轮机工程导论-柴油机

轮机工程导论论文题目：轮机工程中的船舶柴油机院系：船舶与海洋工程学院班级：船海0904班姓名：陈希抗学号： U200912246论文摘要：船舶发动机经历了蒸汽机，汽轮机，改进的汽轮机（汽轮机与螺旋桨不同步转动），柴油机，燃气轮机，核动力机等各个时代。

燃气轮机和核动力机在性能上优于柴油机，但由于价格，能源节约等方面，柴油机是目前的商用和民用轮船上的主流发动机。

经过近几十年尤其是近十多年的发展，现代船用柴油机已经发展到一个较高的技术水平。

今后，随着生产力的发展将会对船用柴油机提出更高的要求，船舶柴油机也将继续发展改进。

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与可靠性的要求，全面提高柴油机性能。

根据此发展目标，今后的研究趋势大致为：1．提高经济性的研究，包括燃烧、增压、低磨损等的研究；2．降低柴油机的排放的研究，排放是现代柴油机面临的严重挑战，随着对船舶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；3．提高可靠性与耐久性的研究；4．电子控制技术的研究；5．代用燃料的研究。

正文：1、船舶柴油机的历史与现状任何一门科学技术的发展总是与社会生产力的需要和当时科学的发展水平相适应的。

18世纪初，英国资本主义生产力的发展促进了1776年瓦特蒸汽机的发明，并由此开始了产业革命推动了生产力的发展。

随着生产力的发展，这种热机由于热效率低以及过于笨重而又不适应社会生产力的发展对新型动力机械的需求增加。

1876年，德国人N. A. Otto第一次提出了四冲程循环（即进气、压缩、膨胀、排气）原理并发明了电点火的四冲程煤气机。

该煤气机运转平稳，热效率可高达14％，在当时曾得到普遍使用。

之后，在1880年一些工程师，如英国的D. Clerk和J. Robson以及德国人Karl Benz等成功地开发了二冲程内燃机。

1892年德国工程师R. Diesel申请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使用的柴油机（压燃式、空气喷射、定压燃烧）。

因可采用较大的压缩比其效率比煤气机有显著提高。

1904年柴油机首次用于船舶推进装置（294 kW，260 r/min）。

从此在船舶领域里开始了与蒸汽推进装置的竞争局面。

在此后40多年中，柴油机在自身逐步完善中有了很大发展，如1927年在柴油机上正式使用了由R. Bosch发明的喷油泵（回油孔式）－喷油器喷射系统，代替了原需用7 MPa压缩空气喷油的空气喷射系统，实现了混合燃烧。

1905年，瑞士人Alfred Buechi提出了涡轮增压的设想，1926年MAN公司制造了第一台船用废气涡轮增压柴油机，当时由于增压器制造水平的限制此项技术未能迅速推广。

但总的来看在与蒸汽推进装置竞争中无突破性进展，在船舶使用中蒸汽推进装置仍占据领先地位。

从第二次世界大战到20世纪50年代中后期，由于社会生产力的迅速发展对船舶推进装置提出了新的要求。

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并逐步发展了船用低速柴油机系列。

此期间在国外大致有八种船用低速柴油机型号（由八大船用柴油机制造厂生产）。

在这些技术成就中、废气涡轮增压技术在船用二冲程柴油机上的成功使用是船用低速柴油机发展中的重要里程碑。

国外称这一时期是船用低速柴油机的第一次飞跃，其技术特征是废气涡轮增压技术的普及。

至此，在与蒸汽动力装置的竞争中柴油机逐渐取得了领先地位。

从20世纪60年代到70年代船用低速柴油机进入了黄金时代，它在船舶动力装置中取得了明显的压倒优势。

各船用柴油机厂之间开始进行调整、合并、淘汰。

柴油机技术趋于完善。

20世纪70年代的两次能源危机诱发了世界范围内的能源危机。

石油产品价格大幅度上涨使船舶柴油机的燃油费用支出一跃占总营运成本的40％～50％。

由此，改变了人们长期以来的传统观念，降低柴油机的燃油支出费用、提高柴油机经济性已成为第一要求。

20世纪70年代末到80年代，各类节能型柴油机大量出现，机型更新周期大大缩短（甚至仅为2年～3年），各类柴油机采用多种节能措施降低油耗率，努力提高柴油机的有效热效率；同时由于供给船用柴油机的燃油质量日益低劣，使得船用柴油机在使用劣质燃油的技术上又有了新的发展。

