轮机工程导论-柴油机

《轮机工程导论-柴油机》由会员分享，可在线阅读，更多相关《轮机工程导论-柴油机（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、轮机工程导论论文轮机工程导论论文题目：轮机工程中的船舶柴油机题目：轮机工程中的船舶柴油机院系：院系：船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 班级：班级： 船海船海 09040904 班班 姓名：姓名： 陈希抗陈希抗 学号：学号： U200912246U200912246 论文摘要：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

2、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：正文：1 1、船舶柴油机的历史与现状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

3、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. Die

4、sel 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，192

5、6 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

6、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4050。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

7、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0.1550.160kg/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 50006000h 提高到 800012000h，

8、甚至高达 20000h。2 2、船舶柴油机的工作原理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

9、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。（1-2-1） SDVs2 4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） 图 1-2-1 四冲程柴油机的基本结构csccsca VV VV

10、V VV1显然压缩比是一个几何概念，它与柴油机的转速无关。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 1进气行程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

11、为 220250CA。2 2压缩行程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 36MPa；温度tc约为 500700。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。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 3膨胀行程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 15002000左右。在高温高压燃气的作用下，活塞向下运动作功，在上

12、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pb约为 0.30.6MPa，温度tb约为 600700。活塞则继续下行到下止点。4 4排气行程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 230260CA。3 3、柴油机的基本结构参数柴油机的基本结构参数图 1-2-2

13、 四冲程柴油机工作原理图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（S2R） 。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（

14、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。VaVcVh10) 压缩比（）：气缸总容积与压缩室容积之比值，亦称几何压缩比。VaVc1VhVc压缩比 是柴油机主要性能参数之一，表示缸内工质被压缩程度。 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， 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。 可通过改变 Vc 来调节。柴油机压缩比约为 1222。中、高速机压缩

15、比高于低速机。低速机：1315，中速机：1417，高速机：1522，增压机：1114（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 4、柴柴油油机机的的特特性性及及分分类类： 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，

16、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。e. 限制特性：在试验台上把柴油机的平均有效压力Pe 按不同的规定加以限制的条件下，测得的有效功率和转速的关系。柴油机的用途极为广泛，型号较多，但不论何种柴油机，其基本工作原理都是一样的，只是在不同的方面各有其特点而已。下面介绍一些常见的船舶柴油机分类型式：1) 按工作循环特点分：四冲程柴油机和二冲程柴油机。2) 按柴油机进气方式分：增压柴油机和非增压柴油机。3) 按柴油机