柴油机工作原理
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第一章 柴油机的工作过程
第一节 柴油机的热力循环 第二节 柴油机的工作过程 第三节 柴油机的性能指标 第四节 船舶柴油机的类型和发展
第一节 柴油机的热力循环
一 柴油机概况
柴油机是一种压缩发 排气
进气
火的往复式内燃机。
其工作过程
膨胀
工作循环
压缩
燃烧
Байду номын сангаас
表示柴油机工作原理的术语:
柴油机的基本参数结构 （ 1 ）上止点TDC （ 2 ）下止点BDC （ 3 ）行程S （ 4 ）缸径D （ 5 ）压缩室容积 V c （ 6 ）
⑷工质分子数的变化
2。气缸壁的传热损失
3。换气损失
4。时间损失
5。燃烧损失
6。泄漏损失
一.四冲程柴油机工作原理
四冲程柴油机：柴油机工作循环的五个过程是通
过进气、压缩、膨胀和排气四个行程来实现的 （ 曲轴转动 720 ）。
四冲程柴油机动化演示
第一行程：进气行程，空气进入气缸
二冲程柴油机也可以用定时圆图来表示它
的各项定时时刻。图为某二冲程柴油机的 定时圆图。
二冲程柴油机与四冲程柴油机的比较
功率比较 回转均匀性 维修保养
相同尺寸和转速时，二冲程功率为 四冲程1.6－1.8倍；
二冲程柴油机较均匀均匀,可使用较 小的飞轮
二冲程柴油机较简单,便于维修保养
换气质量 二冲程柴油机较差,耗气量也大
观察者由柴油机输出端(飞轮)向自由端看, 正车时按顺时针方向旋转的柴油机称右旋机, 反之,则为左旋机。单台布置的船舶主柴油机 通常均为右旋。 ⑸ 可逆转和不可逆转柴油机
可由操纵机构改变自身转向的称为可逆转 柴油机，而曲轴只能按一个方向旋转的则称 为不可逆转柴油机。
第四节 船舶柴油机的类型和发展
二、船舶柴油机的型号
余隙高度（顶隙）（ 7 ） 气缸工作容积 V s （ 8 ）气 缸总容积 V a （ 9 ）压缩比 ε
二 柴油机理论循环
（1）等容加热循环 （Otto循环）：由绝热压 缩1-2、等容加热2-3（加 入热量Q1 ）、绝热膨胀34和定容放热4-1（放出热 量Q2 ）等过程组成。点 燃式内燃机（如汽油机） 按此循环工作（某些高速 柴油机也近似按此循环工 作）。
三 柴油机实际循环
柴油机的实际循环存在着许多不可避免的 损失，使它无法达到理论循环的热效率ηt和 平均压力pt 。
实际循环：工质是实际混合气，以燃烧加 热和排气放热，并记及各种热力损失的实 际工作循环。
引起各种损失的原因如下：
⑴工质的成分变化
⑵工质比热的变化
1。工质的影响
⑶工质的高温分解
S—行程. m。
二 、经济性指标
⑴ 燃油消耗率：简称比油耗或耗油率，它是 柴油机工作时每千瓦小时所消耗油量的克数， ｇ（kw·h)。
指示耗油率：以指示功率计。
有效耗油率：以有效功率计。
注：柴油机产品说明只所指的燃油消耗率都 是指有效燃油消耗率。若：测出扭矩Me和转 速n，以及每小时燃油消耗量GT和有效功率
⑴重量指标：亦称单位功率重量，是柴油机
净重Gω与标定功率Ne的比值。
即ｇ
ω= Gω/Ne。 ( Kg/KW )
⑵ 外形尺寸指标：亦称紧凑性
指标，是通过柴油机的单位体
积功率来衡量。
第三节 柴油机的性能指标
四、排气污染指标
废气污染主要有：
⑴ 一氧化碳（CO）： ⑵ 碳氢化合物（HC）： ⑶ 氮氧化和物（Nox）: ⑷ 二氧化硫（SO）: ⑸ 微粒（PT）: ⑹ CO:过量空气系数：α＜1 汽油机达容积的
热负荷
二冲程柴油机较高
各自优越性 提高功率方面，二冲程机优越； 提高强化程度方面，四冲程机优越
