柴油机的换气与增压节

第二节 柴油机的基本工作原理柴油机是以柴油作燃料的压燃式内燃机。

工作时，空气在气缸内被压缩而产生高温，使喷入的柴油自行着火燃烧，产生高温、高压的燃气，燃气膨胀推动活塞作功，将热能转变为机械功。

柴油机的工作循环由进气、压缩、喷油着火燃烧、膨胀作功和排气等过程组成。

这些过程可以由四冲程柴油机来实现，也可由二冲程柴油机来实现。

一、四冲程柴油机（非增压）的工作原理图1-2-1所示是四冲程柴油机的基本结构图。

工作时活塞作往复直线运动，曲轴作旋转运动。

活塞改变运动方向瞬时的位置称止点（死点），止点处的活塞瞬时运动速度为零。

离曲轴中心最远时的止点称上止点（T.D.C.），最近时的止点称下止点（B.D.C.）。

曲柄销中心与主轴颈中心之间的距离称曲柄半径R 。

连杆大、小端中心间的距离称连杆长度L 。

上、下止点间的距离称活塞行程（冲程）S 。

活塞行程等于曲柄半径的两倍，即S =2R 。

活塞在上、下止点间移动所扫过的容积称气缸工作容积V S 。

S D V s ⋅=24π （1-2-1） 式中，D 为气缸直径（缸径）。

活塞位于上止点时活塞顶与气缸盖之间的气缸容积，称燃烧室容积（压缩室容积、余隙容积）V c 。

气缸总容积V a 与燃烧室容积之比称压缩比ε。

c s c c s c a V V V V VV V +=+==1ε （1-2-2） 显然压缩比是一个几何概念，它与柴油机的转速无关。

用四个行程（曲轴回转两转）完成一个工作循环的柴油机称四冲程柴油机。

图1-2-2是四冲程柴油机的工作原理简图。

图的上部表示四个行程中活塞、连杆、曲轴及气阀的相对位置。

图的下部表示相对应的气缸内气体压力随气缸容积的变化情况，称p-V 示功图。

1．进气行程活塞从上止点下行，进气阀打开。

由于活塞下行的抽吸作用，新鲜空气充入气缸。

为了能充入更多的空气，进气阀一般在上止点前提前开启（曲柄位于点1），在下止点后延迟关闭（曲柄位于点2），气阀开启的延续角（图中阴影线部分）约为220˚～250˚CA 。

柴油机的增压（一）增压的目的增压技术是提高柴油机功率最有效的措施之一，目前已广泛应用于船舶柴油机上。

pVnmi,eh根据： P, e60000可知，有效功率只与平均有效压力、气缸工作容积、柴油机转速、冲程系数及PpVnmeeh气缸数i等参数有关，故提高柴油机功率的措施，可以归纳为三个方面。

1．增加工作容积加大DiS、和，均能增加气缸工作容积，但这一措施会加大柴油机总重量和总尺寸，使造价增加，并给维修工作带来困难。

2．增加单位时间内的工作循环次数提高（或活塞平均速度）和采用二冲程柴油机（使=1），皆可增加单位时间内的工Cnmm作循环次数，但是，此措施会导致柴油机机械负荷和热负荷的增大，充气系数和机械效率,,vm的下降，使燃油燃烧恶化，影响柴油机工作可靠性和使用寿命。

3．提高平均有效压力P e由可知，要提高可通过提高机械效率或者提高平均指示压力来达到，P,P,,P,Peimemi但的变化范围很小，从减少机械损失来提高是有限的，所以的提高主要是依靠提高。

