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柴油機的概述及發展趨勢

發布日期:2017-09-27 作者: 點擊:

一、柴油機的概述 

1.熱機      

熱機是指把熱、能轉換成機械能的動力機械。蒸汽機、蒸汽輪機以及柴油機、汽油機等是熱機中較典型的機型。      

蒸汽機與蒸汽輪機同屬外燃機。在該類機械中,燃燒(燃料的化學能轉變成熱、能)發生在汽缸外部(鍋爐),熱、能轉變成機械能發生在汽缸內部。此種機械由于熱、能需經某中間工質(水蒸氣)傳遞,必然存在熱損失,所以它的熱效率不高,況且整個動力裝置十分笨重。在能源問題十分突出的當前,它無法與內燃機競爭,因而已經在船舶動力裝置中消失。  

2.內燃機      

汽油機、柴油機以及燃氣輪機同屬內燃機。雖然它們的機械運動形式(往復、回轉)不同,但具有相同的工作特點──都是燃料在發動機的氣缸內燃燒并直接利用燃料燃燒產生的高溫高壓燃氣在氣缸中膨脹作功。從能、量轉換觀點,此類機械能、量損失小,具有較高的熱效率。另外,在尺寸和重量等方面也具有明顯優勢,因而在與外燃機競爭中已經取得明顯的領--先地位。     

在內燃機中根據所用燃料不同,可大致分為汽油機、煤氣機、柴油機和燃氣輪機。它們都具有內燃機的共同特點,但又都具有各自的工作特點。由于這些各自不同的特點使它們在工作原理、工作經濟性以及使用范圍上均存在一定差異。如汽油機使用揮發性好的汽油做燃料,采用外部混合法(汽油與空氣在氣缸外部進氣管中的汽化器進行混合)形成可燃混合氣。缸內燃燒為電點火式(電火花塞點火)。這種工作特點使汽油機不能采用高壓縮比,因而限制了汽油機的經濟性不能大幅度提高,而且也不允許作為船用發動機使用(汽油的火災危險性大)。但它廣泛應用于運輸車輛。  

3.柴油機  

柴油機是一種壓縮發火的往復式內燃機。它使用揮發性較差的柴油或劣質燃料油做燃料。采用內部混合法(燃油與空氣的混合發生在氣缸內部)形成可燃混合氣;缸內燃燒采用壓縮式(靠缸內空氣壓縮形成的高溫自行發火)。這種工作特點使柴油機在熱機領域內具有高的熱效率(已達到 55%左右),而且允許作為船用發動機使用。因而,柴油機在工程界應用十分廣泛。尤其在船用發動機中,柴油機已經取得了地位。  根據英國勞氏船級社統計,1985年全世界制造的船舶中(2000t以上)以柴油機作為推進裝置者占99.89%,而到1987年100%為柴油機船。船用主機經濟性、可靠性、壽命是第--位,尺寸、重量是第二位,低速機適用作船用主機,大功率四沖程中速機適用作滾裝船和集裝箱船,中、高速機適用作發電機組。

柴油機通常具有以下突出優點:      

(1)經濟性好。有效熱效率可達50%以上,可使用廉價的重油,燃油費用低。     

(2)功率范圍寬廣,單機功率從0.6kW~45600kW,適用的領域廣。

(3)尺寸小,重量輕,有利于船舶機艙布置。      

(4)機動性好。起動方便,加速性能好,有較寬的轉速和負荷調節范圍,可直接反轉,能適應船舶航行的各種工況要求。     

同時,柴油機也具有以下缺點:      

(1)存在機身振動、軸系扭轉振動和噪音。  

(2)某些部件的工作條件惡劣,承受高溫、高壓并具有沖擊性負荷。  

二、現代船用柴油機的發展趨勢      

經過近幾十年尤其是近十年的發展,現代船用柴油機已經發展到一個較高的技術水平。今后,隨著生產力的發展,將會對船用柴油機提出更高的要求,船舶柴油機也將繼續發展改進。當前柴油機的發展可以概括為:以節能為中心,充分兼顧到排放與可靠性的要求,全面提高柴油機性能。

根據此發展目標,今后的研究趨勢大致為:  

1)提高經濟性的研究,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,排放是現代柴油機面臨的嚴重挑戰,隨著對船舶柴油機排放控制的限制,使得經濟性的提高更加困難,這也是船舶柴油機發展中的新課題;  

3)提高可靠性與耐久性的研究; 

4)電子控制技術的研究; 

5)代用燃料的研究。  

現代船用柴油機提高經濟性的主要措施  現代船用大型低速柴油機近十多年在提高經濟性方面取得的成效超過了過去幾十年。

各種節能措施相繼出現并日趨完善,這些措施主要有:    

1)采用定壓渦輪增壓系統和高效率廢氣渦輪增壓器。     

2)增、大行程缸徑比S/D。      

3)提高爆發壓力pz與平均有效壓力pe之比pz/pe。 

4)增、大壓縮比ε。          

5)采用可變噴油定時(VIT)機、構。     

6)降低摩擦損失功提高機械效率ηm。     

7)采用動力渦輪系統(TCS)。     

8)軸帶發電機(PTO)。     

9)柴油機廢熱再利用。     

10)改進噴射與燃燒技術。  

現代船用低速柴油機的結構特點    

1)燃燒室部件普遍采用鉆孔冷卻結構。     

2)采用旋轉式排氣閥及液壓式氣閥傳動機、構。     

3)噴油泵采用可變噴油定時(VIT)機、構。     

4)采用薄壁軸承。      

5)采用獨立的氣缸潤滑系統。 

6)曲軸上增設軸向減振器。     

7)焊接曲軸。     


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