四、二冲程柴油机的换气形式
简单横流扫气: 进排气口为与气缸中心线的两侧
换
回流式扫气: 进排气口在气缸下部同一侧且排气口 在 进气口 的上方
气
形
半回流扫气：进气口布置在排气口的下方及两 侧，
式
气流在气缸内兼有横流与回流的特点
三种理论循环热效率的比较
比较可知：等容加热循环的热效率最高， 等压加热循环的热效率最低，混合加热循环 的热效率位于中间区域。
现代柴油机的最高爆发压力 Pz 已经达到 了相当的限度，这种限制最高爆发压力的柴 油机以等压燃烧循环的工作热效率最高。所 以，现代高增压柴油机有向等压加热循环发 展的趋势。
直流式扫气 ：气缸下部均布一圈进气口，在气缸 盖上有排气阀
A C
CD截面
B
C
D
D
A
B
AB截面
CD截面
AB截面
(a)
(b)
(c)
图1-13 横流、回流、半回流扫气示意图
图1-11 直流扫气示意图
第三节 柴油机的性能指标
柴油机的性能通常可以从动力性、经济性、运 性、可靠性和耐用性等方面进行衡量，在此， 我们重点分析动力性和经济性指标。
Ne以后，用下式即可求出有效燃油消耗率ｇe
ｇe=GT/Ne×10
ｇ/(kw·h)
⑵ 滑油消耗率：柴油机在标定工况下，每千瓦
小时所消耗滑油量的克数称为滑油消耗率，用ｇ/ （kw·h)表示。
消耗的原因：ⅰ：串入燃烧室烧掉。
ⅱ：雾化或蒸发。
第三节 柴油机的性能指标
三、重量和外形尺寸指标
（4） 继续膨胀混合加热循环 (Atkinson)循环 ：
上述理论循环中，工质只绝热膨胀到 5点，然后 定容放热(相当于排入大气)，由此必然损失部分 排气能量。若使工质由Pz 一直膨胀到进气压力 Pa ，即在5点以后继续绝热膨胀到6点，然后定压 放热Q2(6-1)。 涡轮增压柴油机理论循环
（2）等压加热循环（Diesel循环）：
由绝热压缩1-2、等压加热2-3（加入热量 Q1 ）、绝热膨胀3-4和定容放热4-1（放出热量 Q2 ）等过程组成。早期的空气喷射式柴油机按 此循环工作。现代高增压柴油机有向定压加热循 环发展的趋势。
（3）混合加热循环（Sabathe循环）：
是在定容加热2-3和定压加热3-4条件下 加入热量Q1 ，其它同定压或定容加热循环。 现代柴油机基本上都是按混合加热循环工 作。
用于船舶推进装置
第四节 船用柴油机的发展
1927年在柴油机上正 1927年MAN公式司使制用造B了osch喷油泵
智能型200柴0年油以机后的电2子0使世控纪用制60技、术70结的年重2构0使世大代、用纪技透术50平年：技代大术中缸、后径劣期、质四焊燃废项接油气涡轮增压器
1 我国国产柴油机
⑴低速柴油机型
6 ESDZ 43/82 B型
改进序号
气缸直径（cm)/活塞行程（cm)
技术特征代号 技术特征代号的含义
气缸数 E 二冲程 C 船用
⑵ 中 、小型柴油机型号
6 250 Z C
Z 增压 G 高增压 D 可倒转 S 十字头
气缸直径 气缸数
技术特征代号 A 第一次改进 B 第二次改进型 V V型排列
⑶ 其它有效功率
① 升功率NL ： ② 单位活塞面积功率NA
⑷ 平均有效压力：它是一个作用在活塞顶上的假象的大
小不变的压力，它使活塞移动一个行程所作的功，等于每循 环所作的有效功。
Ne=ⅰVs Pe n/ 30τ ( KW ) ⅰ— 气缸数 Vs—气缸 工作容积
Pe—平均有效压力 n —发动机转速，r/min
第四节 船舶柴油机的类型和发展
⑵ 筒形活塞式与十字头式柴油机
(筒)
(十)
用活塞销直接 连接活塞与连杆
用十字头连接 活塞杆与连杆
