輪機(jī)工程導(dǎo)論-柴油機(jī).doc

輪機(jī)工程導(dǎo)論論文題目：輪機(jī)工程中的船舶柴油機(jī)院系：船舶與海洋工程學(xué)院班級： 船海0904班 姓名： 陳?？?學(xué)號： U200912246 論文摘要： 船舶發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷了蒸汽機(jī)，汽輪機(jī)，改進(jìn)的汽輪機(jī)（汽輪機(jī)與螺旋槳不同步轉(zhuǎn)動(dòng)），柴油機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)，核動(dòng)力機(jī)等各個(gè)時(shí)代。燃?xì)廨啓C(jī)和核動(dòng)力機(jī)在性能上優(yōu)于柴油機(jī)，但由于價(jià)格，能源節(jié)約等方面，柴油機(jī)是目前的商用和民用輪船上的主流發(fā)動(dòng)機(jī)。 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(jī)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)較高的技術(shù)水平。今后，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展將會(huì)對船用柴油機(jī)提出更高的要求，船舶柴油機(jī)也將繼續(xù)發(fā)展改進(jìn)。當(dāng)前柴油機(jī)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求，全面提高柴油機(jī)性能。 根據(jù)此發(fā)展目標(biāo)，今后的研究趨勢大致為：1 提高經(jīng)濟(jì)性的研究，包括燃燒、增壓、低磨損等的研究；2 降低柴油機(jī)的排放的研究，排放是現(xiàn)代柴油機(jī)面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn)，隨著對船舶柴油機(jī)排放控制的限制，使得經(jīng)濟(jì)性的提高更加困難，這也是船舶柴油機(jī)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(jī)的歷史與現(xiàn)狀 任何一門科學(xué)技術(shù)的發(fā)展總是與社會(huì)生產(chǎn)力的需要和當(dāng)時(shí)科學(xué)的發(fā)展水平相適應(yīng)的。18世紀(jì)初，英國資本主義生產(chǎn)力的發(fā)展促進(jìn)了1776年瓦特蒸汽機(jī)的發(fā)明，并由此開始了產(chǎn)業(yè)革命推動(dòng)了生產(chǎn)力的發(fā)展。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，這種熱機(jī)由于熱效率低以及過于笨重而又不適應(yīng)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展對新型動(dòng)力機(jī)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(jìn)氣、壓縮、膨脹、排氣）原理并發(fā)明了電點(diǎn)火的四沖程煤氣機(jī)。該煤氣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，熱效率可高達(dá)14，在當(dāng)時(shí)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(jī)。1892年德國工程師R. Diesel申請了壓縮發(fā)火內(nèi)燃機(jī)專利，并于1897年在MAN公司制成第一臺實(shí)際使用的柴油機(jī)（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(jī)有顯著提高。1904年柴油機(jī)首次用于船舶推進(jìn)裝置（294 kW，260 r/min）。從此在船舶領(lǐng)域里開始了與蒸汽推進(jìn)裝置的競爭局面。在此后40多年中，柴油機(jī)在自身逐步完善中有了很大發(fā)展，如1927年在柴油機(jī)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(shí)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(jī)，當(dāng)時(shí)由于增壓器制造水平的限制此項(xiàng)技術(shù)未能迅速推廣。但總的來看在與蒸汽推進(jìn)裝置競爭中無突破性進(jìn)展，在船舶使用中蒸汽推進(jìn)裝置仍占據(jù)領(lǐng)先地位。 從第二次世界大戰(zhàn)到20世紀(jì)50年代中后期，由于社會(huì)生產(chǎn)力的迅速發(fā)展對船舶推進(jìn)裝置提出了新的要求。柴油機(jī)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(xiàng)重大技術(shù)成果并逐步發(fā)展了船用低速柴油機(jī)系列。此期間在國外大致有八種船用低速柴油機(jī)型號（由八大船用柴油機(jī)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(jī)上的成功使用是船用低速柴油機(jī)發(fā)展中的重要里程碑。國外稱這一時(shí)期是船用低速柴油機(jī)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(dòng)力裝置的競爭中柴油機(jī)逐漸取得了領(lǐng)先地位。從20世紀(jì)60年代到70年代船用低速柴油機(jī)進(jìn)入了黃金時(shí)代，它在船舶動(dòng)力裝置中取得了明顯的壓倒優(yōu)勢。各船用柴油機(jī)廠之間開始進(jìn)行調(diào)整、合并、淘汰。柴油機(jī)技術(shù)趨于完善。20世紀(jì)70年代的兩次能源危機(jī)誘發(fā)了世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)。