二冲程柴油机工作原理及结构差异详解：提高作功能力的秘密

二冲程柴油机工作原理及结构差异详解：提高作功能力的秘密

二冲程柴油机工作原理

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。燃油发动机的曲轴完成一个工作循环仅旋转一次。与四冲程柴油机相比，提高了工作能力。在具体结构和工作原理方面也存在较大差异。

二冲程柴油机和四冲程柴油机的基本结构相同，主要区别在于配气机构。二冲程柴油机没有进气门，有的甚至没有排气门。而是在气缸底部设有扫气口和排气口；或者设有扫气口和排气阀机构。专门设置了由运动部件驱动的扫气泵和储存压缩空气的扫气箱。利用活塞与气口的配合完成配气，从而简化了柴油机结构。图为二冲程柴油机工作原理图。扫气泵安装在柴油机的一侧，其转子由柴油机驱动。空气从泵的吸入口吸入，经过压缩后排出，储存在一个大容积的扫气箱内，这里保持一定的压力。下图说明了二冲程柴油机的工作原理。

燃烧膨胀和排气冲程：

二冲程船用柴油机

燃料在燃烧室内点燃燃烧，产生高温高压气体。在气体的驱动下，活塞从上止点向下运动，对外做功。活塞向下运动，直至排气口打开（此时曲柄处于点位，气体膨胀功完成。气缸内大量废气靠自身高压自由排出，并被从排气口排出到排气管，当气缸内的压力下降到接近扫气压力时（一般扫气箱内的扫气压力为012），向下的活塞打开扫气口3（此时）。当曲柄处于点4时，扫气进入气缸，同时将气缸内的废气通过排气口排出气缸，活塞运动至下止点，冲程结束，但。扫气过程持续进行，直到排气口在下一个冲程关闭（当曲柄处于点位置时）。

扫气和压缩冲程：活塞从下止点向上运动。在活塞覆盖扫气口之前，扫气泵供给扫气箱内储存的空气，并通过扫气口进入气缸。气缸内剩余的废气被吸入气缸。空气通过排气口被扫出气缸。活塞继续向上运动，逐渐覆盖扫气口。当扫气口完全关闭时（此时曲柄处于点位，充气停止，排气仍在进行。此阶段称为“后排气阶段”。排气口关闭（当曲柄处于0位置时，气缸内的空气开始被压缩，当压缩到上止点之前时，喷油器将燃油喷入气缸内，与高温高压的空气相混合。在上止点附近点燃，自行点火燃烧。这个冲程结束，与前一个冲程形成一个完整的工作循环，如图所示为二冲程柴油机的测功图，其中为喷油起点，为活塞顶。死点是燃烧的终点二冲程柴油机与四冲程柴油机相比有一些明显的优点，当然也有固有的缺点。

四冲程柴油机工作原理

柴油机的工作是由吸气、压缩、发电和排气四个过程完成的。这四个过程构成一个工作循环。需要活塞运动经过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。现在将其与上面的动画进行比较，以说明其工作原理。

吸入行程

第一个冲程——吸气，它的任务是向气缸内充满新鲜空气。当进气冲程开始时，活塞处于上止点，气缸内的燃烧室中仍残留有一些废气。

当曲轴旋转时，连杆将活塞从上止点移动到下止点。同时利用与曲轴相连的传动机构打开吸气阀。

随着活塞向下运动，气缸内活塞上方的容积逐渐增大：导致气缸内的空气压力低于进气管内的压力，因此外界空气继续充满气缸。

在进气过程中，气缸内的气体压力随着气缸容积的变化而变化，如图动画所示。图中，纵坐标表示气体压力P，横坐标表示气缸容积Vh(或活塞的冲程S)。该图称为功率指示器图。图中的压力曲线显示了柴油机工作时气缸内气体压力的变化规律。从土壤中我们可以看到进气开始，并且由于残留废气的存在，略高于大气压P0。进气过程中，由于空气通过进气管和进气门时产生的流动阻力，导致进气行程中的气体压力低于大气压，其值为0.085~0。在整个进气过程中，气缸内的气体压力大致保持不变。

