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      1. 船用柴油機工作原理

        2020-12-02

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        船用柴油機的熱效率高、經濟性好、起動容易、對各類船舶有很大適應性,問世以后很快就被用作船舶推進動力。至20世紀50年代,在新建造的船舶中,柴油機幾乎完全取代了蒸汽機。船用柴油機已是民用船舶、中小型艦艇和常規潛艇的主要動力(見船舶動力裝置)。船用柴油機按其在船舶中的作用可分為主機和輔機。主機用作船舶的推進動力,輔機用來帶動發電機、空氣壓縮機或水泵等。
         
        船用柴油機一般分為高速、中速和低速柴油機,表中列出3類柴油機的主要性能指標。

        二沖程柴油機的工作原理
         
        通過活塞的兩個沖程完成一個工作循環的柴油機稱為二沖程柴油機,油機完成一個工作循環曲軸只轉一圈,與四沖程柴油機相比,它提高了作功 能力,在具體結構及工作原理方面也存在較大差異。
         
        二沖程柴油機與四沖程柴油機基本結構相同,主要差異在配氣機構方面。二沖 程柴油機沒有進氣閥,有的連排氣閥也沒有,而是在氣缸下部開設掃氣口及排氣口;或設掃氣口與排氣閥機構。并專門設置一個由運動件帶動的掃氣泵及貯存壓力空氣的掃氣箱,利用活塞與氣口的配合完成配氣,從而簡化了柴油機結構。圖是二沖程柴油機工作原理圖。掃氣泵附設在柴油機的一側,它的轉子由柴油機帶動??諝鈴谋玫奈胛?,經壓縮后排出,儲存在具有較大容積的掃氣箱中,并在其中保持一定的壓力?,F以圖說明二沖程柴油機的工作原理。
         
        燃燒膨脹及排氣沖程:
         
        燃油在燃燒室內著火燃燒,生成高溫高壓燃氣?;钊谌細獾耐苿酉?,由上止點向下運動,對外作功?;钊滦兄敝僚艢饪诖蜷_(此時曲柄在點位置,此時燃氣膨脹作功結束,氣缸內大量廢氣靠自身高壓自由排氣,從排氣口排人到排氣管。當氣缸內壓力降至接近掃氣壓力時(一般掃氣箱中的掃氣壓力為012,下行活塞把掃氣口3打開(此時曲柄在點4的位置,掃氣空氣進入氣缸,同時把氣缸內的廢氣經排氣口趕出氣缸?;钊\行到下止點,本沖程結束,但掃氣過程一直持續到下一個沖程排氣口關閉(此時曲柄在點位置為止。·4· 342 第三篇船舶柴油機檢修圖二沖程柴油機工作原理示意圖掃氣及壓縮沖程:活塞由下止點向上移動,活塞在遮住掃氣口之前,由掃氣泵供給儲存在掃氣箱內的空氣,通過掃氣口進入氣缸,氣缸中的殘存廢氣被進入氣缸的空氣通過排氣口掃出氣缸?;钊^續上行,逐漸遮住掃氣口,當掃氣口完全關閉后(此時曲柄在點位置,空氣停止充人,排氣還在進行,這階段稱為"過后排氣階段"。排氣口關閉時(此時曲柄在點位置,氣缸中的空氣就開始被壓縮。當壓縮至上止點前點時,噴油器將燃油噴人氣缸,與高溫高壓的空氣相混合,隨即在上止點附近發火,自行著火燃燒。本沖程結束,并與前一沖程形成一個完整的工作循環。二沖程柴油機示功圖見圖,其中,為噴油始點,為活塞上止點,為燃燒終點。二沖程柴油機與四沖程柴油機相比具有一些明顯優點,當然也存在本身固有的缺點。
         
        四沖程柴油機的工作原理
         
        柴油機的工作是由吸氣、壓縮、做功和排氣這四個過程來完成的,這四個過程構成了一個工作循環?;钊咚膫€過程才能完成一個工作循環的柴油機稱為四沖程柴油機?,F對照上面的動畫了說明它的工作理原。
         
        一. 吸氣沖程
         
        第一沖程--吸氣,它的任務是使氣缸內充滿新鮮空氣。當吸氣沖程開始時,活塞位于上止點,氣缸內的燃燒室中還留有一些廢氣。
         
        當曲軸旋轉肘,連桿使活塞由上止點向下止點移動,同時,利用與曲軸相聯的傳動機構使吸氣閥打開。
         
        隨著活塞的向下運動,氣缸內活塞上面的容積逐漸增大:造成氣缸內的空氣壓力低于進氣管內的壓力,因此外面空氣就不斷地充入氣缸。
         
        進氣過程中氣缸內氣體壓力隨著氣缸的容積變化的情況如動畫所示。圖中縱坐標表示氣體壓力P,橫坐標表示氣缸容積Vh(或活塞的沖S),這個圖形稱為示功圖。圖中的壓力曲線表示柴油機工作時,氣缸內氣體壓力的變化規律。從土中我們可以看出進氣開始,由于存在殘余廢氣,所以稍高于大氣壓力P0。在進氣過程中由于空氣通過進氣管和進氣閥時產生流動阻力,所以進氣沖程的氣體壓力低于大氣壓力,其值為0.085~0.095MPa,在整個進氣過程中,氣缸內氣體壓力大致保持不變。
         
