之前我有写过大型船用二冲程柴油机换气的工作原理,可能是因为写的不好,所以没什么推荐。但是我觉得二冲程柴油机的工作原理(主要是换气)是非常有意思的,值得讲讲的,所以我决定改进后再写一篇,这也算是老话新谈了吧。

柴油机的其他三个冲程靠什么动力(比四冲程柴油机少两个冲程)(1)

发动机原理

今天我换了一种方式来写,请一个“老朋友”来做帮忙,这样讲起来可能更形象一点。咱们先还是有请“老朋友”上场吧,由芬兰的瓦锡兰公司设计生产的,型号为14RT-flex96C.船用柴油机。14RT-flex96C是一款采用直列14缸设计的低速柴油发动机,接近10.9万马力,长27.3米,高13.5米,装机总重2446吨(净重2300吨),转速102转/分,使用重油,热效率达到50%。14RT-flex96C.船用柴油机可以说是船用大型低速二冲程十字头式柴油机的代表了,虽然说现在有点落伍了,但是用来做载体是再好不过的了。

柴油机的其他三个冲程靠什么动力(比四冲程柴油机少两个冲程)(2)

14RT-flex96C.船用柴油机。

当我拿出这款柴油机的时候,估计又有人来喷我了,喷我准备拿着这款柴油机在头条混几年?我要奉劝喷子们,眼里只会盯着这款柴油机喷,而忽略其背后的船舶发动机知识,本末倒置真是可惜了我的初衷啊!我为什么老拿14RT-flex96C.船用柴油机做例子?只是想把它作为一个载体,这样空洞的知识就会形象化,便于大家看懂。

柴油机的其他三个冲程靠什么动力(比四冲程柴油机少两个冲程)(3)

四冲程发动机原理

四冲程柴油机的工作原理相信大家都非常了解,我就不再讲解了。二冲程柴油机和四冲程柴油机最大的区别就是,没有了独立的进气和排气冲程,其进气和排气过程被重叠在了下止点位置,这样只要两个冲程就可以完成一个工作循环。而两个冲程就可以完成一个工作循环,也就意味着两台气缸尺寸和转速相同的二冲程和四冲程柴油机,二冲程柴油机的功率是四冲程柴油机的一倍(实际达不到);反之在相同功率的情况下,二冲程柴油机的转速能减少一半。在相同功率的情况下降低转速是有优势的,因为14RT-flex96C是船用柴油机,为了匹配船舶螺旋桨低转速高效率的特性,所以在保持功率不变的情况下要尽量降低转速,这样二冲程对于14RT-flex96C.船用柴油机降低转速是有优势的。

柴油机的其他三个冲程靠什么动力(比四冲程柴油机少两个冲程)(4)

柴油机的四个冲程

既然我们知道了二冲程柴油机和四冲程柴油机最大的区别在于换气,那么我们写二冲程柴油机的工作原理,其实只要写换气的原理就可以了。

二冲程柴油机的换气形式能分为两大类:弯流扫气和直流扫气。等下我先讲简单的弯流扫气,再讲复杂一点的直流扫气,至于两大类下面的细分我就不再讲了。至于换气为什么叫扫气,等下原理里面会讲到。

弯流扫气

弯流扫气的原理就是:通过在气缸下部设置气口,左边为进气(扫气口),右边为排气,排气口比进气口高一点,进排气的开关都是由活塞来控制的。此外二冲程柴油机在进气位置还设有扫气泵和扫气箱。扫气泵预先把空气压缩送入扫气箱(扫气箱的压力大于大气压力)。当高温高压的燃气膨胀做工,推动活塞下行到排气气口位置时,排气口打开,缸内外的压力差让缸内剩余的燃气高速排出,缸内压力随之下降,当下降到扫气压力时,下行的活塞会把进气口打开,扫气箱里的新鲜空气就会充入气缸,并进行扫气,把缸内的废气经过排气口扫出去。这样就完成了气缸的换气工作。

柴油机的其他三个冲程靠什么动力(比四冲程柴油机少两个冲程)(5)

弯流扫气柴油机

弯流扫气它具有结构简单,可靠,便于维护的特点;不过因为其在缸内流动路线是是弯曲的,所以其扫气路线长,流动阻力大,需要扫气压力较高;同时容易造成柴油机新气和废气混杂严重,存在扫气死角,还有气流短路等问题引起柴油机换气质量不高,最终导致弯流扫气柴油机的燃油消耗率较高。

柴油机的其他三个冲程靠什么动力(比四冲程柴油机少两个冲程)(6)

弯流扫气原理

直流扫气

直流扫气的原理:就是在气缸下部布置一圈进气口,的上部设置排气阀,新鲜空气从气缸下部的扫气口进入,驱赶空气从上部的排气阀排出,达到完成换气的目的。

柴油机的其他三个冲程靠什么动力(比四冲程柴油机少两个冲程)(7)

二冲程柴油机的气缸套

这种换气形式优势很明显,因为扫气口一般设置成一定的倾斜角度,进入的新鲜空气,在气缸内旋转,形成气流界面,能使新新空气不易和废气混合,并且扫气路线是直线,扫气阻力小,不存在死角,大大提高了换气质量,降低了燃油消耗率,所以直流扫气的大型低速二冲程柴油机成为了主流。而14RT-flex96C就是采用的直流扫气的二冲程柴油机。

柴油机的其他三个冲程靠什么动力(比四冲程柴油机少两个冲程)(8)

直流扫气原理

当然直流扫气还有一个很大的优势是其对于“低转速—长冲程”的适应性,所以直流扫气发动机的发展也推动了低转速—长冲程”柴油机的发展。所谓“低转速—长冲程”就是自上世纪80年代爆发能源危机,为了省油兴起的大型低速二冲程柴油机新的发展思路。

柴油机的其他三个冲程靠什么动力(比四冲程柴油机少两个冲程)(9)

燃油

因为大型船舶基本上采用的低速主机直接驱动螺旋桨的形式(不用齿轮箱,螺旋桨和主机转速一致),这时如果功率一定,螺旋桨的直径越大,转速越低,效率就越高。也就是说在不降低主机功率的情况下,降低主机转速就能提高船舶的推进效率。降低主机转速提高功率的方法有很多,比如增大行程缸径比(低转速—长冲程化)、提高最高爆炸压力和平均有效压力之比(现在低速机最高爆炸压力能达到16~18MPa)、改进燃油喷射技术(采用高压共轨系统)等等。我等下只讲一下增大行程缸径比(低转速—长冲程化)。

柴油机的其他三个冲程靠什么动力(比四冲程柴油机少两个冲程)(10)

航行中的船舶

低转速—长冲程化,就是在柴油机功率不降低的情况下通过降低柴油机的设计转速,同时加长冲程,活塞平均速度保持不变,这样不仅能提高了柴油机自身效率,也提高了船舶整体推进效率,所以能达到节油的目的。这种设计的效果非常明显,所以后来的柴油机的冲程也就越来越大,冲程缸径比也就越来越大。现在最大的达到了4点几,也就是说如果是半米的缸径冲程能达到两米多。当然这样设计的后果就是柴油机的体积非常庞大,所以现在的船用低速机,动不动就十几米高。

柴油机的其他三个冲程靠什么动力(比四冲程柴油机少两个冲程)(11)

国产的大型低速柴油机

申明:本文部分图片来源网络,如有侵权请联系删除。

作者:小船人的梦想 2018年11月17号(凌晨)

,