船用柴油机

船用柴油机

柴油机的热效率高、
  船用柴油机
经济性好、起动容易、对各类船舶有很大适应性，问世以后很快就被用作船舶推进动力。至20世纪50年代，在新建造的船舶中，柴油机几乎完全取代了蒸汽机。船用柴油机已是民用船舶、中小型舰艇和常规潜艇的主要动力（见船舶动力装置）。船用柴油机按其在船舶中的作用可分为主机和辅机。主机用作船舶的推进动力，辅机用来带动发电机、空气压缩机或水泵等。 　　船用柴油机一般分为高速、中速和低速柴油机，表中列出3类柴油机的主要性能指标。编辑本段船用柴油机
简介与运用
　　船用主机大部分时间是在满负荷情况下工作，有时在变负荷情况下运转。船舶经常在颠簸中航行，所以船用柴油机应能在纵倾15°～25°和横倾15°～35°的条件下可靠工作。大多数船舶采用增压柴油机（见内燃机增压），小功率非增压柴油机仅用在小艇上。低速柴油机多数为二冲程机，中速柴油机多数为四冲程机，而高速柴油机则两者皆有。船用二冲程柴油机的扫气形式有回流扫气、气口- 气门式直流扫气和对置活塞式气口扫气。大功率中、低速柴油机广泛采用重油作为燃料，高速柴油机仍多用轻柴油。
低速柴油机
　　直接驱动螺旋桨，为了使螺旋桨有高的推进效率，要求有较低的转速。中、高速柴油机通过齿轮减速箱驱动螺旋桨，齿轮箱一般还装有倒顺车机构以实现螺旋桨逆转，但低速柴油机和部分中速柴油机本身可以自行逆转。中、高速柴油机也有通过发电机 -电动机- 螺旋桨而实现电传动的。当要求功率较大时也可采用多机并车，低速航行时可以只用一台主机工作，从而提高运行经济性和可靠性。同船安装两台主机时，根据安装位置和螺旋桨的转向，分为左机和右机（见图）。 　　船用柴油机的主要发展趋势是：改进增压技术（二级增压、超高增压和补燃增压等）,以提高单机功率;改善燃烧过程、燃用低质燃油和利用废热，以提高经济性；提高可靠性和延长使用寿命;采用故障预报和监控,以实现柴油机自动化遥控。
船级分类
　　一般船用柴油机要经过船级社检验认可才可以允许使用，世界主要船级社有： 　　American Bureau of Shipping 美国船级社。缩写为 A.B.S. 　　Bureau Veritas 法国船级社。缩写为 B.V. 　　Det Norske Veritas 挪威船级社。缩写为 D.N.V. 　　Germanischer Lloyd 德国船级社。缩写为 G.L. 　　Lloyd’s Register of Shipping 劳埃德船级社。英国船级社。英国劳氏协会缩写：LR. 　　Nippon Kaiji Kyokai 日本船级社。缩写为 N.K.K. 　　Registro Italiano Navale 意大利船级社。缩写为 R.I.N.A. 　　Korean Register of Shipping 韩国船级社。缩写为：KR. 　　China Classification Society 中国船级社。缩写为C.C.S. 　　Hellenic Register of Shipping 希腊船级社。 缩写为： HRS. 　　India Register of Shipping 印度船级社 缩写为：IRS.　 　　Polish Register of Shipping 波兰船舶登记局 缩写为：PRS. 　　International Association of Classification Societies （I.A.C.S.）国际船级社联合会。编辑本段中国船用柴油机行业发展
行业发展现状
　　1994 年以来我国船用柴油机发展严重滞后。据日本赤岩昭滋先生统计，在1982-2001 年20 年间中国船厂建造的2664 艘、1692.6 万总吨船舶，共装用柴油主机3691 台、853.6 万千瓦，其中国产主机1851 台、568.1万千瓦，进口主机1503 台、259.5 万千瓦，制造国不明的主机337 台、26.0万千瓦，按台数计，国产主机占50%，进口主机占41%，按功率计，国产主机占67%，进口主机占30%。 　　统计数据来源于或依赖于日本赤岩昭滋先生的统计，也从另一个侧面反映了一个严峻现实，过去20 多年关心我国船舶配套业（尤其是船用柴油机）发展的本土专家和学者实在太少了。 　　