HHM-MAN-B&W
船舶柴油机原理和结构
(仅供参考)
编写：蒋爱民
2006 年 7 月
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柴油机概述
柴油机是内燃机的一种， 是一种把燃油的热能转变为机械能的动
力机械，柴油机也是一种热机。
柴油机的基本工作原理是： 依靠活塞的运动对来自外界的新鲜空
气进行压缩，使得气缸内空气的温度和压力大大提高。此时，通过喷
油器，将柴油以雾化的形式直接喷入气缸内，雾化的柴油遇到高温、
高压的压缩空气，立即发火燃烧（柴油不是靠外界火源点火，而是在
高温条件下自行发火，燃油的自燃温度是 210~270℃） 。柴油燃烧产
生高温、高压的燃气，燃气（工质）在气缸内膨胀推动活塞作往复运
动，这样将燃油的热能转变为机械能。活塞的往复运动通过曲柄连杆
机构，推动曲轴不断旋转，这样，将 往复运动转化为旋转运动。
当然，如果曲轴通过轴系连接到螺旋 桨，就能推动螺旋桨转动，
螺旋桨转动产生的推力就能使船舶前进； 如果曲轴或与曲轴连接的轴
系连接发电机就能够发电。
总之，柴油机完成能量的转换必须经过进气、压缩、燃烧、膨胀
和排气五个过程才能实现， 由这五个过程组成的全部热力循环过程叫
工作过程。包括进气、压缩、膨胀、排气等工作过程的周而复始的循
环叫工作循环。
进气 压缩 燃烧 排气 膨胀
空气
燃油
图 1 柴油机工作过程示意图
比较：内燃机与外燃机
柴油机与汽油机、双燃料发动机发火方式
常用术语
上止点 TDC：活塞在气缸内运动时能到达的最上端位置。
下止点 BDC：活塞在气缸内运动时能到达的最下端位置。
活塞在最高位置( 或最低位置) 时，曲轴上的曲柄销也运转到最高
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位置( 或最低位置) ，这时活塞头，十字头，曲柄销，曲轴中心线都在
同一个垂直平面内。
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
轴曲柄半径的两倍。活塞移动一个行程，相当于曲轴转动 180 度。
缸径 D：气缸的内径
压缩室容积 V
C
：活塞在气缸内上止点时，活塞顶上的全部空间
（活塞顶、缸盖底部与气缸套内表面所包围的空间）容积，亦称气缸
余隙容积。
气缸工作容积V
h
： 活塞在气缸内从上止点移动到下止点时所扫过
的容积。
气缸总容积 V
a
：活塞在气缸内位于下止点时，活塞顶以上的气缸
全部容积。显然： V
a
= V
C
+ V
h
压缩比ε : 气缸总容积与压缩室容积之比，亦称几何压缩比。压
缩比是柴油机的一个重要性能参数， 它代表着将从大气吸入气缸内的
新鲜空气被活塞压缩后容积减小，压力增高的压缩程度。压缩比大，
空气被压缩后的压力和温度就高，燃油也就容易发火燃烧，机器易于
起动。反之，燃油不易发火,起动也就困难。
压缩压力 P
C
：进入气缸的空气被活塞压缩到上止点时，所具有
的压力称为压缩压力。在柴油机正常运转时，可通过停止所测缸的喷
油来测定压缩压力。通过压缩压力的测定，一般可以判断活塞环的气
密性是否良好。活塞环漏气，常常会使压缩压力下降。
爆发压力 P
Z
：燃烧过程中气缸内工质的最高压力，是柴油机结构
设计和性能中重要的参数之一，是柴油机机械负荷的主要外力，它引
起各受力部件的应力和变形，造成疲劳损坏、磨损和震动。通过爆发
压力的测定，一般可判断喷油系统工作是否正常。如果爆发压力突然
降低，则意味着该缸的喷油系统出现故障，通常可能为喷油器故障。
平均指示压力 Pi： 假定有一个在整个活塞工作冲程内不变的压
力，推动活塞在一个冲程内所作的功与实际工作冲程所作的功相等，
这个假定不变的压力就叫做平均指示压力。 它与柴油机的类型和气缸
大小无关系，是评定柴油机工作循环动力性的重要指标。 Pi 值越大，