第四节 船舶柴油机的类型和发展
⑶直列式和V型机（气缸夹角通常为45°、 60°和90°）
四 冲 程 柴 油 机
第四节 船舶柴油机的类型和发展
⑷ 右旋和左旋柴油机
第四节 船舶柴油机的类型和发展
⑵ 几种国外柴油机的型号
Sulzer
6 RTA 84 M
改进代号 气缸直径(cm) 技术特征代号 气缸数
MAN
K 9 Z 60/105 E 改进发展顺序 气缸直经 技术特征代号 气缸数(十字头)
1776年
1876年 1880年
瓦特蒸汽机 奥煤托气四机冲程二JD.冲RK.Co程.Bbles内eronkn燃z／／机压R缩ud发1o8l9火f2D年内ie燃s1首e8机l9次7年使M用A柴N油公1机司904年柴油机首次
6%
第三节 柴油机的性能指标
五、其它常用参数
⑴ 最高爆发压力PZ ⑵ 排气温度 tr ⑶活塞平均速度Cm ⑷行程缸径比S/D
⑸强化系数pe·Cm
⑹升功率PL
第四节 船舶柴油机的类型和发展
一、柴油机的类型
1.低速、中速、高速柴油机
低速机 n≤300r/min 中速机 300＜n≤1000r/min 高速机 n＞1000r/min
动力性和经济性指标可分成指示指标和有效指标。 一、动力性指标：是指柴油机对外作功能力的指
标 （功率、平均有效功率、平均有效压力、转速和
活塞平均速度等） ⑴ 有效功率
①功率：柴油机在单位时间内所作的功称功率。
② 指示功率：柴油机在气缸中单位时间内所 作的功称为指示功率。
③有效功率：指示功率减去消耗于内部零件 的摩擦损失、泵气损失和驱动附件损失等机
τ —柴油机的冲程数，四：=4 二：=2
Pe: 非增压柴油机：0.5~0.8Mpa 增压柴油机：0.8~3.2MPa
⑸ 转速和活塞平均速度
① 转速：柴油机曲轴每分钟的转速，用 r/min表示。
ⅰ：最高转速nmax ⅱ：最低稳定转速nmin ②活塞平均速度Cm
Cm=2·S·n/60=S·n/30 (m/s)
时相应的活塞行程。
第二行程：压缩行程，工质在气缸内
被压缩时相应的活塞行程。
第三行程：燃烧和膨胀行程，工质在
气缸内燃烧膨胀时相应的活塞行程。
第四行程：排气行程，废气从气缸内
排出时相应的活塞行程。
用曲柄转角表示气阀定时的圆图称为定
时圆图。如图，它表示了各工作过程的次 序与规律。
二.二冲程柴油机工作原理
戒损失功率之后，从发动机曲轴输出的功率 称~。
如：柴油机曲轴每分钟的转速为n，曲轴每秒 输出的有效功率为We,由于
We=2πn/60 ×Me
﹙N.m﹚
则柴油机的有效功率为：Ne=πnMe/30000 kw
式中Me为有效扭矩
⑵ 标定功率
① 1小时功率：柴油机允许连续运转1小时的最大有效功率 ② 持续功率：柴油机允许长期运转的最大有效功率
活塞在两个行程内完成一个工作循 环（ 曲轴转动 360 ）的柴油机，叫 做二冲程柴油机。
二冲程柴油机的工作过程包括第一行程 （压缩行程）、第二行程（膨胀冲程）和 换气过程（进、排气过程）。压缩行程指 活塞从下止点上行遮住排气口开始（图中 点4），当活塞到达上止点时，压缩过程结 束（图中的点C）。膨胀行程是指从上止点 燃油发火燃烧开始到活塞下行打开排气口 结束（图中的点1），z点表示缸内的最大爆 发压力点，d2点表示工作循环的最高温度 点，在此过程中燃气膨胀推动活塞下移向 外输出有效功。换气过程是指从膨胀行程 终止后开始，随着活塞的移动，活塞依次 打开排气口（点1）、打开扫气口（点2）、 到达下止点（点0）、关闭扫气口（点3）、 关闭排气口（点4），到压缩行程开始前结 束。废气排出气缸，新鲜空气进入气缸进 行清扫的过程，不占有单独的行程，因而 又称为“扫气过程”。
