“船舶柴油机”教学中定时坐标图的设计与应用

盛善智

(烟台大学 海洋学院，山东 烟台　264005)



“船舶柴油机”教学中定时坐标图的设计与应用

盛善智

(烟台大学 海洋学院，山东 烟台264005)

摘要：针对传统“船舶柴油机”教材中四冲程柴油机原理定时圆图和曲柄排列图不易理解记忆且容易遗忘的问题，为帮助学生更好地理解课程内容，设计了四冲程柴油机原理定时坐标图。该图形还可以用来帮助学生理解柴油机气阀间隙调整、各缸工作状态判断、换向原理、启动故障判断等相关知识，可应用于教学和船舶实际工作。

关键词：船舶柴油机；定时坐标图；四冲程柴油机

一、引言

“船舶柴油机”是STCW公约及规则规定的七项职能之一，也是轮机工程专业的一门核心主干课程。学生通过本课程的学习，应牢固掌握现代船舶柴油机的原理、结构和性能，应具有对船舶柴油机常见故障的判断、分析和排除能力。为帮助学生更好地理解柴油机的工作原理，本文针对传统“船舶柴油机”教材中的四冲程柴油机定时圆图和曲柄排列图存在的问题，设计了新的四冲程柴油机定时坐标图，实践证明，教学效果明显优于传统教材中的四冲程柴油机定时圆图，同时，该设计对船舶柴油机的管理亦有所助益。

二、定时坐标图的设计与原理

教学中发现，传统教材中的四冲程柴油机定时圆图(见图1)[1]存在部分缺陷。比如气阀重叠角，图1显示上、下止点都有重叠，不便于理解、记忆和区分。为使学生更好地理解和记忆，笔者设计了一个定时坐标图(见图2)，图2中横坐标表示曲轴转角，曲线1表示排气阀开度或排气通道流通面积，曲线2表示进气阀开度或进气通道流通面积，图中还标注了上、下止点位置。

图1　四冲程柴油机原理定时圆图和曲柄排列图

图2　四冲程柴油机定时坐标图

由图2可见，该缸在发火上止点A(右侧A点)开始膨胀行程，当活塞下行到达下止点前的B时，排气阀打开，该缸开始排气行程，排气行程会一直持续到上止点D后的E，排气阀关闭，排气行程结束。在排气行程中，当活塞上行到达上止点D之前的C时，进气阀打开，增压后的空气进入气缸，开始进气行程，进气行程会一直持续到下止点后的F，这时进气阀关闭，进气行程结束，开始压缩行程，活塞继续上行，在压缩行程末期开始喷油燃烧，到达左侧A点后又开始下一个工作循环。从图2可以清楚地看出一个工作循环中柴油机活塞和进排气阀在曲轴任意位置时的状态，可以看到进气行程和排气行程都大于180°CA(CA表示曲轴转角)，膨胀行程和压缩行程都小于180°CA，进气阀和排气阀打开的角度都大于180°CA，在上止点D前后有一个进排气气阀重叠角(C到E)，而在两个下止点位置没有气阀重叠现象。该图形简单直观，很好地规避了传统定时圆图中的部分缺陷，易于理解记忆，教学效果良好。

三、定时坐标图的拓展应用

该定时坐标图除应用于船舶柴油机教学外，经过进一步开发拓展，可应用于更多相关知识的教学与船舶工作实践。以下以船舶机舱中最常见的六缸四冲程柴油机为例。

1.快速判断四冲程柴油机气阀间隙调整

教学发现，学生对于柴油机进排气阀气阀间隙的调整不能很好地理解或灵活运用。如题：

某四冲程六缸柴油机的发火顺序为1-5-3-6-2-4，准备采用盘车两次来调节整机的气阀间隙，如果将第1缸活塞盘车到发火上止点时，此时可调节的气阀间隙是________。

