柴油机基本知识.doc

21第一章 柴油机基本知识 第一章 柴油机基本知识第一节 柴油机总论一、 柴油机及其在船舶动力装置中的地位1 柴油机与动力机械机械设备通常可分为动力机械和工作机械两大类。动力机械是将其它形式的能量，如热能、电能、风能等转化为机械能，而工作机械则是利用机械能来完成所需的工作。把热能转换成机械能的动力机械称之为热机。热机是最重要的动力机械，蒸汽机、蒸汽轮机以及柴油机、汽油机等都是热机中较典型的机型。热机在工作过程中需要完成两次能量转化过程。第一次能量转化过程是将燃料的化学能通过燃烧转化为热能，第二次能量转化过程是将热能通过工质膨胀转化为机械能。如果两次能量转化过程是在同一机械设备的内部完成的，则称之为内燃机，汽油机、柴油机以及燃气轮机都属于内燃机。由于在内燃机中，两次能量转换均发生在气缸内部，从能量转换观点，此类机械能量损失小，具有较高的热效率。另外，在尺寸和重量等方面也具有明显优势(例如，燃气轮机在热机中的单位重量功率最大)。如果两次能量转化过程分别在两个不同的机械设备内部完成，则称之为外燃机。在该类机械中，化学能转变成热能的过程（燃烧）发生在锅炉中，热能转变成机械能发生在汽缸内部。此种机械由于热能需经某中间工质(水蒸气)传递，必然存在热损失，所以它的热效率不高，整个动力装置也十分笨重。内燃机在与外燃机竞争中已经取得明显的领先地位。动力机械的运动机构基本上有两种运动形式，一种为往复式，一种为回转式。在往复式发动机中，工质的膨胀作功是通过活塞的往复运动实现的；而回转式发动机则是利用高速流动的工质在工作叶轮内膨胀，推动叶轮转动而工作的。往复式发动机是间歇工作的，其工质的最高温度较高，而回转式发动机是连续工作的，由于受材料热强度的限制，其工质的最高温度不能太高，这就限制了其热效率的进一步提高。柴油机和汽油机同属往复式内燃机，但又都具有各自的工作特点。汽油机使用挥发性好的汽油做燃料，采用外部混合法(汽油与空气在气缸外部进气管中的汽化器进行混合)形成可燃混合气。其燃烧为电点火式(电火花塞点火)。这种工作特点使汽油机不能采用高压缩比，因而限制了汽油机的经济性不能大幅度提高，而且也不允许作为船用发动机使用(汽油的火灾危险性大)。但它广泛应用于运输车辆。柴油机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(燃油与空气的混合发生在气缸内部)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行发火)。这种工作特点使柴油机在热机领域内具有最高的热效率，在船用发动机中，柴油机已经取得了绝对统治地位。2 柴油机的主要优缺点通常，柴油机具有以下突出优点：(1)经济性好。有效热效率可达50%以上，可使用价廉的重油，燃油费用低。(2)功率范围宽广，单机功率从0.6kW68,000kW，适用的领域广。(3)尺寸小，重量轻，有利于船舶机舱布置。(4)机动性好。起动方便，加速性能好。有较宽的转速和负荷调节范围，可直接反转，能适应船舶航行的各种工况要求。(5)可靠性高，寿命长，维修方便。同时，柴油机也具有以下缺点：(1)存在机身振动、轴系扭转振动和噪音。(2)某些部件的工作条件恶劣，承受高温、高压并具有冲击性负荷。3 柴油機的基本結構參數圖- 氣缸容積 (1)上止点(TDC) 活塞在气缸中运动的最上端位置，也就是活塞离曲轴中心线最远的位置。(2)下止点(BDC) 活塞在气缸中运动的最下端位置，也就是活塞离曲轴中心线最近的位置。(3)行程(S) 指活塞从上止点移动到下止点间的直线距离。它等于曲轴曲柄半径R的两倍(S2R)。活塞移动一个行程，相当于曲轴转动180CA(曲轴转角)。(4)缸径(D) 气缸的内径。 (5)气缸余隙容积(压缩室容积，V) 活塞在气缸内上止点时，活塞顶上的全部空间(活塞顶、气缸盖底面与气缸套表面之间所包围的空间)容积。如图-所示。(6)余隙高度(顶隙) 上止点时活塞最高顶面与气缸盖底平面之垂直距离。