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【汽车发动机知识】柴油机工作原理

柴油机的分类

(一)按工作原理可分为四冲程柴油机和二冲程柴油机。

(二)按进气方式可分为增压柴油机和非增压柴油机。

(三)按柴油机曲轴转速和活塞平均速度可分：

●高速柴油机(曲轴转速大于1000r/min和活塞速度大于9m/s)

●中速柴油机(曲轴转速为350～1000r/min和活塞速度为6~9m/s)

●低速柴油机(曲轴转速小于350r/min和活塞速度低于6m/s)

(四)按活塞种类可分为筒形活塞式和十字头式。

(五)按布置方式可分为立式柴油机和卧式柴油机。

在我们的工作中一般使用接触到的是大型，低速，十字头式，二冲程，增压式柴油机。

●上止点 活塞在气缸中运动离开曲轴中心线最远时的活塞位置叫上止点。

●下止点 活塞在气缸中运动离曲轴中心线最近时的活塞位置叫下止点。

●冲程 活塞从下止点（或上止点）到上止点（或下止点）间的直线距离叫冲程，用S表示。

●缸径 气缸为圆筒形零件，缸径是指气缸的内径用D表示。

●曲柄半径 曲轴回转中心线到曲柄销中心线的垂距叫曲柄半径，用R表示。

●压缩容积 压缩容积也叫燃烧室容积，它是指活塞位于上止点时，由气缸盖、气缸套、活塞组件包围的连续空间，用Vc 表示。

●气缸工作容积 气缸工作容积也叫活塞排量，是指活塞从上止点(或下止点）运动到下止点(或上止点）时它所经过的空间，以Vs 表示

●气缸总容积 活塞位于下止点时，由气缸盖、气缸套、活塞组件所包围的连续空间叫气缸总容积，以Vα 表示

●压缩比 气缸总容积与压缩容积的比值叫压缩比，以ε表示

二冲程柴油机基本工作原理

●进气，压缩冲程

活塞从下止点向上运动，废气涡轮增压机将带有一定压力的新鲜空气送入气缸；当活塞运行到一定时候，挡住扫气口，气缸变为封闭状态，活塞继续上行，气缸内压力逐渐增加。

●膨胀，排气冲程

当活塞运行到上止点前的某一时刻，燃油经喷油器以良好的雾化状态喷入燃烧室与空气混合后自行发火燃烧。当活塞越过上止点后,气缸内的气体压力、温度急剧上升活塞在高温高压的燃气作用下，从上止点向下止点运动，将动力通过连杆传给曲轴，曲轴以回转的形式输出功率。随着活塞的下行，气缸容积也逐渐增大，燃气的压力和温度也逐渐下降。直至排气阀打开。

船用主机的运行（备车~完车）

备车：

启动前，需要检查柴油机相关的各系统，保证其处于正常的工作状态。

●空气系统：检查主空气瓶压力，控制空气压力，放残水。

●滑油系统：手动注入一些气缸油，合上盘车机，让活塞缓慢运动一段时间，确保润滑 良好。启动主滑油泵，进行预润滑。

●冷却水系统：将冷却淡水（缸套水）从暖缸的状态切换到冷却状态。

●燃油系统：检查各个阀门是否开关正确。

●启动主海水泵，燃油，滑油分油机。

●检查锅炉系统。

●各系统都检查完毕，脱开盘车机，按启动按钮冲车1-2次，关闭示功考克。

备车完毕，随时可以启动。

启动：

当按下启动按钮的时候，启动空气同过空气分配器进入柴油机各缸，推动活塞下行，借助飞轮的惯性，活塞完成了进气压缩冲程，发火燃烧，产生动力。在低速运行的时候（DEAD SLOW~HALF），由于输出的能量并不高，因此，透平增压装置一般转速不够，无法保持扫气压力，往往需要开启辅助风机。当速度达到全速（FULL）的时候，停辅助风机，即可进入连续无人操作的工作状态。

完车：

在停车前，如果需要轻柴油启动的柴油机，需要先换油，以免重油冷却后会阻塞油路。停车后，应将示功考克打开，盘车一段时间，再停主滑油泵。将冷却淡水转换到暖缸的位置。停主海水泵。

