“船舶柴油機(jī)”教學(xué)中定時(shí)坐標(biāo)圖的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

盛善智

(煙臺(tái)大學(xué) 海洋學(xué)院，山東 煙臺(tái)　264005)

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“船舶柴油機(jī)”教學(xué)中定時(shí)坐標(biāo)圖的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

盛善智

(煙臺(tái)大學(xué) 海洋學(xué)院，山東 煙臺(tái)264005)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)“船舶柴油機(jī)”教材中四沖程柴油機(jī)原理定時(shí)圓圖和曲柄排列圖不易理解記憶且容易遺忘的問(wèn)題，為幫助學(xué)生更好地理解課程內(nèi)容，設(shè)計(jì)了四沖程柴油機(jī)原理定時(shí)坐標(biāo)圖。該圖形還可以用來(lái)幫助學(xué)生理解柴油機(jī)氣閥間隙調(diào)整、各缸工作狀態(tài)判斷、換向原理、啟動(dòng)故障判斷等相關(guān)知識(shí)，可應(yīng)用于教學(xué)和船舶實(shí)際工作。

關(guān)鍵詞：船舶柴油機(jī)；定時(shí)坐標(biāo)圖；四沖程柴油機(jī)

一、引言

“船舶柴油機(jī)”是STCW公約及規(guī)則規(guī)定的七項(xiàng)職能之一，也是輪機(jī)工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)核心主干課程。學(xué)生通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)牢固掌握現(xiàn)代船舶柴油機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)和性能，應(yīng)具有對(duì)船舶柴油機(jī)常見(jiàn)故障的判斷、分析和排除能力。為幫助學(xué)生更好地理解柴油機(jī)的工作原理，本文針對(duì)傳統(tǒng)“船舶柴油機(jī)”教材中的四沖程柴油機(jī)定時(shí)圓圖和曲柄排列圖存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了新的四沖程柴油機(jī)定時(shí)坐標(biāo)圖，實(shí)踐證明，教學(xué)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)教材中的四沖程柴油機(jī)定時(shí)圓圖，同時(shí)，該設(shè)計(jì)對(duì)船舶柴油機(jī)的管理亦有所助益。

二、定時(shí)坐標(biāo)圖的設(shè)計(jì)與原理

教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)教材中的四沖程柴油機(jī)定時(shí)圓圖(見(jiàn)圖1)[1]存在部分缺陷。比如氣閥重疊角，圖1顯示上、下止點(diǎn)都有重疊，不便于理解、記憶和區(qū)分。為使學(xué)生更好地理解和記憶，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)定時(shí)坐標(biāo)圖(見(jiàn)圖2)，圖2中橫坐標(biāo)表示曲軸轉(zhuǎn)角，曲線(xiàn)1表示排氣閥開(kāi)度或排氣通道流通面積，曲線(xiàn)2表示進(jìn)氣閥開(kāi)度或進(jìn)氣通道流通面積，圖中還標(biāo)注了上、下止點(diǎn)位置。

圖1　四沖程柴油機(jī)原理定時(shí)圓圖和曲柄排列圖

圖2　四沖程柴油機(jī)定時(shí)坐標(biāo)圖

由圖2可見(jiàn)，該缸在發(fā)火上止點(diǎn)A(右側(cè)A點(diǎn))開(kāi)始膨脹行程，當(dāng)活塞下行到達(dá)下止點(diǎn)前的B時(shí)，排氣閥打開(kāi)，該缸開(kāi)始排氣行程，排氣行程會(huì)一直持續(xù)到上止點(diǎn)D后的E，排氣閥關(guān)閉，排氣行程結(jié)束。在排氣行程中，當(dāng)活塞上行到達(dá)上止點(diǎn)D之前的C時(shí)，進(jìn)氣閥打開(kāi)，增壓后的空氣進(jìn)入氣缸，開(kāi)始進(jìn)氣行程，進(jìn)氣行程會(huì)一直持續(xù)到下止點(diǎn)后的F，這時(shí)進(jìn)氣閥關(guān)閉，進(jìn)氣行程結(jié)束，開(kāi)始?jí)嚎s行程，活塞繼續(xù)上行，在壓縮行程末期開(kāi)始噴油燃燒，到達(dá)左側(cè)A點(diǎn)后又開(kāi)始下一個(gè)工作循環(huán)。從圖2可以清楚地看出一個(gè)工作循環(huán)中柴油機(jī)活塞和進(jìn)排氣閥在曲軸任意位置時(shí)的狀態(tài)，可以看到進(jìn)氣行程和排氣行程都大于180°CA(CA表示曲軸轉(zhuǎn)角)，膨脹行程和壓縮行程都小于180°CA，進(jìn)氣閥和排氣閥打開(kāi)的角度都大于180°CA，在上止點(diǎn)D前后有一個(gè)進(jìn)排氣氣閥重疊角(C到E)，而在兩個(gè)下止點(diǎn)位置沒(méi)有氣閥重疊現(xiàn)象。該圖形簡(jiǎn)單直觀，很好地規(guī)避了傳統(tǒng)定時(shí)圓圖中的部分缺陷，易于理解記憶，教學(xué)效果良好。