(7)气缸工作容积（） 活塞在气缸中从上止点移动到下止点时所扫过的容积。见图1-1。显然： （-）(8)气缸总容积()活塞在气缸内位于下止点时，活塞顶以上的气缸全部容积，亦称气缸最大容积。见图-。显然 （-）(9)压缩比（） 气缸总容积与压缩室容积之比值，亦称几何压缩比。 （-）压缩比表示缸内工质压缩程度。柴油机压缩比约为1222。4柴油机在船舶动力装置中的地位柴油机由于在各种动力机械中热效率最高，功率范围宽广，起动迅速，维修方便，运行安全，使用寿命长，因而得到了广泛的应用，特别是在船舶方面，柴油机作为主机和副机更是占有统治地位。根据1998所世界各国造船造机结果统计，1998年世界各国造船总数为1080艘，总功率12,090,702kW，其中柴油机船为1078艘，主机总功率12,058,386 kW。低速二冲程柴油主机装船数为762（占造船总数的70.6%），功率9,477,693kW（占总功率的78.4%），中速四冲程柴油主机装船数为316（占造船总数的29.3%），总功率2,580,693 kW（占总功率的21.3%）。日本船级社1999年登记的新造船为281艘，总功率为2,389,851 kW，其中柴油机主机驱动的占278艘（占造船总数的98.9%），功率为2,330,851 kW(占总功率的97.5%)。二、 柴油机的类型根据用途不同，对柴油机的要求也不同，因而柴油机的类型很多。通常有以下几种分类方式：1四冲程柴油机和二冲程柴油机按工作循环可分为四冲程柴油机和二冲程机两类。柴油机的一个工作循环包括进气、压缩、燃烧、膨胀、排气五个过程，四冲程柴油机是曲轴转两转，也就是活塞运动四个行程完成一个工作循环，而二冲程柴油机是曲轴转一转，也就是活塞运动两个行程完成一个工作循环。2增压柴油机和非增压柴油机在柴油机中，我们把用增加进气压力来提高功率的方法称为柴油机的增压。增压柴油机和非增压柴油机的主要区别在于进气压力不同，非增压柴油机是在大气压力下进气的，而增压柴油机则是在较高的压力下进气的。为了实现柴油机的增压，必须在柴油机上装设一台压气泵，若压气泵由柴油机带动则称机械增压。如果把废气的能量充分利用起来，将柴油机排出的废气送入涡轮机中，使涡轮机高速回转来带动一离心式压气机工作，从而提高进入柴油机的空气压力以实现增压，我们称这种增压方式为废气涡轮增压。使用涡轮增压器既可使柴油机的功率增加，又可提高柴油机的经济性。3低速、中速和高速柴油机柴油机的速度可以用曲轴转速n()和活塞平均速度（)表示。活塞的平均速度为： （m/s）按此指针分类一般为：低速柴油机 中速柴油机 , 高速柴油机n, 圖-2 筒形活塞式和十字頭式柴油機簡圖4筒形活塞柴油机和十字头式柴油机图1-2(a)为筒形活塞的示意图，它的活塞通过活塞销直接与连杆相连。这种结构的优点是结构简单、紧凑、轻便，发动机高度小。它的缺点是由于运动时有侧推力，活塞与气缸之间的磨损较大。中高速柴油机一般都采用此结构。图1-2(b)所示为十字头式柴油机。它的活塞设有活塞杆，通过十字头与连杆相连接，并在气缸下部设中隔板将气缸与曲轴箱隔开。十字头柴油机工作可靠，寿命长。它的缺点是重量和高度增大，结构复杂，大型低速二冲程柴油机都采用这种结构。5直列式和V型柴油机船用柴油机通常均为多缸机。这样可以增大柴油机单机功率，同时可满足船舶机动性、可靠性的要求。多缸柴油机的气缸排列可以有直列式、V型、W型等。船用柴油机均为直列式与V型两圖-3直列式和V型柴油機种。具有两个或两个以上直立气缸，并呈一列布置的柴油机称直列式柴油机，如图1-3(a)所示。直列式柴油机的气缸数因曲轴刚度和安装上的限制一般不超过12缸。当缸数超过12缸时通常采用V型柴油机，如图1-3(b)所示。它具有两个或两列气缸，其中心线夹角呈型，并共享一根曲轴输出功率。V型机的气缸数可达18甚至24，气缸夹角通常为90、和。V型机具有较高的单机功率和较小的比重量(柴油机净重量与标定功率的比值)，在中、高速柴油机中用得较多。