        當活塞向下運動接近下止點時,沖進氣缸的氣流仍具有很高的速度,慣性很大,為了利用氣流的慣性來提高充氣量,進氣閥在活塞過了下止點以后才關閉。雖然此時活塞上行,但由于氣流的慣性,氣體仍能充人氣缸。
         
        折疊壓縮沖程
        第二沖程--壓縮。壓縮時活塞從下止點向上止點運動,這個沖程的功用有二,一是提高空氣的溫度,為燃料自行發火作準備:二是為氣體膨脹作功創造條件。當活塞上行,進氣閥關閉以后,氣缸內的空氣受到壓縮,隨著容積的不斷細小,空氣的壓力和溫度也就不斷升高,壓縮終點的壓力和濕度與空氣的壓縮程度有關,即與壓縮比有關,一般壓縮終點的壓力和溫度為:Pc=4~8MPa,Tc=750~950K。
         
        柴油的自燃溫度約為543-563K,壓縮終點的溫度要比柴油自燃的溫度高很多,足以保證噴入氣缸的燃油自行發火燃燒。
         
        噴入氣缸的柴油,并不是立即發火的,而且經過物理化學變化之后才發火,這段時間大約有0.001~0.005秒,稱為發火延遲期。因此,要在曲柄轉至上止點前10~35°曲柄轉角時開始將霧化的燃料噴入氣缸,并使曲柄在上止點后5~10°時,在燃燒室內達到最高燃燒壓力,迫使活塞向下運動。
         
        折疊燃燒膨脹沖程
        第三沖程--做功。在這個沖程開始時,大部分噴入燃燒室內的燃料都燃燒了。燃燒時放出大量的熱量,因此氣體的壓力和溫度便急劇升高,活塞在高溫高壓氣體作用下向下運動,并通過連稈使曲軸轉動,對外作功。所以這一沖程又叫作功或工作沖程。
         
        隨著活塞的下行,氣缸的容積增大,氣體的壓力下降,工作沖程在活塞行至下止點,排氣閥打開時結束。
         
        在動畫中,工作沖程的壓力變化這條線上升部分表示燃料在氣缸內燃燒時壓力的急劇升高,最高點表示最高燃燒壓力Pz,此點的壓力和溫度為:
         
        Pz=6~15MPa, Tz=1800~2200K
         
        最高燃燒壓力與壓縮終點壓力之比(Pz/Pc),稱為燃燒時的壓力升高比, 用λ表示。根據柴油機類型的不同,在最大功牢時λ值的范圍如下:λ=Pz/Pc=1.2~2.5。
         
        折疊排氣沖程
        第四沖程--排氣。排氣沖程的功用是把膨脹后的廢氣排出去,以便充填新鮮空氣,為下一個循環的進氣作準備。當工作沖程活塞運動到下止點附近時,排氣閥開起,活塞在曲軸和連桿的帶動下,由下止點向上止點運動,并把廢氣排出氣缸外。由于排氣系統存在著阻力,所以在排氣沖程開始時,氣缸內的氣體壓力加比大氣壓力高0.025-0.035MPa,其溫度Tb=1000~1200K。為了減少排氣時活塞運動的阻力,排氣閥在下止點前就打開了。排氣閥一打開,具有一定壓力的氣體就立即沖出缸外,缸內壓力迅速下降,這樣當活塞向上運動時,氣缸內的廢氣依靠活塞上行排出去。為了利用排氣時的氣流慣性使廢氣排出得干凈,排氣閥在上止點以后才關閉。
         
        在動畫中,排氣沖程曲線表示在排氣過程中,缸內的氣體壓力幾乎是不變的,但比大氣壓力稍高一些。排氣沖程終點的壓力Pr約為0.105~0.115MPa,殘余廢氣的溫度Pr約為850~960K。
         
        由于進、排氣閥都是早開晚關的;所以在排氣沖程之末和進氣沖程之初,活塞處于上止點附近時,有一段時間進、排氣閥同時開起,這段時間用曲軸轉角來表示,稱為氣閥重疊角。
         
        排氣沖程結束之后,又開始了進氣沖程,于是整個工作循環就依照上述過程重復進行。由于這種柴油機的工作循環由四個活塞沖程即曲軸旋轉兩轉完成的,故稱四沖程柴油機。
         
        在四沖程柴油機的四個沖程中,只有第三沖程即工作沖強才產生動力對外作功,而其余三個沖程都是消耗功的準備過程。為此在單缸柴油機上必須安裝飛輪,利用飛輪的轉動慣性,使曲軸在四個沖程中連續而均勻地運轉。

        雄兵

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