船用柴油机工作原理

　　1、二冲程柴油机的工作原理

　　通过活塞的两个冲程完成一个工作循环的柴油机称为二冲程柴油机，油机完成一个工作循环曲轴只转一圈，与四冲程柴油机相比，它提高了作功 能力，在具体结构及工作原理方面也存在较大差异。

　　二冲程柴油机与四冲程柴油机基本结构相同，主要差异在配气机构方面。二冲 程柴油机没有进气阀，有的连排气阀也没有，而是在气缸下部开设扫气口及排气口;或设扫气口与排气阀机构。并专门设置一个由运动件带动的扫气泵及贮存压力空气的扫气箱，利用活塞与气口的配合完成配气，从而简化了柴油机结构。图是二冲程柴油机工作原理图。扫气泵附设在柴油机的一侧，它的转子由柴油机带动。空气从泵的吸入吸入，经压缩后排出，储存在具有较大容积的扫气箱中，并在其中保持一定的压力。现以图说明二冲程柴油机的工作原理。

　　燃烧膨胀及排气冲程：

　　燃油在燃烧室内着火燃烧，生成高温高压燃气。活塞在燃气的推动下，由上止点向下运动，对外作功。活塞下行直至排气口打开(此时曲柄在点位置，此时燃气膨胀作功结束，气缸内大量废气靠自身高压自由排气，从排气口排人到排气管。当气缸内压力降至接近扫气压力时(一般扫气箱中的扫气压力为012，下行活塞把扫气口3打开(此时曲柄在点4的位置，扫气空气进入气缸，同时把气缸内的废气经排气口赶出气缸。活塞运行到下止点，本冲程结束，但扫气过程一直持续到下一个冲程排气口关闭(此时曲柄在点位置为止。·4· 342 第三篇船舶柴油机检修图二冲程柴油机工作原理示意图扫气及压缩冲程：活塞由下止点向上移动，活塞在遮住扫气口之前，由扫气泵供给储存在扫气箱内的空气，通过扫气口进入气缸，气缸中的残存废气被进入气缸的空气通过排气口扫出气缸。活塞继续上行，逐渐遮住扫气口，当扫气口完全关闭后(此时曲柄在点位置，空气停止充人，排气还在进行，这阶段称为“过后排气阶段”。排气口关闭时(此时曲柄在点位置，气缸中的空气就开始被压缩。当压缩至上止点前点时，喷油器将燃油喷人气缸，与高温高压的空气相混合，随即在上止点附近发火，自行着火燃烧。本冲程结束，并与前一冲程形成一个完整的工作循环。二冲程柴油机示功图见图，其中，为喷油始点，为活塞上止点，为燃烧终点。二冲程柴油机与四冲程柴油机相比具有一些明显优点，当然也存在本身固有的缺点。

　　2、四冲程柴油机的工作原理

　　柴油机的工作是由吸气、压缩、做功和排气这四个过程来完成的，这四个过程构成了一个工作循环。活塞走四个过程才能完成一个工作循环的柴油机称为四冲程柴油机。现对照上面的动画了说明它的工作理原。

　　一、 吸气冲程

　　第一冲程&MDash;—吸气，它的任务是使气缸内充满新鲜空气。当吸气冲程开始时，活塞位于上止点，气缸内的燃烧室中还留有一些废气。

　　当曲轴旋转肘，连杆使活塞由上止点向下止点移动，同时，利用与曲轴相联的传动机构使吸气阀打开。

　　随着活塞的向下运动，气缸内活塞上面的容积逐渐增大：造成气缸内的空气压力低于进气管内的压力，因此外面空气就不断地充入气缸。

　　进气过程中气缸内气体压力随着气缸的容积变化的情况如动画所示。图中纵坐标表示气体压力P，横坐标表示气缸容积Vh(或活塞的冲S)，这个图形称为示功图。图中的压力曲线表示柴油机工作时，气缸内气体压力的变化规律。从土中我们可以看出进气开始，由于存在残余废气，所以稍高于大气压力P0。在进气过程中由于空气通过进气管和进气阀时产生流动阻力，所以进气冲程的气体压力低于大气压力，其值为0.085～0.095MPa，在整个进气过程中，气缸内气体压力大致保持不变。

　　当活塞向下运动接近下止点时，冲进气缸的气流仍具有很高的速度，惯性很大，为了利用气流的惯性来提高充气量，进气阀在活塞过了下止点以后才关闭。虽然此时活塞上行，但由于气流的惯性，气体仍能充人气缸。

　　二、压缩冲程

　　第二冲程——压缩。压缩时活塞从下止点向上止点运动，这个冲程的功用有二，一是提高空气的温度，为燃料自行发火作准备：二是为气体膨胀作功创造条件。当活塞上行，进气阀关闭以后，气缸内的空气受到压缩，随着容积的不断细小，空气的压力和温度也就不断升高，压缩终点的压力和湿度与空气的压缩程度有关，即与压缩比有关，一般压缩终点的压力和温度为：Pc=4～8MPa,Tc=750～950K。