6右旋和左旋柴油机观察者由柴油机功率输出端向自由端看，正车时按顺时针方向旋转的柴油机称右旋(转)柴油机；观察者由柴油机功率输出端向自由端看，正车时按逆时针方向旋转的柴油机称左旋柴油机。某些船舶的推进装置(如客轮)采用双机双桨推进装置。在这种船舶上，由船艉向船艏看，布置在机舱右舷的柴油机为右旋柴油机，亦称右机；布置在机舱左舷的柴油机为左旋柴油机，亦称左机。在这种动力装置中，为便于操纵管理，右机的操纵侧即凸轮轴侧布置在柴油机左侧(即内侧)，而排气侧布置在右侧；左机的操纵侧在柴油机的右侧(即内侧)。单台布置的船舶主柴油机通常均为右旋柴油机。7可逆转和不可逆转柴油机可由操纵机构改变自身转向的柴油机称可逆转柴油机。曲轴仅能按同一方向旋转的柴油机称不可逆转柴油机。在船舶上凡直接带动螺旋桨的柴油机均为可逆转柴油机；凡带有倒顺车离合器、倒顺车齿轮箱或可变螺距螺旋桨的柴油机以及船舶发电柴油机均为不可逆转柴油机。三、 船舶柴油机提高经济性的主要措施现代船用大型低速柴油机近十多年在提高经济性方而取得的成效超过了过去几十年。各种节能措施相继出现并日趋完善。这些措施主要有：1 采用定压涡轮增压系统和高效率废气涡轮增压器在高增压柴油机上采用定压涡轮增压系统代替脉冲涡轮增压系统是现代柴油机一在显著特点，同时也有利于提高增压器的效率 。新型涡轮增压器的发展和使用，使增压器效率由60年代的50-60%提高于60-76%，由此显著降低了柴油机燃油消耗率。2 增大行程缸径比S/D增大行程缸径比S/D的主要目的是在保持活塞平均速度不变的情况下大幅度降低柴油机转速，以提高螺旋桨效率，从而提高动力装置的总效率。这是自石油危机以来提高柴油机动力装置经济性的重要措施。因此自70年代末期开始，S/D的增大速度很快，并逐步开发了低速柴油机的长行程和超长行程柴油机系列。S/D的增加，也使柴油机本身的经济性有所提高。目前，MAN B&W公司的SMC-C系列柴油机的S/D值已达4.0，而Wrtsil瑞士公司的SULZERRTA-T系列柴油机的S/D值甚至已达到了4.17。然而，增大S/D使柴油机结构复杂，造价增加，因而S/D的增加是有限度的。3提高最高爆发压力pz与平均有效压力之比pz由柴油机的理论循环研究与实践证实，提高pz可显著降低燃油消耗率。研究指出，当pz从7.8提高到12，油耗率可下降约12g/。因而，现代船用柴油机均采用这种措施降低油耗率。但是，大幅度提高pz是十分困难的，它受到了柴油机负荷的限制，必须同时采取相应措施保证柴油机的可靠性。因而从60年代到70年代中期，船用柴油机的pz虽然逐步增加，但增加幅度不大(在近20年内pz仅提高约2.5)。从70年代中期到80年代中期，柴油机的pz值有了大幅度增长，增加约5。目前有些柴油机的pz已达15 (如Sulzer RTA机)，甚至18。在保持pz不变时降低pe值同样可降低油耗率，这也是目前广泛采用的节能措施。降低就是柴油机降功率使用，如保持标定转速而选用较低(如80%)的，或在使用较低转速(如80%)时选用较低的等。4增大压缩比在增压柴油机上尤其是高增压柴油机上，为了限制pz，保证柴油机有足够的机械强度，过去常用的措施是降低柴油机的压缩比，但由此也降低了经济性。显然，这种措施已不符合现代柴油机的发展需求。现代船用低速柴油机为了提高经济性，根据理论循环的结论仍然采用了适当增大压缩比的措施，把压缩比由10左右提高到1619之间。5采用可变喷油定时()机构把提高pz作为节能措施时，更要重视提高柴油机部分负荷下的p值。因为其一，现代船用柴油机的实际使用功率通常均小于标定功率；其二，柴油机在部分负荷运转时pz随负荷的减小而降低。如果在部分负荷时能使pz值一保持其标定值，结果是pz与的比值pz变大，则燃油消耗率减少。机构可在柴油机负荷变化时自动调整其喷油提前角，保证在部分负荷(通常为80%100%负荷)时柴油机的pz基本不变，而在50%80%负荷范围内也有较高的pz值(与无机构比较)。6降低摩擦损失功提高机械效率柴油机的摩擦损失约占机械损失的40%，因而降低摩擦损失是提高的主要途径。