第二章 船舶主机
第一节 船舶柴油机概述
在船舶动力机械中，船舶柴油机是最为重要的机械设备。船舶柴油机工作状态的好坏，直接关系到船舶的安全性和经济性。正确的操纵、保养船舶柴油机，是轮机管理人员最为重要的工作。
一、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、汽油气油机等都是热机中较典型的机型。
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 MPa～6 MPa，温度升高到600 ℃～700 ℃(燃油的自燃温度为210℃～270℃。压缩终点的压力和温度分别用符号ｐｃ和ｔｃ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φ２－３表示压缩过程，约为140℃Ａ～160℃Ａ。
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，使气缸内的压力和温度急剧上升，压力约达到5MPa~8MPa,甚至高达15MPa以上。温度约为1400℃～1800℃ 或更高。燃烧的最高温度和压力分别用ｐz和ｔz表示。高温高压的燃气（工质）膨胀推动活塞下行做功。由于气缸容积逐渐增大，压力下降，在上止点后某一时刻(点4)燃烧基本完成。膨胀过程一直到排气阀b开启时结束，膨胀终了时的气缸内气体压力pb约为250 kPa~450kPa, 气体温度tb约为600 ℃～700 ℃。与进气阀相似，排气阀b是在下止点前开启（点5）的。 曲轴转角φ３－４－５表示燃烧和膨胀过程。
三、柴油机的基本结构
1．柴油机的基本结构
柴油机按照结构的不同，分为筒形活塞式柴油机和十字头式柴油机。
图2-1（a）为筒形活塞的示意图。主要组成部分包括活塞、气缸、连杆和曲轴。燃料在气缸内部燃烧，燃气膨胀产生力作用在活塞顶，推动活塞下行，活塞通过活塞销与连杆联接，连杆将活塞力传递给曲轴，曲轴驱动机械设备对外做功。活塞是往复运动，曲轴回转运动，连杆左右摆动。
图2-1（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。
2．柴油机的基本结构参数
柴油机的基本结构参数如下，如图2-2所示
(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。
柴油机是以柴油或劣质燃料油为燃料，压缩发火的往复式内燃机。为了使燃料获得燃烧所需的空气，柴油机就必须具有进气过程。在柴油机中，燃油不是靠外界火源点燃的，而是在高温条件下自行发火燃烧的，所以进入气缸的空气还必须达到足够高的温度。这是通过压缩过程实现的。在压缩终点，将雾化的燃油喷入高温高压的空气中，就能发火燃烧。燃油燃烧后放出的大量热能，使燃气的温度和压力急剧升高，推动活塞膨胀做功，产生动力。膨胀终了时，气体失去做功能力，成为废气排出气缸。
(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(S＝2R)。活塞移动一个行程，相当于曲轴转动180°CA(曲轴转角)。
(4)缸径(D)：气缸的内径。
四、柴油机工作原理
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。
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。
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，工质的膨胀做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。
总之，燃油在柴油机气缸中燃烧做功，必须通过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程才能实现，这五个过程称为柴油机的基本工作过程，进行了这五个过程就完成了一个工作循环，接着又重复进行下一个工作循环。
二、柴油机在船舶上的应用
柴油机是一种利用燃油的能量做功的动力机械，因其热效率高经济性好，在各种工业部门得到广泛地应用。发电厂采用柴油机发电，汽车用柴油机作为发动机，以及一些工程设备使用柴油机作为动力机械。在船舶上，目前所使用的动力机械主要是柴油机，称之为船舶柴油机。驱动螺旋桨、为船舶提供动力的柴油机，称之为船舶主机，是机舱最重要的动力机械；驱动发电机为船舶提供电力的柴油机，称之为发电柴油机，即副机。此外，应急发电机原动机、救生艇艇机均为柴油机，应急消防泵、应急空压机的原动机也都有采用柴油机的。
柴油机是机舱机械设备的心脏。船舶在大洋中各种复杂海况下航行，经常会遭遇大风浪，船舶的安全性直接取决于为船舶提供动力的柴油机的可靠性。船舶又是一个营运单位，其中一项主要营运成本就是燃料费用，柴油机运转状况的好坏决定着船舶营运成本的多少，柴油机又关系到船舶营运经济性。对船用柴油机即主副机的管理工作，是轮机人员日常工作的重中之重，船舶柴油机是轮机管理学科的一门重要学科，对柴油机的认识学习是轮机管理专业学生见习及以后专业课学习的重要内容。
1．四冲程柴油机工作原理
图2-3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φ１－２(图中阴影线所占的角度)表示进气持续角Δθｉ，约为220℃Ａ～250℃Ａ。