1、1,张德福,船舶柴油机,2,5,第一节柴油机工作原理,一、柴油机基本概念 1、原理 2、柴油机与汽油机区别：燃料、混合气形成方式、点火方式 3、柴油机优点 热效率高；使用重油；尺寸小重量轻； 操纵灵活,7,4、名词介绍 上止点 下止点 行程 缸径 压缩室容积Vc 气缸工作容积Vh 气缸总容积Va 压缩比= Va/Vc,影响起动性能和热效率,8,（四） 船舶柴油机类型和特点,1、按照工作冲程分 ： 二冲程 四冲程二冲程机一个工作循环需2个行程，功率提高。相同尺寸的二冲程是四冲程1.61.8倍；二冲程机结构简单二冲程机一个工作循环曲轴转一圈，回转均匀，飞轮小；二冲程机换气困难，换气质量差；二冲程机
2、工作频繁，热负荷高； 总之，二冲程机在提高功率方面有优势，四冲程机在提高强化程度方面有优势。,9,2、按进气方式分类,非增压增压无中冷增压带中冷 按增压压力分为：低增压：0.35MPa,10,3、按曲轴转速分,低速机 n1000 rpm,按活塞速度分： 高速机 ：9.0-14.2 m/s 中速机 ：7.0-9.4 m/s 低速机 ：6.0-7.2 m/s,11,12,4、按结构特点分类,1） 筒塞式特点： 活塞和缸套之间存在侧推力，有磨损活塞缸套之间间隙要小，过小易卡死，过大产生敲击滑油易污染机器高度小重量轻转速高寿命短,14,2）十字头式 特点：活塞和缸套之间没有侧推力，无磨损活塞缸套之间间
3、隙可以大些，不易卡死横隔板的设置使滑油不易污染烧重油活塞下层空间有横隔板，可做成扫气泵机器高大笨重速度低寿命长 多用于船用主机,16,3）按照气缸排列分 直列式 大型机 V型机 中速机4）按照能否倒转分：可倒转/不可倒转5）按照动力装置布置分： 左旋 右旋 单机 双机,18,5、按缸径行程比分类,短行程：S/D3.0,19,二、四冲程柴油机工作原理,1、 四冲程行程介绍 、吸气行程 、压缩行程：终点压力3-5Mpa,温度600-700 、膨胀行程：最高温度1400-1800，压力8-13Mpa,后期600-700，压力250-450KPa 、排气行程 小结： 四冲程机完成一个工作循环需要曲轴转
4、两圈，只有第三个行程对外做功。,20,2、用P-V图表示,21,设置进气阀开启提前角与滞后关闭角的目的： 进气提前开为增加进气初期气阀时面值，减小进气行程流动阻力，增加进气量。 进气滞后关为利用进气惯性多进气增加进气数量。设置排气阀开启提前角与滞后关闭角的目的： 排气提前可增加排气阀时面值减小排气功。 排气滞后关可利用缸内外压差多排气，增加排气时间。,22,3、气阀定时圆图,23,气阀定时：气阀开关时刻用曲柄转角表示定时圆图:用曲轴转角表示气阀正时的圆图气阀重叠角：上止点前后进排气阀同时开启所占角度设置重叠角目的： 排气具有惯性，排气干净，对新气具有抽吸作用； 进气开启角度小，不会发生排气倒灌
5、 设置重叠角改善了换气，实现了燃烧室扫气,24,三、二冲程机工作过程（略讲）,1、工作原理 二冲程柴油机完成一个工作循环需两个行程：压缩行程和膨胀行程，曲轴转1圈，多数做主机。.膨胀行程： 活塞由上向下膨胀做功，首先打开排气口，废气靠自身压差排出气缸，随后打开扫气口，此时扫气压力大于缸内压力，新气进入气缸，直到活塞越过下止点上行时，先后关闭扫气口和排气口，换气结束。由此可见二冲程机换气不占单独行程。,25,压缩行程 : 排气口关闭后，活塞上行缸内空气被压缩，直到上止点前某点，提前喷油燃烧。 2、P-V图表示如图，2，为喷油提前角， 4为燃烧结束点，5-6-0-1-2为换气过程，利用扫气将废气排
6、出。 冲程失效系数：损失容积/几何工作容积,26,3、二冲程机换气形式（略讲）,二冲程柴油机是在活塞一上一下两个行程中完成吸气、压缩、膨胀、排气四个过程。活塞由上向下为膨胀行程，又下向上为压缩行程，扫气、排气不占单独的行程，只在活塞位于下止点附近的一段时间内完成，通常只占120-150CA，时间短，换气困难。针对二冲程机的换气特点介绍几种换气形式：,27,（1） 横流扫气,简图,28,结构特点： 缸盖无气阀，气缸下部对侧开有进气口和排气口，且排气口高于进气口，气口启闭靠活塞。 换气过程及路线： 活塞由上向下膨胀做功，在下止点前开始换气时，活塞顶部首先打开排气口，废气靠内外压差自由排出，继续下行
