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关于船用柴油机

2018-05-09 
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关于船用柴油机
船用柴油机的热效率高、经济性好、起动容易、对各类船舶有很大适应性,问世以后很快就被用作船舶推进动力。至20世纪50年代,在新建造的船舶中,柴油机几乎完全取代了蒸汽机。船用柴油机已是民用船舶、中小型舰艇和常规潜艇的主要动力。船用柴油机按其在船舶中的作用可分为主机和辅机。主机用作船舶的推进动力,辅机用来带动发电机、空气压缩机或水等。
船用柴油机一般分为高速、中速和低速柴油机,表中列出3类柴油机的主要性能指标。

船用主机大部分时间是在满负荷情况下工作,有时在变负荷情况下运转。船舶经常在颠簸中航行,所以船用柴油机应能在纵倾15°~25°和横倾15°~35°的条件下可靠工作。大多数船舶采用增压柴油机,小功率非增压柴油机仅用在小艇上。低速柴油机多数为二冲程机,中速柴油机多数为四冲程机,而高速柴油机则两者皆有。船用二冲程柴油机的扫气形式有回流扫气、气口- 气门式直流扫气和对置活塞式气口扫气。大功率中、低速柴油机广泛采用重油作为燃料,高速柴油机仍多用轻柴油。 

直接驱动螺旋桨,为了使螺旋桨有高的推进效率,要求有较低的转速。中、高速柴油机通过齿轮减速箱驱动螺旋桨,齿轮箱一般还装有倒顺车机构以实现螺旋桨逆转,但低速柴油机和部分中速柴油机本身可以自行逆转。中、高速柴油机也有通过发电机 -电动机- 螺旋桨而实现电传动的。当要求功率较大时也可采用多机并车,低速航行时可以只用一台主机工作,从而提高运行经济性和可靠性。同船安装两台主机时,根据安装位置和螺旋桨的转向,分为左机和右机。

一般船用柴油机要经过船级社检验认可才可以允许使用,世界主要船级社有:
American Bureau of Shipping 美国船级社。缩写为 A.B.S.
Bureau Veritas 法国船级社。缩写为 B.V.
Det Norske Veritas 挪威船级社。缩写为 D.N.V.
Germanischer Lloyd 德国船级社。缩写为 G.L.
Lloyd’s Register of Shipping 劳埃德船级社。英国船级社。英国劳氏协会缩写:LR.
Nippon Kaiji Kyokai 日本船级社。缩写为 N.K.K.
Registro Italiano Navale 意大利船级社。缩写为 R.I.N.A.
Korean Register of Shipping 韩国船级社。缩写为:KR.
China Classification Society 中国船级社。缩写为C.C.S.
Hellenic Register of Shipping 希腊船级社。缩写为: HRS.
India Register of Shipping 印度船级社 缩写为:IRS.
Polish Register of Shipping 波兰船舶登记局 缩写为:PRS.
International Association of Classification Societies (I.A.C.S.)国际船级社联合会。

船用柴油机的工作原理:

二冲程柴油机
通过活塞的两个冲程完成一个工作循环的柴油机称为二冲程柴油机,油机完成一个工作循环曲轴只转一圈,与四冲程柴油机相比,它提高了作功 能力,在具体结构及工作原理方面也存在较大差异。
二冲程柴油机与四冲程柴油机基本结构相同,主要差异在配气机构方面。二冲 程柴油机没有进气阀,有的连排气阀也没有,而是在气缸下部开设扫气口及排气口;或设扫气口与排气阀机构。并专门设置一个由运动件带动的扫气泵及贮存压力空气的扫气箱,利用活塞与气口的配合完成配气,从而简化了柴油机结构。图是二冲程柴油机工作原理图。扫气泵附设在柴油机的一侧,它的转子由柴油机带动。空气从泵的吸入吸入,经压缩后排出,储存在具有较大容积的扫气箱中,并在其中保持一定的压力。