柴油机辅助系统的功能和基本组成

●空气系统：包括启动，控制，安全空气。

●滑油系统：包括气缸润滑油和普通润滑油。

●燃油系统：包括轻柴油和重油。

●冷却水系统：包括海水冷却系统和淡水冷却系统。

●锅炉系统：包括废气锅炉和燃油锅炉。

●废气增压系统。

空气系统：

●启动空气，由于柴油机是靠压缩汽缸内燃气，使其自燃才能对外做功，因此，其并不具备自身启动的条件，所以，需要启动空气使其运动起来（曲轴，飞轮转动）。

当按下启动按钮时，压缩空气从主空气瓶进入柴油机各汽缸，使之运动。

●控制空气，由于启动空气（高压燃气）只能造成活塞的上下运动，只有靠曲柄连杆机构使其转化为轴向转动。为了有一个连续的冲击力来保持转动，就需要柴油机各缸按照一定的顺序发火，排气。这就是控制空气的作用。

●当按下启动按钮时，控制空气（从主空气瓶经过减压装置，一般从30bar减至7bar）通过空气分配器，控制柴油机启动空气的走向，造成一个连续的动力。在燃烧时也是同样，还会增加对排气阀的控制。

常用参数的设定范围：

启动空气：2-3MPa 控制空气：0.7-1MPa 安全空气:0.7-1MPa

日用空气（包括汽笛）：0.7-1MPa

滑油系统：

柴油机采用的是飞溅润滑，即是依靠柴油机自身的运动，使滑油飞溅到各处需润滑的部件。

●主滑油系统。 主要是曲拐箱的润滑。

●十字头滑油系统。十字头装置的润滑。

●气缸滑油系统。润滑气缸。

常用参数的设定范围：

滑油温度：40-60摄氏度

燃油系统：

●轻柴油系统。

一般的系统走向为柴油沉淀柜--------分油机--------柴油日用柜--------滤器--------柴油供给泵--------柴油机高压油泵--------喷油器。

●重柴油系统。

因为重柴油的性状特征，为了更好的使其燃烧，需要对其温度，和黏度进行控制。

因此其系统走向为：燃油沉淀柜--------分油机--------燃油日用柜---------滤器--------燃油供给泵----------滤器---------燃油增压泵--------加热器---------黏度计----------高压油泵--------喷油器

一般来说，柴油机都是轻重油两用的，其都可以通过一些装置或阀进行转换。

常用参数的设定范围：

燃油进分油机温度：90-110摄氏度 重油沉淀柜温度：65-80摄氏度

燃油进主机温度：120摄氏度左右 重油日用柜温度：85-95摄氏度

重油的预热及粘度控制

图中所示是燃油粘度自动控制原理，经雾化加热器6加热后的燃油进入粘度发讯器1，将代表粘度变化的油压差信号送至气动差压变送器2，并转变为空气差压输入气动调节仪4，从而控制气动薄膜调节阀5，使蒸汽阀开度增大或减小，控制进入雾化加热器的蒸汽量，使燃油粘度逐渐接近要求值。

1-粘度发讯器；

2-气动差压变送器；

3-空气过滤减压阀；

4-气动四针指示调节仪；

5-气动薄膜调节阀；

6-雾化加热器

冷却水系统：

●淡水冷却系统（缸套水）

主机运行： 日用淡水柜--------主机/辅机膨胀水柜---------缸套（主机/辅机）--------缸套水泵 -------主机缸套水冷却器--------膨胀水柜。

主机停止（暖缸） 日用淡水柜---------辅机膨胀水柜----------辅机缸套-------缸套水泵----------主机缸套--------辅机缸套水冷却器-------膨胀水柜。

●海水冷却系统

A．冷却滑油 E. 空调

B．冷却活塞油/水 F. 冰机

C．冷却缸套水 G. 空压机

D．空冷器 H. 其他

虽然各类冷却的目的不同，但是原理都是一样的，如下 ：

海底门-------主/辅海水泵--------各冷却器--------舷外。

锅炉系统：

锅炉是船上的蒸汽来源，因为重油黏度很大，不适合输送，因此在不使用的情况下也需要加热。

●废气锅炉系统

●燃油锅炉系统

其中，废气锅炉是利用主机排气为加热源，而燃油锅炉是依靠燃烧器加热的。因此，一般来说，在航行期间（定速），使用的是废气锅炉，其余时间（备车和停泊）使用的是燃油锅炉。