7、打开扫气口，由于此时扫气压力大于缸内压力，新气进入气缸沿缸壁由扫气口一侧上行，经过气缸顶部再沿另一侧向下直到排气口，将废气推出气缸。活塞越过下止点后，向上先关闭扫气后关闭排气。换气结束后活塞继续上行为压缩行程，经过喷油着火再次进行膨胀行程。,天津理工大学海运学院,29,优点： 结构简单，管理方便。 缺点：1）扫气路经长，新废气容易掺混，同时在顶部存在死角，扫气不干净，换气质量不好。2）废气侧与扫气侧存在温差，气缸下部容易变形。3）存在过后排气现象。4）扫排气口在柴油机两侧，不利增压管路布置。,为控制进气流向，扫气口特意设计成由外向内斜向上倾斜形状。,30,（2） 回流扫气,简图,31,结构特点
8、： 缸盖无气阀，气缸下部同侧开有进气口和排气口，排气口位于扫气口上方。换气过程及路线： 活塞由上向下膨胀做功，在下止点前开始换气时，活塞顶部首先打开排气口，废气靠内外压差自由排出，继续下行打开扫气口，由于此时扫气压力大于缸内压力，新气经过活塞顶到达对侧，沿缸壁向上再经过顶部沿气口侧缸壁下行到达排气口，将废气扫出气缸。随后活塞上行先后关闭扫气口、排气口，换气结束。同样在换气后期也会因排气关闭晚于扫气出现过后排气。,32,优点： 结构简单，管理方便，进排气口同侧便于增压管路布置。 缺点：1） 新气在缸内流动呈环形，路径最长信废气更容易掺混，换气质量最差。2） 气口总高度增加，有效行程减小。3） 存
9、在过后排气现象。4）气口同侧布置，气缸易变形。,33,3、 半回流扫气,34,结构特点：换气使用进排气口，且扫气口布置在排气口下方及两侧，排气管装有防止过后排气的回转阀。 换气过程及路线： 活塞由上向下膨胀做功，在下止点前开始换气时，活塞打开排气口之前回转阀已打开。当排气口打开时，废气靠内外压差自由排出，继续下行打开扫气口，新气在缸内同时存在横流和回流两种状态，活塞越过下止点向上运动，在关闭扫气口的同时，回转阀关闭，防止空气逸出，此后关闭排气口换气过程结束。,35,特点： 管路布置得到改善，设置回转阀防止过后排气具有横、回流特点，扫气效果是以上最好的。,36,4、 直流扫气,简图,37,结构特
10、点： 缸盖设有排气阀，起缸下部一圈扫气口。 换气过程及路径： 活塞由上向下膨胀做功，在下止点前某一角度时，排气阀打开随着活塞下行打开扫气口，由于扫气口在横向、纵向设有倾斜角，新气进入气缸后产生由下之上的螺旋气流形成气垫，将废气推出气缸。当活塞上行时关闭扫气口排气阀，换气结束。,38,特点：新气在缸内形成气垫，新废气不易掺混，换 气质量最好；排气阀可在扫气口关闭之前关闭，不但消除过后排气，还可实现额外充气。气缸下部温度均匀不易变形。 缺点： 气阀易磨损，气阀机构复杂。,39,总结,横流扫气弯流扫气 回流扫气 半回流扫气 气口-气口直流扫气 气口-气阀换气效果顺序： 好 坏 直流 半回流 横流 回
11、流,40,五、增压柴油机工作原理,利用增加进气空气压力的方法，来提高机器的功率称为增压。增压即提高进气压力，目的是提高功率。增压度：（增压后的功率-增压前功率）/增压前功率 表示增压后功率增加程度。增压比：增压压力/环境压力或增压器入口压力 表示增压后空气被压缩程度，或进气能量增加程度。,41,增压形式：机械式增压：利用柴油机机带泵，消耗机器的自身功率，因此超过一定增压度时，消耗的功大于获得的功而得不偿失。增压压力0.150.17MPa.,42,废气涡轮增压：机器上同轴安装废气涡轮机和压气机，利用废气在涡轮机内做功，带动压气机工作，因而有效利用废气能量，经济性好、效率高且功率增加。图1-13