三、定時(shí)坐標(biāo)圖的拓展應(yīng)用

該定時(shí)坐標(biāo)圖除應(yīng)用于船舶柴油機(jī)教學(xué)外，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)拓展，可應(yīng)用于更多相關(guān)知識(shí)的教學(xué)與船舶工作實(shí)踐。以下以船舶機(jī)艙中最常見(jiàn)的六缸四沖程柴油機(jī)為例。

1.快速判斷四沖程柴油機(jī)氣閥間隙調(diào)整

教學(xué)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)于柴油機(jī)進(jìn)排氣閥氣閥間隙的調(diào)整不能很好地理解或靈活運(yùn)用。如題：

某四沖程六缸柴油機(jī)的發(fā)火順序?yàn)?-5-3-6-2-4，準(zhǔn)備采用盤(pán)車(chē)兩次來(lái)調(diào)節(jié)整機(jī)的氣閥間隙，如果將第1缸活塞盤(pán)車(chē)到發(fā)火上止點(diǎn)時(shí)，此時(shí)可調(diào)節(jié)的氣閥間隙是________。

A. 1進(jìn)、1排、5進(jìn)、3進(jìn)、2排、4排

B. 1進(jìn)、1排、5排、3進(jìn)、2排、4進(jìn)

C. 1進(jìn)、1排、5進(jìn)、3排、2進(jìn)、6排

D. 1進(jìn)、1排、5排、3排、2進(jìn)、4進(jìn)

用圖1講解，學(xué)生感覺(jué)理解困難。由四沖程柴油機(jī)工作原理可知，每完成一個(gè)工作循環(huán)，曲軸要回轉(zhuǎn)兩圈，也就是說(shuō)，每個(gè)缸要在曲軸完成旋轉(zhuǎn)720°CA后，才可以完成一個(gè)工作循環(huán)。對(duì)于六缸四沖程柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，各缸發(fā)火間隔角是120°CA，據(jù)此，根據(jù)圖2做出圖3。在圖3中標(biāo)識(shí)了一個(gè)完整工作循環(huán)中每個(gè)缸的位置。從圖3可見(jiàn)，當(dāng)1#缸在發(fā)火上止點(diǎn)時(shí)，可以判斷出其他各缸的位置和狀態(tài)，5#缸由于落后1#缸120°CA，明顯處在壓縮行程，同樣可以判斷出3#缸處在進(jìn)氣行程，6#缸處在進(jìn)排氣重疊角期間的上止點(diǎn)位置，2#缸處在排氣行程，4#缸處在膨脹行程。從圖3各缸所處位置的進(jìn)排氣閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)可以快速準(zhǔn)確地判斷出：當(dāng)1#缸在發(fā)火上止點(diǎn)時(shí)，1#缸進(jìn)排氣閥、5#缸排氣閥、3#缸排氣閥、2#缸進(jìn)氣閥和4#缸進(jìn)氣閥共6個(gè)氣閥都處于關(guān)閉狀態(tài)，這8個(gè)氣閥間隙可以調(diào)整(因?yàn)?#缸位置靠近進(jìn)氣閥關(guān)閉點(diǎn)，為保險(xiǎn)起見(jiàn)，不調(diào)整5#缸進(jìn)氣閥間隙，其他類(lèi)同)。理解了圖3，就可以很快地判斷該題的答案為D。

圖3　六缸四沖程柴油機(jī)發(fā)火順序工作圖

又如，某船大管輪要檢查調(diào)整主機(jī)(四沖程機(jī))的氣閥間隙，柴油機(jī)的發(fā)火次序是1-6-2-5-8-3-7-4，當(dāng)時(shí)飛輪剛好停在7#缸發(fā)火上止點(diǎn)，根據(jù)圖3很快就畫(huà)出圖4，按照?qǐng)D4各缸進(jìn)排氣閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)立刻就可以判斷出7#缸進(jìn)排氣閥、4#缸排氣閥、1#缸排氣閥、6#缸排氣閥、5#缸進(jìn)氣閥、8#缸進(jìn)氣閥和3#缸進(jìn)氣閥共8個(gè)氣閥間隙可以調(diào)整，再盤(pán)車(chē)1圈就可以調(diào)整其他8個(gè)氣閥的氣閥間隙了。