现代船用低速柴油机采用短裙和超短裙活塞、减少活塞环数量(如由5道减为4道)及改善活塞环的工作条件等措施降低摩擦损失，提高机械效率。7轴带发电机（）在主柴油机正常运转期间(通常要求主机转速标定转速)，通过专设的恒速传动装置驱动发电机，可发出满足船舶航行所需要的电力。在主机转速变动或波动时通过恒速传动装置可保证发电机转速恒定，或可通过变频装置保证发出的电压与频率不变。采用轴带发电机在航行期间可停止柴油发电机运转。此装置并不直接降低柴油机油耗率，但提高船舶动力装置的经济性。这种装置的优点主要有：可使用油耗率较低的主柴油机供应电力，可节省柴油发电机运转时的滑油消耗，减少柴油发电机的数量与维修费用。8柴油机废热再利用柴油机的废气和冷却介质带走了燃料总发热量中50%左右的热量。充分利用这一部分废热的能量，对提高整个动力装置的经济性有重要意义。如利用废气涡轮发电机组、废气锅炉发电机等。目前这方面的问题仍在研究与探索之中。9改进喷射与燃烧技术在高增压柴油机中缩短喷射持续期，改善雾化质量提高燃烧效率是该型柴油机的重大研究课题之一。为此，发展了高喷油压力(达100 Mpa140Mpa)、高喷油率以缩短喷射持续期的喷射系统，并采取优化喷射系统结构措施提高雾化质量，提高燃烧效率。目前，智能化的电子控制喷射柴油机已开始装船应用。具体机型为SULZER Rtflex 58TB。四、 船舶柴油机的发展及当前使用情况和技术水平2 船舶柴油机的发展任何一门科学技术的发展，总是与社会生产力的需要和当时科学的发展水平相适应的。18世纪初，英国资本主义生产力的发展促进了1776年瓦特蒸汽机的发展，并由此开始了产业革命，推动了生产力的发展。随着生产力的发展，这种热机由于热效率低以及过于笨重而又不适应社会生产力的发展，对新型动力机械的需求增加。1876年，德国人奥托(N.A.Otto)第一次提出了四冲程循环(即进气、压缩、膨胀、排气)原理，并发明了电点火的四冲程煤气机。该煤气机运转平稳，热效率可高达14%，在当时曾得到普遍使用。之后，在1880年一些工程师，如英国的D.Clerk和J.Robson，以及德国人K.Benz等成功地开发了二冲程内燃机。1892年德国工程师Rudolf Diesel申请了压缩发火内燃机专利，并于1897年在MAN公司制成第一台实际使用的柴油机(压燃式、空气喷射、定压燃烧)，其效率因可采用较大的压缩比而比煤气机有显著提高。1904年柴油机首次用于船舶推进装置(29.4 kW,260 r/min)。从此在船舶领域里开始了与蒸汽推进装置的竞争局面。在此后40多年中，柴油机在自身逐步完善中有了很大发展，如1927年在柴油机上正式使用了由发明的喷油泵(回油孔式)喷油器喷射系统，代替了原需用7压缩空气喷油的空气喷射系统，实现了混合燃烧。1926年瑞士人Alfred Buechi设计了一台废气涡轮增压柴油机，当时由于增压器制造水平的限制，此项技术未能迅速推广。但总的来看在与蒸汽推进装置竞争中无突破性进展，在船舶使用中，蒸汽推进装置仍占据领先地位。从第二次世界大战到50年代中后期，由于社会生产力的迅速发展，对船舶推进装置提出了新的要求。柴油机在此期间完成了大缸径、焊接结构、废气涡轮增压以及使用劣质燃油等四项重大技术成果，并逐步发展了船用低速柴油机系列。此期间在国外大致有八种船用低速柴油机型号(由八大船用柴油机制造厂生产)。在这些技术成就中，废气涡轮增压技术在船用二冲程柴油机上的成功使用是船用低速柴油机发展中的重要里程碑。国外称这一时期是船用低速柴油机的第一次飞跃，其技术特征是废气涡轮增压技术的普及。至此，在与蒸汽动力装置的竞争中柴油机逐渐取得了领先地位。从60年代到70年代船用低速柴油机进入了黄金时代，它在船舶动力装置中取得了明显的压倒优势。各船用柴油机厂之间开始进行调整、合并、淘汰。柴油机技术趋于完善。此期间的船用低速柴油机的性能参数大致范围为缸径6001,050，行程1,0001,800，单缸有效功率达3,000 (单机组达36,000)，油耗率约为0.21（）(有效热效率)。