四冲程船用柴油机

当活塞向下运动并接近下止点时，冲入气缸的气流仍然具有较高的速度和较大的惯性。为了利用气流的惯性来增加充气量，直到活塞经过下止点时进气门才关闭。 。虽然此时活塞向上运动，但由于气流的惯性，气体仍能充满气缸。

压缩行程

第二冲程——压缩。在压缩过程中，活塞从下止点移动到上止点。这个行程有两个功能。一是提高空气温度，为燃料自燃做好准备；二是为气体的膨胀和做功创造条件。当活塞向上运动、进气门关闭时，气缸内的空气被压缩。随着体积不断减小，空气的压力和温度不断升高。压缩结束时的压力和湿度与空气的压缩程度有关，即与压缩比有关。一般压缩结束时的压力和温度为：Pc=4~8MPa，Tc=750~950K。

柴油的自燃温度约为543-563K，压缩末期的温度远高于柴油的自燃温度，足以保证喷入气缸的燃油在其上点燃并燃烧。自己的。

喷入气缸的柴油不会立即点燃，而是发生物理和化学变化后才点燃。这段时间约为0.001～0.005秒，称为点火延迟期。因此，需要在上止点之前曲柄转角10～35度时开始向气缸内喷射雾化燃油，并在上止点之后曲柄转角5～10度时达到燃烧室最高燃烧压力。 ，迫使活塞向下运动。

燃烧膨胀冲程

第三招——工作。在这个冲程开始时，喷射到燃烧室中的大部分燃料被燃烧。燃烧时放出大量的热量，因此气体的压力和温度急剧升高。活塞在高温高压气体的作用下向下运动，通过连续杆带动曲轴旋转，对外做功。所以这种行程也称为功行程或功行程。

当活塞向下运动时，气缸的容积增大，气体的压力减小。当活塞到达下止点、排气门打开时，工作冲程结束。

动画中，工作冲程期间压力变化线的上升部分代表燃油在气缸内燃烧时压力急剧增加。最高点代表最大燃烧压力Pz。此时的压力和温度为：

Pz=6～15MPa，Tz=1800～2200K

最大燃烧压力与压缩端压力的比值（Pz/Pc）称为燃烧时的压力上升比，用λ表示。根据柴油机类型的不同，最大功率时的λ值范围如下：λ=Pz/Pc=1.2~2.5。

排气冲程

第四冲程——排气。排气冲程的作用是排出膨胀的废气，使其充满新鲜空气，为下一个循环的进气做好准备。当活塞在工作冲程中运动到下止点附近时，排气门打开，活塞在曲轴和连杆的带动下从下止点运动到上止点，将废气排出气缸。 。由于排气系统中的阻力，在排气冲程开始时，气缸内的气体压力为0.025-0。高于大气压，其温度Tb=1000~1200K。为了减少排气时活塞运动的阻力，排气门在下止点之前打开。排气门一打开，具有一定压力的气体立即冲出气缸，气缸内的压力迅速下降。这样，当活塞向上运动时，气缸内的废气就借助活塞的向上运动而排出。为了利用排气时的气流惯性将废气排出干净，排气门在上止点后关闭。

动画中，排气冲程曲线表明，在排气过程中，气缸内的气体压力几乎恒定，但略高于大气压力。排气冲程结束时的压力Pr约为0.105~0.，残余废气的温度Pr约为850~960K。

由于进、排气门开启早、关闭晚；因此，在排气冲程结束和进气冲程开始时，当活塞接近上止点时，有一段时间进气门和排气门同时打开。时间以曲轴角度表示，称为气门重叠角。

排气冲程结束后，进气冲程又开始，因此整个工作循环按上述过程重复进行。由于这种柴油机的工作循环是由四个活塞冲程，即曲轴转两圈来完成的，所以称为四冲程柴油机。

四冲程柴油机的四个冲程中，只有第三个冲程（工作冲量）产生动力对外做功，其他三个冲程都是消耗功的准备过程。为此，必须在单缸柴油机上安装飞轮，利用飞轮的转动惯量使曲轴在四个冲程中连续均匀地运转。

