1、1,張德福,船舶柴油機,,2,,,,5,第一節(jié)柴油機工作原理,一、柴油機基本概念 1、原理 2、柴油機與汽油機區(qū)別：燃料、混合氣形成方式、點火方式 3、柴油機優(yōu)點 熱效率高；使用重油；尺寸小重量輕； 操縱靈活,,7,4、名詞介紹 上止點 下止點 行程 缸徑 壓縮室容積Vc 氣缸工作容積Vh 氣缸總容積Va 壓縮比= Va/Vc,影響起動性能和熱效率,8,（四） 船舶柴油機類型和特點

2、,1、按照工作沖程分 ： 二沖程 四沖程二沖程機一個工作循環(huán)需2個行程，功率提高。相同尺寸的二沖程是四沖程1.6~1.8倍；二沖程機結構簡單二沖程機一個工作循環(huán)曲軸轉一圈，回轉均勻，飛輪??；二沖程機換氣困難，換氣質量差；二沖程機工作頻繁，熱負荷高； 總之，二沖程機在提高功率方面有優(yōu)勢，四沖程機在提高強化程度方面有優(yōu)勢。,9,2、按進氣方式分類,非增壓增壓無中冷增壓帶中冷 按增壓壓力分為：低增

3、壓：0.35MPa,10,3、按曲軸轉速分,低速機 n1000 rpm,,按活塞速度分： 高速機 ：9.0---14.2 m/s 中速機 ：7.0---9.4 m/s 低速機 ：6.0---7.2 m/s,11,12,4、按結構特點分類,1）  筒塞式特點： 活塞和缸套之間存在側推力，有磨損活塞缸套之間間隙要小，過小易卡死，過大產生敲擊滑油易污染機器高度小重量輕轉速高壽命短,,14,2）十字頭式

4、特點：活塞和缸套之間沒有側推力，無磨損活塞缸套之間間隙可以大些，不易卡死橫隔板的設置使滑油不易污染燒重油活塞下層空間有橫隔板，可做成掃氣泵機器高大笨重速度低壽命長 多用于船用主機,,16,3）按照氣缸排列分 直列式 大型機 V型機 中速機4）按照能否倒轉分：可倒轉/不可倒轉5）按照動力裝置布置分： 左旋 右旋

5、 單機 雙機,,18,5、按缸徑行程比分類,短行程：S/D3.0,19,二、四沖程柴油機工作原理,1、  四沖程行程介紹 Ⅰ、吸氣行程 Ⅱ、壓縮行程：終點壓力3-5Mpa,溫度600-700℃ Ⅲ、膨脹行程：最高溫度1400-1800℃，壓力8-13Mpa,后期600-700℃，壓力250-450KPa Ⅳ、排氣行程 小結： 四沖程機完成一個工作循環(huán)需要曲軸轉兩圈，只有第三個行程對外做功。,2

6、0,,2、用P-V圖表示,21,設置進氣閥開啟提前角與滯后關閉角的目的： 進氣提前開為增加進氣初期氣閥時面值，減小進氣行程流動阻力，增加進氣量。 進氣滯后關為利用進氣慣性多進氣增加進氣數量。設置排氣閥開啟提前角與滯后關閉角的目的： 排氣提前可增加排氣閥時面值減小排氣功。 排氣滯后關可利用缸內外壓差多排氣，增加排氣時間。,22,3、氣閥定時圓圖,,23,氣閥定時：氣閥開關時刻用曲柄轉角表示定時圓圖:用曲軸轉角表示氣閥

7、正時的圓圖氣閥重疊角：上止點前后進排氣閥同時開啟所占角度設置重疊角目的： 排氣具有慣性，排氣干凈，對新氣具有抽吸作用； 進氣開啟角度小，不會發(fā)生排氣倒灌 設置重疊角改善了換氣，實現了燃燒室掃氣,24,三、二沖程機工作過程（略講）,1、工作原理 二沖程柴油機完成一個工作循環(huán)需兩個行程：壓縮行程和膨脹行程，曲軸轉1圈，多數做主機。ⅰ.膨脹行程： 活塞由上向下膨脹做功，首先打開排氣口，廢氣靠自身