第一节 柴油机的热力循环 第二节 柴油机的工作过程 第三节 柴油机的性能指标 第四节 船舶柴油机的类型和发展
第一节 柴油机的热力循环
一 柴油机概况
柴油机是一种压缩发 排气
进气
火的往复式内燃机。
其工作过程
膨胀
工作循环
压缩
燃烧
Байду номын сангаас
表示柴油机工作原理的术语:
柴油机的基本参数结构 （ 1 ）上止点TDC （ 2 ）下止点BDC （ 3 ）行程S （ 4 ）缸径D （ 5 ）压缩室容积 V c （ 6 ）
⑷工质分子数的变化
2。气缸壁的传热损失
3。换气损失
4。时间损失
5。燃烧损失
6。泄漏损失
一.四冲程柴油机工作原理
四冲程柴油机：柴油机工作循环的五个过程是通
过进气、压缩、膨胀和排气四个行程来实现的 （ 曲轴转动 720 ）。
四冲程柴油机动化演示
第一行程：进气行程，空气进入气缸
二冲程柴油机也可以用定时圆图来表示它
的各项定时时刻。图为某二冲程柴油机的 定时圆图。
二冲程柴油机与四冲程柴油机的比较
功率比较 回转均匀性 维修保养
相同尺寸和转速时，二冲程功率为 四冲程1.6－1.8倍；
二冲程柴油机较均匀均匀,可使用较 小的飞轮
二冲程柴油机较简单,便于维修保养
换气质量 二冲程柴油机较差,耗气量也大
观察者由柴油机输出端(飞轮)向自由端看, 正车时按顺时针方向旋转的柴油机称右旋机, 反之,则为左旋机。单台布置的船舶主柴油机 通常均为右旋。 ⑸ 可逆转和不可逆转柴油机
可由操纵机构改变自身转向的称为可逆转 柴油机，而曲轴只能按一个方向旋转的则称 为不可逆转柴油机。
第四节 船舶柴油机的类型和发展
二、船舶柴油机的型号
余隙高度（顶隙）（ 7 ） 气缸工作容积 V s （ 8 ）气 缸总容积 V a （ 9 ）压缩比 ε
二 柴油机理论循环
（1）等容加热循环 （Otto循环）：由绝热压 缩1-2、等容加热2-3（加 入热量Q1 ）、绝热膨胀34和定容放热4-1（放出热 量Q2 ）等过程组成。点 燃式内燃机（如汽油机） 按此循环工作（某些高速 柴油机也近似按此循环工 作）。
三 柴油机实际循环
柴油机的实际循环存在着许多不可避免的 损失，使它无法达到理论循环的热效率ηt和 平均压力pt 。
实际循环：工质是实际混合气，以燃烧加 热和排气放热，并记及各种热力损失的实 际工作循环。
引起各种损失的原因如下：
⑴工质的成分变化
⑵工质比热的变化
1。工质的影响
⑶工质的高温分解
S—行程. m。
二 、经济性指标
⑴ 燃油消耗率：简称比油耗或耗油率，它是 柴油机工作时每千瓦小时所消耗油量的克数， ｇ（kw·h)。
指示耗油率：以指示功率计。
有效耗油率：以有效功率计。
注：柴油机产品说明只所指的燃油消耗率都 是指有效燃油消耗率。若：测出扭矩Me和转 速n，以及每小时燃油消耗量GT和有效功率
⑴重量指标：亦称单位功率重量，是柴油机
净重Gω与标定功率Ne的比值。
即ｇ
ω= Gω/Ne。 ( Kg/KW )
⑵ 外形尺寸指标：亦称紧凑性
指标，是通过柴油机的单位体
积功率来衡量。
第三节 柴油机的性能指标
四、排气污染指标
废气污染主要有：
⑴ 一氧化碳（CO）： ⑵ 碳氢化合物（HC）： ⑶ 氮氧化和物（Nox）: ⑷ 二氧化硫（SO）: ⑸ 微粒（PT）: ⑹ CO:过量空气系数：α＜1 汽油机达容积的
热负荷
二冲程柴油机较高
各自优越性 提高功率方面，二冲程机优越； 提高强化程度方面，四冲程机优越
四、二冲程柴油机的换气形式
