基本介紹
- 中文名：船用柴油機
- 外文名：marine diesel engine
- 發展趨勢：改進增壓技術
- 優勢：熱效率高、經濟性好、起動容易
- 分類：高速、中速和低速柴油機
- 屬性：船舶動力裝置
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介紹
簡介與運用
船用主機大部分時間是在滿負荷情況下工作，有時在變負荷情況下運轉。船舶經常在顛簸中航行，所以船用柴油機應能在縱傾15°～25°和橫傾15°～35°的條件下可靠工作。大多數船舶採用增壓柴油機（見內燃機增壓），小功率非增壓柴油機僅用在小艇上。低速柴油機多數為二衝程機，中速柴油機多數為四衝程機，而高速柴油機則兩者皆有。船用二衝程柴油機的掃氣形式有回流掃氣、氣口- 氣門式直流掃氣和對置活塞式氣口掃氣。大功率中、低速柴油機廣泛採用重油作為燃料，高速柴油機仍多用輕柴油。
低速柴油機
直接驅動螺旋槳，為了使螺旋槳有高的推進效率，要求有較低的轉速。中、高速柴油機通過齒輪減速箱驅動螺旋槳，齒輪箱一般還裝有倒順車機構以實現螺旋槳逆轉，但低速柴油機和部分中速柴油機本身可以自行逆轉。中、高速柴油機也有通過發電機 -電動機- 螺旋槳而實現電傳動的。當要求功率較大時也可採用多機並車，低速航行時可以只用一台主機工作，從而提高運行經濟性和可靠性。同船安裝兩台主機時，根據安裝位置和螺旋槳的轉向，分為左機和右機。
船級分類
一般船用柴油機要經過船級社檢驗認可才可以允許使用，世界主要船級社有：
American Bureau of Shipping 美國船級社。縮寫為 A.B.S.
Bureau Veritas 法國船級社。縮寫為 B.V.
Det Norske Veritas 挪威船級社。縮寫為 D.N.V.
Germanischer Lloyd 德國船級社。縮寫為 G.L.
Lloyd’s Register of Shipping 勞埃德船級社。英國船級社。英國勞氏協會縮寫：LR.
Nippon Kaiji Kyokai 日本船級社。縮寫為 N.K.K.
Registro Italiano Navale 義大利船級社。縮寫為 R.I.N.A.
Korean Register of Shipping 韓國船級社。縮寫為：KR.
China Classification Society 中國船級社。縮寫為C.C.S.
Hellenic Register of Shipping 希臘船級社。縮寫為： HRS.
India Register of Shipping 印度船級社 縮寫為：IRS.
Polish Register of Shipping 波蘭船舶登記局 縮寫為：PRS.
International Association of Classification Societies （I.A.C.S.）國際船級社聯合會。
工作原理
二衝程柴油機
通過活塞的兩個衝程完成一個工作循環的柴油機稱為二衝程柴油機，油機完成一個工作循環曲軸只轉一圈，與四衝程柴油機相比，它提高了作功 能力，在具體結構及工作原理方面也存在較大差異。
二衝程柴油機與四衝程柴油機基本結構相同，主要差異在配氣機構方面。二沖 程柴油機沒有進氣閥，有的連排氣閥也沒有，而是在氣缸下部開設掃氣口及排氣口；或設掃氣口與排氣閥機構。並專門設定一個由運動件帶動的掃氣泵及貯存壓力空氣的掃氣箱，利用活塞與氣口的配合完成配氣，從而簡化了柴油機結構。圖是二衝程柴油機工作原理圖。掃氣泵附設在柴油機的一側，它的轉子由柴油機帶動。空氣從泵的吸入吸入，經壓縮後排出，儲存在具有較大容積的掃氣箱中，並在其中保持一定的壓力。
四衝程柴油機
柴油機的工作是由吸氣、壓縮、做功和排氣這四個過程來完成的，這四個過程構成了一個工作循環。活塞走四個過程才能完成一個工作循環的柴油機稱為四衝程柴油機。現對照上面的動畫了說明它的工作理原。
第一衝程——吸氣，它的任務是使氣缸內充滿新鮮空氣。當吸氣衝程開始時，活塞位於上止點，氣缸內的燃燒室中還留有一些廢氣。
當曲軸旋轉肘，連桿使活塞由上止點向下止點移動，同時，利用與曲軸相聯的傳動機構使吸氣閥打開。