8、壓差排出氣缸，隨后打開掃氣口，此時掃氣壓力大于缸內壓力，新氣進入氣缸，直到活塞越過下止點上行時，先后關閉掃氣口和排氣口，換氣結束。由此可見二沖程機換氣不占單獨行程。,25,ⅱ壓縮行程 : 排氣口關閉后，活塞上行缸內空氣被壓縮，直到上止點前某點，提前噴油燃燒。   2、P-V圖表示如圖，2，為噴油提前角， 4為燃燒結束點，5-6-0-1-2為換氣過程，利用掃氣將廢氣排出。 沖程失效系數：損失容積/幾何工作容積,26

9、,3、二沖程機換氣形式（略講）,二沖程柴油機是在活塞一上一下兩個行程中完成吸氣、壓縮、膨脹、排氣四個過程?；钊缮舷蛳聻榕蛎浶谐?，又下向上為壓縮行程，掃氣、排氣不占單獨的行程，只在活塞位于下止點附近的一段時間內完成，通常只占120°-150°CA，時間短，換氣困難。針對二沖程機的換氣特點介紹幾種換氣形式：,27,（1）  橫流掃氣,簡圖,,28,結構特點： 缸蓋無氣閥，氣缸下部對側開有進氣

10、口和排氣口，且排氣口高于進氣口，氣口啟閉靠活塞。  換氣過程及路線： 活塞由上向下膨脹做功，在下止點前開始換氣時，活塞頂部首先打開排氣口，廢氣靠內外壓差自由排出，繼續(xù)下行打開掃氣口，由于此時掃氣壓力大于缸內壓力，新氣進入氣缸沿缸壁由掃氣口一側上行，經過氣缸頂部再沿另一側向下直到排氣口，將廢氣推出氣缸。活塞越過下止點后，向上先關閉掃氣后關閉排氣。換氣結束后活塞繼續(xù)上行為壓縮行程，經過噴油著火再次進行膨

11、脹行程。,天津理工大學海運學院,29,優(yōu)點： 結構簡單，管理方便。 缺點：1）掃氣路經長，新廢氣容易摻混，同時在頂部存在死角，掃氣不干凈，換氣質量不好。2）廢氣側與掃氣側存在溫差，氣缸下部容易變形。3）存在過后排氣現象。4）掃排氣口在柴油機兩側，不利增壓管路布置。,為控制進氣流向，掃氣口特意設計成由外向內斜向上傾斜形狀。,30,（2）  回流掃氣,簡圖,,31,結構特點： 缸蓋無氣閥，氣缸下部同

12、側開有進氣口和排氣口，排氣口位于掃氣口上方。換氣過程及路線： 活塞由上向下膨脹做功，在下止點前開始換氣時，活塞頂部首先打開排氣口，廢氣靠內外壓差自由排出，繼續(xù)下行打開掃氣口，由于此時掃氣壓力大于缸內壓力，新氣經過活塞頂到達對側，沿缸壁向上再經過頂部沿氣口側缸壁下行到達排氣口，將廢氣掃出氣缸。隨后活塞上行先后關閉掃氣口、排氣口，換氣結束。同樣在換氣后期也會因排氣關閉晚于掃氣出現過后排氣。,32,優(yōu)點： 結構簡單，

13、管理方便，進排氣口同側便于增壓管路布置。 缺點：1）  新氣在缸內流動呈環(huán)形，路徑最長信廢氣更容易摻混，換氣質量最差。2）  氣口總高度增加，有效行程減小。3）  存在過后排氣現象。4）氣口同側布置，氣缸易變形。,33,3、  半回流掃氣,,34,結構特點：換氣使用進排氣口，且掃氣口布置在排氣口下方及兩側，排氣管裝有防止過后排氣的回轉閥。 換氣過程及路線： 活塞由上向下膨脹做

14、功，在下止點前開始換氣時，活塞打開排氣口之前回轉閥已打開。當排氣口打開時，廢氣靠內外壓差自由排出，繼續(xù)下行打開掃氣口，新氣在缸內同時存在橫流和回流兩種狀態(tài)，活塞越過下止點向上運動，在關閉掃氣口的同時，回轉閥關閉，防止空氣逸出，此后關閉排氣口換氣過程結束。,35,特點： 管路布置得到改善，設置回轉閥防止過后排氣具有橫、回流特點，掃氣效果是以上最好的。,36,4、  直流掃氣,簡圖,,37,結構特點： 缸蓋設有排氣

