《船舶柴油机一》问答题及计算题广东海洋大学.docx

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《船舶柴油机一》问答题及计算题广东海洋大学

第一章柴油机的基本知识

2.试综述热机的分类。

答：

按照热机二次能量转换（化学能——热能——机械能）的特点，热机又可分为外燃机和内燃机。

一．外燃机，

[燃料的燃烧发生在气缸外部（锅炉）并利用某种中间工质（蒸汽）在气缸内膨胀作功。

]

1）往复式：

蒸汽机

2）回转式：

蒸汽轮机

[由于在外燃机中热能需经过中间工质传递，必然存在热损失。

所以，它的热效率不高，而且装置笨重。

]

二．内燃机，

[燃料的燃烧发生在气缸内部并直接利用燃烧产物（燃气）在缸内膨胀（例如推动活塞）对外作功，即所谓在气缸内发生二次能量转变。

]

根据使用燃料和工作方式的不同可大致分为：

1）往复式：

ａ）汽油机：

[汽油机是一种（电）点火往复式内燃机，利用汽油做燃料在气缸外通过化油器形成汽油蒸气与空气混合（称外部混合），此种混合气在缸内经适度压缩后在上止点附近由电火花塞点火燃烧；]

ｂ）柴油机：

[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其他劣质燃油做燃料，采用内部混合法（燃油与空气在缸内压缩终点混合）形成可燃混合气，并依靠缸内的压缩高温自行发火燃烧（称压缩发火）。

因此柴油机在内燃机中具有最高的热效率（压缩比高），并允许作为船舶动力装置（燃料的火灾危险性小）。

]

2）回转式

ａ）燃气轮机：

[燃气轮机是一种高速回转的内燃机，它的最大优点是装置轻便，重量体积最小，最适于航空或舰船加速时使用的（辅助）动力机械。

]

[相对而言，内燃机的热效率较高且装置轻便，机动性较好。

]

2.试综述内燃机的理论循环。

答：

三．内燃机有三种理论循环：

1）容加热循环（亦称奥托循环）；

2）等压加热循环（亦称狄塞尔循环）；

3）合加热循环（亦称萨巴特循环）。

四．理论循环的应用

1）柴油机基本按等容加热循环工作；

2）早期柴油机（空气喷射式）按等压加热循环工作；

3）现代柴油机（机械喷射式）基本按混合加热循环工作；

4）现代高增压船用新型柴油机（采用限制最高爆发压力工作）有向等压加热循环过渡的趋势；

5）而废气涡轮增压柴油机的理论循环是继续膨胀混合加热循环。

3.试综述柴油机实际循环与理论循环的差异。

答：

柴油机的实际循环存在着许多不可避免的损失，使它不可能达到理论循环的热效率ηt和

平均压力pt。

一般地说，两者之间的差异如下：

一．工质的影响

理论循环中的工质是理想气体，而实际循环中的工质是空气和燃烧产物，所以产生如下影

响：

1）工质成分的变化。

[燃烧前的工质是新鲜空气和上一循环残留在压缩容积里的燃烧气体的混合物；燃烧后，工质成为燃烧产物。

]

2）工质比热的变化。

[工质的比热随温度的升高而增大。

]

3）工质的高温分解。

[高温分解需要吸收热量，使燃烧阶段的压力、温度增加较少，也使实际循环的热效率和作功能力下降。

]

4）工质分子数的变化。

[燃油在气缸中燃烧后使工质的分子数增加，这对提高柴油机的效率是有利的，但影响极小。

]

二．气缸壁的传热损失

实际过程的热量交换总趋势是缸内工质向缸壁散热。

因此，压缩终点压力低于绝热压缩终点压力。

三．换气损失

而实际循环必须排出废气和吸人新鲜空气。

1）膨胀损失功:

[在排气过程中，为了减少排气消耗的功，其排气阀总是提前开启，让废气在下止点前某点就开始逸出，由此减少了一部分有用功，称膨胀损失功。

]

2）泵气功:

[实际循环的进气过程与排气过程均消耗轴功，称泵气功。

]

3）换气损失:

[膨胀损失功与泵气功之和即为实际循环的换气损失。

]