四冲程柴油机
柴油机的工作是由吸气、压缩、做功和排气这四个过程来完成的,这四个过程构成了一个工作循环。活塞走四个过程才能完成一个工作循环的柴油机称为四冲程柴油机。现对照上面的动画了说明它的工作理原。
第一冲程——吸气,它的任务是使气缸内充满新鲜空气。当吸气冲程开始时,活塞位于上止点,气缸内的燃烧室中还留有一些废气。
当曲轴旋转肘,连杆使活塞由上止点向下止点移动,同时,利用与曲轴相联的传动机构使吸气阀打开。
随着活塞的向下运动,气缸内活塞上面的容积逐渐增大:造成气缸内的空气压力低于进气管内的压力,因此外面空气就不断地充入气缸。
进气过程中气缸内气体压力随着气缸的容积变化的情况如动画所示。图中纵坐标表示气体压力P,横坐标表示气缸容积Vh(或活塞的冲S),这个图形称为示功图。图中的压力曲线表示柴油机工作时,气缸内气体压力的变化规律。从土中我们可以看出进气开始,由于存在残余废气,所以稍高于大气压力P0。在进气过程中由于空气通过进气管和进气阀时产生流动阻力,所以进气冲程的气体压力低于大气压力,其值为0.085~0.095MPa,在整个进气过程中,气缸内气体压力大致保持不变。
当活塞向下运动接近下止点时,冲进气缸的气流仍具有很高的速度,惯性很大,为了利用气流的惯性来提高充气量,进气阀在活塞过了下止点以后才关闭。虽然此时活塞上行,但由于气流的惯性,气体仍能充人气缸。
第二冲程——压缩。压缩时活塞从下止点向上止点运动,这个冲程的功用有二,一是提高空气的温度,为燃料自行发火作准备:二是为气体膨胀作功创造条件。当活塞上行,进气阀关闭以后,气缸内的空气受到压缩,随着容积的不断细小,空气的压力和温度也就不断升高,压缩终点的压力和湿度与空气的压缩程度有关,即与压缩比有关,一般压缩终点的压力和温度为:Pc=4~8MPa,Tc=750~950K。
柴油的自燃温度约为543—563K,压缩终点的温度要比柴油自燃的温度高很多,足以保证喷入气缸的燃油自行发火燃烧。
喷入气缸的柴油,并不是立即发火的,而且经过物理化学变化之后才发火,这段时间大约有0.001~0.005秒,称为发火延迟期。因此,要在曲柄转至上止点前10~35°曲柄转角时开始将雾化的燃料喷入气缸,并使曲柄在上止点后5~10°时,在燃烧室内达到最高燃烧压力,迫使活塞向下运动。
第三冲程——做功。在这个冲程开始时,大部分喷入燃烧室内的燃料都燃烧了。燃烧时放出大量的热量,因此气体的压力和温度便急剧升高,活塞在高温高压气体作用下向下运动,并通过连秆使曲轴转动,对外作功。所以这一冲程又叫作功或工作冲程。
随着活塞的下行,气缸的容积增大,气体的压力下降,工作冲程在活塞行至下止点,排气阀打开时结束。
在动画中,工作冲程的压力变化这条线上升部分表示燃料在气缸内燃烧时压力的急剧升高,最高点表示最高燃烧压力Pz,此点的压力和温度为:
Pz=6~15MPa, Tz=1800~2200K
最高燃烧压力与压缩终点压力之比(Pz/Pc),称为燃烧时的压力升高比, 用λ表示。根据柴油机类型的不同,在最大功牢时λ值的范围如下:λ=Pz/Pc=1.2~2.5。
第四冲程——排气。排气冲程的功用是把膨胀后的废气排出去,以便充填新鲜空气,为下一个循环的进气作准备。当工作冲程活塞运动到下止点附近时,排气阀开起,活塞在曲轴和连杆的带动下,由下止点向上止点运动,并把废气排出气缸外。由于排气系统存在着阻力,所以在排气冲程开始时,气缸内的气体压力加比大气压力高0.025—0.035MPa,其温度Tb=1000~1200K。为了减少排气时活塞运动的阻力,排气阀在下止点前就打开了。排气阀一打开,具有一定压力的气体就立即冲出缸外,缸内压力迅速下降,这样当活塞向上运动时,气缸内的废气依靠活塞上行排出去。为了利用排气时的气流惯性使废气排出得干净,排气阀在上止点以后才关闭。
在动画中,排气冲程曲线表示在排气过程中,缸内的气体压力几乎是不变的,但比大气压力稍高一些。排气冲程终点的压力Pr约为0.105~0.115MPa,残余废气的温度Pr约为850~960K。
由于进、排气阀都是早开晚关的;所以在排气冲程之末和进气冲程之初,活塞处于上止点附近时,有一段时间进、排气阀同时开起,这段时间用曲轴转角来表示,称为气阀重叠角。
排气冲程结束之后,又开始了进气冲程,于是整个工作循环就依照上述过程重复进行。由于这种柴油机的工作循环由四个活塞冲程即曲轴旋转两转完成的,故称四冲程柴油机。
在四冲程柴油机的四个冲程中,只有第三冲程即工作冲强才产生动力对外作功,而其余三个冲程都是消耗功的准备过程。为此在单缸柴油机上必须安装飞轮,利用飞轮的转动惯性,使曲轴在四个冲程中连续而均匀地运转。

船用柴油机结构优势:
1. 独特的框架式主轴承结构,机体刚度高、振动幅度小、噪音分贝低。
2. 一个缸一个盖,方便整车维修处理,降低维修消耗费用。
3. 主要零部件时时全球采购,实现了发动机高配置。
4. 柴油机附件安装齐全,空气冷却器、海淡水热交换器等安装在柴油机上,便于机舱布置。
5. 柴油机冷却系统采用内外双循环水冷方式,内循环用淡水对柴油机进行冷却,外循环用海水通过海淡水热交换器对淡水冷却,提高了柴油机使用寿命。
6. 完善的保护和控制系统,采用柴油机职能监控仪,可对柴油机的转速、水温、机油温度及压力等自动测量显示,当柴油机参数超限时能自动报警和停机,可选配远程控制仪。
7. 优良设计,采用水套排气管,保持机舱温度低。
8. 配套适应性好,WD615C、WD618C系列柴油机飞轮、飞轮壳、柴油机监控仪表、水套排气管、海水泵等零部件通用。柴油机安装尺寸、飞轮及飞轮壳尺寸也相同,方便了配套和维修。
9. 曲轴前端皮带轮预留有皮带轮槽及联接法兰盘,供用户外接动力输出装置使用。
 
船舶新闻 责任编辑:ricky
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