目前，现代船用低速柴油机的油耗率已降低到0.155～0.160kg/kWh，有效热效率可高达55％。

国外把这一时期船用柴油机的发展称为第二次飞跃。

其主要技术特征是节能技术的普及。

随着柴油机节能技术的发展，柴油机的可靠性也有了长足的发展。

各种先进技术的运用大大提高了船用柴油机的可靠性。

当前现代船用低速柴油机的吊缸周期已从20世纪60年代的5000～6000h 提高到8000～12000h ，甚至高达20000h 。

2、船舶柴油机的工作原理柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机。

它的基本工作原理是使燃油直接在发动机的气缸中燃烧，将燃油的化学能转变成热能，从而生成高温高压的燃气，因燃气膨胀，推动活塞运动，通过曲柄连杆对外做功，将热能转变为机械能。

柴油机必须经过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程才能完成了一个工作循环。

然后不断重复进行这些过程，使柴油机持续。

四冲程柴油机（非增压）的工作原理图1-2-1所示是四冲程柴油机的基本结构图。

工作时活塞作往复直线运动，曲轴作旋转运动。

活塞改变运动方向瞬时的位置称止点（死点），止点处的活塞瞬时运动速度为零。

离曲轴中心最远时的止点称上止点（T.D.C.），最近时的止点称下止点（B.D.C.）。

曲柄销中心与主轴颈中心之间的距离称曲柄半径R 。

连杆大、小端中心间的距离称连杆长度L 。

上、下止点间的距离称活塞行程（冲程）S 。

活塞行程等于曲柄半径的两倍，即S =2R 。

活塞在上、下止点间移动所扫过的容积称气缸工作容积V S 。

S D V s ⋅=24π（1-2-1）式中，D 为气缸直径（缸径）。

活塞位于上止点时活塞顶与气缸盖之间的气缸容积，称燃烧室容积（压缩室容积、余隙容积）V c 。

气缸总容积V a 与燃烧室容积之比称压缩比ε。

cs c c s c a V V V V V V V +=+==1ε （1-2-2） 图1-2-1四冲程柴油机的基本结构显然压缩比是一个几何概念，它与柴油机的转速无关。

用四个行程（曲轴回转两转）完成一个工作循环的柴油机称四冲程柴油机。

图1-2-2是四冲程柴油机的工作原理简图。

图的上部表示四个行程中活塞、连杆、曲轴及气阀的相对位置。

图的下部表示相对应的气缸内气体压力随气缸容积的变化情况，称p-V示功图。

1．进气行程活塞从上止点下行，进气阀打开。

由于活塞下行的抽吸作用，新鲜空气充入气缸。

为了能充入更多的空气，进气阀一般在上止点前提前开启（曲柄位于点1），在下止点后延迟关闭（曲柄位于点2），气阀开启的延续角（图中阴影线部分）约为220˚～250˚CA。

