輪機工程導論-柴油機

1、輪機工程導論論文題目：輪機工程中的船舶柴油機院系：船舶與海洋工程學院班級： 船海0904班 姓名： 陳希抗 學號： U200912246 論文摘要： 船舶發(fā)動機經(jīng)歷了蒸汽機，汽輪機，改進的汽輪機（汽輪機與螺旋槳不同步轉(zhuǎn)動），柴油機，燃氣輪機，核動力機等各個時代。燃氣輪機和核動力機在性能上優(yōu)于柴油機，但由于價格，能源節(jié)約等方面，柴油機是目前的商用和民用輪船上的主流發(fā)動機。 經(jīng)過近幾十年尤其是近十多年的發(fā)展，現(xiàn)代船用柴油機已經(jīng)發(fā)展到一個較高的技術(shù)水平。今后，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展將會對船用柴油機提出更高的要求，船舶柴油機也將繼續(xù)發(fā)展改進。當前柴油機的發(fā)展可以概括為：以節(jié)能為中心充分兼顧到排放與可靠性的要

2、求，全面提高柴油機性能。 根據(jù)此發(fā)展目標，今后的研究趨勢大致為：1 提高經(jīng)濟性的研究，包括燃燒、增壓、低磨損等的研究；2 降低柴油機的排放的研究，排放是現(xiàn)代柴油機面臨的嚴重挑戰(zhàn)，隨著對船舶柴油機排放控制的限制，使得經(jīng)濟性的提高更加困難，這也是船舶柴油機發(fā)展中的新課題；3 提高可靠性與耐久性的研究；4 電子控制技術(shù)的研究；5 代用燃料的研究。正文：1、船舶柴油機的歷史與現(xiàn)狀 任何一門科學技術(shù)的發(fā)展總是與社會生產(chǎn)力的需要和當時科學的發(fā)展水平相適應(yīng)的。18世紀初，英國資本主義生產(chǎn)力的發(fā)展促進了1776年瓦特蒸汽機的發(fā)明，并由此開始了產(chǎn)業(yè)革命推動了生產(chǎn)力的發(fā)展。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，這種熱機由于熱效率低以

3、及過于笨重而又不適應(yīng)社會生產(chǎn)力的發(fā)展對新型動力機械的需求增加。1876年，德國人N. A. Otto第一次提出了四沖程循環(huán)（即進氣、壓縮、膨脹、排氣）原理并發(fā)明了電點火的四沖程煤氣機。該煤氣機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，熱效率可高達14，在當時曾得到普遍使用。之后，在1880年一些工程師，如英國的D. Clerk和J. Robson以及德國人Karl Benz等成功地開發(fā)了二沖程內(nèi)燃機。1892年德國工程師R. Diesel申請了壓縮發(fā)火內(nèi)燃機專利，并于1897年在MAN公司制成第一臺實際使用的柴油機（壓燃式、空氣噴射、定壓燃燒）。因可采用較大的壓縮比其效率比煤氣機有顯著提高。1904年柴油機首次用于船舶推進裝

4、置（294 kW，260 r/min）。從此在船舶領(lǐng)域里開始了與蒸汽推進裝置的競爭局面。在此后40多年中，柴油機在自身逐步完善中有了很大發(fā)展，如1927年在柴油機上正式使用了由R. Bosch發(fā)明的噴油泵（回油孔式）噴油器噴射系統(tǒng)，代替了原需用 7 MPa壓縮空氣噴油的空氣噴射系統(tǒng)，實現(xiàn)了混合燃燒。1905年，瑞士人Alfred Buechi提出了渦輪增壓的設(shè)想，1926年MAN公司制造了第一臺船用廢氣渦輪增壓柴油機，當時由于增壓器制造水平的限制此項技術(shù)未能迅速推廣。但總的來看在與蒸汽推進裝置競爭中無突破性進展，在船舶使用中蒸汽推進裝置仍占據(jù)領(lǐng)先地位。 從第二次世界大戰(zhàn)到20世紀50年代中后期