高速船舶柴油机安装要求

1、柴油机的设计和结构应保证其安全可靠运行。

2、柴油机自由端驱动垫升式风机或重要辅助机械时，应符合下列规定；

(1)曲轴自由端驱动机械的总功率不得超过柴油机允许的前端输出功率；

(2) 应向CCS提供前端输出功率等相关技术数据供CCS参考，以保证前端传输设计的可靠性和合理性。

3、船舶上安装柴油机应符合下列规定：

(1)机座应采用可靠的方法固定在刚性适当的基础上；

(2) 对于带隔振支架的柴油机弹性安装：

① 应估算整个配套发动机系统的机械振动频率，并将估算结果提供给 CCS，以避免共振速度落入实际运行范围；

②隔振支架紧固螺栓应严格按照制造厂规定的预紧力矩拧紧；

③ 柴油机的外部连接部位如管路等应采用柔性连接；

④合理考虑轴系校中，保证轴系正常运行。

4、气缸直径大于220mm或曲轴箱容积0.6m以上的柴油机应配备有足够释放面积的曲轴箱防爆门。

5、防爆门的开启压力不应超过0.02MPa。防爆门的排风口应有必要的防火或阻火设施。尽量减少火焰可能造成的危险和损害。

6、驱动推进装置或缓冲装置的各柴油机的调速器和保护装置应符合下列要求：

(1) 至少应安装两套由控制室操作且能在任何工况下快速停止柴油机的独立装置。但柴油机上不一定要安装双执行器；对于不从事国际航行的船舶，控制室内停止所有螺旋桨运转的装置可视为上述两套装置之一；

(2)应安装可靠的调速器，使柴油机转速不超过额定转速的115%；

(3)应安装独立于调速器的超速保护装置，防止柴油机转速超过额定转速的120%。

7、每台驱动发电机的柴油机必须配备符合下列要求的调速器和安全装置：

(1)对于调速器：突然去掉或突然加额定负载时，瞬时调速和稳定调速不应分别大于额定转速的10%和5%；突然加额定负载时，稳定时间不应长于5s；

(2)当柴油机额定功率大于220kW时，应安装独立于调速器的超速保护装置，防止柴油机转速超过额定转速的115%。

8.高压燃油泵和燃油喷嘴之间的所有外部高压燃油供应管路均应配备保护套管系统，以容纳从损坏的高压燃油管泄漏的燃油。套管系统应包括漏油收集装置和高压管损坏报警装置。

9、驱动推进器装置和垫板提升装置的柴油机至少应配备下列声光报警装置：

(1)油压低压报警装置和油压丢失自动停机安全装置；

(2)冷却水高温报警装置。

10、驱动发电机的柴油机功率大于35kW时，应安装低压润滑油声光报警装置。

提高船用柴油机的管理和维护

柴油机维修保障系统是一个包括设备、人员、物资、信息、管理等因素的复杂系统。它是确保柴油机得到维护、恢复或改进到规定的技术状态的能力。它是人力、物力、财力、信息、技术、管理水平等因素与具体维修对象的匹配程度和有机结合程度的综合反映。本文重点简要分析船舶柴油机管理和维护中存在的不足以及相应的解决方案。

1 船舶柴油机管理和维护的不足

1.1 船用柴油机常见管理误区

(1)进排气管间隙大，动力性能好，可防止烧蚀。从理论上讲，进排气门间隙应在热状态为零时最佳。因此，进、排气门间隙应严格按照说明书设定。

(2)柴油机负荷低、转速低、使用寿命长。其实，这是我们普遍存在的误解。事实上，柴油机低速或低负荷运转、机械负荷降低时，确实有利于延长某些零件的寿命。但对于一些技术条件较好、额定转速正常的柴油机，如果长期低速或低负荷运行，就会冒黑烟，加剧磨损，使用寿命也会相应缩短。