,,PPmmei由燃烧理论得知，增加每一工作循环的喷油量，能提高，但必须相应地增加气缸充气量，Pi以确保燃油完全燃烧。

在气缸容积不变的条件下，欲增加气缸充气量，必须增加进气密度，即先将空气进行压缩，然后使之进入气缸。

所谓增压，就是指通过提高柴油机进气压力来增加气缸的充气量。

这样，可以相应地增加喷入气缸的燃油量，提高柴油机平均有效压力，从而有效地提高柴油机功率。

（二）中冷的作用中冷即将经压缩的空气，在进入气缸前进行中间冷却，以降低进气温度，增大进气密度。

中冷配合增压，可进一步增大气缸充气量。

中冷器（即增压空气中间冷却器）往往以舷外水作为冷却介质。

提高进气压力的方法一般是用空气压缩机来完成。

通常把这一设备称为增压器，而把实现增压所设置的成套附件及管路系统称为增压系统。

根据驱动增压器不同的能量来源，增压系统通常可分为三类。

（一）机械增压系统增压器由柴油机直接驱动的增压系统称为机械增压系统。

第五章柴油机的换气与增压第一节换气过程四冲程柴油机换气过程1、由四冲程增压柴油机的换气过程特性可知，在进气阀打开瞬时，气缸内压力（B ）。

A．低于进气压力B．高于进气压力C．等于进气压力D．忽高忽低2、柴油机排气阀在下止点前打开，其主要目的是（A ）。

A．排尽废气多进新气B．减少排气冲程耗功C．减少新气废气掺混D．增加涡轮废气能量3、在四冲程柴油机中，使膨胀损失增大的原因是（C ）。

A．进气阀提前开启角太大B．进气阀提前开启角太小C．排气阀提前开启角太大D．排气阀提前开启角太小4、关于进气阀定时的错误认识是（B ）。

A．进气阀开得过早将产生废气倒灌B．进气阀应在活塞位于上止点时打开C．进气阀关得太晚，新气将从进气阀排出D．气阀间隙调节不当将影响其定时5、在四冲程柴油机中，排至废气管中的废气又重新被吸入气缸，其原因是（D ）。

A．进气阀提前开启角太小B．进气阀提前开启角太大C．排气阀延后关闭角太小D．排气阀延后关闭角太大6、在四冲程柴油机中，发生缸内废气倒灌进气管的原因是（B ）。

A．进气阀提前开启角太小B．进气阀提前开启角太大C．排气阀提前开启角太小D．排气阀提前开启角太大7、在四冲程柴油机中，压缩终点的压力和温度下降的原因是（D ）。

A．排气阀提前开启角太小B．排气阀提前开启角太大C．进气阀延后关闭角太小D．进气阀延后关闭角太大8、关于排气阀定时的错误认识是（D）。

A．排气阀开启过早将损失部分膨胀功B．排气阀在活塞位于下止点前打开C．排气阀关闭过迟废气将被吸入气缸D．排气阀关闭过迟气阀重叠角会减小9、排气阀提前开启角增大，则膨胀功（C ），排气功（）。

A．增大，减小B．增大；增大C．减小；减小D．减小；增大10、排气阀提前开启角减小，给柴油机工作带来的主要不利因素是（D ）。

A．排气温度增高B．排气耗功增加C．新气进气量减小D．B＋C11、气阀定时测量与调整工作应在（C ）。

A．喷油定时调整好以后进行B．喷油定时调整好之前进行C．气阀间隙调整好以后进行D．气阀间隙调整好之前进行12、气缸进气阀开启瞬时的曲轴位置与上止点之间的曲轴夹角称为（A ）。

柴油机工作原理柴油发动机是一种压燃式发动机,压燃式发动机吸入气缸的是纯净的空气,并被压缩到很高的温度,柴油经喷射装臵以高压喷入气缸并与高温空气混合着火燃烧,对外作功，从而将化学能转变为机械能。

柴油发动机的优点是：燃油消耗低，较低的有害废气排放。

柴油发动机有四冲程也有二冲程的，汽车使用的柴油机多为四冲程。

柴油机工作循环（四冲程）第一冲程活塞由上死点向下运动，将空气经打开的进气门吸入气缸，故而称之为进气冲程。

第二冲程活塞由下死点向上运动，进、排气门关闭，气缸内的空气以14:1-24:1的压缩比被压缩，空气升温至800℃，在压缩行程结束时，喷油器以接近1500巴的压力将柴油喷入气缸。

该冲程称之为压缩冲程。

第三冲程在一定的发火延迟后，雾化的燃油与空气混合自行发火燃烧，气缸内空气压力迅速升高，推动活塞下行对外作功。

该冲程称之为作功冲程。

第四冲程活塞向上运动，排气门打开，燃烧的废气被排出气缸。

该冲程称之为排气冲程。

然后，新鲜的空气再次被吸入，一个新的工作循环由开始了。

发动机的总体构造柴油机由许多机构和装臵组成,其机构型式很多,不同机型每一种机构的机构不一定相同,但这些机构的共同的目的是使发动机能很好的进行工作循环,将燃烧产生的热能转变为机械能,保证发动机长期正常工作。

发动机油下列机构和系统组成：1．机体机体构成发动机的骨架，所有的运动件都装在它上面，而且其本身的许多部分又分别为曲柄连杆机构、配气机构、供给系、冷却系、润滑系的组成部分。

汽缸盖和汽缸壁共同组成燃烧室的一部分，是承受高温与高压的机件。

2．曲柄连杆机构曲柄连杆机构是发动机的主要运动件，它们的作用是将活塞在气缸中往复运动转变为曲轴的旋转运动，在膨胀行程中气缸内气体对活塞顶的压力通过曲柄连杆机构的传递变成扭矩输出，因此它是往复式发动机传递动力的机构。