12、中冷技术：在压气机和扫气箱之间设置中间冷却器，目的为降低压缩后的进气温度，进一步提高进气密度。增压压力0.300.35MPa.,44,复合增压:分为串联增压和并联增压。 增压压力：0.40.45MPa,45,3、增压分类：,按驱动能量分为：机械增压、废气涡轮增压和复合增压按增压压力分为：低、中、高和超高增压按废气能量利用方式分为：定压增压和脉冲增压按增压器组合分为：单独增压、串联增压和并联增压,46,串联增压,串联增压,47,并联增压,48,第二节、热力循环（略讲）,一、理论循环 内燃机三种理论循环，定容加热循环；定压加热循环；混合加热循环。 柴油机理论循环为混合加热循环，见图,49,热效率公
13、式 th=1-(k-1)/k-1 (-1)+k(-1) 式中： th理论热效率；压力升高比；初期膨胀比 压缩比；k绝热指数公式表明，热效率随着压缩比增加，压力升高比增大而提高；随着初期膨胀比增大而降低。,50,二、实际循环,柴油机实际循环与理论循环的区别,51,1、 工质不同 成分不同：理想气体无所谓成份；燃气由多种气体组成 比热不同：理想气体恒为1.4，实际气体随温度升高而升高； 实际气体存在高温分解，实际气体燃烧后摩尔数有所增加 2、 换气损失 3、 传热损失 实际循环压缩行程非绝热，压缩初期缸壁向气体传热n1k,总体考虑则气体向缸壁散热多些。 4、 时间损失 5、 燃烧损失 6、 漏泄损
14、失,52,第三节 柴油机的性能参数（略讲）,53,一、指示指标 1、平均指示压力 pi1) 假定大小不变的力pi，作用在活塞上，走一个行程刚好等于示功图表示的指示功。2）意义：表示单位气缸工作容积所做的功，用于比较各种机型单位工作容积的做功能力。,54,3)指示压力计算,先测取示功图，然后用面积仪求出图形面积f(2) 算出图形平均高度hi()， 设图形长度为L(),hi= f/ L ()pi= hi / m (pa) , m为示功器弹簧比例(/pa),55,测取示功图，沿垂直方向十等分，九点法，y1-y9 再在左右边线L/40处各取一点y0,y10,并取两者平均值即(y10+ y0)/2 计算
15、 pi= hi / m,56,4) pi比较： 四冲程机pi 二冲程pi 增压机pi 非增压pi,57,2、指示功率Pi,一个缸一个循环所做的功 单位时间整机所做功 （w）,其中：pi Vh 为一缸一个循环所作指示功 n/60 为每秒转数 m为冲程数，对单作用式，二冲程 m=1； 四冲程 m=1/2 I为气缸数,58,3、指示热效率 i,Gf每小时耗油量kg/h, Hu燃料低热值 42700Kj/kg4、指示油耗率 gi,59,二、有效指标,以曲轴上实际有效功率为基准的指标称为有效指标1、Pm为机械损失功率，包括以下几项：1） 摩擦损失 其中活塞缸套摩擦占主要部分，其次是各种轴承2） 拖动损失
16、 机带燃油泵、气阀机构等消耗3）排吸损失 非增压机排气压力大于进气，换气消耗的功。,60,2、机械效率m m计算复杂常由实验测得曲线，如图，出厂时给出。结论：m随负荷增加而增加，空载时为0； m随转速增加而降低。,61,3、有效功率Pe,Pe 可用计算法求出，根据实测示功图求得Pi及m 实验法，用测功器测得转矩Me和转速n,62,4、平均有效压力pe,63,5、有效油耗率ge,64,总结,65,三、其他常用参数,1、最高爆发压力 （1） 过大，机器尺寸大，笨重（2）过大，螺栓预紧力相应增加，结合面压力大（3）过大，破坏润滑加重磨损（4）过大，振动大，工作粗暴（5）适当增大有利改善效率,66,2
17、、排烟温度,说明热负荷大小 ，船用机550,67,3、活塞平均速度,活塞平均速度与磨损成正比影响机械负荷、热负荷和磨损情况，影响机器寿命。高则机械负荷、热负荷高、磨损加重，寿命缩短。对高速机不能太大，对低速机不能过小决定机器速度等级： 高速机 ：9.0-14.2 m/s 中速机 ：7.0-9.4 m/s 低速机 ：6.0-7.2 m/s,68,4、活塞行程缸径比s/d,在 和d不变时s/d大，则s大，机器高度大 s/d大， 由公式可知， 不变，s与n成反比，s增加则n降低，有利提高浆效率 s/d大，气缸单位容积散热面增大，有利降低热负荷 s/d 小，相对s小d大，在气缸容积不变时，余隙容积不变