(3)柴油机缸套冷却水温度怕冷而不高；柴油机油底壳中的油位宁可低也不可高。柴油机低温启动后，怠速或空载预热时间越长越好。特别是对于增压柴油机来说，润滑油并不总是越多越好。润滑油过多对于柴油机的运转并不是一件好事。

1.2 船用柴油机使用和维护中的常见缺陷

在船用柴油机的使用和维护中，发动机管理人员没有按照使用和维护程序正确使用和管理，或者不熟悉柴油机的结构、原理和性能。比较常见的错误有以下几种：

(1)不定期清洗柴油粗、精滤器及油箱，会导致柴油机主机加速、工作效率低下。同时，大量杂质会随燃油进入柱塞、喷嘴等精密零件，破坏柴油机的正常工作。

(2)不按时清洗增压器进气过滤器，会降低过滤效果，增加气流阻力，减少进气量，导致柴油机无法产生所需的功率，冒黑烟。排气，造成气缸套和活塞损坏。其他零件磨损严重。

(3)调速器油未定期更换或油箱内油量不足。油的污染和变质会降低润滑性能。不按时清洗进出油过滤器，会导致油流阻力增大，甚至堵塞，润滑条件恶化，造成机件磨损和烧缸等故障。

(4)未按时检查和调整各缸的爆炸压力、排气温度，造成某缸长期超负荷运转，造成机器磨损加剧。

2 改进船舶柴油机维护管理的方法

2.1 改进船用柴油机使用管理的注意事项

(1)尽量避免低速大负荷运转时，因供油不均匀、供油装置间隙大而造成船舶柴油机工作振动大、稳定性差。

(2)应保持良好的润滑和冷却。

(3)燃烧室密封性能差，活塞与气缸间隙过大，起动困难，压缩端压力和温度低。因此，有必要提高启动性能，如按规定预热油箱、油箱、注油和盘车等，以保证足够的启动能量。

（四）加强预防性检查和维护。船用柴油机的定期检查和维护是为了保证柴油机的正常工作，延长其使用寿命。对于每一位发动机管理人员来说，他必须严格、细致地对所管理的机械进行定期检查和维护管理。

(5)应防止整机超载和个别气缸严重超载，以免整机不能产生额定功率。

(6)轴承冲击力大，间隙大，加减速应缓慢进行。

2.2 建立维修保障效能评价体系

柴油机维修保障系统保证柴油机维护、恢复或提高到规定技术状态的能力，是与具体维修对象匹配、有机结合程度的综合体现。维修保障能力是指装备保障系统利用其各种保障资源，保证柴油机完成维修保障任务的能力。构建维修保障效率评价模型，制定科学合理的维修策略和保障计划，整合维修保障资源，提高柴油机维修保障效率。其意义重大。其中，船舶柴油机的维护和保障性能在一定程度上可以直接影响船舶的保障性能。因此，分析影响柴油机维修保障性能的主要因素，对于我们更好地提高柴油机的利用率具有极其重要的意义。柴油机维护和支持的有效性取决于两个方面：柴油机本身和支持系统。

2.3加强维修管理，降低柴油机燃油消耗

(1)降低主机速度。实践证明，主机降速是在不影响船期的情况下降低船舶运营成本的有效措施。原因是，如果主机采用90%的额定转速，其功率将降低至额定功率的70%左右。此时速度会下降10%左右，主机油耗会下降30%左右。这从一定角度说明，如果主机转速降低到一定程度，燃油消耗将会大大降低，更有利于内燃机的维护和管理。