说明单位气缸工作容积的做功能力大，工作循环比较完善，即燃气和
空气混合的完善程度，燃气和燃油雾化的质量，以及燃烧速度等因素。
其他的有关参数还有诸如活塞平均速度、行程 /缸径、排温等，
可参阅有关的专业书籍。
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柴油机的类型
根据用途和对柴油机的要求不同，柴油机分为很多类型。如按曲
轴转速分为低、中、高速柴油机；按工作循环分为二冲程和四冲程柴
油机；按气缸排列分为直列式和 V 形柴油机按结构分为筒形活塞式
和十字头式；按正车旋转方向分为右旋机和左旋机；按是否可倒转分
为可逆转和不可逆转柴油机； 按是否增压分为非增压和增压柴油机等
等。
低、中、高速柴油机 ：柴油机的速度可以用曲轴转速 n 和活塞平
均速度 Cm 表示，按此分类一般为：
低速柴油机 n≤300r/min Cm=6.0~7.2m/s
中速柴油机 300＜ n≤1000r/min Cm=7.0~9.4m/s
高速柴油机 n＞1000r/min Cm=9.0~14.2m/s
筒形活塞和十字头式柴油机 ： 用活塞销连接活塞与连杆的柴油机
称筒形活塞式柴油机； 用沿着导板滑动的十字头连接活塞杆与连杆的
柴油机称十字头式柴油机。
筒形活塞式柴油机，活塞的导向作用由活塞下部筒形裙部来承
担，气缸壁承担活塞运动时产生的侧推力；十字头式柴油机的活塞不
起导向作用，同时与缸套之间没有侧推力，因而二者之间磨损较小，
不易擦伤和卡死，此外，由于活塞杆只在垂直方向作直线运动，易于
密封，将气缸与曲柄空间分开，为燃 用劣质燃料创造了有利条件。
右旋和左旋柴油机 ：由柴油机的输出端向自由端看，正车时按顺
时针方向旋转的柴油机为右旋柴油机，简称右机，反之，为左旋柴油
机。
单台布置的船舶主机通常为右旋柴油 机；某些船舶（如客轮等）
的推进装置采用双机双桨布置，由船艉向船艏看，布置在机舱右舷的
为右机，左舷的为左机，且为了便于操纵管理，各机的操纵侧均向内
布置。
可逆转和不可逆转柴油机： 可由操纵机构改变自身转向的柴油机
称可逆转柴油机。仅能按同一方向旋转的称不可逆转柴油机。
在船上，凡直接带动螺旋桨的柴油机均为可逆转柴油机，凡带有
倒顺车离合器、 倒顺车齿轮箱或可调螺距螺旋桨的柴油机以及发电柴
油机均为不可逆转柴油机。
关于左、 右旋柴油机及是否可逆转柴油机在结构布置上的不同应
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引起足够的重视。
二冲程柴油机
用活塞的两个行程完成一个工作循环 的柴油机叫二冲程柴油机。
即曲轴每廻转一周，气缸内便完成了进气，压缩，膨胀和排气四个过
程。
第一冲程：进气及压缩冲程
当活塞从下止点上行时，首先逐渐遮住扫气口，继续上行时，气
缸中的气体便开始进行压缩过程，一 直继续到上止点附近为止。
第二冲程：膨胀做功和排气冲程
当工作活塞到达上止点附近时，雾化的燃油自喷油器喷入，与气
缸内高温空气接触，立即着火燃烧，燃烧后的工质的最高温度高达至
1400~1800℃，最高压力高达 140~160bar。接着，活塞被推向下行，
开始了膨胀做功过程。当活塞下行还没有到扫气口之前，排气阀首先
被打开，废气大量排出气缸，并经排气阀和排气集管进入废气涡轮增
压器，当活塞继续下行到扫气口时，等待在扫气箱的增压的新鲜空气
进入气缸， 进一步将废气扫出气缸。 当活塞运动到下止点并转向上行，
扫气口，接着排气阀关闭，于是， 排气过程结束，压缩过程重又开始
并进入到下一个循环。
。
图 2 示功图
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柴油机在气缸内的进气、压缩、膨胀和排气四个过程可通过 P-V
示功图来表示，见上图。
需要额外说明的，在四冲程柴油机中，新鲜空气的吸入和废气的