简单横流扫气: 进排气口为与气缸中心线的两侧
换
回流式扫气: 进排气口在气缸下部同一侧且排气口 在 进气口 的上方
气
形
半回流扫气：进气口布置在排气口的下方及两 侧，
式
气流在气缸内兼有横流与回流的特点
三种理论循环热效率的比较
比较可知：等容加热循环的热效率最高， 等压加热循环的热效率最低，混合加热循环 的热效率位于中间区域。
现代柴油机的最高爆发压力 Pz 已经达到 了相当的限度，这种限制最高爆发压力的柴 油机以等压燃烧循环的工作热效率最高。所 以，现代高增压柴油机有向等压加热循环发 展的趋势。
直流式扫气 ：气缸下部均布一圈进气口，在气缸 盖上有排气阀
A C
CD截面
B
C
D
D
A
B
AB截面
CD截面
AB截面
(a)
(b)
(c)
图1-13 横流、回流、半回流扫气示意图
图1-11 直流扫气示意图
第三节 柴油机的性能指标
柴油机的性能通常可以从动力性、经济性、运 性、可靠性和耐用性等方面进行衡量，在此， 我们重点分析动力性和经济性指标。
Ne以后，用下式即可求出有效燃油消耗率ｇe
ｇe=GT/Ne×10
ｇ/(kw·h)
⑵ 滑油消耗率：柴油机在标定工况下，每千瓦
小时所消耗滑油量的克数称为滑油消耗率，用ｇ/ （kw·h)表示。
消耗的原因：ⅰ：串入燃烧室烧掉。
ⅱ：雾化或蒸发。
第三节 柴油机的性能指标
三、重量和外形尺寸指标
（4） 继续膨胀混合加热循环 (Atkinson)循环 ：
上述理论循环中，工质只绝热膨胀到 5点，然后 定容放热(相当于排入大气)，由此必然损失部分 排气能量。若使工质由Pz 一直膨胀到进气压力 Pa ，即在5点以后继续绝热膨胀到6点，然后定压 放热Q2(6-1)。 涡轮增压柴油机理论循环
（2）等压加热循环（Diesel循环）：
由绝热压缩1-2、等压加热2-3（加入热量 Q1 ）、绝热膨胀3-4和定容放热4-1（放出热量 Q2 ）等过程组成。早期的空气喷射式柴油机按 此循环工作。现代高增压柴油机有向定压加热循 环发展的趋势。
（3）混合加热循环（Sabathe循环）：
是在定容加热2-3和定压加热3-4条件下 加入热量Q1 ，其它同定压或定容加热循环。 现代柴油机基本上都是按混合加热循环工 作。
用于船舶推进装置
第四节 船用柴油机的发展
1927年在柴油机上正 1927年MAN公式司使制用造B了osch喷油泵
智能型200柴0年油以机后的电2子0使世控纪用制60技、术70结的年重2构0使世大代、用纪技透术50平年：技代大术中缸、后径劣期、质四焊燃废项接油气涡轮增压器
1 我国国产柴油机
⑴低速柴油机型
6 ESDZ 43/82 B型
改进序号
气缸直径（cm)/活塞行程（cm)
技术特征代号 技术特征代号的含义
气缸数 E 二冲程 C 船用
⑵ 中 、小型柴油机型号
6 250 Z C
Z 增压 G 高增压 D 可倒转 S 十字头
气缸直径 气缸数
技术特征代号 A 第一次改进 B 第二次改进型 V V型排列
⑶ 其它有效功率
① 升功率NL ： ② 单位活塞面积功率NA
⑷ 平均有效压力：它是一个作用在活塞顶上的假象的大
小不变的压力，它使活塞移动一个行程所作的功，等于每循 环所作的有效功。
Ne=ⅰVs Pe n/ 30τ ( KW ) ⅰ— 气缸数 Vs—气缸 工作容积
Pe—平均有效压力 n —发动机转速，r/min
第四节 船舶柴油机的类型和发展
⑵ 筒形活塞式与十字头式柴油机
(筒)
(十)
用活塞销直接 连接活塞与连杆
用十字头连接 活塞杆与连杆
第四节 船舶柴油机的类型和发展
⑶直列式和V型机（气缸夹角通常为45°、 60°和90°）
