盛善智

(煙臺大學 海洋學院，山東 煙臺　264005)

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“船舶柴油機”教學中定時坐標圖的設(shè)計與應用

盛善智

(煙臺大學 海洋學院，山東 煙臺264005)

摘要：針對傳統(tǒng)“船舶柴油機”教材中四沖程柴油機原理定時圓圖和曲柄排列圖不易理解記憶且容易遺忘的問題，為幫助學生更好地理解課程內(nèi)容，設(shè)計了四沖程柴油機原理定時坐標圖。該圖形還可以用來幫助學生理解柴油機氣閥間隙調(diào)整、各缸工作狀態(tài)判斷、換向原理、啟動故障判斷等相關(guān)知識，可應用于教學和船舶實際工作。

關(guān)鍵詞：船舶柴油機；定時坐標圖；四沖程柴油機

一、引言

“船舶柴油機”是STCW公約及規(guī)則規(guī)定的七項職能之一，也是輪機工程專業(yè)的一門核心主干課程。學生通過本課程的學習，應牢固掌握現(xiàn)代船舶柴油機的原理、結(jié)構(gòu)和性能，應具有對船舶柴油機常見故障的判斷、分析和排除能力。為幫助學生更好地理解柴油機的工作原理，本文針對傳統(tǒng)“船舶柴油機”教材中的四沖程柴油機定時圓圖和曲柄排列圖存在的問題，設(shè)計了新的四沖程柴油機定時坐標圖，實踐證明，教學效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)教材中的四沖程柴油機定時圓圖，同時，該設(shè)計對船舶柴油機的管理亦有所助益。

二、定時坐標圖的設(shè)計與原理

教學中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)教材中的四沖程柴油機定時圓圖(見圖1)[1]存在部分缺陷。比如氣閥重疊角，圖1顯示上、下止點都有重疊，不便于理解、記憶和區(qū)分。為使學生更好地理解和記憶，筆者設(shè)計了一個定時坐標圖(見圖2)，圖2中橫坐標表示曲軸轉(zhuǎn)角，曲線1表示排氣閥開度或排氣通道流通面積，曲線2表示進氣閥開度或進氣通道流通面積，圖中還標注了上、下止點位置。

圖1　四沖程柴油機原理定時圓圖和曲柄排列圖

圖2　四沖程柴油機定時坐標圖

由圖2可見，該缸在發(fā)火上止點A(右側(cè)A點)開始膨脹行程，當活塞下行到達下止點前的B時，排氣閥打開，該缸開始排氣行程，排氣行程會一直持續(xù)到上止點D后的E，排氣閥關(guān)閉，排氣行程結(jié)束。在排氣行程中，當活塞上行到達上止點D之前的C時，進氣閥打開，增壓后的空氣進入氣缸，開始進氣行程，進氣行程會一直持續(xù)到下止點后的F，這時進氣閥關(guān)閉，進氣行程結(jié)束，開始壓縮行程，活塞繼續(xù)上行，在壓縮行程末期開始噴油燃燒，到達左側(cè)A點后又開始下一個工作循環(huán)。從圖2可以清楚地看出一個工作循環(huán)中柴油機活塞和進排氣閥在曲軸任意位置時的狀態(tài)，可以看到進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，進氣閥和排氣閥打開的角度都大于180°CA，在上止點D前后有一個進排氣氣閥重疊角(C到E)，而在兩個下止點位置沒有氣閥重疊現(xiàn)象。該圖形簡單直觀，很好地規(guī)避了傳統(tǒng)定時圓圖中的部分缺陷，易于理解記憶，教學效果良好。

三、定時坐標圖的拓展應用

該定時坐標圖除應用于船舶柴油機教學外，經(jīng)過進一步開發(fā)拓展，可應用于更多相關(guān)知識的教學與船舶工作實踐。以下以船舶機艙中最常見的六缸四沖程柴油機為例。

1.快速判斷四沖程柴油機氣閥間隙調(diào)整

教學發(fā)現(xiàn)，學生對于柴油機進排氣閥氣閥間隙的調(diào)整不能很好地理解或靈活運用。如題：

某四沖程六缸柴油機的發(fā)火順序為1-5-3-6-2-4，準備采用盤車兩次來調(diào)節(jié)整機的氣閥間隙，如果將第1缸活塞盤車到發(fā)火上止點時，此時可調(diào)節(jié)的氣閥間隙是________。