此期间内船用低速柴油机发展的特点按顺序大致为增大机组功率，提高可靠性，提高经济性。70年代的两次石油危机诱发了世界范围内的能源危机。石油产品价格大幅度上涨使船舶柴油机的燃油费用支出一跃占总营运成本的40%50%。由此，改变了人们长期以来的传统观念，降低柴油机的燃油支出费用，提高柴油机经济性已成为第一要求。70年代末到80年代，各类节能型柴油机大量出现，机型更新周期大大缩短(甚至仅为2年3年)，各类柴油机均采用各种节能措施降低油耗率，努力提高柴油机的有效热效率；同时，由于供给船用柴油机的燃油质量日益低劣，使得船用柴油机在使用劣质燃油的技术上又有了新的发展。目前，现代船用低速柴油机的油耗率已降低到0.155kg/kWh0.160kg/kWh，有效热效率可高达55%。国外把这一时期船用柴油机的发展称为第二次飞跃。其主要技术特征是节能技术的普及。随着柴油机节能技术的发展，柴油机的可靠性(在规定的使用期间按规定的负荷运转，不因故障而停车或降功率使用的能力)也有了长足的发展。各种先进技术(如材料、加工、结构等)的运用大大提高了船用柴油机的可靠性。当前现代船用低速柴油机的吊缸周期已从60年代的5 0006,000提高到8,00012,000，甚至高达20,000。现代船用柴油机发展中的第三个特点是控制与操纵自动化，即对船用柴油机及其附属设备进行自动控制及自动监视。60年代初曾进行在控制室内对主机集中控制与集中监视，70年代电子技术开始在柴油机上使用。80年代柴油机的电子控制技术已有了很大发展，除可监视柴油机的运行工况外，还可保持柴油机各运行参数的最佳值，以求得柴油机功率、燃油消耗率和其它有关性能的最佳平衡，并由此发展了对柴油机的故障诊断、未来趋势预报等技术，把柴油机的管理技术提高到一个崭新的水平。2000年，Wrtsil公司成功地推出了SULZER RT-flex全电子控制的智能型柴油机，并开始装船使用。在船用低速二冲程柴油机发展的同时，大功率四冲程中速柴油机自50年代开始也得到了稳步发展，至今已经历了四代机型。它的最大优点是重量轻，尺寸小，可选用最佳的螺旋桨转速。在工作可靠性、使用寿命、经济性及对劣质燃油的适应性方面均有明显改进，基本上达到与低速机相近的水平。近年建造的2 000总吨以上船舶中，使用中速机做主机者占25%左右。一般对船用主机来讲，经济性、可靠性和使用寿命是第一位的，重量和尺寸是第二位的。据此，低速二冲程柴油机因其效率高、功率大、工作可靠、寿命长、可燃用劣质油以及转速低(通常为100左右，最低可达56)等优点适于作船舶主机使用。大功率四冲程中速柴油机因其尺寸与重量小较适于作为滚装船和集装箱船舶主机。船舶发电柴油机(称副机)因其发电机要求功率不大，转速较高以及结构简单，因而均采用中、高速四冲程筒形活塞式柴油机。经过近几十年尤其是近十多年的发展，现代船用柴油机已经发展到一个较高的技术水平。今后，随着生产力的发展，将会对船用柴油机提出更高的要求，船舶柴油机也将继续发展改进。当前柴油机的发展可以概括为：以节能为中心，充分兼顾到排放与可靠性的要求，全面提高柴油机性能。根据此发展目标，今后的研究趋势大致为：提高经济性的研究，包括燃烧、增压、低摩擦、低磨损等的研究；降低柴油机排放的研究，排放是现代柴油机面临的严重挑战，随着对船舶柴油机排放控制的限制，使得经济性的提高更加困难，这也是船舶柴油机发展中的新课题；提高可靠性与耐久性的研究；电子控制技术的研究；代用燃料的研究。2.船舶柴油机当前使用情况和技术水平1） 船用低速柴油机当前使用情况和技术水平船用低速柴油目前主要由MAN B&W 、Wrtsil瑞士公司和日本三菱三家公司生产，据1998年世界各国造船造机结果统计，MAN B&W公司占市场份额的64.54%，Wrtsil瑞士公司占市场份额的27.6%,日本三菱不足8%。