5、，由于社會生產(chǎn)力的迅速發(fā)展對船舶推進裝置提出了新的要求。柴油機在此期間完成了大缸徑、焊接結(jié)構(gòu)、廢氣渦輪增壓以及使用劣質(zhì)燃油等四項重大技術(shù)成果并逐步發(fā)展了船用低速柴油機系列。此期間在國外大致有八種船用低速柴油機型號（由八大船用柴油機制造廠生產(chǎn)）。在這些技術(shù)成就中、廢氣渦輪增壓技術(shù)在船用二沖程柴油機上的成功使用是船用低速柴油機發(fā)展中的重要里程碑。國外稱這一時期是船用低速柴油機的第一次飛躍，其技術(shù)特征是廢氣渦輪增壓技術(shù)的普及。至此，在與蒸汽動力裝置的競爭中柴油機逐漸取得了領(lǐng)先地位。從20世紀60年代到70年代船用低速柴油機進入了黃金時代，它在船舶動力裝置中取得了明顯的壓倒優(yōu)勢。各船用柴油機廠之間開始

6、進行調(diào)整、合并、淘汰。柴油機技術(shù)趨于完善。20世紀70年代的兩次能源危機誘發(fā)了世界范圍內(nèi)的能源危機。石油產(chǎn)品價格大幅度上漲使船舶柴油機的燃油費用支出一躍占總營運成本的4050。由此，改變了人們長期以來的傳統(tǒng)觀念，降低柴油機的燃油支出費用、提高柴油機經(jīng)濟性已成為第一要求。20世紀70年代末到80年代，各類節(jié)能型柴油機大量出現(xiàn)，機型更新周期大大縮短（甚至僅為2年3年），各類柴油機采用多種節(jié)能措施降低油耗率，努力提高柴油機的有效熱效率；同時由于供給船用柴油機的燃油質(zhì)量日益低劣，使得船用柴油機在使用劣質(zhì)燃油的技術(shù)上又有了新的發(fā)展。目前，現(xiàn)代船用低速柴油機的油耗率已降低到0.1550.160kg/kWh

7、，有效熱效率可高達55。國外把這一時期船用柴油機的發(fā)展稱為第二次飛躍。其主要技術(shù)特征是節(jié)能技術(shù)的普及。隨著柴油機節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，柴油機的可靠性也有了長足的發(fā)展。各種先進技術(shù)的運用大大提高了船用柴油機的可靠性。當前現(xiàn)代船用低速柴油機的吊缸周期已從20世紀60年代的50006000h提高到800012000h，甚至高達20000h。2、船舶柴油機的工作原理柴油機是一種壓縮發(fā)火的往復式內(nèi)燃機。它的基本工作原理是使燃油直接在發(fā)動機的氣缸中燃燒，將燃油的化學能轉(zhuǎn)變成熱能，從而生成高溫高壓的燃氣，因燃氣膨脹，推動活塞運動，通過曲柄連桿對外做功，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。柴油機必須經(jīng)過進氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣

8、五個過程才能完成了一個工作循環(huán)。然后不斷重復進行這些過程，使柴油機持續(xù)。 四沖程柴油機（非增壓）的工作原理 圖1-2-1所示是四沖程柴油機的基本結(jié)構(gòu)圖。工作時活塞作往復直線運動，曲軸作旋轉(zhuǎn)運動?；钊淖冞\動方向瞬時的位置稱止點（死點），止點處的活塞瞬時運動速度為零。離曲軸中心最遠時的止點稱上止點（），最近時的止點稱下止點（）。 曲柄銷中心與主軸頸中心之間的距離稱曲柄半徑R。連桿大、小端中心間的距離稱連桿長度L。 上、下止點間的距離稱活塞行程（沖程）S?；钊谐痰扔谇霃降膬杀叮碨=2R?；钊谏稀⑾轮裹c間移動所掃過的容積稱氣缸工作容積VS。 （1-2-1） 式中，D為氣缸直徑（缸徑）。 活