A. 1進、1排、5進、3進、2排、4排

B. 1進、1排、5排、3進、2排、4進

C. 1進、1排、5進、3排、2進、6排

D. 1進、1排、5排、3排、2進、4進

用圖1講解，學生感覺理解困難。由四沖程柴油機工作原理可知，每完成一個工作循環(huán)，曲軸要回轉(zhuǎn)兩圈，也就是說，每個缸要在曲軸完成旋轉(zhuǎn)720°CA后，才可以完成一個工作循環(huán)。對于六缸四沖程柴油機來說，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中標識了一個完整工作循環(huán)中每個缸的位置。從圖3可見，當1#缸在發(fā)火上止點時，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#缸處在進氣行程，6#缸處在進排氣重疊角期間的上止點位置，2#缸處在排氣行程，4#缸處在膨脹行程。從圖3各缸所處位置的進排氣閥開關(guān)狀態(tài)可以快速準確地判斷出：當1#缸在發(fā)火上止點時，1#缸進排氣閥、5#缸排氣閥、3#缸排氣閥、2#缸進氣閥和4#缸進氣閥共6個氣閥都處于關(guān)閉狀態(tài)，這8個氣閥間隙可以調(diào)整(因為5#缸位置靠近進氣閥關(guān)閉點，為保險起見，不調(diào)整5#缸進氣閥間隙，其他類同)。理解了圖3，就可以很快地判斷該題的答案為D。

圖3　六缸四沖程柴油機發(fā)火順序工作圖

又如，某船大管輪要檢查調(diào)整主機(四沖程機)的氣閥間隙，柴油機的發(fā)火次序是1-6-2-5-8-3-7-4，當時飛輪剛好停在7#缸發(fā)火上止點，根據(jù)圖3很快就畫出圖4，按照圖4各缸進排氣閥的開關(guān)狀態(tài)立刻就可以判斷出7#缸進排氣閥、4#缸排氣閥、1#缸排氣閥、6#缸排氣閥、5#缸進氣閥、8#缸進氣閥和3#缸進氣閥共8個氣閥間隙可以調(diào)整，再盤車1圈就可以調(diào)整其他8個氣閥的氣閥間隙了。

圖4　八缸四沖程柴油機發(fā)火順序工作圖

實際上，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“前進后排”規(guī)律。以六缸四沖程柴油機為例，所謂“前進后排”規(guī)律，就是當柴油機盤車任意一缸到發(fā)火上止點時，按照發(fā)火順序，該缸前面兩個缸的進氣閥和后面兩個缸的排氣閥，加上該缸的進排氣閥，共6個氣閥間隙可以調(diào)整，再盤車1周就可以調(diào)整其他6個氣閥間隙了。以發(fā)火順序1-5-3-6-2-4為例，如盤車到3#缸處于發(fā)火上止點，那么根據(jù)“前進后排”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、5#進和后面的6#排、2#排，加上3#進、3#排，共6個氣閥間隙可以調(diào)整，再盤車1周就可以調(diào)整其他6個氣閥間隙了。這個“前進后排”規(guī)律同樣適用于四缸或者八缸柴油機。實際上，理解了定時坐標圖的原理就不用再畫圖進行分析了，根據(jù)“前進后排”規(guī)律直接就可以確定。

2.快速判斷柴油機各缸所處的位置

對于快速判斷柴油機各缸所處的位置或行程，筆者還發(fā)現(xiàn)了另一個“前進后排”的規(guī)律。以四沖程六缸柴油機為例，首先根據(jù)條件找到處于氣閥重疊角上止點的氣缸，還是根據(jù)發(fā)火順序，處于該缸前面的氣缸就處于進氣行程，處于該缸后面的氣缸就處于排氣行程。進而還可以判斷靠近進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，還有一個氣缸處于發(fā)火上止點。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，那么根據(jù)“前進后排”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4#氣缸處于發(fā)火上止點。

完全理解了圖2和圖3，那么對于四沖程柴油機來說，無論發(fā)火順序怎樣變化，無論曲軸處于什么位置，無論是幾個缸，都可以快速判斷各缸所處的位置或行程，從而可以更好地對柴油機進行分析。對于每一臺使用中的柴油機來說，其進排氣閥提前角和滯后角都是固定的[2]，都可以在說明書上查到，只要從飛輪處查到某缸相對于上止點的位置，然后在定時坐標圖上標識出來，就可以快速判斷柴油機各缸所處的狀態(tài)。

