发动机培训教材

代表机型：MTU16V4000M90，MTU20V595TE90, MAN-B&W 18VP185, DeutzTBD620V16, Wartsila 16V170,20V200, Niigata 16V20FX等。
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2.当前船用大中功率柴油机的主要性能指标
我国已引进的几种典型舰船柴油机的主要技术参数
1.5 V/Vref 1.75
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4.性能分析常用曲线图
增压柴油机运行限制边界
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MTU20V8000工作范围及油耗性能
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三、性能研究主要方法、手段 及流程
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1.统计分析
内燃机性能设计与参数选择在相当程度 上倚赖于实际经验与统计及试验数据的 积累，特别在初步设计阶段。
2）电子控制技术的应用，首先在燃油喷射系统 的应用（历经三代发展）： -位置控制（电子调速器） -时间控制（电控泵喷嘴） -压力与时间的柔性控制（电控共轨系统）。 在解决排放方面几乎起到不可取代的作用（欧 3标准以上）。目前已发展为整机电子管理系 统，并朝智能化方向发展。
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2.当前船用大中功率柴油机的主要性能指标
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二、柴油机性能主要研究内容
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1.工作原理
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四冲程柴油机工作循环原理图
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1.工作原理
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二冲程柴油机工作循环原理图
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1.工作原理
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六缸增压四冲程柴油机22工作循环原理图
1.工作原理
a) 非增压四冲程换气部分示功图
- 5.0
160 - 4.5
00 == 22 55 ooCC
GGCCLL--ccuurrvvee,, 44 TTCC
140 - 4.0
- 3.5 120
- 3.0 100
GGCCLL--ccuurrvvee,, 33 TTCC GGCCLL--ccuurrvvee,, 22 TTCC
- 2.5 80 60 - 2.0
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4.性能分析常用曲线图
❖柴油机主要性能参数曲线
主要包括：油耗、功率、排温、气缸爆压、增压压 力等，综合性能曲线图。
❖压气机特性图匹配运行线，
以增压比、空气流量分别为在纵横坐标，分析柴油 机与增压器的匹配情况
❖万有特性或限制边界特性图
分析该型柴油机的整体工作范围及各个工况下的主 要性能，分别以功率、转速为纵横坐标，绘制等油 耗、等扭矩（Pe）、等烟度曲线等，以及不同转 速下的功率（扭矩）限制边界。
b) 增压四冲程换气部分示功图
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2.性能分类
➢ 经济性 ➢ 动力性 ➢ 低工况性能 ➢ 排放性能 ➢ *可靠性*
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2.性能分类
按使用特性: ➢ 推进特性（船用主机，螺旋桨特性) ➢ 负荷特性（发电机组，等转速特性） ➢ 扭矩特性（车用机，外特性）
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低速机（二冲程）
缸径：
500－980 mm
转速：
150－60 r/min
活塞平均速度： 8.0 m/s
平均有效压力： 1.7－1.8 MPa
气缸最大爆发压力：14－15.5MPa
单缸功率： 1200kW-6000kW
燃油消耗率: 170 g/kWh
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2.当前船用大中功率柴油机的主要性能指标
0.78 =
0.76
is
u2 = 552 m/s 486 m/s
40 - 1.5 20
0 1.0 0.0
416 m/s 34 m/s CCuubbee--llaaww pprrooppeellleerr ccuurrvvee,, 22 TTCC
0.25
0.5
0.75
1.0
1.25
相继增压推进特性运行线
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3.船用柴油机主要性能技术的发展趋势
➢单级高增压＋二级中冷+ 特殊可控增压系统
目的：提高功率密度，改善低工况性能
➢高效等压燃烧技术
目的：控制气缸燃烧压力、提高燃烧效率、改善排放
➢电控电喷技术（另有专题介绍）
目的：柔性控制，全工况性能优化，降低排放
