船舶主柴油机实船工况分析毕业论文(编辑修改稿)

船舶主柴油机实船工况分析毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

然后排气阀也关闭；空气在气缸内受到压缩。 第二冲程 活塞从上止点向下止点运动。 活塞行至上止点前，喷油器将燃油喷入燃烧室中，压缩空气所产生的高温，立刻点燃雾化的燃油，燃烧所产生的压力，推动活塞下行，直到排气阀再打开时为止。 燃烧后的废气在内外压力差的作用下，自行从排气阀排出。 当进气孔 被活塞打开后，气缸内又进行扫气过程。 四 冲程柴油机的工作循环经历 进气、压缩、做功和排气四个冲 程。 柴油机在进气冲程吸人的是纯空气，在压缩冲程接近结束时，由喷油泵将高压柴油通过喷油器以雾状喷人气缸，在短时间内与压缩后的高温、高压空气混合，形成可燃混合气。 混合气温度大大超过柴油的自燃点，柴油喷人气缸后，在很短的时间内即自行着火燃烧，燃气压力急剧上升，温度急剧升高，在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转 做 功。 废气则经排气门、排气管等处排人大气。 四冲 柴油船舶主柴油机实船工况分析 4 机在一个工作循环中，只有一个冲 程做 功，其余三个冲 程都是为做 功冲 程创造条件的辅助行程。 因此，单缸发动机工作不平稳，需要通过飞轮等保证其圆周运动。 现代柴油机大多采用多缸结构 ，在多缸发动机中，所有气缸的做功行程并不同时进行，而尽可能有一个均匀的做 功间隔。 例如六缸发动机，在完成一个工作循环中，曲轴旋转两周即 720 度，曲轴转角每隔 120 度就有一个气缸做功。 因而多缸发动机曲轴运转均匀，工作平稳，并可获得足够大的功率。 低速级中速机高速机的应用 根据转速不同，船舶柴油机可分为 低速 柴油机（ n≤ 300 r/min）、 中速 柴油机（ 300＜ n≤ 1,000 r/min） 和高速柴油机 （ n＞ 1,000r/min）。 低速船用柴油机的特点是转速低（低于 300 转 /分）、缸径大、冲程长、输出功率大，多用于 1 万马力以上的柴油机。 低速柴油机结构上一般采用直列气缸、二冲程、多缸并联、十字头结构，具有大气缸，长行程，高压缩等特点。 低速机一般 可 直接驱动大直径螺旋桨， 能实现反转，省去 了齿轮减速箱等传动要求，降低了成本， 加之可以使用低质燃料油，运营 成本远低于其它种类发动机。 在大型商船上，低速柴油机装量占绝对统治地位。 目前几乎世界上所有的大型商船都使用柴油机驱动。 中速柴油机转速在 3501,200 转 /分之间， 其体积较小，重量比轻，制动速度快。 大功率中速机主要用于客运班轮、作业船、滚装船等。 近年来，中速机在开发大缸径、提高整机功率方面做了大量工作，并在燃用劣质燃油、降低油耗、提高零部件的可靠性、提高使用寿命及高增压等方面取得显著成效。 船舶柴油机发展趋势 国际海事组织（ IMO）决定从 2020 年 1 月 1 日起实施 IMO Tier II 排放法规。 与 IMO Tie I 相比， IMO Tier II 排放法规氮氧化合物（ NOX）必须降低 20%， IMO Tier III 排放法规则规定降低 80%。 未来 5～ 10 年间， “京都议定书 ”及最近的 ’哥本哈根协议 ”也将生效，这些协议要求减少 CO2的排放量。 因此，未来船舶柴油机面临着既要降低排放，又要降低耗油率的双重挑战。 调节喷油规律是减少 NOX排放主要手段之一。 NOX排放量越低，对喷油量的控制精度要求越高。 传统柴油机使用的是机械控制系统，其响应特性、控制精度等均不能满足柴油机控制最优化的要求；同时，传统柴油机的设计指标是为额定工况优化的，而船舶行驶机动过程中，要求的柴油机运行区域很广，很多时候是偏离了额定工况的，此时柴油机的运行效率就会明显下降；再次，传统柴油机的燃料喷射系统是按照燃烧热效率最高来设计的，对燃烧过程中排放的大气污染物重视不够，在越来越重视污染控制的今天，也是不能满足要求的。 