件的热负荷
• 热应力：由温差作用形成的应力称热应力
排气温度：简单、实用
由温差作用形成的应力称热应力
的起动—运行—停车的循环次数，故亦称低频应力。 • 热疲劳产生的裂纹多数在触火面上形成和发展，以致造成损坏，
因为这里受到较大的残余拉应力和较大的热应力与机械应力合 成的压应力的交变作用。
塑变后尺寸 原尺寸
停车拉应力 压应力 火侧 t1
拉应力 水侧 t2 停车压应力
活塞顶板
3
3、燃烧室部件的结构特点
式中： ε——压缩比 λ——压力升高比 ρ——初期膨胀比 ｋ——工质绝热指数
2、柴油机实际循环
1 工质的影响
工质的成分变化；工质比热的变化； 工质的高温分解；工质分子数的变化
2 气缸壁的传热损失 3 换气损失
4 燃烧损失 5 泄漏损失
6 其他损失 15
二、、四冲程柴油机工作原理
进气行程 220～２５０℃Ａ
压缩行程 燃烧和膨胀行程 排气行程
140°～160℃Ａ ｐz=5～8MPa
ｐｃ=3 ～6 MPa；
ｔz=1400～1800 ℃
ｔｃ= 600 ～700 ℃
230～260°CA
气阀定时和气阀重叠角
气阀定时：进、排气阀在上、下止点前后启闭的时刻 作用：提高换气质量；减少排气耗功
实现燃烧室扫气 气阀定时圆图
触火面为压应力
u
R2
2
pz
弯曲应力与缸盖底板半径的平方成正比，
Pz
与底板厚度的平方成反比
σ
活塞 活塞顶板在最高燃烧压力作用下
产生很大的弯矩和弯曲应力
水冷面为拉应力
触火面为压应力
气缸套
切向应力σｔ内表面最大，外表面最小
Pz o
径向应力σｒ内表面最大，外表面为0
燃烧室部件中由气体压力而产生的机械应力
都和最高爆发压力成正比，与部件壁厚成反比
一、柴油机理论循环和实际循环 16
二、四冲程柴油机工作原理
20
三、二冲程柴油机工作原理
22
四、 二冲程柴油机的换气形式 24
30
一、柴油机理论循环和实际循环 1、柴油机理论循环
定容加热循环
定压加热循环
混合加热循环 （现代柴油机循环）
继续膨胀循环
理论循环的热效率ηｔ
1 k 1
t
k1 1k 1
通常取Ｈｕ＝42,700ｋＪ／ｋｇ；
• 指示油耗率ｂｉ 以一千瓦指示功率每小时 消耗的燃油量表示
ｂｉ＝Ｂ／Ｐｉ ｋｇ／（ｋＷ·ｈ） •ηｉ和ｂｉ是评定实际工作循环经济性的重要指标 30
二、有效指标
有效指标是以在柴油机输出轴上所得到的 有效功为基础的，它既考虑热损失也考虑 机械损失，它是评定柴油机工作性能的最 终指标。
15
四、 二冲程柴油机的换气形式 弯流 横流
回流 半回流 直流 排气阀— 排气口—扫气口式
横流扫气
回流扫气
半回流扫气
直流扫气
15
第三节 柴油机的性能指标和工作参数
柴油机的性能通常可以从动力性、经济性、运转 性、可靠性和耐久性加以衡量。 本节着重分析动力性和经济性指标。
一、指示指标 31 二、有效指标 35 三、其它常用参数 39
Ｐｍ=Ｐｉ－Ｐe
•机械效率ηｍ 是有效功率Ｐｅ与指示功率Pｉ之比值
影响机械效率的因素
m
Pe Pi
柴油机负荷 转速 滑油温度 冷却水温度
2、平均有效压力ｐｅ
• 平均有效压力ｐｅ是柴油机在每一工作循环每 单位气缸工作容积所作的有效功
ｐｅ＝ｐｉηｍ ｐｅ＝Ｐｅ/Ｃｎｉ
•平均机械损失压力ｐｍ
ｐｍ＝Ｐｍ/Ｃｎｉ ｐｅ＝ｐｉ－ｐｍ
ｍ—每转工作行程数， 四冲程机m＝１／２；二冲程机ｍ＝１；
令气缸常数 C=Ｖｓｍ／６００００ Ｐｉ＝Ｃｐｉｎｉ（ｋＷ）
3、指示热效率ηｉ和指示油耗率ｂｉ
• 指示热效率为指示功的热当量与相应消耗的燃料热量 之比值
ηｉ＝Ｗｉ/Ｑ吸入
•
ｉ和B时
ηｉ＝3,600Pi/BHｕ
B—每小时油耗量，ｋｇ／ｈ；Ｈｕ—所用燃料低热值，
(1)上止点(TDC)
(2)下止点(BDC)
(3)行程(S)
(4)缸径(D) (5)气缸余隙容积(Vｃ) (6)余隙高度(顶隙)
Vc
Va Vs
上止点 s
下止点
(7)气缸工作容积（Ｖｓ）
(8)气缸总容积(Ｖａ） (9)压缩比ε
气缸总容积与压缩室容积之比值
1 Va
Vc Vs
VS
Vc
Vc
VC
6
二、柴油机的分类
1 有效功率Pe 2 平均有效压力pe 3 有效热效率e和有效油耗率b e
1、有效功率Pe和机械效率m
• 有效功率 从柴油机曲轴飞轮端传出的功率，
P 用P e表示。 e
M e n 9550
（ｋＷ）
• 机械损失功率Ｐｍ 作用在活塞上的指示功率传递 到曲轴的(有效功率)过程中所损失的功率。
(1)摩擦损失 (2)拖动损失功率 (3)泵气损失功率
第二节 燃烧室部件
一、燃烧室部件承受的负荷及结构特点 燃烧室：
当活塞处在上止点时，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 和燃烧的空间
1、机械负荷 4
2
7
3、结构特点 10
1、机械负荷
机械负荷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。
(1)安装预紧力引起的负荷 (2)气体力引起的机械应力
/ Q吸入
Wi Q吸入
We Wi
i m
e
3600Pe B Hu
3600 be H u
30
三、其它常用参数
1 最高爆发压力ｐｚ 2 排气温度tｒ 3 活塞平均速度Ｖｍ 4 行程缸径比S/D
5 强化系数ｐｅ·Ｖｍ 6 压缩比ε
30
第二章 柴油机的结构及主要部件
第一节 柴油机的总体结构
固定件 运动件 换气系统 燃油系统 润滑系统 冷却系统 起动和控制系统
3
高速柴油机
n＞1,000 r/min
Vm＞9 m/s
10
筒形活塞式 十字头式
直列机
V型机
10
船舶柴油机的型号
国产柴油机 1）低速柴油机 6ESDZ43/82B 2）中小型柴油机 6300ZC
国外柴油机 SULZER（NSD）---- RD，RND，RLA，RTA MAN--B&W-------MC, L-MC/MCE, S-MC-C 三菱---UEC
q
t1 t2 （℃）
1
2
1 2
(t1
t2)
q 2
1
2
E 1
q 2
δ-板厚 q-热流密度 μ-泊松比
α-膨胀系数 λ-导热系数
E-弹性模数
压应力
火侧 t1
热应力火侧为压应力，水侧为拉应力 拉应力 水侧 t2
与热流密度成正比，与壁厚成正比
活塞顶板
热疲劳
•燃烧室部件在交变的热应力作用下出现的破坏现象称热疲劳。 •热疲劳与柴油机的累计转数并无多大关系，主要取决于机器