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3.船用柴油机主要性能技术的发展趋势
海水回路 淡水回路
高、 低 温 水 二 级 中 冷
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3.船用柴油机主要性能技术的发展趋势
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等压高效燃烧示意图
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3.船用柴油机主要性能技术的发展趋势
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气缸爆压的发展历程
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3.船用柴油机主要性能技术的发展趋势
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燃油耗与Nox排放的发展历程
3.主要性能参数及影响因素
➢ 排放性能
如NOx排放，主要与气缸最高燃烧温度相关。 烟度、颗粒或HC排放，主要与油气混合物浓 度及分布、燃烧速率等相关。
➢ 动力性与低工况性能：
与增压系统、燃油系统、调速机构的选型有 关。其中对增压柴油机而言，增压系统部件的 选型设计对上述两项性能的影响较为重要。
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1. 性能发展史简要回顾
上世纪70年代，电子计算机技术开始进入 柴油机领域，主要体现在两个方面： 1）伴随计算机技术的高速发展，对柴油机性能、 工作过程与系统匹配的大型仿真计算分析程 序的出现与发展。目前已从单一的性能仿真 计算到虚拟设计与数字化样机。
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1. 性能发展史简要回顾
柴油机性能
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主要内容
一、柴油机性能发展回顾及现状 二、柴油机性能主要研究内容 三、性能研究主要方法、手段及流程 四、提高、改善性能的部分方法措施
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一、柴油机性能发展回 顾及现状
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1. 性能发展史简要回顾
柴油机发展史上的里程碑事件
1893年，德国人狄赛尔发明首台煤粉驱动的柴油 机（压燃式）。
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4.主要性能工作内容
➢ 主要性能参数分析选取
如燃油耗率、压缩比、增压比、供油提前角、 燃烧持续期等（根据总体设计指标要求）。
➢ 气缸工作过程及热力参数的计算分析
主要参数包括气缸压力、温度、进排气压力、 温度、充气效率、扫气系数、燃烧始点、持续 期以及配气相位、凸轮型线等。
➢ 示功图及燃烧放热规律分析
低速机（二冲程）
代表机型主要集中在3家： ➢ 德国的MAN-B&W公司的MC系列： ➢ K90MC，K80MC-C，L60MC，S60MC等 ➢ 芬 兰 的 Wartsila － Sulzer 的 RTA 系 列 ：
RTA96C，RT-flex60C ➢ 日本的UE系列（少量）。
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4.主要性能工作内容
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喷油器与燃烧室的匹配
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4.主要性能工作内容
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油束喷雾与燃烧室的匹配
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4.主要性能工作内容
气缸压力，MPa
16 14 12 10 8 6 4 2 0
0
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计算气缸压力 单缸实测气缸压力 整机实测气缸压力
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1.统计分析
机型
DK20 L16/24 RK280 MTU396 MTU8000估 计M)TU956 MAN B&W TM2A3N B&W L23
国外几种先进机型的配气正时
增压方式
MPC
进气开 ºCA
50
进气关 ºCA
35
排气开， 排气关
ºCA
ºCA
55
50
定压
48.2 32.4 53
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2.当前船用大中功率柴油机的主要性能指标
中速机（四冲程）
代表机型： ➢ MAN-B&W公司L21/31, L27/38, 48/60B, RK280等 ➢ Caterpillar AK系列：M25，M32，M43等 ➢ Wartsila公司: W26，W32，W38, W46 ➢ 日本 Niigada的V26FX，6L32FX, ➢ 韩国的HUNDAI H21/32, H25/33 ➢ 法国Pielstick的PC2－5及PA6 ➢ 德国MTU20V8000等