(2)加强喷油器的维护保养。喷油嘴针阀和阀座密封面的磨损会造成燃油泄漏、喷孔碳化、燃烧不良。喷油孔被碳堵塞后，会导致各缸供油不均，不仅影响柴油机低速运转的稳定性，而且会使喷油器和高压油管内的压力增大。 ，延长喷射时间，加剧后燃，影响经济性。衰退。

(3)充分利用柴油机余热。目前，船用柴油机余热利用主要采用废气涡轮增压器将废气能量转化为扫气压力，以提高柴油机的功率和效率。其中，船舶柴油机燃料燃烧产生的热量约40%转化为柴油机的输出功率，其余通过废气冷却水等排出船外。

(4)提高燃油质量。随着竞争的加剧，为了降低成本，越来越多的船用柴油机普遍使用劣质燃油。在管理上除采用碱性气缸油、增大喷油提前角外，还应采取以下措施来改善燃油性能，降低油耗。

每次专项检查应完成的工作

1.气缸、缸盖、气门及传动装置、活塞、连杆、曲轴及所有轴承、曲轴箱、机座、车架、曲轴箱门紧固件、防爆设施、增压器及其冷却器、燃油泵及附件、凸轮轴其传动装置以及平衡重、减振器或振动器、弹性联轴器、离合器、换向机构、带泵和冷却器等应拆开检查；

2、拆开启动空气系统部分管路进行内部检查。

中国船用柴油机行业发展

行业发展现状

1994年以来，我国船用柴油机发展严重滞后。据日本Akiwa Akiwa先生统计，1982年至2001年的20年间，中国造船厂建造船舶2664艘，总吨位1692.6万艘，共计柴油机3691台，853.6万千瓦，其中国产发动机1851台，柴油机568台。 10,000千瓦，进口主机1503台，259.5万千瓦，生产国不明主机337台，26万千瓦，从数量上看，国产主机占50%，进口主机占41%，从功率上看，国产主机占67%，进口主机占比30%。

统计数据来自或依赖于日本Akiwa 先生的统计。这也从另一个侧面反映了一个严峻的现实。近20年来，关心我国船舶配套产业（特别是船用柴油机）发展的本土专家学者太少了。 。

我国船用柴油机的发展关系国家重大政治经济安全战略。近年来其发展严重滞后，引起各方关注。 2003年以来，中央领导高度重视并充分肯定船舶工业在国民经济发展中的积极作用。特别是在2004年宏观调控的背景下，他们对船舶工业更快更大发展寄予厚望。在此背景下，我们认为，我国船用柴油机产业已具备跨越式发展的基础和各种有利条件。未来十五年，我国船用柴油机制造业极有可能位居世界第一。或许由于世界造船业的持续繁荣，中国造船业可能用不了那么长时间就能称霸世界。

由于我国船用柴油机与国外先进水平存在较大差距，为了大力发展我国船舶工业，实现世界造船第一大国的目标，我国船用柴油机必须坚持“国内技术创新“引进-消化-吸收-创新”。船舶配套动力加快发展之路

总体目标是通过引进生产许可证消化吸收柴油机技术，突破关键技术，提高生产能力，开发具有自主知识产权的产品。到2020年，基本实现研究院、柴油机厂和化工配套厂组成的专业A型船用柴油机研发生产体系。

行业发展面临的问题

20世纪90年代以来，由于国际国内市场需求变化和产品竞争激烈，我国低速柴油机已全面被MAN-B&W的MC/MC-C和-的RTA系列替代，且大部分为MAN-B&W的MC/MC-C和-的RTA系列。出口到船舶。推进功率匹配。并且还有一些新型号，如大连船用柴油机厂的MAN-B&-C、沪东重型机械有限公司的MAN-B&-C、B型智能船用低速大功率柴油机宜昌船用柴油机厂等发动机均代表了当代国际先进水平，填补了国内空白。他们在国内和国际市场上都具有很强的竞争力。尤其是部分第一代发动机已在我国制造成功，技术难度大，质量要求高。这说明我国低速发动机的生产已经达到了很高的水平，有能力生产缸径90cm以下的低速船用大功率柴油机。