18、，d大则余隙高度下降不利油气混合 s/d大，则s大，曲轴半径大，刚度下降 对换气有影响: 弯流扫气，s/d大，若s大换气质量下降，要求s/d12时不明显压缩比增加机械负荷升高，当代超长行程柴油机选择16-19压缩比增加冷启动性好，过高不利于油气混合,71,第四节 提高功率和经济性途经,一、提高功率1增加气缸直径和行程2增加气缸数3增加工作行程系数4提高转速5提高平均有效压力：减少磨损，采用滚珠轴承及提高润滑质量，最重要是采用增压技术,72,二、提高经济性途经,1、采用定压增压和高效增压器2、增加行程缸径比3、提高爆发压力和平均有效压力4、增加压缩比5、采用VIT6、提高机械效率7、采用动力涡轮
19、TCS8、轴带发电机PTO9、柴油机废热利用,2018年10月9日星期二,73,燃气轮机推进动力装置的特点,a. 单位功率的重量尺寸小；b. 启动加速性能好；c. 重量轻，体积小； d. 振动小，噪声小。,a. 主机没有反转性,配备换向系统或调距桨；b. 必须借助启动机械启动；c. 叶片材料昂贵，工作可靠性较差，寿命短；d. 进排气管道尺寸大，舱内布置困难。 e.生产厂家主要为两家国外公司(英国的rolls2royce 公司和美国的通用电气公司)低负荷下耗油率高,LM2500,2018年10月9日星期二,74,LNG船推进系统,传统采用锅炉汽轮机装置 日本建造的LNG多采用之，两台锅炉配一台汽
20、轮机 。 沪东中华造船(集团)承建的我国首制二艘LNG船的主动力装置就是采用锅炉汽轮机装置。该船为薄膜型、舱容147 200 m3、设计航速195节 二冲程低速柴油机 卡塔尔最新一代14艘最大的容量为265 000 m3的Qmax级LNG船每艘将由两台MAN B &W7S70ME-C电子控制的二冲程低速柴油机驱动,每台发动机在转速91 r/min下的额定输出功率为21 770 kW(单缸3 110 kW)。再液化技术为大型LNG船安装高效大功率的二冲程低速柴油机铺平了道路。与汽轮机装置比较,采用上述发动机推进的LNG船每年可节省200万到500万美元。,2018年10月9日星期二,75,LNG
21、船推进系统,双燃料柴油机 迄今第一艘由燃用BOG的Waertsilae 50DF双燃料柴油机电力系统(DFDE)驱动的LNG船75 000 m3的Gaz de France Energy已于2004年末投入营运。图2为驱动该船的DFDE系统。,双燃料柴油机的主要特点是:采用燃油和天然气(BOG)两种燃料,功率较大,体积小,重量轻,占LNG船舱内空间小,有害排放物少。双燃料柴油机通常用于驱动容量不超过155 000 m3的LNG船,2018年10月9日星期二,76,LNG船推进系统,COGES系统 对于在230 000265 000 m3载货量范围的大型LNG船,CO-GES(燃气轮机和汽轮机联
22、合的综合电力推进系统)是极具吸引力的。在COGES系统中,燃气轮机的排气排入余热锅炉。余热锅炉产生的蒸汽驱动汽轮机做功。燃蒸联合循环中的燃气轮机和汽轮机驱动发电机。发电机生产的电力驱动推进用电动机并向船舶总电网供电,燃蒸联合循环的效率约为45%50%。在使用低压蒸汽时,COGES系统的能量利用率高达80%。COGES系统具有燃料灵活性,可以燃用重燃油、蒸发气或两者的结合。,2018年10月9日星期二,77,LNG船推进系统,比较 锅炉汽轮机装置：功率大、可靠性高、使用寿命长、初投资费用和运行维护费用低。燃料效率只达到30%左右，,即使应用再热循环并提高蒸汽初参数,其效率也仅达到约345% 柴油机装置：低速机接近48%，初投资费用高、运行维护费用高、寿命较低等。尺寸重量要比燃气轮机装置大得多 燃气轮机热效率已达到40%、重量尺寸明显小于锅炉汽轮机装置和柴油机装置、机动性好、自动化程度高，可实现无人机舱运行,CO-GES装置的总运费率比双燃料柴油机低10%。它的缺点是使用寿命明显低于锅炉汽轮机装置,运行维护费用也比较高。,