A. 1进、1排、5进、3进、2排、4排

B. 1进、1排、5排、3进、2排、4进

C. 1进、1排、5进、3排、2进、6排

D. 1进、1排、5排、3排、2进、4进

用图1讲解，学生感觉理解困难。由四冲程柴油机工作原理可知，每完成一个工作循环，曲轴要回转两圈，也就是说，每个缸要在曲轴完成旋转720°CA后，才可以完成一个工作循环。对于六缸四冲程柴油机来说，各缸发火间隔角是120°CA，据此，根据图2做出图3。在图3中标识了一个完整工作循环中每个缸的位置。从图3可见，当1#缸在发火上止点时，可以判断出其他各缸的位置和状态，5#缸由于落后1#缸120°CA，明显处在压缩行程，同样可以判断出3#缸处在进气行程，6#缸处在进排气重叠角期间的上止点位置，2#缸处在排气行程，4#缸处在膨胀行程。从图3各缸所处位置的进排气阀开关状态可以快速准确地判断出：当1#缸在发火上止点时，1#缸进排气阀、5#缸排气阀、3#缸排气阀、2#缸进气阀和4#缸进气阀共6个气阀都处于关闭状态，这8个气阀间隙可以调整(因为5#缸位置靠近进气阀关闭点，为保险起见，不调整5#缸进气阀间隙，其他类同)。理解了图3，就可以很快地判断该题的答案为D。

图3　六缸四冲程柴油机发火顺序工作图

又如，某船大管轮要检查调整主机(四冲程机)的气阀间隙，柴油机的发火次序是1-6-2-5-8-3-7-4，当时飞轮刚好停在7#缸发火上止点，根据图3很快就画出图4，按照图4各缸进排气阀的开关状态立刻就可以判断出7#缸进排气阀、4#缸排气阀、1#缸排气阀、6#缸排气阀、5#缸进气阀、8#缸进气阀和3#缸进气阀共8个气阀间隙可以调整，再盘车1圈就可以调整其他8个气阀的气阀间隙了。

图4　八缸四冲程柴油机发火顺序工作图

实际上，如果理解了图2和图3，有更快捷的方法判断气阀间隙的调整，为此，笔者总结了“前进后排”规律。以六缸四冲程柴油机为例，所谓“前进后排”规律，就是当柴油机盘车任意一缸到发火上止点时，按照发火顺序，该缸前面两个缸的进气阀和后面两个缸的排气阀，加上该缸的进排气阀，共6个气阀间隙可以调整，再盘车1周就可以调整其他6个气阀间隙了。以发火顺序1-5-3-6-2-4为例，如盘车到3#缸处于发火上止点，那么根据“前进后排”规律，按照发火顺序就可以快速判断出，处于3#缸前面的1#进、5#进和后面的6#排、2#排，加上3#进、3#排，共6个气阀间隙可以调整，再盘车1周就可以调整其他6个气阀间隙了。这个“前进后排”规律同样适用于四缸或者八缸柴油机。实际上，理解了定时坐标图的原理就不用再画图进行分析了，根据“前进后排”规律直接就可以确定。

2.快速判断柴油机各缸所处的位置

对于快速判断柴油机各缸所处的位置或行程，笔者还发现了另一个“前进后排”的规律。以四冲程六缸柴油机为例，首先根据条件找到处于气阀重叠角上止点的气缸，还是根据发火顺序，处于该缸前面的气缸就处于进气行程，处于该缸后面的气缸就处于排气行程。进而还可以判断靠近进气行程的气缸处于压缩行程，靠近排气行程的气缸处于膨胀行程，还有一个气缸处于发火上止点。以发火顺序1-5-3-6-2-4为例，如3#处于气阀重叠角上止点，那么根据“前进后排”的规律，按照发火顺序，就可以快速判断3#缸前面的5#缸处于进气行程、处于该缸后面的6#缸处于排气行程，靠近5#缸的1#气缸处于压缩行程，靠近6#缸的2#气缸处于膨胀行程，还有一个4#气缸处于发火上止点。