9、塞位于上止點時活塞頂與氣缸蓋之間的氣缸容積，稱燃燒室容積（壓縮室容積、余隙容積）Vc。 氣缸總?cè)莘eVa與燃燒室容積之比稱壓縮比e。 （1-2-2） 圖1-2-1四沖程柴油機的基本結(jié)構(gòu)顯然壓縮比是一個幾何概念，它與柴油機的轉(zhuǎn)速無關(guān)。用四個行程（曲軸回轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)）完成一個工作循環(huán)的柴油機稱四沖程柴油機。 圖1-2-2是四沖程柴油機的工作原理簡圖。圖的上部表示四個行程中活塞、連桿、曲軸及氣閥的相對位置。圖的下部表示相對應(yīng)的氣缸內(nèi)氣體壓力隨氣缸容積的變化情況，稱p-V示功圖。 1進氣行程 活塞從上止點下行，進氣閥打開。由于活塞下行的抽吸作用，新鮮空氣充入氣缸。為了能充入更多的空氣，進氣閥一般在上止點前提前

10、開啟（曲柄位于點1），在下止點后延遲關(guān)閉（曲柄位于點2），氣閥開啟的延續(xù)角（圖中陰影線部分）約為220250CA。 2壓縮行程活塞從下止點上行，進、排氣閥均關(guān)閉。上行的活塞對缸內(nèi)的空氣進行壓縮，使其溫度和壓力均不斷升高（曲線2-3）。壓縮終點的壓力pc約為36MPa；溫度tc約為500700。燃油自燃溫度遠低于此值，自燃溫度隨壓縮壓力而變，輕柴油自燃溫度如表1-2-1所示。圖1-2-2 四沖程柴油機工作原理圖在上止點（壓縮終點）附近，燃油經(jīng)噴油器以霧化的狀態(tài)噴入燃燒室，并在高溫高壓空氣的作用下，開始自行發(fā)火燃燒。 3膨脹行程在此行程的初期，燃燒仍在猛烈地進行，使缸內(nèi)的壓力和溫度都急劇升高，其最

11、大值分別可達6MPa和15002000左右。在高溫高壓燃氣的作用下，活塞向下運動作功，在上止點后某一時刻（圖中點4），燃燒基本結(jié)束，但高溫高壓燃氣繼續(xù)膨脹作功推動活塞下行。當活塞到達下止點前某一時刻（圖中點5），排氣閥開啟，排氣過程開始。此時，氣缸內(nèi)的壓力pb約為0.30.6MPa，溫度tb約為600700?；钊麆t繼續(xù)下行到下止點。 4排氣行程活塞由下止點向上運動，排氣閥繼續(xù)開啟著，上行的活塞將氣缸內(nèi)的廢氣強行推擠出去。為了實現(xiàn)充分排氣和減少排氣過程中所消耗的功，排氣閥不但在下止點前提前開啟，而且要在排氣行程結(jié)束的上止點后才關(guān)閉（圖中點6）。排氣閥開啟的延續(xù)角度（5-6）約為230260CA。

12、3、柴油機的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)1) 氣缸直徑D：氣缸套的名義內(nèi)徑。2) 曲柄半徑R：曲軸的曲柄銷中心與主軸頸中心間的距離。3) 上止點（TDC）：活塞在氣缸中運動的最上端位置，也就是活塞離曲軸中心線最遠的位置。4) 下止點（BDC）：活塞在氣缸中運動的最下端位置，也就是活塞離曲軸中心線最近的位置。5) 沖程（S），又稱行程：活塞從上止點移動到下止點間的直線距離。它等于曲軸曲柄半徑R的兩倍（S2R）。活塞移動一個行程，相當于曲軸轉(zhuǎn)動180°（曲軸轉(zhuǎn)角）。6) 氣缸余隙容積（壓縮室容積Vc）：活塞在氣缸內(nèi)上止點時，活塞頂上的全部空間（活塞頂、氣缸蓋底面與氣缸套表面之間所包圍的空間）容積。7)