15、閥，起缸下部一圈掃氣口。 換氣過程及路徑： 活塞由上向下膨脹做功，在下止點前某一角度時，排氣閥打開隨著活塞下行打開掃氣口，由于掃氣口在橫向、縱向設有傾斜角，新氣進入氣缸后產生由下之上的螺旋氣流形成氣墊，將廢氣推出氣缸。當活塞上行時關閉掃氣口排氣閥，換氣結束。,38,特點：新氣在缸內形成氣墊，新廢氣不易摻混，換 氣質量最好；排氣閥可在掃氣口關閉之前關閉，不但消除過后排氣，還可實現額外充氣。氣缸下部溫度均勻不易變形。 缺點

16、： 氣閥易磨損，氣閥機構復雜。,39,總結,橫流掃氣彎流掃氣 回流掃氣 半回流掃氣 氣口---氣口直流掃氣 氣口---氣閥 換氣效果順序： 好 壞  直流 半回流 橫流 回流,,,,,,,4

17、0,五、增壓柴油機工作原理,利用增加進氣空氣壓力的方法，來提高機器的功率稱為增壓。增壓即提高進氣壓力，目的是提高功率。增壓度：（增壓后的功率-增壓前功率）/增壓前功率 表示增壓后功率增加程度。增壓比：增壓壓力/環(huán)境壓力或增壓器入口壓力 表示增壓后空氣被壓縮程度，或進氣能量增加程度。,41,增壓形式：機械式增壓：利用柴油機機帶泵，消耗機器的自身功率，因此超過一定增壓度時，消耗的功大于獲得的功而得不償

18、失。增壓壓力<0.15~0.17MPa.,42,廢氣渦輪增壓：機器上同軸安裝廢氣渦輪機和壓氣機，利用廢氣在渦輪機內做功，帶動壓氣機工作，因而有效利用廢氣能量，經濟性好、效率高且功率增加。圖1-13 中冷技術：在壓氣機和掃氣箱之間設置中間冷卻器，目的為降低壓縮后的進氣溫度，進一步提高進氣密度。增壓壓力<0.30~0.35MPa.,44,,復合增壓:分為串聯(lián)增壓和并聯(lián)增壓。 增壓壓力：0.4~0.45MPa,45,

19、3、增壓分類：,按驅動能量分為：機械增壓、廢氣渦輪增壓和復合增壓按增壓壓力分為：低、中、高和超高增壓按廢氣能量利用方式分為：定壓增壓和脈沖增壓按增壓器組合分為：單獨增壓、串聯(lián)增壓和并聯(lián)增壓,46,串聯(lián)增壓,串聯(lián)增壓,47,并聯(lián)增壓,48,第二節(jié)、熱力循環(huán)（略講）,一、理論循環(huán) 內燃機三種理論循環(huán)，定容加熱循環(huán)；定壓加熱循環(huán)；混合加熱循環(huán)。 柴油機理論循環(huán)為混合加熱循環(huán)，見圖,,49,熱效率公式 ηth=1-(λρk-1)

20、/εk-1 (λ-1)+kλ(ρ-1) 式中： ηth理論熱效率；λ壓力升高比；ρ初期膨脹比 ε壓縮比；k絕熱指數公式表明，熱效率隨著壓縮比增加，壓力升高比增大而提高；隨著初期膨脹比增大而降低。,50,二、實際循環(huán),柴油機實際循環(huán)與理論循環(huán)的區(qū)別,,51,1、  工質不同 成分不同：理想氣體無所謂成份；燃氣由多種氣體組成 比熱不同：理想氣體恒為1.4，實際氣體隨溫度升高而升高； 實際氣體存在高

21、溫分解，實際氣體燃燒后摩爾數有所增加 2、  換氣損失 3、  傳熱損失 實際循環(huán)壓縮行程非絕熱，壓縮初期缸壁向氣體傳熱n1k,總體考慮則氣體向缸壁散熱多些。 4、  時間損失 5、  燃燒損失 6、 漏泄損失,52,第三節(jié) 柴油機的性能參數（略講）,,53,一、指示指標 1、平均指示壓力 pi1) 假定大小不變的力pi，作用在活塞上，走一個行程剛好等