废气增压系统：

当柴油机排气时，废气经排气阀或排气口高速排出，再经排气管进入废气涡轮推动涡轮高速旋转，而后排至大气；涡轮的旋转就带动与之同轴相连的压气机旋转，于是新鲜空气由入口被吸入，经压缩后以一定压力输入柴油机进气道或扫气箱。

废热利用

（一） 冷却水的废热利用

1、真空蒸发式制淡装置的热源 （造水机）

1-蒸发器；、2-汽水分离器；3-冷凝器；

4-海水泵；、5-淡水泵；、6-排污泵；

7-真空泵；、8-给水调节阀；9-加热器

2、供重油净化处理热源（分油机）

目前大功率和中功率的中速、低速柴油机都几乎采用价格便宜的重柴油或燃料油。这些重质油必须事先进行沉淀、分离、过滤等净化处理。同时，由于其粘度大、含腊多，不能直接泵吸和雾化，所以必须进行加热和保温。如图所示，用柴油机冷却水余热对其加热和保温，可节省大量能源。

1-淡水循环柜；

2-淡水泵；

3-柴油装置；

4-淡水冷却器；

5-热水循环柜；

6-燃油储存舱；

7-燃油沉淀舱；

8-燃油分油机加热器；

9-燃油日用油柜；

10-热水循环泵

3、供应杂用热水

柴油机冷却水可直接利用，如图1所示。若冷却水不清洁或已加有防锈剂而不能直接利用时，可以通过热交换器将所需清洁冷却水加热后再供给生活杂用，如图2所示。

1-柴油机；

2-淡水泵；

3-恒温器；

4-淡水冷却器；

5-板式热交换器；

6-热水压力柜

1-柴油机；

2-淡水冷却器；

3-淡水泵；

4-膨胀水箱；

5-高置热水柜

（二） 排气的废热利用

1、采用废气涡轮增压（透平 & 轴带发电机）

这种装置对排气的余热可利用3～5%。在MC系列柴油机中采用一种如图所示的涡轮复合系统，排气除了驱动废气涡轮增压器外，还用一部分排气驱动另一台涡轮，该涡轮输出功率通过齿轮装置与曲轴和发电机组相连，把回收的能量送回主机。

1-涡轮增压器；

2-排气总管；

3-发电机；

4-恒速齿轮箱；

5-动力涡轮机；

6-曲轴传动齿轮箱；

7-主机

2、废气锅炉

图中的型柴油机采用二级循环排气锅炉的热力系统图。柴油机排气先引进废气涡轮增压器推动涡轮作功，从涡轮排出后的废气温度为365 ℃，再作为蒸汽过热器、高压蒸发器、低压蒸发器和再热器的热源。

1-柴油机；

2-冷却水泵；

3-热交换器；

4-涡轮增压器；

5-过热器；

6-高压蒸发器；

7-低压蒸发器；

8-再热器；

9-低压蒸汽分水器；

10-船舶日用热交换器；11-涡轮发电机；

12-凝汽器；

13-凝水泵；

14-阶式水箱；

15-给水泵；

16-预热器；

17-加热器；

18-循环水泵；

19-加热器；

20-空气冷却器

其他：

●关于柴油机的命名

以 MAN B&W 6S80MC 为例；MAN B&W是厂家品牌，6是气缸数量，S表示超长冲程，80是缸径，MC是型号系列。

●柴油机气缸的布置

一般情况下，柴油机气缸的布置是从自由端到飞轮端的。即自由端（船头方向）是第一缸，飞轮端（尾轴，螺旋桨，船尾方向）是最后一缸。

●柴油机气缸的数量

因为柴油机是自身压缩燃气，依靠燃烧产生动力，并且带动飞轮转动，为下一次做功储存能量，因此，柴油机各缸之间相差的角度必须小于90度，否则可能出现卡死的现象。所以，柴油机的气缸数量最少应该为5缸。