船舶柴油机基本知识

第二节 柴油机的基本工作原理
• 柴油机是以柴油作燃料的压燃式内燃机。 工作时，空气在气缸内被压缩而产生高温， 使喷入的柴油自行着火燃烧，产生高温、 高压的燃气，燃气膨胀推动活塞作功，将 热能转变为机械功。柴油机的工作循环由 进气、压缩、喷油着火燃烧、膨胀作功和 排气等过程组成。这些过程可以由四冲程 柴油机来实现，也可由二冲程柴油机来实 现。
• 一、四冲程柴油机（非增压）的工作 原理 • 图1-2-1 四冲程柴油机的基本结构 • 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VS。
•••源自• • • • •在船用低速二冲程柴油机发展的同时，大功率四冲程中速柴油机自 20世纪50年代开始 也得到了稳步发展，至今已经历了四代机型。它的最大优点是重量轻、尺寸小，可选 用最佳的螺旋桨转速。在工作可靠性、使用寿命、经济性及对劣质燃油的适应性方面 均有明显改进，基本上达到与低速机相近的水平。近年建造的2000总吨以上船舶中使 用中速机做主机者占25%左右。 一般对船用主机来讲，经济性、可靠性和使用寿命是第一位的，重量和尺寸是第二位 的。据此低速二冲程柴油机因其效率高、功率大、工作可靠、寿命长、可燃用劣质油 以及转速低（通常为100r/min左右最低可达56 r/min）等优点适于作船舶主机使用。大 功率四冲程中速柴油机因其尺寸与重量小较适于作滚装船和集装箱船的主机。船舶发 电柴油机因其发电机要求功率不大、转速较高以及结构简单，因而均采用中、高速四 冲程筒形活塞式柴油机。 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： 提高经济性的研究，包括燃烧、增压、低摩擦、低磨损等的研究； 降低柴油机排放的研究，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 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； 提高可靠性与耐久性的研究； 电子控制技术的研究； 代用燃料的研究等。
• （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）Vc。 • 气缸总容积Va与燃烧室容积之比称压缩比。 • （1-2-2） • 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。
• 目前柴油机技术发展中存在如下几个热点： • 1．船用柴油机采用共轨喷油技术 • 在汽车发动机上采用共轨喷油系统是很普遍的。而MTU柴油机公司首先将 这种技术用在船用柴油机上。该公司将共轨喷油系统最先用于4000系列柴 油机，后来又用于新推出的8000系列柴油机。采用共轨喷油系统和相应的 柴油机控制装置后，柴油机即能适应多种工况。由于柴油机的各种喷油参数 是可以单独控制的，因此可使燃油消耗量显著降低。废气排放量有所减少。 与采用普通喷油系统的柴油机相比，采用共轨喷油系统的柴油机可以在慢速 低负荷运行时降低噪声。 • 在低速机方面，Sulzer公司和MAN-B&W公司走在了前列，Sulzer公司开发 的RT-flex系列已经装船实用，首台采用电控等压喷射系统的RT-flex 58T-B 型柴油机装在一条由现代尾浦造船公司建造的4.7万载重吨散货船上，其采 用的共轨喷油系统可用于无凸轮轴柴油机。MAN-B&W柴油机公司研制的无 凸轮轴、完全采用电子控制的7S50ME-C型柴油机，也已正式投放市场。该 型机由阿尔法工厂制造，首台机安装在挪威船东订造的3.75万载重吨级化学 品船上。MAN-B&W7S50ME-C型柴油机（输出功率1.0415万千瓦、转速 120转/分）采用定时控制燃油喷射和排气阀排气，可有效地降低燃油耗率。 此外，该型机还具有氧化氮数值和排烟浓度低等优点。
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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。此期间的船用低速柴油机的性能参数大致范围为 缸径 D=600～1050mm，行程S=1000～1800mm，单缸有效功率达3000kW （单机组达36000kW），油耗率约为0.21kg/kWh（有效热效率）。此期间内， 船用低速柴油机发展的特点按顺序大致为增大机组功率、提高可靠性和提高 经济性。
• 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。现代船用柴油机发展中的第 三个特点是控制与操纵自动化，即对船用柴油机及其附属设备进行自动 控制及自动监视。20世纪60年代初曾进行在控制室内对主机集中控制与 集中监视，20世纪70年代电子技术开始在柴油机上使用。20世纪80年代 柴油机的电子控制技术已有了很大发展，除可监视柴油机的运行工况外， 还可保持柴油机各运行参数的最佳值以求得柴油机功率、燃油消耗率和 其他有关性能的最佳平衡，并由此发展了对柴油机的故障诊断、未来趋 势预报等技术，把柴油机的管理技术提高到一个崭新的水平。2000年， Wärtsila瑞士公司成功地推出了全电子控制的智能型柴油机并开始装船使 用。目前低速机的冲程可达3150mm(RTA84)，单缸功率可达5000kW， 单机可达80080kW(14RTA96)。
• 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pc约为3～6MPa；温度 tc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。
第一章 柴油机工作循环和主要性能指标
第一节 船舶柴油机的历史与现状
» 柴油机自1897年由Rudolf Diesel发明以来，已经得到 了巨大的发展。下面就有关柴油机发展的历史做一简 要介绍。 » 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，德国人奥托（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。