第一章 船用柴油机
1.1概述
燃料在发动机内部燃烧的热机叫内燃机，如活塞式内燃烧机、喷气式发动机，柴油机、汽油机以及燃气轮机都属于内燃机。
柴油机是一种最常见的内燃机。它是利用柴油在气缸内部燃烧的方法使热能转换为机械能的机器。
内燃机与其它机械运动形式（往复、回转）不同，但具有相同的工作特点——燃料在发动机的气缸内燃烧并直接利用燃料燃烧产生的高温高压燃气在气缸中膨胀做功。可见内燃机中，燃料的化学能转变成热能（燃烧）以及热能转变成机械能（燃气膨胀）这两次能量转换均发生在气缸内部。从能量转换角度看，此类机械能量损失较小，具有较高的热效率。
柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机，它使用挥发性较差的柴油或劣质燃料油做燃料，采用内部混合法形成可燃混合气，缸内燃烧采用压缩式（靠缸内空气压缩形成的高温自然发火）。这种特点使柴油机在热机中具有最高的热效率（达55%左右），因而应用十分广泛。尤其在船用发动机中，柴油机已经取得了绝对领先的地位。
1.2船用柴油机的优、缺点及种类
柴油机的优点：
1、 经济性较高，耗油率比蒸汽、燃气动力装置低很多，高速机比中、
低速机耗油多。这一优点使柴油机船的续航能力大幅度提高，简而言之，一定续航力下所需要的燃油贮备量比较少。
2、
重量轻，柴油机动力装置中除主机和传动机组外，不需要主锅炉、
燃烧器以及工质输送管道等，所以辅助机械设备相应较少，布置简单，因此单位重量指标较小。
3、
具有良好的机动性，操作简单，启动方便，正倒车迅速，一般正常
启动到全负荷只需10~30min，紧急时需3~10min虽然比燃气轮机装置差些，但它不需要像燃气轮机装置那样一套复杂的启动和倒车设备。柴油机装置停车只需
2~5min，主机本身停机只需几秒钟即可。
柴油机装置的缺点： 1、
由于柴油机的尺寸和重量按功率比例增长快，因此单机组功率受到
限制，一般来说低速机的功率比中、高速机的功率大。这使得柴油机动力装置无法在大功率舰船上使用。
2、
柴油机工作中的噪声、振动较大。这是一个重要问题。作为舰艇不
希望动力源会有大的振动，同时震动大的话也使问题出现的几率较大。
3、
中高速柴油机的运动部件，磨损较厉害，高速强载柴油机的整机寿
命仅1000~2000h。
4、
柴油机在低转速时稳定性差，因此不能有较小的最低稳定转速，影
响船舶的低速航行性能。
5、
柴油机的过载能力也较差，在超负荷10%时，一般仅能运行1h。
柴油机的分类：
按照工作循环分类：二冲程柴油机和四冲程柴油机； 按照气缸数量分类：单缸柴油机和多缸柴油机；
按照汽缸排列方式分类：立式、卧式、直列式、斜置式、V形、X形、W形、对置汽缸、对置活塞等；
按照冷却方式分类：水冷柴油机和风冷柴油机；
按照进气方式分类：自然吸气式和增压式（增压式可分为：低、中、高增压和超高增压等）；
按照曲轴转速分类：高速机、中速机、低速机； 按照用途分类：固定式、移动式；
1.3船用柴油机的工作原理
一、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。
1、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，下行活塞把扫气口打开，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。
2、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，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，气缸中的空气就开始被压缩。当压缩至上止点前时， 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、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。
1、吸气冲程 第一冲程——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。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。
2、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。
3、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。
4、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,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。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l，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。