圖4　八缸四沖程柴油機(jī)發(fā)火順序工作圖

實(shí)際上，如果理解了圖2和圖3，有更快捷的方法判斷氣閥間隙的調(diào)整，為此，筆者總結(jié)了“前進(jìn)后排”規(guī)律。以六缸四沖程柴油機(jī)為例，所謂“前進(jìn)后排”規(guī)律，就是當(dāng)柴油機(jī)盤(pán)車(chē)任意一缸到發(fā)火上止點(diǎn)時(shí)，按照發(fā)火順序，該缸前面兩個(gè)缸的進(jìn)氣閥和后面兩個(gè)缸的排氣閥，加上該缸的進(jìn)排氣閥，共6個(gè)氣閥間隙可以調(diào)整，再盤(pán)車(chē)1周就可以調(diào)整其他6個(gè)氣閥間隙了。以發(fā)火順序1-5-3-6-2-4為例，如盤(pán)車(chē)到3#缸處于發(fā)火上止點(diǎn)，那么根據(jù)“前進(jìn)后排”規(guī)律，按照發(fā)火順序就可以快速判斷出，處于3#缸前面的1#進(jìn)、5#進(jìn)和后面的6#排、2#排，加上3#進(jìn)、3#排，共6個(gè)氣閥間隙可以調(diào)整，再盤(pán)車(chē)1周就可以調(diào)整其他6個(gè)氣閥間隙了。這個(gè)“前進(jìn)后排”規(guī)律同樣適用于四缸或者八缸柴油機(jī)。實(shí)際上，理解了定時(shí)坐標(biāo)圖的原理就不用再畫(huà)圖進(jìn)行分析了，根據(jù)“前進(jìn)后排”規(guī)律直接就可以確定。

2.快速判斷柴油機(jī)各缸所處的位置

對(duì)于快速判斷柴油機(jī)各缸所處的位置或行程，筆者還發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)“前進(jìn)后排”的規(guī)律。以四沖程六缸柴油機(jī)為例，首先根據(jù)條件找到處于氣閥重疊角上止點(diǎn)的氣缸，還是根據(jù)發(fā)火順序，處于該缸前面的氣缸就處于進(jìn)氣行程，處于該缸后面的氣缸就處于排氣行程。進(jìn)而還可以判斷靠近進(jìn)氣行程的氣缸處于壓縮行程，靠近排氣行程的氣缸處于膨脹行程，還有一個(gè)氣缸處于發(fā)火上止點(diǎn)。以發(fā)火順序1-5-3-6-2-4為例，如3#處于氣閥重疊角上止點(diǎn)，那么根據(jù)“前進(jìn)后排”的規(guī)律，按照發(fā)火順序，就可以快速判斷3#缸前面的5#缸處于進(jìn)氣行程、處于該缸后面的6#缸處于排氣行程，靠近5#缸的1#氣缸處于壓縮行程，靠近6#缸的2#氣缸處于膨脹行程，還有一個(gè)4#氣缸處于發(fā)火上止點(diǎn)。

完全理解了圖2和圖3，那么對(duì)于四沖程柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，無(wú)論發(fā)火順序怎樣變化，無(wú)論曲軸處于什么位置，無(wú)論是幾個(gè)缸，都可以快速判斷各缸所處的位置或行程，從而可以更好地對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行分析。對(duì)于每一臺(tái)使用中的柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，其進(jìn)排氣閥提前角和滯后角都是固定的[2]，都可以在說(shuō)明書(shū)上查到，只要從飛輪處查到某缸相對(duì)于上止點(diǎn)的位置，然后在定時(shí)坐標(biāo)圖上標(biāo)識(shí)出來(lái)，就可以快速判斷柴油機(jī)各缸所處的狀態(tài)。

3.理解柴油機(jī)換向的部分原理

《船舶柴油機(jī)》教材中講到柴油機(jī)換向原理時(shí)，說(shuō)到柴油機(jī)正車(chē)某缸的膨脹沖程換向后是倒車(chē)的壓縮沖程，學(xué)生反映該內(nèi)容不好理解。筆者利用圖3畫(huà)出圖5給學(xué)生講解，教學(xué)效果良好。