船舶主柴油机实船工况分析 5 随着电子技术和计算机技术的迅速发展，柴油机控制向机电一体化方向发展，从而迈出了柴油机发展史上第三次革命 电控发动机的步伐。 由于电子技术的发展，柴油机运行信息的实时获取能力有了极大的提高，而微型计算机的出现，使得信息处理的能力有了质的飞跃。 利用电子控制技术，柴油机可以将原来相当一部分机械传动的控制机构改为由电磁阀及相应的控制机构取代，可以实现高精度的实时精确控制，从而能够在广泛的运行区域内实现对柴油机运行工况的最优化控制，使得柴油机性能得到大幅度的提高。 由于柴油机的工作主要依赖燃料喷射燃烧来实现，电控喷油系统也就顺理成章的成为了电控柴油机的重点发展方向。 第一代电控喷油系统是在传统的高压油泵 喷油器的组合中，结 合了高速电磁阀进行喷射控制，其实现较为简单，但喷射压力和喷油量调节范围仍然受到了传统油泵的工况限制，尚未达到最优化控制的要求。 为了进一步改进燃料喷射燃烧的控制效果，出现了第二代电控喷油系统 高压共轨式电控喷油系统，该系统使用了一个具有较大容量的高压燃油蓄压器（油轨）取代传统的高压油泵，另外设置专用的补油高压泵向油轨供油。 由于蓄压器内的燃油压力远大于常见传统高压油泵的最大喷射压力，燃油喷射时的雾化程度更高，燃烧更完全，同时电磁阀可以在整个喷射过程中进行精确的喷射控制，无需顾虑传统喷射系统中燃油喷射压力下降的问 题（由于油轨容积远大于单次最大喷油量，油轨内压力可视为基本上保持不变），不仅可以保证低工况时燃油的良好燃烧，改善低速时的转矩，还可以降低废气中污染物质的排放。 由于循环供油量和喷油状态之间的差异变化很小，柴油机的动力性能也得到了显著的改善。 目前，世界上主要的柴油机研发企业都已经在新一代柴油机上普及了共轨式燃油喷射系统。 随着柴油机电控技术的进一步发展，未来具有更强控制能力和更好控制效果的 “智能型 ”柴油机将会是发展的主要方向。 当前船舶柴油机发展的基本目标仍然是强化、低耗、可靠、低排放和大功率，也可以概括为：以 节能为中心，充分兼顾到排放与可靠性的要求，全面提高柴油机性能。 根据此发展目标，今后船舶柴油机的研究和发展趋势仍然在下列几个方面 : 提高经济性的研究、柴油机电子控制技术的研究、降低柴油机排放的研究 进一步提高柴油机的强化程度和提高柴油机的单缸和单机功率、改进柴油机的结构和提高可靠性与耐久性的研究以及 代用燃料的研究 [1]。 本章小结： 本章主要介绍了船舶柴油机的发展 ， 分析了船舶柴油机的工作原理和内部结构。 船舶主柴油机实船工况分析 6 二、船舶主动力柴油机运行分析 柴油机特性 船舶柴油机的特性反映出柴油机的动力性，经济性，和使用性能，它是柴油机的固有特性。 由于在实际设计和使用过程中柴油机的应用场合和其工作条件的不同，它的性能指标和工作参数存在很大的差役。 对柴油机特性的分析研究对合理使用柴油机特别是降低柴油机工作成本又很大的意义。 速度特性 柴油机平均有效压力 pe 保持不变，有效功率 Pe 随船舶柴油机的转速 n 改变而改变，称该特性为速度特性。 图 柴油机速度特性曲线 负荷特性 柴油机的运转转速 n 保持恒定，通过改变船舶柴油机的平均有效压力 pe 来改变有效功率 pe，称该特性为负荷特性。 船舶主柴油机实船工况分析 7 图 柴油机负荷特性曲线 推进特性 船舶柴油机按照螺旋桨的特性正常工作时，各性能指标和工作参数随转速 (或负荷 )变化的规律，称为柴油机的推进特性。 柴油机的特性曲线是船舶设计人员选用柴油机的重要依据。 柴油机有诸多特性曲线，其中对于船舶设计最为重要的是功率 —转速特性（ P= f ( n )）及燃油消耗率 —转速、负荷特性（ g = f (n,p)）。 船用柴油机工况曲线 柴油机作为驱动机械结构运转的动力，其功率和转速是按照其带动的工作机械所需的功率和转速而变化的。 