四．燃烧损失

燃烧损失是指后燃和不完全燃烧所引起的损失。

五，泄漏损失

气阀处的泄漏可以完全防止，但活塞环处的泄漏却无法避免。

六．其他损失

如工质的涡动损失以及活塞运动速度与燃烧速度不相配合而偏离定容、定压加热过程的

时间损失等。

4.试综述现代船用柴油机的结构特点。

答：

现代船用大型柴油机的结构特点大致有：

1）燃烧室采用钻孔冷却结构；

2）旋转排气阀及液压式气阀传动机构；

3）可变喷油定时机构（VIT）式喷油泵；

4）薄壁轴承（如十字头轴承采用高锡铝薄壁轴承）；

5）气缸润滑随负荷自动调整的自动控制系统，以改善气缸润滑；

6）曲轴自由端装设轴向减振器以消减曲轴的轴向振动；

7）焊接曲轴，大大减轻曲轴的重量（减轻20％～30％）。

5.试综述提高船用柴油机经济性的措施。

答：

提高船用柴油机经济性的主要措施有：

1）采用等压涡轮增压系统及高效率废气涡轮增压器。

[采用等压增压可明显提高增压器效率，使目前增压器效率提高到68％—72％。

]

2）提高行程缸径比S／D。

[一方面可增加燃气膨胀功，另一方面在保持活塞平均速度不变的情况下，显著降低柴油机转速以提高螺旋桨效率，目前已发展到S／D=4的超长行程柴油机。

]

3）提高最高爆发压力pz，与平均有效压力pe之比pz／pe。

[理论研究并经实践证实，提高pz／pe可提高柴油机经济性，所以目前户：

已达15～18MPa。

]

4）增大压缩比。

[高增压柴油机在过去曾一度采用低压缩比，以保证柴油机足够的机械强度，当前为提高经济性，仍然采取增大压缩比的措施，如现代大型柴油机压缩比已提高到16～19。

]

5）采用可变喷油正时机构（VIT）

[可变喷油正时机构可以提高部分负荷运转的经济性。

]

6）提高机械效率。

[采用超短裙活塞并减少活塞环数目，改善气缸润滑，以提高机械效率。

]

7）轴带负荷（如轴带发电机）。

[利用船舶推进轴系同时驱动一专用发电机，在正常运转期间可供船舶全部用电。

]

8）余热再利用。

[开发与利用柴油机的余热（如排气、冷却液所携带的热量）。

]

9）改进喷射与燃烧技术。

[如提高喷油压力，增大喷油率，缩短喷油持续期及采用小喷孔喷油器等提高燃烧质量。

]