排出可依靠活塞的抽吸和推挤作用（各 占有一个多的活塞行程） 。而
二冲程柴油机没有单独的进气与排气过程， 其进气与排气过程几乎重
叠在下止点附近的一段时间内同时进行，因而，在结构上必须设置有
增压泵以提高进气压力， 能将废气清扫出气缸并保留足量的新鲜空气
以供燃烧使用。
上面的说明仅是按照排气阀 —扫气口直流扫气的形式，其实，在
二冲程的发展历史中曾经运用过多种换气形式。
横流
回流
简单横流
扫气口装有单向阀
半回流（新型横流）
简单半回流
扫气口有阀控制
排气口有阀控制
弯流
直流
排气阀—扫气口式
排气口—扫气口式
由于排气阀 —扫气口直流扫气， 气流在气缸内的流动方向至下而
上，进气口在纵向（与气缸轴线成角度）和横向（与气缸半径成角度）
有倾斜角，使扫气空气进入气缸后有向上和绕气缸轴线旋转的运动，
形成“气垫” ，新鲜空气与废气不易混合，扫气效果好。同时，排气
阀的关闭受凸轮控制，不受活塞运动的限制， 可以与进气口同时关闭，
也可提早关闭。其他扫气形式的换气质量无法与之相比，尤其是随着
现代更长行程（S/ D＞3）的柴油机运用和发展。但其明显的缺点是结
构复杂，维修困难。
船用柴油机的历史与发展
1876 年，德国人奥托（N.A.Otto ）第一次提出了四冲程（即进气、
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压缩、膨胀、排气）原理，并发明了电点火的四冲程煤气机。之后，
在 1880 年，一些工程师，如英国的 D.Clerk 和 J.Robson 以及德国人
K.Benz 等成功地开发了二冲程内燃机。
1892 年，德国工程师 Rudolf Diesel 提出了压缩发火内燃机专利，
并于 1897 年在 MAN 公司制成第一台实际运用的柴油机。 1904 年，
柴油机首次运用于船舶推进装置。
二次世界大战到 50 年代中后期， 柴油机在此期间完成了大缸径、
焊接结构、废气涡轮增压以及使用劣质燃油等四项重大技术成果，是
历史上的第一次飞跃，在与蒸汽动力 装置的竞争中逐渐取得领先地
位。
70 年代的两次石油危机诱发了 世界范围的能源危机，而船用柴
油机在使用劣质燃油的技术上又有了新的发展， 且采用了各种节能措
施，努力提高了有效热效率（目前，有效热效率可达 55%） ，取得了
第二次飞跃。
经过近几十年的发展， 现代柴油机已经发展到一个较高的技术水
平。当前柴油机的发展可以概括为： 以节能为中心，充分兼顾到排放
和可靠性要求，全面提高柴油机性能 。今后的发展趋势大致为：
提高经济性，包括燃烧、增压、低摩擦、低磨损等技术；
降低柴油机排放，排放是现代柴油机面临的严重挑战，随着对柴
油机排放控制的限制，使得经济性的提高更加困难，这也是船舶柴油
机发展中的新课题；
提高可靠性和耐久性；
电子控制技术的应用和研究；
代用燃料技术。
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图 3 MAN B&W MC 型柴油机横剖面图
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二冲程低速柴油机主要结构
对于一台 MAN B&W的二冲程低速柴油机， 一般共有 65~75 个
部套，共有一万多个零件组成，功率范围可从 4S26MC 机的 1600KW
到 12K98MC-C 机的 68520KW，重量范围从 4S26MC 机的 29T 到
12K98MC-C 的 2075T。
机上各主要部件：
1．主要有 6 个固定大件：机座、机架、气缸体、排气集管、扫
气集管、空冷器体。
2．运动部件：活塞组件、连杆十字 头组件、曲轴、凸轮轴组件、
链传动机构、燃油和排气阀传动机构。
3．燃烧室部件：缸盖套排气阀组件，气缸套，活塞头等。