我国船用柴油机发展关系到国家重大的政治与经济安全战略，其近年来的发展严重滞后的现状已引起各方面的重视。2003 年以来，中央领导同志十分重视并充分肯定了船舶工业在国民经济发展中的积极作用，尤其是2004 年宏观调控的背景下对船舶工业更快、更大发展寄予殷切期望。在这种背景下，我们认为，我国船用柴油机工业已经具备跨越式发展的基础和各种有利条件，未来十五年中我国船用柴油机制造业将极有可能雄居世界第一。也许由于世界造船业持续景气，中国造船业称雄世界可能并不需要那么长的时间。 　　由于我国船舶柴油机与国外先进水平存在很大差距，要大力发展我国造船工业，实现世界第一造船大国的目标，我国船舶柴油机必须坚持走“引进—消化—吸收—创新”的国产化技术创新之路，加快船舶配套动力的发展。 　　总体目标是通过引进生产许可证，对柴油机技术的消化吸收，突破关键技术，提高生产能力，开发研制具有自主知识产权的产品，到2020 年，基本实现一个以研究所、柴油机整机厂及专业化配套厂组成的船舶柴油机研发、生产体系。
行业发展面临的问题
　　自20 世纪90 年代以来，由于国际、国内市场需求的变化和产品的激烈竞争，我国低速柴油机已完全由MAN - B&W 的MC/MC - C 和WARTSILA - SULZER 的RTA 系列所取代，而且大部分为出口船舶推进动力配套。而且有些新机型，如大连船用柴油机厂的MAN -B&W7S60MC - C、沪东重机股份有限公司的MAN -B&W 6K80MC - C、7S80MC 和宜昌船舶柴油机厂的SULZER RT - flex58T - B 智能型船用低速大功率柴油机等，均代表了当代国际先进水平，并填补了国内空白，无论在国内还是在国际市场上都具有很强的竞争力。 　　尤其是其中有些首制机在我国成功制造，技术难度大，质量要求高，说明我国低速机的生产已达到很高的水平，而且已有能力生产缸径90 cm 以下低速船用大功率柴油机。 　　我国大功率中速柴油机经历了引进、自行研制、再引进国产化、消化吸收和提高的过程。上世纪50-60年代引进前苏联部分机型，在此基础上开发研制了我国中速柴油机，自行研制的中速机缸径系列有150、160、170、180、290、210、230、240、280、300、390mm。这些机型的技术指标与当代国外先进的机型相比有较大的差距。 　　我国目前生产的中速机机型中，引进的品种很多，而且大多数气缸直径为200-300mm 左右。在引进的机型中，上世纪90 年代后期以来新引进的如DK20、L16/ 24、L21/ 31、L27/ 38、PA6 等机型与国外产品的差距在逐步缩小外，大部分引进产品已逐步趋于老化，市场竞争力逐步缩小。我国中速柴油机的厂家有陕西柴油机厂、镇江船用柴油机厂、安庆船用柴油机厂、重庆长江柴油机厂、新中动力机厂、沪东重机股份有限公司等，主要生产缸径165-400mm，单机功率147-9900 kW，转速500-1400 r/ min 的中速柴油机。虽然通过引进中速柴油机，进行国产化、关键技术消化吸收、不断引进国外较新机型等，缩小了与国外的差距。但与国外中速柴油机相比，我国中速机仍存在着缸径分布密集，功率分布范围狭小，大功率柴油机较少，且功能单一，尤其是在可靠性、高增压技术、NOx 排放控制、电控共轨燃油喷射等技术方面，还存在很大差距。
行业技术发展现状及趋势
　　船用柴油机在机型发展方面总体看相对稳定，前几年，主要集中在提高机型可靠性方面，这是因为增压技术的发展，柴油机强化度提高很快，尤其是石油危机后，反映在降低燃油消耗率和燃用劣质燃料油为目标的经济性的强烈追求上。然而近年来，各国环境政策对柴油机的排放限制日趋严酷，而NOx、SO2 等有害排放物的增加正是高强度与燃用劣质燃料油的副产品，而且这几种有害排放气体成分的含量，船用柴油机比汽车柴油机更甚。各柴油机厂商正在致力于下列共同追求的新型柴油机。 　　(1) 连续服役中的可靠性。 　　(2) 高度强化。即大幅度提高其最高燃烧压力和燃油喷射压力。 　　(3) 废气排放符合日趋严厉的排放法规要求。1997 年船舶开始执行国际海事组织( IMO) 制定的排放限值，各柴油机厂商采取工况控制或采取废气后处理，甚至重新设计以符合法规要求。 　　(4) 综合经济性好。