石油產(chǎn)品價(jià)格大幅度上漲使船舶柴油機(jī)的燃油費(fèi)用支出一躍占總營運(yùn)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(jī)的燃油支出費(fèi)用、提高柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性已成為第一要求。20世紀(jì)70年代末到80年代，各類節(jié)能型柴油機(jī)大量出現(xiàn)，機(jī)型更新周期大大縮短（甚至僅為2年3年），各類柴油機(jī)采用多種節(jié)能措施降低油耗率，努力提高柴油機(jī)的有效熱效率；同時(shí)由于供給船用柴油機(jī)的燃油質(zhì)量日益低劣，使得船用柴油機(jī)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(jī)的油耗率已降低到0.1550.160kg/kWh，有效熱效率可高達(dá)55。國外把這一時(shí)期船用柴油機(jī)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(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，柴油機(jī)的可靠性也有了長足的發(fā)展。各種先進(jìn)技術(shù)的運(yùn)用大大提高了船用柴油機(jī)的可靠性。當(dāng)前現(xiàn)代船用低速柴油機(jī)的吊缸周期已從20世紀(jì)60年代的50006000h提高到800012000h，甚至高達(dá)20000h。2、船舶柴油機(jī)的工作原理柴油機(jī)是一種壓縮發(fā)火的往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)。它的基本工作原理是使燃油直接在發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸中燃燒，將燃油的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能，從而生成高溫高壓的燃?xì)?，因燃?xì)馀蛎洠苿?dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，通過曲柄連桿對外做功，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。柴油機(jī)必須經(jīng)過進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣五個(gè)過程才能完成了一個(gè)工作循環(huán)。然后不斷重復(fù)進(jìn)行這些過程，使柴油機(jī)持續(xù)。 四沖程柴油機(jī)（非增壓）的工作原理 圖1-2-1所示是四沖程柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖。工作時(shí)活塞作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，曲軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。活塞改變運(yùn)動(dòng)方向瞬時(shí)的位置稱止點(diǎn)（死點(diǎn)），止點(diǎn)處的活塞瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)速度為零。離曲軸中心最遠(yuǎn)時(shí)的止點(diǎn)稱上止點(diǎn)（T.D.C.），最近時(shí)的止點(diǎn)稱下止點(diǎn)（B.D.C.）。 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(diǎn)間的距離稱活塞行程（沖程）S?；钊谐痰扔谇霃降膬杀?，即S=2R?；钊谏?、下止點(diǎn)間移動(dòng)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）。 活塞位于上止點(diǎn)時(shí)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(jī)的基本結(jié)構(gòu)顯然壓縮比是一個(gè)幾何概念，它與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)。用四個(gè)行程（曲軸回轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)）完成一個(gè)工作循環(huán)的柴油機(jī)稱四沖程柴油機(jī)。 圖1-2-2是四沖程柴油機(jī)的工作原理簡圖。圖的上部表示四個(gè)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(jìn)氣行程 活塞從上止點(diǎn)下行，進(jìn)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(jìn)氣閥一般在上止點(diǎn)前提前開啟（曲柄位于點(diǎn)1），在下止點(diǎn)后延遲關(guān)閉（曲柄位于點(diǎn)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(diǎn)上行，進(jìn)、排氣閥均關(guān)閉。上行的活塞對缸內(nèi)的空氣進(jìn)行壓縮，使其溫度和壓力均不斷升高（曲線2-3）。壓縮終點(diǎn)的壓力pc約為36MPa；溫度tc約為500700。燃油自燃溫度遠(yuǎn)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(jī)工作原理圖在上止點(diǎn)（壓縮終點(diǎn)）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(jìn)行，使缸內(nèi)的壓力和溫度都急劇升高，其最大值分別可達(dá)6MPa和15002000左右。在高溫高壓燃?xì)獾淖饔孟拢钊蛳逻\(yùn)動(dòng)作功，在上止點(diǎn)后某一時(shí)刻（圖中點(diǎn)4），燃燒基本結(jié)束，但高溫高壓燃?xì)饫^續(xù)膨脹作功推動(dòng)活塞下行。當(dāng)活塞到達(dá)下止點(diǎn)前某一時(shí)刻（圖中點(diǎn)5），排氣閥開啟，排氣過程開始。