第二章柴油机结构及主要零部件

1.什么叫柴油机的机械负荷？

它有哪些特点？

答：

机械负荷是指柴油机部件承受最高燃烧压力、惯性力、振动冲击等的强烈程度。

由此，柴油机的机械负荷主要来自气体力、惯性力、装配预紧力，以及由振动、变形引起的附加应力。

其中以气体力与惯性力为主。

柴油机的机械负荷有以下两个特点：

（1）周期交变（以工作循环为交变周期）；

（2）冲击性。

2.什么叫柴油机的热负荷？

热负荷有哪几种表示方法？

答：

热负荷是措柴油机的燃烧室部件承受温度、热流量与热应力的强烈程度。

通常，热负荷的表示方法有以下几种：

（1）热流密度。

单位时间单位面积上的热流量q（kJ／m2．h）；

（2）热应力。

由壁面温差形成的应力：

（3）温度场。

受热部件的温度分布图。

另外还可用比活塞功率（单位活塞面积上的有效功率）来表示。

3.试述活塞的作用是什么？

对它有哪些要求？

答：

活塞的作用有：

（1）组成燃烧室，

（2）传递动力，将气体力经连杆传给曲轴：

（3）在筒形活塞式柴油机中，活塞承受侧推力，起着滑块（导向）作用；（4）在二冲程机中启闭气口控制换气。

由此，活塞是柴油机的关键性部件。

对活塞的要求有：

强度高、刚度大、密封性好、散热性好、冷却效果好、摩擦损失小，耐磨

损，中、高速机还要求活塞重量轻。

4.柴油机活塞的冷却方式有哪几种？

冷却机构有哪几种？

答，活塞的冷却方式主要有：

（1）喷射冷却：

压力滑油经连杆杆身的内部油道自喷嘴喷出，冷却活塞内壁后自由落人曲轴箱i

（2）循环冷却，压力油均匀地在活塞头部的油道中流动。

通常在活塞顶内设置冷却腔或蛇形管。

（3）振荡冷却：

在活塞头中设置较大容积的冷却空间，冷却液在其中充满40％～60％并以一定循环速度流过。

由于活塞的变速运动使冷却液在惯性力作用下在冷却腔内上下振荡。

活塞的冷却机构是指冷却液的输送方式。

在筒形活塞式柴油机中有两种冷却机构：

其一是曲轴箱内设固定喷管，其二是在曲轴、连杆钻孔，冷却后滑油自由落回曲轴箱。

在大型十字头柴油机中则广泛使用套管式或绞链管式两种。

5.为什么十字头轴承是柴油机中工作条件最差的轴承？

改善其可靠性的措施有哪些？

答：

十字头轴承的工作条件最为恶劣，主要有以下几点：

（1）轴承比压大：

其所受气体力与活塞惯性力较大，而尺寸由于结构限制，使单位面积上的作用力（比压）较大。

（2）难以形成足够的润滑油膜：

十字轴承为绕十字头销摆动，其摆动角速度较小，且不断改变方向，难以形成全油膜润滑。

（3）单向受力：

增压二冲程柴油机，十字头销始终压在轴承下瓦上，不利于滑油的供应与楔形油膜的形成。

（4）受力分布不均：

柴油机工作时，由于十字头销与叉形连杆小端轴承的变形不一致。

易使轴承内侧局部受力严重。

提高十字头轴承可靠性的措施：

1）减小轴承比压

（1）限制柴油机最高爆发压力，使其不过高。

（2）加大十字头销直径，以增大承压面积並提高刚度；加大轴颈与轴瓦的接触包角。

（3）采用全支承式轴承，以增大承压面积。

2）使轴承负荷分布均匀

（1）采用弹性结构如自整位式轴承，这种轴承座的变形和十字头销的变形相协调，从而保证它们之间的良好接触，使轴承负荷沿轴线均匀分布。

（2）采用刚性结构提高十字头销与轴承座的刚度，减少其变形。