MAN B&W和Wrtsilr瑞士公司近年主要机型的工作参数如下：表1-1 船用低速油机的主要参数机型RTA48T RTA58TRTA68TS46MC-CS50MC-CS60MC-C缸径(mm)480580680460500600行程(mm)200024162720193220002400缸径行程（S/D)4.174.174.04.24.04.0转速(r/min)12410392129127105活塞平均速度(m/s)8.38.38.38.38.58.4平均有效压力bar18.218.218.2191919最大燃烧压力bar142142142145150单缸功率kW136020002750131015802255燃油消耗率g/kWh171170169174171170从上述参数可以看出，目前新型船用低速柴油机的S/D值已达到4.0以上，活塞平均速度在8.38.5m/s左右, 平均有效压力高达19.0bar, 最大燃烧压力在140bar 以上, 而燃油消耗率则下降到169 g/kWh, 其动力性和经济性已经达到了相当高的水平。2） 船用中速柴油机当前使用情况和技术水平船用中速柴油机目前虽然生产厂家较多，但主要集中于几家在公司，据1998年世界各国造船造机结果统计，Wrtsil 公司占市场份额的40%，MAN B&W公司占市场份额的22.4%, Mak占市场份额的11.2%。其余公司占26.4%。Wrtsil和MAN B&W公司近年主要机型的工作参数如下：表1-2 船用中速油机的主要参数机型MAN B&W L27/38WARTSILA L32WARTSILA L64缸径（mm）270320640行程（mm）380400900S/D1.4:11.25:11.4:1压缩比16.5:116.0:1活塞平均速度（m/s）10.110.09.8平均有效压力(bar)23.523.325.5最大燃烧压力(bar)200190200燃油消耗率(g/kWh)185.3182171燃油喷射压力(bar)16002000使用燃油质量(cSt/50C)700730730功率范围（kW）20403060270082801005018090第二节 柴油机热力循环和工作原理 柴油机的基本工作原理是采用压缩发火方式使燃料在缸内燃烧，以高温高压的燃气做工质在气缸中膨胀推动活塞往复运动，并通过活塞连杆曲柄机构将往复运动转变为曲轴的回转运动，从而带动工作机械。根据柴油机的上述工作特点，燃油在柴油机气缸中燃烧作功必须通过进气、压缩、燃烧、膨胀与排气五个过程。包括进气、压缩、混合气形成、着火、燃烧与放热、膨胀作功和排气等在内的全部热力循环过程，称柴油机工作过程；包括进气、压缩、膨胀和排气等过程的周而复始的循环叫工作循环。在柴油机中可用活塞的两个行程或四个行程完成一个工作循环，相应称为二冲程或四冲程柴油机。一、 柴油机理论循环和实际循环1柴油机的理论循环在柴油机的实际循环中，燃料的化学能转变为机械功的过程是十分复杂的。例如，在整个循环中工质的质和量不断变化，整个过程是不可逆的。在能量转变中还存在着机械摩擦、泵气、散热及燃烧不完全等一系列必不可免的损失，使切地描述其实际热力过程变得十分困难。图-4柴油机的理论循环为了能利用工程热力学的基本理论与公式进行研究，就应根据柴油机实际适当的简化和抽象化。这种基于工程热力学的基本理论把实际过程加以抽象和简化，将其概括成由几个基本热力过程所组成的循环叫做理论循环或理想循环。通过研究这些理论循环可以：（1） 用简单的公式说明循环中务基本热力参数的关系， 以明确提高理论循环热效率和平均压力的有效途径；（2） 确定循环热效率的理论极限，以判断柴油机循环的完善程度；（3） 有利于比较各种热力循环的经济性和动力性。柴油机的理论循环基本上为混合加热循环(Sabathe循环)，如图1-4 所示。在定容（2-3）与定压（-）过程中加入热量（）。由工程热力学可知，理论循环示功图所包围的面积-即为一个循环所作的理论功W。该理论循环的热效率与平均压力的计算公式为 （1-4）式中：压缩比，；压力升高比，；图-5继续膨胀混合加热循环初期膨胀比，；工质绝热指数；由式（-），混合加热循环的理论热效率随压缩比、压力升高比和绝热指数k的增加而提高，随初期膨胀比的减小而提高。