不仅仅追求的燃油消耗率与劣质燃料的使用，而是包括价格、运行成本、省力、少维修、推进效率等。 　　(5) 总体结构趋于相同。气缸排列以直列和V 形两种为主，既是技术目标，也是经济目标的要求。 　　(6) 规范化的接口。尽量满足用户的要求，适合不同配套辅助装置以及监控系统的应用。 　　大功率低速柴油机广泛应用于散货船、油轮、集装箱船等大型远洋船舶上。 　　由于船舶日趋大型化、巨型化与自动化以及对船舶主机的经济性、可靠性的要求日益提高，大功率二冲程低速柴油机的技术发展呈现出整体优化的趋势，具体表现在以下几个方面: 　　(1) 单机、单缸功率越来越大，单机最大可达到11万匹马力。 　　(2) 进一步降低燃油消耗率，二冲程低速柴油机的燃油消耗率已降低到16416g/ kW·h。 　　(3) 平均有效压力已达1190-1195MPa，爆发压力在1510-1515MPa 。 　　(4) 采用高压比、高效的新型增压器，如ABB 公司研制的4P 型增压器，压比高达5∶1。 　　(5) 采用电子调速器系统、电控燃油喷射系统、高压共轨燃油喷射系统、智能化电子控制系统，进一步提高低速柴油机的可靠性，改善低负荷性能，降低油耗，控制NOx 排放，以及安全保护控制等。编辑本段船用柴油机的工作原理
二冲程柴油机的工作原理
　　通过活塞的两个冲程完成一个工作循环的柴油机称为二冲程柴油机，油机完成一个工作循环曲轴只转一圈，与四冲程柴油机相比，它提高了作功 能力，在具体结构及工作原理方面也存在较大差异。 　　二冲程柴油机与四冲程柴油机基本结构相同，主要差异在配气机构方面。二冲 　　程柴油机没有进气阀，有的连排气阀也没有，而是在气缸下部开设扫气口及排气口； 　　或设扫气口与排气阀机构。并专门设置一个由运动件带动的扫气泵及贮存压力空气 　　的扫气箱，利用活塞与气口的配合完成配气，从而简化了柴油机结构。 　　图是二冲程柴油机工作原理图。扫气泵附设在柴油机的一侧，它的 　　转子由柴油机带动。空气从泵的吸入吸入，经压缩后排出，储存在具有较大容积的 　　扫气箱中，并在其中保持一定的压力。现以图说明二冲程柴油机的工作原理。 　　燃烧膨胀及排气冲程： 　　燃油在燃烧室内着火燃烧，生成高温高压燃气。活塞在燃气的推动下，由上止点 　　向下运动，对外作功。活塞下行直至排气口打开（此时曲柄在点位置，此时燃气 　　膨胀作功结束，气缸内大量废气靠自身高压自由排气，从排气口排人到排气管。 　　当气缸内压力降至接近扫气压力时（一般扫气箱中的扫气压力为0 　　12，下行活塞把扫气口3打开（此时曲柄在点4的位置，扫气空气进入气缸， 　　同时把气缸内的废气经排气口赶出气缸。活塞运行到下止点，本冲程结束，但扫气 　　过程一直持续到下一个冲程排气口关闭（此时曲柄在点位置为止。 　　·4· 342 第三篇船舶柴油机检修图二冲程柴油机工作原理示意图 扫气及压缩冲程： 　　活塞由下止点向上移动，活塞在遮住扫气口之前，由扫气泵供给储存在扫气箱 　　内的空气，通过扫气口进入气缸，气缸中的残存废气被进入气缸的空气通过排气口 　　扫出气缸。活塞继续上行，逐渐遮住扫气口，当扫气口完全关闭后（此时曲柄在点 　　位置，空气停止充人，排气还在进行，这阶段称为“过后排气阶段”。排气口关闭时 　　（此时曲柄在点位置，气缸中的空气就开始被压缩。当压缩至上止点前点时， 　　喷油器将燃油喷人气缸，与高温高压的空气相混合，随即在上止点附近发火，自行着 　　火燃烧。本冲程结束，并与前一冲程形成一个完整的工作循环。 　　二冲程柴油机示功图见图，其中，为喷油始点，为活塞上止点，为 　　燃烧终点。 　　二冲程柴油机与四冲程柴油机相比具有一些明显优点，当然也存在本身固有的 　　缺点。
四冲程柴油机的工作原理