13、余隙高度（頂隙）：上止點時活塞最高頂面與氣缸蓋底平面之垂直距離。8) 氣缸工作容積（Vh）：活塞在氣缸中從上止點移動到下止點時所掃過的容積。9) 氣缸總?cè)莘e（Va）：活塞在氣缸內(nèi)位于下止點時，活塞頂以上的氣缸全部容積，亦稱氣缸最大容積。VaVcVh10) 壓縮比（）：氣缸總?cè)莘e與壓縮室容積之比值，亦稱幾何壓縮比。VaVc1VhVc壓縮比是柴油機主要性能參數(shù)之一，表示缸內(nèi)工質(zhì)被壓縮程度。愈大，被壓縮終點的壓力、溫度愈高，柴油機易起動，熱效率也高，過高使柴油機工作粗暴，機械負荷過大，磨損加劇，消耗壓縮功增大，機械效率降低，輸出功率減小?？赏ㄟ^改變Vc來調(diào)節(jié)。柴油機壓縮比約為1222。中、高速機壓縮

14、比高于低速機。低速機：1315，中速機：1417，高速機：1522，增壓機：1114（低散熱少，增壓后Pc、Tc相應(yīng)高）。當氣缸直徑與活塞沖程確定后，氣缸工作容積Vh也隨著確定了，所以若要調(diào)整壓縮比，可通過改變壓縮容積Vc來實現(xiàn)。4、柴油機的特性及分類： a. 速度特性：平均有效壓力Pe不變（測定時將油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定，Pe實際上略有變化），柴油機主要性能指標和工作參數(shù)隨轉(zhuǎn)速n變化的關(guān)系 b. 負荷特性: 當轉(zhuǎn)速n不變，固定于某一設(shè)定值時，柴油機性能參數(shù)隨負荷（Pe）變化的關(guān)系。柴油機的負荷通常指柴油機阻力矩的大小，由于平均有效壓力正比于阻力據(jù)，故常用平均有效壓力表示負荷。c. 推進特性：柴油機

15、帶動螺旋槳，按照螺旋槳特性工作時（Pe，n不再相互獨立，而是按照螺旋槳特性相互對應(yīng)），其性能參數(shù)隨n（或負荷）變化的關(guān)系。d. 調(diào)速特性：調(diào)速特性一般并不表示與柴油機內(nèi)部的工作過程有關(guān)的參數(shù)的變化情況，而只標出柴油機扭矩Me（Pe）,有效功率Pe與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系，它主要取決與調(diào)速器的工作性能。e. 限制特性：在試驗臺上把柴油機的平均有效壓力Pe按不同的規(guī)定加以限制的條件下，測得的有效功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。 柴油機的用途極為廣泛，型號較多，但不論何種柴油機，其基本工作原理都是一樣的，只是在不同的方面各有其特點而已。下面介紹一些常見的船舶柴油機分類型式：1) 按工作循環(huán)特點分：四沖程柴油機和二沖程柴油機

16、。2) 按柴油機進氣方式分：增壓柴油機和非增壓柴油機。3) 按柴油機轉(zhuǎn)速和活塞平均速度分： 柴油機的速度可以用曲軸轉(zhuǎn)速對或活塞平均速度Cm來表示。船舶柴油機可分為：低速機、中速機、高速機。 低速機具有經(jīng)濟性好、轉(zhuǎn)速低、功率大，結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、可燃用劣質(zhì)燃料的特點，廣泛用于大型海輪主機。中速機常需經(jīng)過減速器才能與螺旋槳相連，它可選擇最佳的螺旋槳轉(zhuǎn)速，另外中速機還具有重量輕、尺寸小，可多臺柴油機聯(lián)用等特點，它多用作河船和部分海船的主機。近年來由于中速機單機功率提高，用作海船主機的數(shù)量有了明顯增加。高速柴油機在船上常用作應(yīng)急發(fā)電機、應(yīng)急救火泵、救生艇等的原動機，或作為河船、機帆船等小型船舶的主機。4) 按結(jié)構(gòu)特點分：筒形活塞式柴油機和十字頭式柴油機。5) 按氣缸排列分：直列型（單列式）柴油機