我国大功率中速柴油机经历了引进、自主开发、引进国产化、消化吸收和改进的过程。 20世纪50年代和20世纪60年代，引进了前苏联的一些型号。在此基础上，研制了我国的中速柴油机。自主研发的中速发动机缸径系列有150、160、170、180、290、210、230、240、280、300、390mm。这些机型的技术指标与当代国外先进机型存在较大差距。

我国目前生产的中速机型号中，进口品种较多，缸径大多在200-300mm左右。进口型号中，自20世纪90年代末以来新推出的DK20、L16/24、L21/31、L27/38、PA6等型号与国外产品的差距正在逐步缩小，大部分进口产品已逐渐衰老及其市场竞争力正在逐渐缩小。我所在国家的中速柴油发动机的制造商包括柴油发动机工厂， ，Aqing ， 工厂， Power ， Heave Co.，Ltd.，Ltd. 。尽管通过引入中速柴油发动机，关键技术的本地化，消化和吸收以及持续引入较新的外国模型，与外国的差距已被缩小。但是，与外国中速柴油发动机相比，我国家的中速发动机仍然具有密集的缸直径分布，狭窄的配电量范围，更少的高功率柴油发动机和单个功能，尤其是在可靠性方面，高增压技术，高增压技术， NOX排放控制，技术仍然存在很大的差距，例如电子控制的公共燃油喷射。

行业技术发展状况和趋势

海洋柴油发动机的整体开发相对稳定。在过去的几年中，主要重点是提高模型的可靠性。这是由于增压技术的发展，柴油发动机的强度迅速增加，尤其是在石油危机之后，这反映在降低燃油消耗和燃烧下燃料油方面的经济效率强烈追求。但是，近年来，各个国家的环境政策对柴油发动机的排放限制越来越大。 NOX和SO2等有害排放的增加是高强度和燃烧下燃料油的副产品。此外，对于海洋应用，这些有害排放气体成分的含量显着增加。柴油发动机比汽车柴油发动机更重要。各种柴油发动机制造商正在研究共同追求的新柴油发动机。

（1）连续服务的可靠性。

（2）高度加强。也就是说，它的最大燃烧压力和燃油喷射压力大大增加了。

（3）废气排放符合日益严格的排放法规。 1997年，船只开始实施国际海事组织（IMO）设定的排放限制。每个柴油发动机制造商都采用了工作状况控制或废气后处理，甚至重新设计以符合监管要求。

（4）良好的整体经济。这不仅是追求燃料消耗和使用下燃料的使用，还包括价格，运营成本，减少维护，维护，推进效率等。

（5）整体结构往往相同。气缸布置主要是在线和V形，这既是技术目标，又是经济目标。

（6）标准化界面。尽力满足用户要求，并适合应用不同支持的辅助设备和监视系统。高功率低速柴油发动机广泛用于大型船舶，例如散装船，油轮和集装箱船。

随着船只变得越来越大，巨大和自动化，以及对船舶主发动机的经济性和可靠性的要求，高功率两冲程低速柴油发动机的技术开发显示出总体优化趋势，这一趋势这一趋势，这一趋势是这种趋势特别反映在以下方面：

（1）一台机器和单缸的功率越来越大，一台机器的功率最大可达到110,000马力。

（2）进一步降低燃油消耗率。两冲程低速柴油发动机的燃油消耗率已降低至164g/kW·H。

（3）平均有效压力已达到1190-，爆炸压力为1510-。

（4）使用具有高压比和高效率的新增压器，例如ABB开发的4P增压器，压力比高达5：1。

（5）使用电子调速器系统，电子控制的燃油喷射系统，高压通用轨道燃料注入系统和智能电子控制系统，以进一步提高低速柴油发动机的可靠性，提高低负载性能，减少燃油消耗，减少燃油消耗，并控制NOX排放和安全保护控制等。