2．压缩行程活塞从下止点上行，进、排气阀均关闭。

上行的活塞对缸内的空气进行压缩，使其温度和压力均不断升高（曲线2-3）。

压缩终点的压力p c约为3～6MPa；温度t c约为500～700℃。

燃油自燃温度远低于此值，自燃温度随压缩压力而变，轻柴油自燃温度如表1-2-1所示。

图1-2-2 四冲程柴油机工作原理图在上止点（压缩终点）附近，燃油经喷油器以雾化的状态喷入燃烧室，并在高温高压空气的作用下，开始自行发火燃烧。

3．膨胀行程在此行程的初期，燃烧仍在猛烈地进行，使缸内的压力和温度都急剧升高，其最大值分别可达6MPa和1500～2000℃左右。

在高温高压燃气的作用下，活塞向下运动作功，在上止点后某一时刻（图中点4），燃烧基本结束，但高温高压燃气继续膨胀作功推动活塞下行。

当活塞到达下止点前某一时刻（图中点5），排气阀开启，排气过程开始。

此时，气缸内的压力p b约为0.3～0.6MPa，温度t约为600～700℃。

活塞则继续下行到下止点。

b4．排气行程活塞由下止点向上运动，排气阀继续开启着，上行的活塞将气缸内的废气强行推挤出去。

为了实现充分排气和减少排气过程中所消耗的功，排气阀不但在下止点前提前开启，而且要在排气行程结束的上止点后才关闭（图中点6）。

排气阀开启的延续角度（5-6）约为230˚～260˚CA。

3、柴油机的基本结构参数1)气缸直径D：气缸套的名义内径。

2)曲柄半径R：曲轴的曲柄销中心与主轴颈中心间的距离。

3)上止点（TDC）：活塞在气缸中运动的最上端位置，也就是活塞离曲轴中心线最远的位置。

4)下止点（BDC）：活塞在气缸中运动的最下端位置，也就是活塞离曲轴中心线最近的位置。

5)冲程（S），又称行程：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R的两倍（S＝2R）。

活塞移动一个行程，相当于曲轴转动180°（曲轴转角）。

6)气缸余隙容积（压缩室容积Vc）：活塞在气缸内上止点时，活塞顶上的全部空间（活塞顶、气缸盖底面与气缸套表面之间所包围的空间）容积。

7)余隙高度（顶隙）：上止点时活塞最高顶面与气缸盖底平面之垂直距离。

8)气缸工作容积（Vh）：活塞在气缸中从上止点移动到下止点时所扫过的容积。

9)气缸总容积（Va）：活塞在气缸内位于下止点时，活塞顶以上的气缸全部容积，亦称气缸最大容积。

Va＝Vc＋Vh10)压缩比（ε）：气缸总容积与压缩室容积之比值，亦称几何压缩比。

ε＝Va／Vc＝1＋Vh／Vc压缩比ε是柴油机主要性能参数之一，表示缸内工质被压缩程度。

ε愈大，被压缩终点的压力、温度愈高，柴油机易起动，热效率也高，ε过高使柴油机工作粗暴，机械负荷过大，磨损加剧，消耗压缩功增大，机械效率降低，输出功率减小。

ε可通过改变Vc来调节。

柴油机压缩比约为12～22。

中、高速机压缩比高于低速机。

低速机：13～15，中速机：14～17，高速机：15～22，增压机：11～14（低散热少，增压后Pc、Tc相应高）。

当气缸直径与活塞冲程确定后，气缸工作容积Vh也随着确定了，所以若要调整压缩比，可通过改变压缩容积Vc来实现。

4、柴油机的特性及分类：a.速度特性：平均有效压力Pe不变（测定时将油量调节机构固定，Pe实际上略有变化），柴油机主要性能指标和工作参数随转速n变化的关系b.负荷特性: 当转速n不变，固定于某一设定值时，柴油机性能参数随负荷（Pe）变化的关系。

柴油机的负荷通常指柴油机阻力矩的大小，由于平均有效压力正比于阻力据，故常用平均有效压力表示负荷。

c.推进特性：柴油机带动螺旋桨，按照螺旋桨特性工作时（Pe，n不再相互独立，而是按照螺旋桨特性相互对应），其性能参数随n（或负荷）变化的关系。

d.调速特性：调速特性一般并不表示与柴油机内部的工作过程有关的参数的变化情况，而只标出柴油机扭矩Me（Pe）,有效功率Pe与转速n的关系，它主要取决与调速器的工作性能。