　　柴油的自燃温度约为543—563K，压缩终点的温度要比柴油自燃的温度高很多，足以保证喷入气缸的燃油自行发火燃烧。

　　喷入气缸的柴油，并不是立即发火的，而且经过物理化学变化之后才发火，这段时间大约有0.001～0.005秒，称为发火延迟期。因此，要在曲柄转至上止点前10～35°曲柄转角时开始将雾化的燃料喷入气缸，并使曲柄在上止点后5～10°时，在燃烧室内达到最高燃烧压力，迫使活塞向下运动。

　　三、燃烧膨胀冲程

　　第三冲程——做功。在这个冲程开始时，大部分喷入燃烧室内的燃料都燃烧了。燃烧时放出大量的热量，因此气体的压力和温度便急剧升高，活塞在高温高压气体作用下向下运动，并通过连秆使曲轴转动，对外作功。所以这一冲程又叫作功或工作冲程。

　　随着活塞的下行，气缸的容积增大，气体的压力下降，工作冲程在活塞行至下止点，排气阀打开时结束。

　　在动画中，工作冲程的压力变化这条线上升部分表示燃料在气缸内燃烧时压力的急剧升高，最高点表示最高燃烧压力Pz，此点的压力和温度为：

　　Pz=6～15MPa， Tz=1800～2200K

　　最高燃烧压力与压缩终点压力之比(Pz/Pc)，称为燃烧时的压力升高比， 用λ表示。根据柴油机类型的不同，在最大功牢时λ值的范围如下：λ=Pz/Pc=1.2～2.5。

　　四、排气冲程

　　第四冲程——排气。排气冲程的功用是把膨胀后的废气排出去，以便充填新鲜空气，为下一个循环的进气作准备。当工作冲程活塞运动到下止点附近时，排气阀开起，活塞在曲轴和连杆的带动下，由下止点向上止点运动，并把废气排出气缸外。由于排气系统存在着阻力，所以在排气冲程开始时，气缸内的气体压力加比大气压力高0.025—0.035MPa，其温度Tb=1000～1200K。为了减少排气时活塞运动的阻力，排气阀在下止点前就打开了。排气阀一打开，具有一定压力的气体就立即冲出缸外，缸内压力迅速下降，这样当活塞向上运动时，气缸内的废气依靠活塞上行排出去。为了利用排气时的气流惯性使废气排出得干净，排气阀在上止点以后才关闭。

　　在动画中，排气冲程曲线表示在排气过程中，缸内的气体压力几乎是不变的，但比大气压力稍高一些。排气冲程终点的压力Pr约为0.105～0.115MPa,残余废气的温度Pr约为850～960K。

　　由于进、排气阀都是早开晚关的;所以在排气冲程之末和进气冲程之初，活塞处于上止点附近时，有一段时间进、排气阀同时开起，这段时间用曲轴转角来表示，称为气阀重叠角。

　　排气冲程结束之后，又开始了进气冲程，于是整个工作循环就依照上述过程重复进行。由于这种柴油机的工作循环由四个活塞冲程即曲轴旋转两转完成的，故称四冲程柴油机。

　　在四冲程柴油机的四个冲程中，只有第三冲程即工作冲强才产生动力对外作功，而其余三个冲程都是消耗功的准备过程。为此在单缸柴油机上必须安装飞轮，利用飞轮的转动惯性，使曲轴在四个冲程中连续而均匀地运转。

　　船用柴油机行业发展现状

　　1994 年以来我国船用柴油机发展严重滞后。据日本赤岩昭滋先生统计，在1982-2001 年20 年间中国船厂建造的2664 艘、1692.6 万总吨船舶，共装用柴油主机3691 台、853.6 万千瓦，其中国产主机1851 台、568.1万千瓦，进口主机1503 台、259.5 万千瓦，制造国不明的主机337 台、26.0万千瓦，按台数计，国产主机占50%，进口主机占41%，按功率计，国产主机占67%，进口主机占30%。

　　统计数据来源于或依赖于日本赤岩昭滋先生的统计，也从另一个侧面反映了一个严峻现实，过去20 多年关心我国船舶配套业(尤其是船用柴油机)发展的本土专家和学者实在太少了。

　　我国船用柴油机发展关系到国家重大的政治与经济安全战略，2003 年以来，中央领导同志十分重视并充分肯定了船舶工业在国民经济发展中的积极作用，尤其是2004 年宏观调控的背景下对船舶工业更快、更大发展寄予殷切期望。在这种背景下，我们认为，我国船用柴油机工业已经具备跨越式发展的基础和各种有利条件，未来十五年中我国船用柴油机制造业将极有可能雄居世界第一。也许由于世界造船业持续景气，中国造船业称雄世界可能并不需要那么长的时间。

　　由于我国船舶柴油机与国外先进水平存在很大差距，要大力发展我国造船工业，实现世界第一造船大国的目标，我国船舶柴油机必须坚持走“引进—消化—吸收—创新”的国产化技术创新之路，加快船舶配套动力的发展。

　　总体目标是通过引进生产许可证，对柴油机技术的消化吸收，突破关键技术，提高生产能力，开发研制具有自主知识产权的产品，到2020 年，基本实现一个以研究所、柴油机整机厂及专业化配套厂组成的船舶柴油机研发、生产体系。