（3）采用反变形法拂刮轴瓦，使十字头销受力发生塌腰变形时，销与轴承内侧不会发生过大接触应力，从而使负荷均匀。

（4）增大承压面的贴合面积，通过拂刮或精密加工方法，使轴承与销间的贴合包角在90°～120°之间，避免局部比压过高。

3）良好的润滑和冷却

（1）保证润滑油压滑油压力达1.6～2.3MPa，实现液体静力润滑。

（2）合理开设油槽。

（3）合适的轴承间隙。

（4）缩短连杆长度，改善轴承的润滑条件。

4）采用薄壁轴瓦提高抗疲劳强度。

5）提高十字头销表面光洁程度。

6.曲轴的作用是什么？

曲轴的工作条比较苛刻主要表现在哪些方面？

答：

曲轴的作用是：

（1）把活塞的往复运动变为回转运动；

（2）汇集各缸动力并以回转形式输出；（3）带动柴油机的附属设备，如喷油泵、进排气阀、起动空气分配器等。

曲轴工作条件比较苛刻主要表现在以下四个方面：

（1）受力复杂：

承受交变气体力、往复惯性力和离心惯性力以及它们所产生的扭矩与弯矩。

（2）应力集中严重：

曲轴形状复杂，弯头很多，使曲轴内部的应力分布极不均匀，以致在曲柄臂与轴颈的过渡圆角处及润滑油孔周围产生严重的应力集中现象。

（3）附加应力大：

曲轴在径向力、切向力及扭矩作用下产生扭转振动、横向振动与，纵向振动，并由此产生附加应力。

尤其当发生共振时，轴系将承受较大的附加应力。

（4）轴颈遭受磨损：

使轴系产生附加弯矩而且此种磨损也降低轴系承受负荷的能力。

第三章燃油喷射与燃烧

1.试述燃油硫分和矾、钠含量对柴油机使用的影响。

答：

燃油中的硫分和钒、钠含量是燃油重要的理化性能指标。

它们产生的腐蚀条件是不同的：

一低温腐蚀或冷腐蚀：

硫分的腐蚀产生的条件是缸壁温度低于硫的氧化产物和水蒸气的露点时，在缸壁表面形成强酸（硫酸），故亦称低温腐蚀或冷腐蚀。

二高温腐蚀：

而钠钒的燃烧产物是一种多成分的低熔点混合物，当燃烧室部件温度（如：

排气阀）高于这种低熔点混合物的熔点时（如最低熔点仅为300℃），它们就会熔化附着在金属表面上，与金属表面发生氧化还原反应而腐蚀金属（化学腐蚀）。

由此，这种腐蚀只发生在高温条件下，故称高温腐蚀。

2.试述过量空气系数的定义、特点及对柴油机工作的影响。

答：

一．定义

充入气缸内的实际空气量与进入气缸内的燃油完全燃烧所需的理论空气量之比称为燃烧过量空气系数a，即：

a=L/L0。

二．特点

1）不同机型a不同（增压机a大于非增压机，二冲程机a大于四冲程机，低速机a大于中高速机）；

2）而对于同一机型，a随柴油机的负荷而变化。

负荷增大，a变小；负荷降低，a变大。

3）同一机型在同一负荷时，a在燃烧室内的分布也是不同的。

在油束内部因空气很少或无空气，故其局部a=0；而在燃烧室周边无油区，其局部。

a→∞。

三．对柴油机工作的影响

根据燃烧过量空气系数a的定义可知：

a的大小反映了柴油机负荷的高低，经济性的高低，可靠性高低以及排气污染程度。

１）若柴油机的a较小，表示相对一定的气缸进气量，气缸喷油量较多，则气缸强化程度较高，平均有效压力pe较高，空气利用率较高，但经济性较差，气缸热负荷较大，排气温度较高，可靠性较差。

２）反之，a较大，则与上述相反。

3.试述燃油的喷射过程及其影响因数。

答：

从供油始点到喷油终点的喷射过程可分为三个阶段:

一喷射延迟阶段I（从供油始点到喷油始点）

由于燃油的可压缩性、高压油管的弹性以及高压系统的节流等原因使得喷油器的喷油始点滞后于喷油泵的供油始点。

由此，存在着供油提前角（在压缩行程中喷油开始供油的瞬时到活塞上止点的曲轴转角）和喷油提前角（在压缩行程喷油器开始喷油的瞬时到活塞上止点的曲轴转角）两个提前角。

影响喷射延迟阶段的主要因素是：

高压油管特性参数、喷油器针阀的启阀压力、柴油机的工况以及喷油泵乞油阀和喷油器针阀的结构特点等。

二主要喷射阶段Ⅱ（喷油始点到供油终点）

本阶段内由于瞬时供油量大于喷油量，所以喷油压力继续升高，燃油是在不断升高的高压下喷人气缸，循环喷油量的大部分在本阶段内喷入气缸。

显然，本阶段的长短主要取决于柴油机负荷，负荷愈大，本阶段愈长。

三尾喷阶段Ⅲ（供油终点到针阀落座点）

当喷油泵停止供油时，由于压缩燃油在低压下膨胀，高压油管在低压下收缩以及系统的节流作用，使得喷射系统中的压力下降得较为迟缓，针阀仍保持开启。

燃油是在不断下降的压力作用下喷人气缸，使燃油雾化不良，甚至产生滴漏现象。

影响尾喷阶段的主要因素与喷射延迟阶段相同。

4.试述柴油机可燃混合气的形成方法及其适用机型。

答：

一．形成方法

1）在柴油机中根据不同的机型分别采用：

a）空间雾化混合法

b）油膜蒸发混合法。

2）在空间雾化法中根据对油束特性和空气涡动的依赖程度不同，又分为：

a）油雾法（主要依赖燃油的喷雾）

b）涡动法（主要依赖空气涡动）

二．适用机型

1）船用大中型和低速主机多采用油雾法，因而它们对喷射设备的工作要求较高；

2）而中、小型和高速柴油机多采用涡动法，而较少依赖燃油的喷雾。

5.试述柴油机的燃烧过程及其特点。

答：

根据分段燃烧理论，整个燃烧过程可分为滞燃、速燃、缓燃和后燃四阶段。

一．滞燃期的长短对柴油机的燃烧过程有重大（或决定性）影响。

1）如滞燃期τi过短

燃油喷注刚离开喷油器就立即燃烧，会使柴油机动力性降低并冒黑烟；

2）如滞燃期过长

滞燃期喷油量也越多，一旦发生燃烧，缸内压力会急剧增高，使工作粗暴，严重时发生燃烧敲缸，并损坏机件。

通常，滞燃期过长是引起燃烧过程恶化的通病，所以应尽可能缩短滞燃期，但并不是越短越好。

二．速燃期有以下特点：

1）近似等容燃烧，缸内压力上升至最高爆发压力：

2）是为不可控燃烧，即本阶段燃烧速率很难直接用控制该燃烧期燃油与空气混合速度的办法来加以控制，但可用控制滞燃期长短来控制速燃期。

3）速燃期的主要问题是由于燃烧速度过快，使平均压力增长率dp／dø过大，而产生燃烧敲缸现象（亦称工作粗暴、爆燃）。

三．缓燃期的特点是：

1）近似等压燃烧；

2）为可控燃烧（负荷大小）。

在缓燃期内，缸内达最高燃烧温度，燃烧速率逐渐降低。

按放热规律研究本阶段亦称扩散燃烧阶段。

3）缓燃期的主要矛盾是油气得到氧分子的速度赶不上燃烧速度的需要而发生不完全燃烧。

为了改善此阶段的燃烧质量应设法加强燃烧室内空气扰动以加速混合气的形成。

四．后燃期是燃烧过程在膨胀中的继续。

后燃期的存在有以下危害：

1）排烟温度升高；

2）热负荷增加；

3）热效率下降；

4）可靠性降低。

所以后燃期越短越好，但柴油机的后燃不可避免。

第四章柴油机的换气与增压

1.四冲程柴油机换气过程分为哪几个阶段，这几个阶段是如何划分的？

（1）自由排气阶段

当排气阀在下止点前打开时，气缸压力远远高于排气管压力，废气在很大的压力差作用下排出气缸。

随着排气阀开度的增大，直到下止点后气缸压力接近排气管压力为止。

这一阶段为自由排气阶段。

（2）强制排气阶段

从自由排气结束到排气阀关闭这一阶段活塞由下止点向上止点运动，排气过程是由活塞的推挤造成的。

这阶段为强制排气阶段。

（3）进气阶段

由进气阀开启点开始，至进气阀关闭点结束。

这一阶段为进气阶段。

2.二冲程柴油机换气过程与四冲程柴油机相比有何特点？

（1）二冲程柴油机换气时间远少于四冲程柴油机

（2）二冲程柴油机的换气主要是依靠进、排气口之间的压差，用新鲜空气驱赶废气的扫气方式，新气的进入和废气的排除过程同时进行。

（3）为实现扫气所需的气体压力差较大，空气的消耗量也较大，消耗的功较多。

（4）二冲程柴油机的气缸容积不能充分利用

3.气阀机构的故障有哪几种、其原因是什么？

（１）阀面和阀座磨损和腐蚀。