为了使柴油机的工作循环进行的更加完善，现代高增压柴油机有向定压加热循环发展的趋势。上述理论循环中，工质只绝热膨胀到5点，然后定容放热(相当于排入大气)，由此必然损失部分排气能量。若使工质由p一直膨胀到进气压力p，即在5点以后继续绝热膨胀到6点(如图-5所示)，然后定压放热Q(-)，这种循环称继续膨胀混合加热循环。显然此种循环比上述循环更完善。此循环即为涡轮增压柴油机理论循环(相当于柴油机与燃气轮机联合工作)，称修正阿特金逊(Atkinson)循环。在柴油机气缸内如实现此种循环，气缸必须做得很长。采用柴油机与燃气涡轮联合工作可合理解决此问题：气缸内膨胀-，燃气涡轮内膨胀-。2、柴油机实际循环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和平均压力。工质是实际混合气，以燃烧加热和排气放热，并计及各种热力损失的实际工作循环称实际循环。为了改善实际循环，减少与理论循环指针上的差距，应分析两种循环之间的差异和引起各项损失的原因。一般地说，两者之间的差异如下：1）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。工质成分的变化、工质比热的变化、工质的高温分解以及工质分子数的变化会使燃烧阶段的压力、温度增加减少，使实际循环的热效率和作功能力下降。2)气缸壁的传热损失在实际循环中，柴油机的工质与缸壁之间始终存在着热量交换，并非绝热过程。例如在压缩过程初期，气缸壁温度较高使空气被加热；而在后期，由于气体温度超过了缸壁温度，便发生从气体到缸壁的热量传递。因此，实际压缩终点压力低于绝热压缩终点压力。在膨胀初期由于后燃现象以及原在高温时已分解的燃烧产物的重新复合反应，使缸内工质为加热膨胀；在膨胀后期，由于后燃结束及复合反应的减弱使工质为散热膨胀。膨胀终点缸内压力高于绝热膨胀压力。3)换气损失理论循环中是混合加热和定容放热，无需进行工质的替换。而实际循环必须排出废气和吸入新鲜空气。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。另外，实际循环的进气过程与排气过程均消耗轴功， 称泵气功。膨胀损失功与泵气功之和即为实际循环的换气损失。4)燃烧损失燃烧损失是指后燃和不完全燃烧所引起的损失。在理论循环中，全部热量是由高温热源吸入热量Q，无燃烧过程。但在实际循环中是由燃油的燃烧得到的，必然存在部分燃油在膨胀中仍继续燃烧的后燃现象。另外由于空气不足，或混合物形成不良造成的不完全燃烧，使燃料的热值未充分利用，则促使燃烧膨胀线的位置下移，产生不完全燃烧损失。 5) 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。不过在良好的磨合状态下，其泄漏量约为气缸内工质总重的0.2%。通常，漏气损失可并入热交换损失中。6)其它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。在上述各项损失中，工质影响是不可避免的。对实际循环损失影响较大的还有传热损失、换气损失和燃烧损失。由于上述各项损失的存在，使实际循环的热效率明显下降。如一台非增压四冲程柴油机的压缩比，过量空气系数，最高爆发压力，其理论循环热效率，而实际循环热效率降低到45%，仅为理论循环热效率的74%。二、四冲程柴油机工作原理图-6中所示的四个简图分别表示四个活塞行程的进行情况以及活塞、曲轴、气阀等部件的有关动作位置。图-6四冲程柴油机工作原理第一行程进气行程，空气进入气缸时相应的活塞行程。活塞从上止点下行，进气阀a打开。由于气缸容积不断增大，缸内压力下降，依靠气缸内与大气的压差，新鲜空气经进气阀被吸入气缸。进气阀一般在活塞到达上止点前即提前打开(曲柄位于点1)，下止点后延迟关闭(曲柄位于点2)。曲轴转角 (图中阴影线所占的角度)表示进气持续角，约为220。第二行程压缩行程，工质在气缸内被压缩时相应的活塞行程。活塞从下止点向上运动，自进气阀a关闭(点2)才开始压缩，一直到上止点(点3)为止。