4．燃油喷射部件：喷油器，高压油泵，高压油管。
5．排气阀驱动部件：液压活塞、液压缸、液压油管。
6．操纵启动部件：主起动阀 、启动阀、空气分配器、应急操纵
台、 （电子）调速器及控制系统、换向 机构、调油轴及杆系、气动（电
动）阀件等。
7．盘车机构：盘车机、盘车飞轮、盘车机连锁装置。
8．推力机构：推力块、止推架等。
9．各类连接固定部件：贯穿螺栓等。
10．各类安全和监测部件：防爆门、安全阀、油雾探测器、轴向
振动器和监测仪、压力开关、传感器、温度/ 压力表等。
11．其他安装在主机上的附件：
废气涡轮增压器；空气冷却器；汽水分离器；气缸注油器；辅助
鼓风机等。
关于各主要零部件的说明详见另外章节。
机上各主要系统：
1．燃油系统：
柴油机是一种运用燃油为燃料的热机， 由于石油资源的不可再生
性，以及石油产品价格的不断上涨，目前，燃油费用支出占到总运营
成本的 70%甚至以上， 因此燃油系统的设计必须首先满足同时对劣质
燃油和轻柴油的利用，以及对泄漏燃油的回收。燃油系统中包括泄放
收集管系（见示意图） ，从几乎全部可能产生泄露处进行收集。燃油
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管系上均有伴热管和包扎有绝热层， 伴热管可运用缸套冷却淡水出水
或另外通蒸汽进行加热，以满足对重油的使用。
图 4 燃油管系
图 5 燃油泄放收集管系
2．滑油系统：
滑油系统主要作用包括有：润滑作用、清洁作用、密封作用、蚀
作防用、减轻噪音等，这里不一一细述，主要目的减少磨损、增加寿
命及可靠性。
柴油机上的滑油系统主要包括：活塞冷却油、主滑油、凸轮轴滑
油、气缸滑油、增压器滑油系统等。
活塞冷却油系统主要冷却活塞头、润滑连杆大小端轴承，滑块与
十字头处，滑块与机架大导板处，回油直接流到油底壳内；主滑油主
要润滑主轴承、 推力轴承， 并给轴向减震器、 盖斯林格减震器等供油，
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图 6 润滑和冷却油管路
回油同样是直接流到油底壳内；凸轮 轴滑油主要润滑凸轮轴轴承、燃
油和排气滚轮导筒，并给排气阀促动泵供应滑油，回油经凸轮轴油底
壳回至机座油底壳。值得注意的是，为了便于对活塞冷却状况进行监
测，专门设计有一路回油导程管， 将活塞冷却回油引致一收集合，以
便安装有关监测仪表。
MAN B&W 的柴油机通常将上述系统合并为一个系统。并且还
包括有向链轮箱、平衡轮轴承等供油。
依照其型号而定， 有的增压器需由柴油机的滑油系统中分一路为
其供油，其回油通过回油管接至油底壳。
特别说明的是，现在 MAN B&W 的柴油机采用了一种密封油控
制装置，用排气阀杆驱动系统中的微量滑油，对排气阀杆轴承处进行
润滑和密封，这部分滑油是不予回收的。
另外，也布置有一些对泄漏滑油的收集管系。重要的如对活塞杆
填料函滑油的回收，布置有检查漏斗。
气缸润滑油是一个复杂而重要的问题。 二冲程柴油机采用的是气
缸注油润滑。用气缸注油器，将专用气缸油通过管路、注油枪，经气
缸壁内表面的油槽布到缸套内进行润滑，注油量可以调整，喷出的气
缸油不予回收。
3．冷却水系统：
冷却水系统最通常的分为海水冷却水 系统和缸套淡水冷却系统。
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海水冷却系统通常称低温冷却系统， 通过空冷器对增压后的新鲜空气
进行冷却；缸套淡水冷却系统又称高温冷却系统，冷却水依次通过缸
体水腔（湿式冷却形式） 、缸套水腔、缸盖水腔、排气阀壳水腔以及
增压器（依增压器型号而定） 。主要对燃烧室部件进行冷却。为了避
免增加气缸磨损，冷却水出口温度保持在 80~85℃是很重要的，水温
过低会引起硫酸在气缸壁上冷凝从而导致异常磨损。
通常所说的中央冷却水系统：主要是 针对船上的系统布置而言，