原因为由燃气中的碳粒或其它杂志冲刷或落在结合面上时阀与阀座撞击造成；燃油中的硫、钒和钠腐蚀造成。

（２）阀面和阀座烧损。

原因为阀座扭曲、偏移、倾斜和失圆会造成大面积烧损。

阀盘关闭不严，气阀阀杆卡阻、弯曲，阀面和座面因麻点、伤痕而发展到烧损。

（３）阀杆卡紧。

原因为气阀导管间隙过小或过大，气阀导管间隙过大或中心线不正。

（４）阀杆和阀头断裂。

原因为频繁撞击引起金属疲劳以及高温下金属的机械强度降低造成。

（５）气阀弹簧断裂。

原因为振动，材质，热处理不符合要求及保管中锈蚀所至。

（６）阀壳产生裂痕。

原因为安装时将固定螺栓拧得太紧。

4.提高柴油机有效功率的途径有哪些？

进一步分析增压后柴油机功率如何变化？

提高柴油机的有效功率有下列途径：

（１）改变柴油机结构参数：

D、i、s、m

（２）提高柴油机的转速

（3）提高柴油机平均有效压力

增压后，提高了气缸进气压力，使进入气缸的空气密度增加，从而可以增加喷入气缸的燃油量，以提高平均指示压力和平均有效压力，因而柴油机功率会提高。

2、什么是离心式压气机的特性和特性曲线？

柴油机废气涡轮增压系统由哪些基本元件组成、其主要任务是什么？

在运转中导致增压器喘振的原因主要有哪几类？

在不同转速下压气机的排出压力和效率随空气流量的变化规律称为离心式压气机的特性。

表示这种特性的曲线叫压气机的特性曲线。

柴油机废气涡轮增压系统是由柴油机、压气机、废气涡轮、空气冷却器和辅助扫气泵等基本元件组成。

其主要任务是提供足够的空气，保证柴油机扫气和燃烧的需要。

在运转中导致增压器喘振的原因：

1气流通道堵塞

2增压器和柴油机的运行失配

3脉冲增压一缸熄火或各缸负荷严重不均

4环境温度的变化

第八章示功图的测录与分析

1.什么是示功图？

机械式示功器传动机构应满足哪两个基本要求？

示功图是气缸内工质压力随气缸容积或曲轴转角变化的图形。

传动机构应满足以下两个基本要求：

（1）柴油机活塞行程缩小后的长度应与转筒的周长相适应且略小于转筒周长

（2）转筒的转动必须严格地与柴油机活塞的运动相对应，以便正确反映柴油机活塞运动规律

2.电子示功装置的优缺点及适用范围是什么？

优缺点：

①固有频率高，即具有良好的高频特性。

固有频率高的传感器与适当的测试环节匹配可获得良好的频响特性。

②灵敏度高，线性好，但它易受外界干扰影响。

对测量电路要求较高，需设补偿装置。

适用范围：

适用于低、中、高速柴油机，测量误差小于1%。

可实现对柴油机的远距离监测、数字显示及自动控制、完成对柴油机的诊断、趋向预报等监控技术。

在近代自动化船舶上应用广泛。

3.示功图的种类有哪些？

正常示功图的特征有哪些？

示功图的种类有：

P-V示功图、P－V转角示功图、手拉展开示功图、梳形示功图、弱弹簧示功图、P-φ展开示功图。

正常示功图的特征有：

（１）工作过程曲线比较圆滑，曲线过渡处无锐角或突变形状

（２）工作过程各主要特性点的数值如最高爆发压力Pz、压缩压力Pc等应符合说明书或试航报告。

（３）工作过程曲线无异常波动现象。

（４）示功图尾部形状应符合不同扫气形式的正常轨迹。

4.燃烧太早时的示功图有何特点？

燃烧太晚时的示功图有何特点？

燃烧太早时的示功图特点：

（1） 最高爆发压力剧增，压力升高曲线上升陡峭，示功图头部尖瘦；

（2）燃烧曲线过早地脱离压缩曲线，发火点显著提前；

（3） 膨胀曲线降低。

燃烧太晚时的示功图特点：

（１）最高爆发压力Pz明显降低，即示功图高度下降。

（２）示功图头部圆滑，发火点后移，甚至发生在上止点后，表示燃烧后移

（３）膨胀线段较正常示功图高。

5、根据示功图如何计算柴油机的平均指示压力及单缸指示功率？

１、平均指示压力Pi的计算方法

计算方法通常有两种，可选一种：

１）面积法

（mm）

２）十等分法

十等分法如图，将示功图长L分为十等分；量出各等分点上的示功图高度：

……y（mm）。

在上、下止点附近，距上、下止点l/40再附加两个示功图高度

和

示功图的平均高度。

（mm）

则平均指示压力pi=hi/M

2．柴油机指示功率的计算

１）单缸指示功率的计算

根据指示功率计算公式，可知单缸指示功率

c－气缸常数c=Vs.m/60000

pi－平均指示压力Pa

n－柴油机转速r/min