22、于示功圖表示的指示功。2）意義：表示單位氣缸工作容積所做的功，用于比較各種機型單位工作容積的做功能力。,54,3)指示壓力計算,①先測取示功圖，然后用面積儀求出圖形面積f(㎜2) 算出圖形平均高度hi(㎜)， 設圖形長度為L(㎜),hi= f/ L (㎜)pi= hi / m (pa) , m為示功器彈簧比例(㎜/pa),55,②測取示功圖，沿垂直方向十等分，九點法，y1---y9 再在左右邊線L/40處各取一點y0,y

23、10,并取兩者平均值即(y10+ y0)/2 計算 pi= hi / m,56,4) pi比較： 四沖程機pi 〉二沖程pi 增壓機pi 〉 非增壓pi,57,2、指示功率Pi,,,一個缸一個循環(huán)所做的功 單位時間整機所做功 （w）,其中：pi Vh 為一缸一個循環(huán)所作指示功 n/60 為每秒轉數

24、 m為沖程數，對單作用式，二沖程 m=1； 四沖程 m=1/2 I為氣缸數,58,3、指示熱效率 ηi,,Gf每小時耗油量kg/h, Hu燃料低熱值 42700Kj/kg4、指示油耗率 gi,59,二、有效指標,以曲軸上實際有效功率為基準的指標稱為有效指標1、Pm為機械損失功率，包括以

25、下幾項：1） 摩擦損失 其中活塞缸套摩擦占主要部分，其次是各種軸承2） 拖動損失 機帶燃油泵、氣閥機構等消耗3）排吸損失 非增壓機排氣壓力大于進氣，換氣消耗的功。,,60,2、機械效率ηm ηm計算復雜常由實驗測得曲線，如圖，出廠時給出。結論：ηm隨負荷增加而增加，空載時為0； ηm隨轉速增加而降低。,61,3、有效功率Pe,①Pe 可用計算法求出，根據實測示功圖求得Pi及ηm ②實驗法，用測功器測得轉

26、矩Me和轉速n,62,4、平均有效壓力pe,,63,5、有效油耗率ge,,,,64,總結,,65,三、其他常用參數,1、最高爆發(fā)壓力 （1） 過大，機器尺寸大，笨重（2）過大，螺栓預緊力相應增加，結合面壓力大（3）過大，破壞潤滑加重磨損（4）過大，振動大，工作粗暴（5）適當增大有利改善效率,66,2、排煙溫度,說明熱負荷大小 ，船用機<550℃,,67,3、活塞平均速度,活塞平均速度與磨損成正比影響機械負荷、熱負荷和磨

27、損情況，影響機器壽命。高則機械負荷、熱負荷高、磨損加重，壽命縮短。對高速機不能太大，對低速機不能過小決定機器速度等級： 高速機 ：9.0---14.2 m/s 中速機 ：7.0---9.4 m/s 低速機 ：6.0---7.2 m/s,68,4、活塞行程缸徑比s/d,在 和d不變時s/d大，則s大，機器高度大 s/d大， 由公式可知， 不變，s與n成反比

28、，s增加則n降低，有利提高漿效率 s/d大，氣缸單位容積散熱面增大，有利降低熱負荷 s/d 小，相對s小d大，在氣缸容積不變時，余隙容積不變，d大則余隙高度下降不利油氣混合 s/d大，則s大，曲軸半徑大，剛度下降 對換氣有影響: 彎流掃氣，s/d大，若s大換氣質量下降，要求s/d<2.2 直流掃氣，最大可達3.82,69,,5、強化系數peCm 表示機器能承受的

29、機械負荷和熱負荷水平 peCm 大，強化程度高6、升功率 即每升氣缸容積做出的有效功率，多用于小型機,70,7、壓縮比,壓縮比提高，熱效率提高。>12時不明顯壓縮比增加機械負荷升高，當代超長行程柴油機選擇16-19壓縮比增加冷啟動性好，過高不利于油氣混合,71,第四節(jié) 提高功率和經濟性途經,一、提高功率1增加氣缸直徑和行程2增加氣缸數3增加工作行程系數4提高轉速5提高平均有效壓力：減少磨