3．配气机构配气机构的作用是使新鲜空气及时冲入气缸并从气缸及时排出废气。

4．供给系柴油机供给系的作用是把经过过滤的柴油在规定的时间内以一定的压力喷入气缸。

船舶柴油机（轮机）--模块四柴油机的换气机构与增压--黄步松主讲福建交通职业技术学院船政学院课程：船舶柴油机学年第_ _学期第周月日教学内容备注模块四柴油机的换气机构与增压重点：二冲程、四冲程柴油机的换气过程，各类换气机构（气阀机构和气阀传动机构）的工作原理、作用、工作条件、结构特点、常见故障及其原因，气阀与阀座的研磨及更换方法，气阀间隙、气阀定时的检查与调整及不正常的危害，废气涡轮增压器的工作原理、组成结构、清洗、日常管理、故障分析及处理。

难点：各类换气机构的结构特点，时面值、角面值的理解，定压增压、脉冲增压的特点及理解，增压器的喘振。

单元一柴油机的换气过程及换气质量评定参数换气过程：从排气、扫气到进气终止的整个更换过程一、气阀与气口的角面值和时面值二、四冲程机的换气过程1．换气过程：从排气阀开到进气阀关约占3800CA-4500CA超临界排气阶段（以音速排出）（1）自由排气阶段亚临界排气阶段（以亚音速排出）从排气阀开启大缸内压力在某一时刻接近或达到排气管的压力。

一般在下止点后10-300CA结束。

此阶段不能过长，否则会增加排气损失。

四冲程机的进、排气阀是由凸轮驱动的，气阀只能逐渐打开的，若爬气阀正好在下止点开启，则时面值很小，缸内压力下降太慢，活塞向上行时将受到很大的压力，增加排气消耗功，且排气不干净。

一般β1=30-600CA，n增加，则β1增加。

（2）强制排气阶段从自由排气结束到排气阀关闭的阶段。

此阶段缸内废气是由上行活塞强制推挤出去，在末期可利用排气阀晚关和排气惯性实现惯性排气。

n增加，则β2增加。

（3）进气过程（非增压机实际进气是在上止点后开始）从进气阀开启到进气阀关闭的阶段。

进气阀一般在上止点前10-300CA开启，刚开启时缸内压力高于进气压力，但不会存在废气倒流。

原因①气阀开度很小②排气阀存在惯性。

进气阀一般在上止点后α2=20-600CA关闭，α2不能太大，否则压缩行程过短，使P C、T C过低，造成起动困难，燃烧不良。

一、二冲程柴油机的换气过程可分为哪几个阶段？各阶段有何特点？答：（1）自由排气阶段（2）强制排气和扫气阶段（3）过后排气阶段，对某些直流扫气二冲程柴油机，还有（4）额外进气阶段二、分析比较脉冲增压和定压增压。

答：1）废气可用能的传递效率ηE。

脉冲增压排气可用能传递效率ηE在低增压时明显高于等压增压，但随着增压度的提高，等压增压的ηE与脉冲增压的ηE差别不断减小。

在高增压时，二者的差别就消失了。

2）涡轮增压器的综合效率ηTk。

脉冲涡轮增压器的综合效率ηTk也就比等压增压的ηTk低。

3）涡轮增压系统的有效性指标K。

当柴油机发展到高增压时，脉冲增压的ηE高于等压增压不多，由于其ηTk较低，就使得等压增压系统的K 较脉冲增压大。

低速机因此均改为等压增压。

4）部分负荷时的K值。

在部分负荷工况运转时，脉冲增压方式比等压增压方式有效。

这是一些增压度相当高的中速机仍采用脉冲增压的原因。

5)扫气性能。

柴油机在满负荷工况下运转时，两种增压方式均能很好地扫气。

在低负荷时，脉冲增压系统扫气质量仍然很好。

等压增压系统扫气质量迅速恶化，甚至出现废气倒流的现象。

因此在部分负荷工况下，等压增压方式的扫气质量比脉冲增压方式的差。

6)加载性能。

等压增压加载性能较脉冲增压差。

7)其它方面。

脉冲涡轮由于间歇进气、部分进气，其叶轮叶片容易发生较强的振动，在叶片根部产生较大的附加应力。

等压涡轮叶片振动则小得多。

为了有效地利用废气的脉冲动能，系统的布置、构造和加工等都有较严格的要求。

如要求排气管尽量短而细、光滑且弯头少。

因此脉冲增压对气口、管道的清洁程度较敏感。

脉冲增压的涡轮离排气阀（口）很近，燃气中的燃烧产物较容易污损涡轮。

所以其维护管理工作量较大。

三、新型船用柴油机为什么会采用定压涡轮增压？答：在低、中增压时，采用脉冲增压，可以更多地利用废气中的能量。

虽然在结构、管理、涡轮机效率等方面有缺点，但与其优点相比尚属次要。

而随着增压压力的提高，废气中的定压能所占比例逐渐增大，脉冲增压在废气能量利用方面的优势不复存在，而在结构、布置、涡轮机效率等方面的不足显得尤为突出。