包括三个系统，海水系统，低温冷却淡水系统和高温冷却淡水系统。
用海水系统冷却低温淡水冷却系统，而低温系统一部分进入空冷器，
另一部分经滑油冷却器后进入淡水冷却器去冷却高温冷却淡水系统。
比较：湿式冷却和干式冷却
传统海水冷却系统和中央冷却水系统。
4．柴油机空气系统：
图 7 柴油机空气系统
排气系统：
从排气阀来的燃气通向排气集管，波动的压力变为平稳，随后以
等压进入涡轮增压器，经增压器后排入废气管系中。在排气集管与排
气阀箱之间，排气集管与增压器之间均装有膨胀接头，以弥补由于受
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热不同而导致各部件间额外的应力带来的破坏。
排气集管和涡轮增压器之间有一块保护格栅。 避免可能出现的大
的金属垃圾对增压器叶片的损害。
增压器系统：
增压的实际意义， 就是提高进气压力的方法来增加气缸内的充气
量， 以保证充分地燃烧更多地燃油， 从而达到提高柴油机功率的目的。
任何一种废气涡轮增压器由两部分组成： 即废气涡轮部分和压气机部
分。废气涡轮部分是增压器的动力来源，它们作用是把柴油机的废气
涡轮能量转变成推动增压器转子旋转时的机械功。 而压气机部分则是
增压器的增压元件。 它的作用是把涡轮传来的机械功传递给压气机叶
轮，将压气机吸入的新鲜空气，通过高转速作用，使空气得到压缩，
提高它的压力和密度，最后送入气缸，从而达到增压的目的。
扫气空气系统：
涡轮增压器直接从机舱并通过它的进气消声器吸入空气， 增压空
气经过扩压管、空气冷却器、滴水分离器、单向阀，进入扫气集管，
通过气缸套的扫气口向气缸内供应压力稳定、冷的新鲜空气。
辅助鼓风机：
对于二冲程柴油机， 通常只能保证在额定工况时具有良好的扫气
效果，低负荷工况时往往由于废气能量不足，满足不了增压器所需要
的功率，因此需要配有辅助鼓风机，以协助主机在起动和低负荷时扫
气工作的需要。
通常柴油机装有两台电动的辅助鼓风机，在一台不能工作时，另
一台辅助鼓风机将仍能继续工作。
问题：辅助鼓风机工作时，空气是如何流动的。
5．操纵起动空气系统：
操纵系统：
柴油机装备有气- 电操纵调节系统，分为机旁控制系统和遥控系
统。每套系统中都包含有能起动、停机和调速操作的调节手柄和换向
手柄等。机旁控制系统操纵手柄直接与调油杆系连接，遥控系统把调
节指令传给调速器（或电调的执行器） ，由其控制调油杆系的动作。
具体的操作流程这里不在于以描述。
起动空气系统：
起动空气系统包括一个主起动 阀（一个带执行机构的球阀） ，一
个起动空气分配器及各缸起动阀。 当执行起动指令时， 主起动阀打开，
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30bar 空气等在各缸起动阀前，而各缸起动阀的开启时间、次序受空
气分配器的控制。按照空气分配器的指令，起动空气依次进入气缸内
并推动柴油机转动，在达到一定转速，燃油可以燃烧时，发动机便起
动起来。
机上各种管系
为满足上述系统的功能作用，需要通过相应的管路连接起来，并
需要在其上安装相应的温度表、压力表、转速表等仪器仪表，以进行
监测和控制。机上各种管系如下：
1．燃油管系
2．燃油泄放收集管系
3．燃油伴热管系
4．活塞冷却油管系
5．凸轮轴滑油管系
6．气缸润滑油管系
7．增压器滑油管系
8．海水冷却管系
9．淡水冷却管系
10．起动空气管系
11．扫气空气管系
12．扫气空气泄放水收集管系
13．空冷器清洗管系
14．扫气空气箱灭火管系
15．排气阀密封空气管系
16．油雾探测器管系
17．填料函泄放油收集管系
18、增压器透平端清洗管系
19．增压器压缩机端清洗管系
20．泄放滑油收集管系
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