30、損，采用滾珠軸承及提高潤滑質量，最重要是采用增壓技術,72,二、提高經濟性途經,1、采用定壓增壓和高效增壓器2、增加行程缸徑比3、提高爆發(fā)壓力和平均有效壓力4、增加壓縮比5、采用VIT6、提高機械效率7、采用動力渦輪TCS8、軸帶發(fā)電機PTO9、柴油機廢熱利用,2024年3月17日星期日,73,燃氣輪機推進動力裝置的特點,a. 單位功率的重量尺寸小；b. 啟動加速性能好；c. 重量輕，體積?。?d. 振動小

31、，噪聲小。,a. 主機沒有反轉性,配備換向系統(tǒng)或調距槳；b. 必須借助啟動機械啟動；c. 葉片材料昂貴，工作可靠性較差，壽命短；d. 進排氣管道尺寸大，艙內布置困難。 e.生產廠家主要為兩家國外公司(英國的rolls2royce 公司和美國的通用電氣公司)低負荷下耗油率高,LM2500,2024年3月17日星期日,74,LNG船推進系統(tǒng),傳統(tǒng)采用鍋爐汽輪機裝置 日本建造的LNG多采用之，兩臺鍋爐配一臺汽輪機 。

32、 滬東中華造船(集團)承建的我國首制二艘LNG船的主動力裝置就是采用鍋爐汽輪機裝置。該船為薄膜型、艙容147 200 m3、設計航速19·5節(jié) 二沖程低速柴油機 卡塔爾最新一代14艘最大的容量為265 000 m3的Qmax級LNG船每艘將由兩臺MAN B &W7S70ME-C電子控制的二沖程低速柴油機驅動,每臺發(fā)動機在轉速91 r/min下的額定輸出功率為21 770 kW(單缸3 110 kW)。再

33、液化技術為大型LNG船安裝高效大功率的二沖程低速柴油機鋪平了道路。與汽輪機裝置比較,采用上述發(fā)動機推進的LNG船每年可節(jié)省200萬到500萬美元。,2024年3月17日星期日,75,LNG船推進系統(tǒng),雙燃料柴油機 迄今第一艘由燃用BOG的Waertsilae 50DF雙燃料柴油機電力系統(tǒng)(DFDE)驅動的LNG船—75 000 m3的Gaz de France Energy已于2004年末投入營運。圖2為驅動該船的DFDE系統(tǒng)。,

34、雙燃料柴油機的主要特點是:采用燃油和天然氣(BOG)兩種燃料,功率較大,體積小,重量輕,占LNG船艙內空間小,有害排放物少。雙燃料柴油機通常用于驅動容量不超過155 000 m3的LNG船,2024年3月17日星期日,76,LNG船推進系統(tǒng),COGES系統(tǒng) 對于在230 000~265 000 m3載貨量范圍的大型LNG船,CO-GES(燃氣輪機和汽輪機聯(lián)合的綜合電力推進系統(tǒng))是極具吸引力的。在COGES系統(tǒng)中,燃氣輪機的排氣排

35、入余熱鍋爐。余熱鍋爐產生的蒸汽驅動汽輪機做功。燃蒸聯(lián)合循環(huán)中的燃氣輪機和汽輪機驅動發(fā)電機。發(fā)電機生產的電力驅動推進用電動機并向船舶總電網供電,燃蒸聯(lián)合循環(huán)的效率約為45%~50%。在使用低壓蒸汽時,COGES系統(tǒng)的能量利用率高達80%。COGES系統(tǒng)具有燃料靈活性,可以燃用重燃油、蒸發(fā)氣或兩者的結合。,2024年3月17日星期日,77,LNG船推進系統(tǒng),比較 鍋爐汽輪機裝置：功率大、可靠性高、使用壽命長、初投資費用和運行維護費

36、用低。燃料效率只達到30%左右，,即使應用再熱循環(huán)并提高蒸汽初參數,其效率也僅達到約34·5% 柴油機裝置：低速機接近48%，初投資費用高、運行維護費用高、壽命較低等。尺寸重量要比燃氣輪機裝置大得多 燃氣輪機熱效率已達到40%、重量尺寸明顯小于鍋爐汽輪機裝置和柴油機裝置、機動性好、自動化程度高，可實現無人機艙運行,CO-GES裝置的總運費率比雙燃料柴油機低10%。它的缺點是使用壽命明顯低于鍋爐汽輪機裝置,運行維