此時(shí)，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(diǎn)。 4排氣行程活塞由下止點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)，排氣閥繼續(xù)開啟著，上行的活塞將氣缸內(nèi)的廢氣強(qiáng)行推擠出去。為了實(shí)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(diǎn)前提前開啟，而且要在排氣行程結(jié)束的上止點(diǎn)后才關(guān)閉（圖中點(diǎn)6）。排氣閥開啟的延續(xù)角度（5-6）約為230260CA。3、柴油機(jī)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(diǎn)（TDC）：活塞在氣缸中運(yùn)動(dòng)的最上端位置，也就是活塞離曲軸中心線最遠(yuǎn)的位置。4) 下止點(diǎn)（BDC）：活塞在氣缸中運(yùn)動(dòng)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(diǎn)移動(dòng)到下止點(diǎn)間的直線距離。它等于曲軸曲柄半徑R的兩倍（S2R）。活塞移動(dòng)一個(gè)行程，相當(dāng)于曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)時(shí)，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) 余隙高度（頂隙）：上止點(diǎn)時(shí)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(diǎn)移動(dòng)到下止點(diǎn)時(shí)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(diǎn)時(shí)，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(jī)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(diǎn)的壓力、溫度愈高，柴油機(jī)易起動(dòng)，熱效率也高，過高使柴油機(jī)工作粗暴，機(jī)械負(fù)荷過大，磨損加劇，消耗壓縮功增大，機(jī)械效率降低，輸出功率減小?？赏ㄟ^改變Vc來調(diào)節(jié)。柴油機(jī)壓縮比約為1222。中、高速機(jī)壓縮比高于低速機(jī)。低速機(jī)：1315，中速機(jī)：1417，高速機(jī)：1522，增壓機(jī)：1114（低散熱少，增壓后Pc、Tc相應(yīng)高）。當(dāng)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(shí)現(xiàn)。4、柴油機(jī)的特性及分類： a. 速度特性：平均有效壓力Pe不變（測定時(shí)將油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定，Pe實(shí)際上略有變化），柴油機(jī)主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)隨轉(zhuǎn)速n變化的關(guān)系 b. 負(fù)荷特性: 當(dāng)轉(zhuǎn)速n不變，固定于某一設(shè)定值時(shí)，柴油機(jī)性能參數(shù)隨負(fù)荷（Pe）變化的關(guān)系。柴油機(jī)的負(fù)荷通常指柴油機(jī)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(fù)荷。c. 推進(jìn)特性：柴油機(jī)帶動(dòng)螺旋槳，按照螺旋槳特性工作時(shí)（Pe，n不再相互獨(dú)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(fù)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(jī)內(nèi)部的工作過程有關(guān)的參數(shù)的變化情況，而只標(biāo)出柴油機(jī)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(yàn)臺上把柴油機(jī)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(jī)的用途極為廣泛，型號較多，但不論何種柴油機(jī)，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(diǎn)而已。下面介紹一些常見的船舶柴油機(jī)分類型式：1) 按工作循環(huán)特點(diǎn)分：四沖程柴油機(jī)和二沖程柴油機(jī)。2) 按柴油機(jī)進(jìn)氣方式分：增壓柴油機(jī)和非增壓柴油機(jī)。3) 按柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和活塞平均速度分： 柴油機(jī)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(jī)可分為：低速機(jī)、中速機(jī)、高速機(jī)。 低速機(jī)具有經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，廣泛用于大型海輪主機(jī)。中速機(jī)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(jī)還具有重量輕、尺寸小，可多臺柴油機(jī)聯(lián)用等特點(diǎn)，它多用作河船和部分海船的主機(jī)。近年來由于中速機(jī)單機(jī)功率提高，用作海船主機(jī)的數(shù)量有了明顯增加。高速柴油機(jī)在船上常用作應(yīng)急發(fā)電機(jī)、應(yīng)急救火泵、救生艇等的原動(dòng)機(jī)，或作為河船、機(jī)帆船等小型船舶的主機(jī)。4) 按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分：筒形活塞式柴油機(jī)和十字頭式柴油機(jī)。5) 按