3.理解柴油機換向的部分原理

《船舶柴油機》教材中講到柴油機換向原理時，說到柴油機正車某缸的膨脹沖程換向后是倒車的壓縮沖程，學生反映該內(nèi)容不好理解。筆者利用圖3畫出圖5給學生講解，教學效果良好。

在多缸柴油機中，當各缸由按正車定時變?yōu)榘吹管嚩〞r旋轉(zhuǎn)時，發(fā)火順序也由正車發(fā)火順序變?yōu)榈管嚢l(fā)火順序[2]，如柴油機的正車發(fā)火順序為1-5-3-6-2-4，則倒車發(fā)火順序為1-4-2-6-3-5(見圖3和圖5)。從圖3可見，柴油機正車運轉(zhuǎn)當1#缸處在發(fā)火上止點時，4#缸處在膨脹沖程。柴油機換向完成后，從圖5中可見，當?shù)管囘\轉(zhuǎn)1#缸處在發(fā)火上止點時，4#缸處在壓縮沖程，這就是柴油機正車某缸的膨脹沖程換向后是倒車的壓縮沖程的道理。同樣也可以很好地理解柴油機正車某缸的壓縮沖程換向后是倒車的膨脹沖程的道理。利用圖3、圖5也可以幫助學生準確理解柴油機能耗制動和強制制動的原理。

圖5　六缸四沖程柴油機倒車發(fā)火順序工作圖

4.幫助分析柴油機故障

定時坐標圖圖形對于船舶輪機員解決柴油機某些起動故障同樣有很好的指導作用。柴油機起動空氣是在壓縮行程末期進入氣缸的，進氣延續(xù)時間在四沖程柴油機中最大不超過140°CA，二沖程柴油機進氣延續(xù)時間最大不超過120°CA[1]。在柴油機起動過程中，氣缸氣動閥只在AB區(qū)間才打開(見圖2)。在AB區(qū)間內(nèi)，大部分時間只有一個氣缸氣動閥是開啟的，有少部分時間兩只氣缸氣動閥同時開啟。如果四沖程柴油機在起動過程中，某缸氣動閥卡死不能開啟，導致柴油機曲軸停在某一位置不能起動。為了快速找到故障氣缸氣動閥，可以根據(jù)定時坐標圖和柴油機的起動原理，在柴油機飛輪處查看，飛輪指示在上止點后0°～140°CA進排氣閥都關(guān)閉的缸就是故障氣缸。

二沖程柴油機如果也出現(xiàn)因為某缸起動閥卡死導致不能起動故障時，同樣可以查看飛輪刻度，檢查飛輪指示在上止點后0°～120°CA的缸就是故障缸，原理參見柴油機起動的原理和二沖程柴油機定時坐標圖(見圖6)。

圖6　ESDZ43/82B型二沖程柴油機定時坐標圖

四沖程柴油機的定時坐標圖對于其他多缸柴油機或者V型柴油機(如16缸)同樣適用。

四、結(jié)語

筆者在本科學生、大管輪培訓班和輪機員培訓班的教學中均講授了定時坐標圖，得到學員的廣泛認可。該圖形有助于理解柴油機的某些原理和功用。在參加中國海事局舉辦的理論考試過程中，使用該圖形節(jié)省了時間，為學員解答某些理論問題提供了最快捷的方法，收到了事半功倍的效果。從培訓后學員反饋的信息來看，該圖形在輪機管理中起到了方便、實用和快捷的作用，對于分析判斷柴油機的某些故障亦有幫助。該圖形還有助于幫助學生理解柴油機的其他相關(guān)知識。相信經(jīng)過后期的開發(fā)，該坐標圖的功用還會繼續(xù)得到拓展，其應用價值將不斷被發(fā)掘。

參考文獻：

[1] 中國海事服務(wù)中心.主推進動力裝置[M]. 大連：大連海事大學出版社，2012.

[2]孫培廷.船舶柴油機[M].大連：大連海事大學出版社，2006.

中圖分類號：G642.0

文獻標識碼：A

文章編號：1006-8724(2016)01-0065-03

作者簡介：盛善智(1969-)，男，副教授，高級輪機長，主要從事船舶柴油機、船舶防污染及船舶管理教學與研究。

收稿日期：2015-06-18