在目前柴油机船舶上，柴油机主要作为推进主机、发电机原动机和应急发动机（应急发电机、空压机和消防泵的原动机）。 根据目前柴油机在大型船舶上应用的不同条件，概括起来有三类工况：发电机工况、螺旋桨工况和 其他工况。 本文主要针对柴油机作为推进主机是的螺旋桨工况进行分析[2]。 船舶主柴油机实船工况分析 8 图 船用柴油机工况曲线 曲线 1： .发电机工况 曲线 2：螺旋桨工况 曲线 3：其他工况 船用柴油机选型区域 每种型号的船舶柴油机都有其自己的选型区域（ layout diagram），区域内任何一工况点都能被选定为约定最大持续功率（ CMCR 或 SMCR）。 约定最大功率是指船东和厂商商定的船舶实际运行过程中使用的最大功率。 再确定完最大持续功率后，柴油机的运行范围即可确定。 目前世界上最大的两家船舶柴油机供应商 MAN 和瓦锡兰公司都会提供他们设计生产的柴油机的选型区域。 船舶柴油机选型图 该主机适用选型区域按照功率与转速的组合进行定义： L1 L2 L3 与 L4， 其中 L1 表示额定 MCR。 选型区域内转速与功率的任一组合均能用于选择选定最大持续功率 (SMCR) 点。 （ L1L2为 100%nb 等转速线， L3L4为 75%nb 等转速线，L1L3为 100%Pb 平均有效压力线， L2L4 为 80%Pb 平均有效压力线。 ） 船舶主柴油机实船工况分析 9 图 MAN船舶柴油机选型图 瓦锡兰船舶柴油机选型图 该主机适用选型区域按照功率与转速的组合进行定义： R1， R2， R3，与 R4。 其中 R1表示为船舶柴油机最大持续功率（ MCR 即标定功率）。 选型区域内转速与功率的任一组合均能用于选择选定最大持续功率 (SMCR) 点。 （ R2 为 100%标定转速和 55%标定功率的交点， R3为 72%标定转速和 100%标定功率的交点， R4为72%标定转速和 55%标定功率的交点。 ） 图 瓦锡兰船舶柴油机选型图 船舶主柴油机实船工况分析 10 螺旋桨推进特性 推进特性 船舶推进系统中，船体、主机、螺旋桨三者处在同一推进系统中，组成一个有机统一的整体。 当要求船舶在某一工况下航行时，决定了机、桨的运转点。 当柴油机作为船舶主机带动螺旋桨工作时，二者总是必须要保持能量平衡。 在稳定运转的条件下，如果不计如传动带来的损失，主机发出的功率Ｐ e 和转矩Ｍ e 等于螺旋桨的吸收功率 Pp 和转矩 Mp。 因为螺旋桨所需的功率与转速的三次方成正比，船舶主动力装置带动螺旋桨工作时就必须满足螺旋桨运行中的功率要求。 如前所述，不计传动损失螺旋桨的吸收功率就等于主机功率。 这样，主机功率 Pe 与转速也是三次方关系，Ｐ e= Pp＝Ｃ np3（ kW)。 根据螺旋桨理论，桨的推力 FP和转矩 MP符合下列公式 : Fp = KFρnp2D4 Mp = Kmρnp2D5 式中： ρ——水的密度， kg/m３ D——螺旋桨直径， m； np——螺旋桨转速， r/min； KF——推力系数； Km——转矩系数。 KF、 Km均为螺旋桨进程比 λp 的函数。 它们间的变化关系由实验测得 ,如图所示： 图 螺旋水动力桨特性曲线 船舶主柴油机实船工况分析 11 螺旋桨特性曲线 进程比λ p 是指螺旋桨每转一转实际产生的位移与螺旋桨直径 D 之比，即： λp＝ vp／ （ npD） ＝ hp／ D 式中： hp——螺旋桨每一转的进程； v ——船速。 λp 是螺旋桨水动力性能的一个重要参数。 对一定的螺旋桨， λp 取决于船舶的航行状态，即取决于船舶的航 行工况。 当船舶在某一工况下稳定航行时，螺旋桨就 有一个固定的λ p 值， KF和 Km相应有一对应值。 从图 94 中可看到，λ p 减小时，KF和 Km 增大，可视为 Fp 和Ｍ p 都增加。 当λ p=0 时， KF和 Km达最大值。 此时当 np 一定时 Fp 和 Mp 达到最大值，这相当于系泊试验或船舶起航的情况 (即 vp＝ 0)。