完全理解了图2和图3，那么对于四冲程柴油机来说，无论发火顺序怎样变化，无论曲轴处于什么位置，无论是几个缸，都可以快速判断各缸所处的位置或行程，从而可以更好地对柴油机进行分析。对于每一台使用中的柴油机来说，其进排气阀提前角和滞后角都是固定的[2]，都可以在说明书上查到，只要从飞轮处查到某缸相对于上止点的位置，然后在定时坐标图上标识出来，就可以快速判断柴油机各缸所处的状态。

3.理解柴油机换向的部分原理

《船舶柴油机》教材中讲到柴油机换向原理时，说到柴油机正车某缸的膨胀冲程换向后是倒车的压缩冲程，学生反映该内容不好理解。笔者利用图3画出图5给学生讲解，教学效果良好。

在多缸柴油机中，当各缸由按正车定时变为按倒车定时旋转时，发火顺序也由正车发火顺序变为倒车发火顺序[2]，如柴油机的正车发火顺序为1-5-3-6-2-4，则倒车发火顺序为1-4-2-6-3-5(见图3和图5)。从图3可见，柴油机正车运转当1#缸处在发火上止点时，4#缸处在膨胀冲程。柴油机换向完成后，从图5中可见，当倒车运转1#缸处在发火上止点时，4#缸处在压缩冲程，这就是柴油机正车某缸的膨胀冲程换向后是倒车的压缩冲程的道理。同样也可以很好地理解柴油机正车某缸的压缩冲程换向后是倒车的膨胀冲程的道理。利用图3、图5也可以帮助学生准确理解柴油机能耗制动和强制制动的原理。

图5　六缸四冲程柴油机倒车发火顺序工作图

4.帮助分析柴油机故障

定时坐标图图形对于船舶轮机员解决柴油机某些起动故障同样有很好的指导作用。柴油机起动空气是在压缩行程末期进入气缸的，进气延续时间在四冲程柴油机中最大不超过140°CA，二冲程柴油机进气延续时间最大不超过120°CA[1]。在柴油机起动过程中，气缸气动阀只在AB区间才打开(见图2)。在AB区间内，大部分时间只有一个气缸气动阀是开启的，有少部分时间两只气缸气动阀同时开启。如果四冲程柴油机在起动过程中，某缸气动阀卡死不能开启，导致柴油机曲轴停在某一位置不能起动。为了快速找到故障气缸气动阀，可以根据定时坐标图和柴油机的起动原理，在柴油机飞轮处查看，飞轮指示在上止点后0°～140°CA进排气阀都关闭的缸就是故障气缸。

二冲程柴油机如果也出现因为某缸起动阀卡死导致不能起动故障时，同样可以查看飞轮刻度，检查飞轮指示在上止点后0°～120°CA的缸就是故障缸，原理参见柴油机起动的原理和二冲程柴油机定时坐标图(见图6)。

图6　ESDZ43/82B型二冲程柴油机定时坐标图

四冲程柴油机的定时坐标图对于其他多缸柴油机或者V型柴油机(如16缸)同样适用。

四、结语

笔者在本科学生、大管轮培训班和轮机员培训班的教学中均讲授了定时坐标图，得到学员的广泛认可。该图形有助于理解柴油机的某些原理和功用。在参加中国海事局举办的理论考试过程中，使用该图形节省了时间，为学员解答某些理论问题提供了最快捷的方法，收到了事半功倍的效果。从培训后学员反馈的信息来看，该图形在轮机管理中起到了方便、实用和快捷的作用，对于分析判断柴油机的某些故障亦有帮助。该图形还有助于帮助学生理解柴油机的其他相关知识。相信经过后期的开发，该坐标图的功用还会继续得到拓展，其应用价值将不断被发掘。

参考文献：

[1] 中国海事服务中心.主推进动力装置[M]. 大连：大连海事大学出版社，2012.

[2]孙培廷.船舶柴油机[M].大连：大连海事大学出版社，2006.

中图分类号：G642.0

文献标识码：A

文章编号：1006-8724(2016)01-0065-03

作者简介：盛善智(1969-)，男，副教授，高级轮机长，主要从事船舶柴油机、船舶防污染及船舶管理教学与研究。

收稿日期：2015-06-18