　　柴油机的工作是由进气、压缩、燃烧膨胀和排气这四个过程来完成的，这四个过程构成了一个工作循环。活塞走四个过程才能完成一个工作循环的柴油机称为四冲程柴油机。现对照上面的动画了说明它的工作理原。 　　一. 进气冲程 　　第一冲程——进气，它的任务是使气缸内充满新鲜空气。当进气冲程开始时，活塞位于上止点，气缸内的燃烧室中还留有一些废气。 　　当曲轴旋转肘，连杆使活塞由上止点向下止点移动，同时，利用与曲轴相联的传动机构使进气阀打开。 　　随着活塞的向下运动，气缸内活塞上面的容积逐渐增大：造成气缸内的空气压力低于进气管内的压力，因此外面空气就不断地充入气缸。 　　进气过程中气缸内气体压力随着气缸的容积变化的情况如动画所示。图中纵坐标表示气体压力P，横坐标表示气缸容积Vh(或活塞的冲S)，这个图形称为示功图。图中的压力曲线表示柴油机工作时，气缸内气体压力的变化规律。从土中我们可以看出进气开始，由于存在残余废气，所以稍高于大气压力P0。在进气过程中由于空气通过进气管和进气阀时产生流动阻力，所以进气冲程的气体压力低于大气压力，其值为0.085～0.095MPa，在整个进气过程中，气缸内气体压力大致保持不变。 　　当活塞向下运动接近下止点时，冲进气缸的气流仍具有很高的速度，惯性很大，为了利用气流的惯性来提高充气量，进气阀在活塞过了下止点以后才关闭。虽然此时活塞上行，但由于气流的惯性，气体仍能充人气缸。
压缩冲程
　　第二冲程——压缩。压缩时活塞从下止点间上止点运动，这个冲程的功用有二，一是提高空气的温度，为燃料自行发火作准备：二是为气体膨胀作功创造条件。当活塞上行，进气阀关闭以后，气缸内的空气受到压缩，随着容积的不断细小，空气的压力和温度也就不断升高，压缩终点的压力和湿度与空气的压缩程度有关，即与压缩比有关，一般压缩终点的压力和温度为：Pc=4～8MPa,Tc=750～950K。 　　柴油的自燃温度约为543—563K，压缩终点的温度要比柴油自燃的温度高很多，足以保证喷入气缸的燃油自行发火燃烧。 　　喷入气缸的柴油，并不是立即发火的，而且经过物理化学变化之后才发火，这段时间大约有0.001～0.005秒，称为发火延迟期。因此，要在曲柄转至上止点前10～35°曲柄转角时开始将雾化的燃料喷入气缸，并使曲柄在上止点后5～10°时，在燃烧室内达到最高燃烧压力，迫使活塞向下运动。
燃烧膨胀冲程
　　第三冲程——燃烧膨胀。在这个冲程开始时，大部分喷入燃烧室内的燃料都燃烧了。燃烧时放出大量的热量，因此气体的压力和温度便急剧升高，活塞在高温高压气体作用下向下运动，并通过连秆使曲轴转动，对外作功。所以这一冲程又叫作功或工作冲程。 　　随着活塞的下行，气缸的容积增大，气体的压力下降，工作冲程在活塞行至下止点，排气阀打开时结束。 　　在动画中，工作冲程的压力变化这条线上升部分表示燃料在气缸内燃烧时压力的急剧升高，最高点表示最高燃烧压力Pz，此点的压力和温度为： 　　Pz=6～15MPa， Tz=1800～2200K 　　最高燃烧压力与压缩终点压力之比(Pz/Pc)，称为燃烧时的压力升高比， 用λ表示。根据柴油机类型的不同，在最大功牢时λ值的范围如下：λ=Pz/Pc=1.2～2.5。
排气冲程
　　第四冲程——排气。排气冲程的功用是把膨胀后的废气排出去，以便充填新鲜空气，为下一个循环的进气作准备。当工作冲程活塞运动到下止点附近时，排气阀开起，活塞在曲轴和连杆的带动下，由下止点向上止点运动，并把废气排出气缸外。由于排气系统存在着阻力，所以在排气冲程开始时，气缸内的气体压力加比大气压力高0.025—0.035MPa，其温度Tb=1000～1200K。为了减少排气时活塞运动的阻力，排气阀在下止点前就打开了。排气阀一打开，具有一定压力的气体就立即冲出缸外，缸内压力迅速下降，这样当活塞向上运动时，气缸内的废气依靠活塞上行排出去。为了利用排气时的气流惯性使废气排出得干净，排气阀在上止点以后才关闭。 　　在动画中，排气冲程曲线表示在排气过程中，缸内的气体压力几乎是不变的，但比大气压力稍高一些。排气冲程终点的压力Pr约为0.105～0.115MPa,残余废气的温度Pr约为850～960K。 　　由于进、排气阀都是早开晚关的；所以在排气冲程之末和进气冲程之初，活塞处于上止点附近时，有一段时间进、排气阀同时开起，这段时间用曲轴转角来表示，称为气阀重迭角。 　　排气冲程结束之后，又开始了进气冲程，于是整个工作循环就依照上述过程重复进行。由于这种柴油机的工作循环由四个活塞冲程即曲轴旋转两转完成的，故称四冲程柴油机。 　　在四冲程柴油机的四个冲程中，只有第三冲程即工作冲强才产生动力对外作功，而其余三个冲程都是消耗功的准备过程。为此在单缸柴油机上必须安装飞轮，利用飞轮的转动惯性，使曲轴在四个冲程中连续而均匀地运转。