第一行程吸入的新气经压缩后，压力增高到3 MPa6 MPa，温度升高到600 700 (燃油的自燃温度为210270。压缩终点的压力和温度分别用符号和表示。在压缩过程的后期由喷油器(c)喷入气缸的燃油，与高温空气混合、加热，并自行发火燃烧。曲轴转角表示压缩过程，约为140160。第三行程燃烧和膨胀行程，工质在气缸内燃烧膨胀时相应的活塞行程。活塞在上止点附近，由于燃油强烈燃烧，使气缸 (点5)。曲轴转角表示燃烧和膨胀过程。第四行程排气行程，废气从气缸内排出时相应的活塞行程。在上一行程末，排气阀b开启时活塞尚在下行，废气靠气缸内外压力差经排气阀排出。当活塞由下止点上行时，废气被活塞推出气缸，此时的排气过程是在略高于大气压力(约1.05至1.1大气压)且在压力基本不变的情况下进行的。排气阀一直延迟到上止点后(点6)才关闭。曲轴转角表示排气持续角，约为230260。进行了上述的四个行程，柴油机就完成了一个工作循环。当活塞继续运动时，另一个新的循环又按同样的顺序重复进行。圖7氣閥正時圓圖四冲程柴油机每完成一个工作循环，曲轴要回转两转(720曲轴转角)。每个工作循环中只有第三行程(膨胀行程)是作功的，其它三个行程都是为膨胀行程服务的，都需要外界供给能量。柴油机常做成多缸的，这样，进气、压缩、排气行程的能量可由其它正在作功的气缸供给。如果是单缸柴油机，那就由较大的飞轮供给。图6下方的图表示出一个工作循环内气缸中气体压力随活塞位移(即气缸容积)而变化的情形。工作循环各过程线的综合，就构成了四冲程柴油机的示功图。在过程进行时，气缸内气体的压力和容积是同时变化的。示功图可用来研究柴油机工作过程进行的情况，并且可用来计算柴油机一个工作循环的指示功。四冲程柴油机的进、排气阀的启闭都不正好在上、下止点，而是在上、下止点前后某一时刻。它们的开启持续角均大于180CA。进、排气阀在上、下止点前后启闭的时刻称为气阀定时，通常气阀定是用距相应止点的曲轴转角(A)表示。用曲轴转角表示气阀定时的圆图称气阀定时圆图，如图7所示。在图-7中，进气阀在上止点前点1开启，在下止点后点2关闭。其与相应止点的夹角、分别称进气提前角、进气滞后角。排气阀在下止点前点5开启，在上止点后点6关闭，其与相应止点的夹角、分别称为排气提前角、排气滞后角。气阀提前开启与延后关闭是为了将废气排除干净并增加空气的吸入量，以利于燃油的燃烧，另外还可减少排气耗功。因此，气阀定时是影响四冲程柴油机作功的重要因素。由图7尚可看出，在上止点前后进气阀与排气阀同时开启着，同一气缸的进、排气阀在上止点前后同时开启的曲轴转角称为气阀重叠角。在气阀叠开期间，进气管、气缸、排气管连通，此时利用废气的流动惯性，除可避免废气倒冲入进气管外，尚可抽吸新鲜空气进入气缸，并利用此压力差在将新气吸入气缸的同时将燃烧室内的废气扫出气缸，实现所谓燃烧室扫气。此时不但可提高换气质量，还可利用进气冷却燃烧室有关部件。因而，四冲程柴油机均有一定的气阀重叠角，而且增压柴油机的气阀重叠角均大于非增压机。如表3所示。表3 四冲程柴油机气阀重叠角名 称非 增 压增 压开 启关 闭开 启关 闭进气阀上止点前1530下止点后1030上止点前4080下止点后204排气阀下止点前3545上止点后1020下止点前4055上止点后405重叠角255080130 三、二冲程柴油机工作原理活塞在两个行程内完成一个工作循环的柴油机叫做二冲程柴油机。在四冲程柴油机中新气的吸入与废气的排出是靠活塞的抽吸与推挤作用完成的。在二冲程柴油机中没有单独的进气与排气过程，其进气与排气过程几乎重叠在下止点前后约120内同时进行。因此在结构上，二冲程柴油机必须在气缸套下部开设气口，采用气缸套扫气口排气口或采用气缸套下部扫气口气缸盖上排气阀的换气机构，而且还必须提高进气压力，使进气能从扫气口进入气缸并将废气扫出气缸，提高进气压力可以由机械驱动的扫气泵或由废气涡轮驱动的增压器来实现。这样，就可以进、排气过程(扫气过程)缩减到下止点前后的部分行程中完成。圖- 廢氣渦輪增壓二衝程柴油機工作原理圖