在多缸柴油機(jī)中，當(dāng)各缸由按正車(chē)定時(shí)變?yōu)榘吹管?chē)定時(shí)旋轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)火順序也由正車(chē)發(fā)火順序變?yōu)榈管?chē)發(fā)火順序[2]，如柴油機(jī)的正車(chē)發(fā)火順序?yàn)?-5-3-6-2-4，則倒車(chē)發(fā)火順序?yàn)?-4-2-6-3-5(見(jiàn)圖3和圖5)。從圖3可見(jiàn)，柴油機(jī)正車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)當(dāng)1#缸處在發(fā)火上止點(diǎn)時(shí)，4#缸處在膨脹沖程。柴油機(jī)換向完成后，從圖5中可見(jiàn)，當(dāng)?shù)管?chē)運(yùn)轉(zhuǎn)1#缸處在發(fā)火上止點(diǎn)時(shí)，4#缸處在壓縮沖程，這就是柴油機(jī)正車(chē)某缸的膨脹沖程換向后是倒車(chē)的壓縮沖程的道理。同樣也可以很好地理解柴油機(jī)正車(chē)某缸的壓縮沖程換向后是倒車(chē)的膨脹沖程的道理。利用圖3、圖5也可以幫助學(xué)生準(zhǔn)確理解柴油機(jī)能耗制動(dòng)和強(qiáng)制制動(dòng)的原理。

圖5　六缸四沖程柴油機(jī)倒車(chē)發(fā)火順序工作圖

4.幫助分析柴油機(jī)故障

定時(shí)坐標(biāo)圖圖形對(duì)于船舶輪機(jī)員解決柴油機(jī)某些起動(dòng)故障同樣有很好的指導(dǎo)作用。柴油機(jī)起動(dòng)空氣是在壓縮行程末期進(jìn)入氣缸的，進(jìn)氣延續(xù)時(shí)間在四沖程柴油機(jī)中最大不超過(guò)140°CA，二沖程柴油機(jī)進(jìn)氣延續(xù)時(shí)間最大不超過(guò)120°CA[1]。在柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，氣缸氣動(dòng)閥只在AB區(qū)間才打開(kāi)(見(jiàn)圖2)。在AB區(qū)間內(nèi)，大部分時(shí)間只有一個(gè)氣缸氣動(dòng)閥是開(kāi)啟的，有少部分時(shí)間兩只氣缸氣動(dòng)閥同時(shí)開(kāi)啟。如果四沖程柴油機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中，某缸氣動(dòng)閥卡死不能開(kāi)啟，導(dǎo)致柴油機(jī)曲軸停在某一位置不能起動(dòng)。為了快速找到故障氣缸氣動(dòng)閥，可以根據(jù)定時(shí)坐標(biāo)圖和柴油機(jī)的起動(dòng)原理，在柴油機(jī)飛輪處查看，飛輪指示在上止點(diǎn)后0°～140°CA進(jìn)排氣閥都關(guān)閉的缸就是故障氣缸。

二沖程柴油機(jī)如果也出現(xiàn)因?yàn)槟掣灼饎?dòng)閥卡死導(dǎo)致不能起動(dòng)故障時(shí)，同樣可以查看飛輪刻度，檢查飛輪指示在上止點(diǎn)后0°～120°CA的缸就是故障缸，原理參見(jiàn)柴油機(jī)起動(dòng)的原理和二沖程柴油機(jī)定時(shí)坐標(biāo)圖(見(jiàn)圖6)。

圖6　ESDZ43/82B型二沖程柴油機(jī)定時(shí)坐標(biāo)圖

四沖程柴油機(jī)的定時(shí)坐標(biāo)圖對(duì)于其他多缸柴油機(jī)或者V型柴油機(jī)(如16缸)同樣適用。

四、結(jié)語(yǔ)

筆者在本科學(xué)生、大管輪培訓(xùn)班和輪機(jī)員培訓(xùn)班的教學(xué)中均講授了定時(shí)坐標(biāo)圖，得到學(xué)員的廣泛認(rèn)可。該圖形有助于理解柴油機(jī)的某些原理和功用。在參加中國(guó)海事局舉辦的理論考試過(guò)程中，使用該圖形節(jié)省了時(shí)間，為學(xué)員解答某些理論問(wèn)題提供了最快捷的方法，收到了事半功倍的效果。從培訓(xùn)后學(xué)員反饋的信息來(lái)看，該圖形在輪機(jī)管理中起到了方便、實(shí)用和快捷的作用，對(duì)于分析判斷柴油機(jī)的某些故障亦有幫助。該圖形還有助于幫助學(xué)生理解柴油機(jī)的其他相關(guān)知識(shí)。相信經(jīng)過(guò)后期的開(kāi)發(fā)，該坐標(biāo)圖的功用還會(huì)繼續(xù)得到拓展，其應(yīng)用價(jià)值將不斷被發(fā)掘。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國(guó)海事服務(wù)中心.主推進(jìn)動(dòng)力裝置[M]. 大連：大連海事大學(xué)出版社，2012.

[2]孫培廷.船舶柴油機(jī)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2006.

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-8724(2016)01-0065-03

作者簡(jiǎn)介：盛善智(1969-)，男，副教授，高級(jí)輪機(jī)長(zhǎng)，主要從事船舶柴油機(jī)、船舶防污染及船舶管理教學(xué)與研究。

收稿日期：2015-06-18