四 冲 程 柴 油 机
第四节 船舶柴油机的类型和发展
⑷ 右旋和左旋柴油机
第四节 船舶柴油机的类型和发展
⑵ 几种国外柴油机的型号
Sulzer
6 RTA 84 M
改进代号 气缸直径(cm) 技术特征代号 气缸数
MAN
K 9 Z 60/105 E 改进发展顺序 气缸直经 技术特征代号 气缸数(十字头)
1776年
1876年 1880年
瓦特蒸汽机 奥煤托气四机冲程二JD.冲RK.Co程.Bbles内eronkn燃z／／机压R缩ud发1o8l9火f2D年内ie燃s1首e8机l9次7年使M用A柴N油公1机司904年柴油机首次
6%
第三节 柴油机的性能指标
五、其它常用参数
⑴ 最高爆发压力PZ ⑵ 排气温度 tr ⑶活塞平均速度Cm ⑷行程缸径比S/D
⑸强化系数pe·Cm
⑹升功率PL
第四节 船舶柴油机的类型和发展
一、柴油机的类型
1.低速、中速、高速柴油机
低速机 n≤300r/min 中速机 300＜n≤1000r/min 高速机 n＞1000r/min
动力性和经济性指标可分成指示指标和有效指标。 一、动力性指标：是指柴油机对外作功能力的指
标 （功率、平均有效功率、平均有效压力、转速和
活塞平均速度等） ⑴ 有效功率
①功率：柴油机在单位时间内所作的功称功率。
② 指示功率：柴油机在气缸中单位时间内所 作的功称为指示功率。
③有效功率：指示功率减去消耗于内部零件 的摩擦损失、泵气损失和驱动附件损失等机
τ —柴油机的冲程数，四：=4 二：=2
Pe: 非增压柴油机：0.5~0.8Mpa 增压柴油机：0.8~3.2MPa
⑸ 转速和活塞平均速度
① 转速：柴油机曲轴每分钟的转速，用 r/min表示。
ⅰ：最高转速nmax ⅱ：最低稳定转速nmin ②活塞平均速度Cm
Cm=2·S·n/60=S·n/30 (m/s)
时相应的活塞行程。
第二行程：压缩行程，工质在气缸内
被压缩时相应的活塞行程。
第三行程：燃烧和膨胀行程，工质在
气缸内燃烧膨胀时相应的活塞行程。
第四行程：排气行程，废气从气缸内
排出时相应的活塞行程。
用曲柄转角表示气阀定时的圆图称为定
时圆图。如图，它表示了各工作过程的次 序与规律。
二.二冲程柴油机工作原理
戒损失功率之后，从发动机曲轴输出的功率 称~。
如：柴油机曲轴每分钟的转速为n，曲轴每秒 输出的有效功率为We,由于
We=2πn/60 ×Me
﹙N.m﹚
则柴油机的有效功率为：Ne=πnMe/30000 kw
式中Me为有效扭矩
⑵ 标定功率
① 1小时功率：柴油机允许连续运转1小时的最大有效功率 ② 持续功率：柴油机允许长期运转的最大有效功率
活塞在两个行程内完成一个工作循 环（ 曲轴转动 360 ）的柴油机，叫 做二冲程柴油机。
二冲程柴油机的工作过程包括第一行程 （压缩行程）、第二行程（膨胀冲程）和 换气过程（进、排气过程）。压缩行程指 活塞从下止点上行遮住排气口开始（图中 点4），当活塞到达上止点时，压缩过程结 束（图中的点C）。膨胀行程是指从上止点 燃油发火燃烧开始到活塞下行打开排气口 结束（图中的点1），z点表示缸内的最大爆 发压力点，d2点表示工作循环的最高温度 点，在此过程中燃气膨胀推动活塞下移向 外输出有效功。换气过程是指从膨胀行程 终止后开始，随着活塞的移动，活塞依次 打开排气口（点1）、打开扫气口（点2）、 到达下止点（点0）、关闭扫气口（点3）、 关闭排气口（点4），到压缩行程开始前结 束。废气排出气缸，新鲜空气进入气缸进 行清扫的过程，不占有单独的行程，因而 又称为“扫气过程”。