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2.当前船用大中功率柴油机的主要性能指标
中速机（四冲程）
缸径：
210－480 mm
转速：
1150－500 r/min
活塞平均速度： 9.0 – 12 m/s
平均有效压力： 2.4－3.0 MPa
气缸最大爆发压力： 16－23 MPa
单缸功率：
200kW-1200kW
燃油消耗率: 175-195 g/kWh
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4.主要性能工作内容
➢ 增压系统选型设计分析
增压系统型式、增压器、中冷器选型匹配计算， 主要参数包括：增压器压比、流量、效率，中冷 器进出口温度等。
➢ 燃油系统选型设计分析
循环供油量、喷射压力、持续期、燃油凸轮、喷 油泵、嘴主要规格参数
➢ 燃烧系统选型分析设计
燃烧方式，燃烧室型线与喷油孔径、孔数、夹角、 喷射率、进气涡流、气量等的匹配设计分析。
机型 技术参数
MTU20V 956 系列 (02 型)
缸径(mm)
230
单缸功率(kW)
195
转速(r/min)
1500
燃油消耗率 (g/kW.h) 230
平均有效压力 Pe (MPa) 1.68
活塞平均速度 Cm (m/s) 11.5
强化指标 Pe·Cm
19.32
MTU16V* 12VPA6- TBD620V
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2.当前船用大中功率柴油机的主要性能指标
高速机（四冲程）
缸径：
160－210 mm
转速：
2100－1650 r/min
活塞平均速度： 11.5 – 13.3 m/s
平均有效压力： 2.3－3.0 MPa
气缸最大爆发压力：17－20 MPa
单缸功率： 120kW-250kW
燃油消耗率: 195-215 g/kWh
2
4
6
8
气缸容积，L
计算与实测示功图的比较
32
10
12
4.主要性能工作内容
1400
1200
1000
放热率，J/℃A
800
600
400
200
0 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470
曲轴转角，℃A
实测气缸燃烧放热率曲线
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➢ 需对国内外同类或相似机型的相关设计数据 进行统计、归类、比较。
➢ 了解国内与性能相关的主要元器件所能达到的 实际水平，及其与国外的差距。
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1.统计分析
通过调研、统计、分析－ 才能提出比较符合实际的初步性能设计 方案。其中： 性能指标：油耗、爆压、排温等；
几何参数：压缩比、配气相位，凸轮型 线， 燃烧室型线等。
46.8
MPC
54
42
57
55
MPC
36
68
75
28
MPC
37
60
70
42
脉冲
37.2 60.8 66.7 37.2
脉冲
50
30
50
50
定压
54
24
54
54
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1.统计分析
国外几种先进机型燃烧室特征参数
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4.性能分析常用曲线图
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柴油机综合性能曲线
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4.性能分析常用曲线图
常规增压推进特性运行线
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Total head His [kJ/kg] Pressureratio 0.80
H a k e lb e rg
200 - 5.9 180 - 5.5
396SE84 280
16
165 110 1800 231 1.6 11.1 12.21
280 295 1000 210 1.98 9.67 19.15
170 110 1500 191 1.99 9.75 19.4
我国船用机现状：低速机全部引进，高速机基本引进，自行 开发部分中速机，强化指标与与油耗均与国外存在较大差距。
1927年，德国Bosch公司推出首批成熟的柴油喷油 泵，使柴油机以前所未有的速度在车用、船用及工 程机械领域获得广泛应用。
1905年，瑞士工程师A J Buch首先提出废气涡轮 增压概念，并于1911年在单缸机上试验成功。
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1. 性能发展史简要回顾
柴油机发展史上的里程碑事件 1925年，MAN公司等将废气涡轮增压首次应用于船 用柴油机，随后增压技术在船用机获得广泛应用。 中冷器的出现即中冷增压技术，使柴油机功率、性 能进一步提高。 上世纪70－80年代，是柴油机增压技术跨越式蓬 勃发展的年代，增压器的转换效率运行范围大幅提 高，同时推出各类改善提高柴油机性能的特殊增压 系统。
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3.主要性能参数及影响因素
➢ 燃油消耗率be
主要影响因素：燃油喷射规律，油、气、室匹 配，压缩比，空燃比及机械效率等
➢ 气缸爆压Pz
主要影响因素：压缩比、供油提前角、进气压 力、燃烧持续角等
➢ 排气温度Tb
主要影响因素：空燃比、供油提前角、燃烧持 续期、扫气系数、压缩比等
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