隨著活塞的向下運動，氣缸內活塞上面的容積逐漸增大：造成氣缸內的空氣壓力低於進氣管內的壓力，因此外面空氣就不斷地充入氣缸。
進氣過程中氣缸內氣體壓力隨著氣缸的容積變化的情況如動畫所示。圖中縱坐標表示氣體壓力P，橫坐標表示氣缸容積Vh(或活塞的沖S)，這個圖形稱為示功圖。圖中的壓力曲線表示柴油機工作時，氣缸內氣體壓力的變化規律。從土中我們可以看出進氣開始，由於存在殘餘廢氣，所以稍高於大氣壓力P0。在進氣過程中由於空氣通過進氣管和進氣閥時產生流動阻力，所以進氣衝程的氣體壓力低於大氣壓力，其值為0.085～0.095MPa，在整個進氣過程中，氣缸內氣體壓力大致保持不變。
當活塞向下運動接近下止點時，衝進氣缸的氣流仍具有很高的速度，慣性很大，為了利用氣流的慣性來提高充氣量，進氣閥在活塞過了下止點以後才關閉。雖然此時活塞上行，但由於氣流的慣性，氣體仍能充人氣缸。
第二衝程——壓縮。壓縮時活塞從下止點向上止點運動，這個衝程的功用有二，一是提高空氣的溫度，為燃料自行發火作準備：二是為氣體膨脹作功創造條件。當活塞上行，進氣閥關閉以後，氣缸內的空氣受到壓縮，隨著容積的不斷細小，空氣的壓力和溫度也就不斷升高，壓縮終點的壓力和濕度與空氣的壓縮程度有關，即與壓縮比有關，一般壓縮終點的壓力和溫度為：Pc=4～8MPa,Tc=750～950K。
柴油的自燃溫度約為543—563K，壓縮終點的溫度要比柴油自燃的溫度高很多，足以保證噴入氣缸的燃油自行發火燃燒。
噴入氣缸的柴油，並不是立即發火的，而且經過物理化學變化之後才發火，這段時間大約有0.001～0.005秒，稱為發火延遲期。因此，要在曲柄轉至上止點前10～35°曲柄轉角時開始將霧化的燃料噴入氣缸，並使曲柄在上止點後5～10°時，在燃燒室內達到最高燃燒壓力，迫使活塞向下運動。
第三衝程——做功。在這個衝程開始時，大部分噴入燃燒室內的燃料都燃燒了。燃燒時放出大量的熱量，因此氣體的壓力和溫度便急劇升高，活塞在高溫高壓氣體作用下向下運動，並通過連稈使曲軸轉動，對外作功。所以這一衝程又叫作功或工作衝程。
隨著活塞的下行，氣缸的容積增大，氣體的壓力下降，工作衝程在活塞行至下止點，排氣閥打開時結束。
在動畫中，工作衝程的壓力變化這條線上升部分表示燃料在氣缸內燃燒時壓力的急劇升高，最高點表示最高燃燒壓力Pz，此點的壓力和溫度為：
Pz=6～15MPa， Tz=1800～2200K
最高燃燒壓力與壓縮終點壓力之比(Pz/Pc)，稱為燃燒時的壓力升高比， 用λ表示。根據柴油機類型的不同，在最大功牢時λ值的範圍如下：λ=Pz/Pc=1.2～2.5。
第四衝程——排氣。排氣衝程的功用是把膨脹後的廢氣排出去，以便充填新鮮空氣，為下一個循環的進氣作準備。當工作衝程活塞運動到下止點附近時，排氣閥開起，活塞在曲軸和連桿的帶動下，由下止點向上止點運動，並把廢氣排出氣缸外。由於排氣系統存在著阻力，所以在排氣衝程開始時，氣缸內的氣體壓力加比大氣壓力高0.025—0.035MPa，其溫度Tb=1000～1200K。為了減少排氣時活塞運動的阻力，排氣閥在下止點前就打開了。排氣閥一打開，具有一定壓力的氣體就立即衝出缸外，缸內壓力迅速下降，這樣當活塞向上運動時，氣缸內的廢氣依靠活塞上行排出去。為了利用排氣時的氣流慣性使廢氣排出得乾淨，排氣閥在上止點以後才關閉。
在動畫中，排氣衝程曲線表示在排氣過程中，缸內的氣體壓力幾乎是不變的，但比大氣壓力稍高一些。排氣衝程終點的壓力Pr約為0.105～0.115MPa,殘餘廢氣的溫度Pr約為850～960K。
由於進、排氣閥都是早開晚關的；所以在排氣衝程之末和進氣衝程之初，活塞處於上止點附近時，有一段時間進、排氣閥同時開起，這段時間用曲軸轉角來表示，稱為氣閥重疊角。
排氣衝程結束之後，又開始了進氣衝程，於是整個工作循環就依照上述過程重複進行。由於這種柴油機的工作循環由四個活塞衝程即曲軸旋轉兩轉完成的，故稱四衝程柴油機。
在四衝程柴油機的四個衝程中，只有第三衝程即工作沖強才產生動力對外作功，而其餘三個衝程都是消耗功的準備過程。為此在單缸柴油機上必須安裝飛輪，利用飛輪的轉動慣性，使曲軸在四個衝程中連續而均勻地運轉。
結構優勢
1. 獨特的框架式主軸承結構，機體剛度高、振動幅度小、噪音分貝低。
2. 一個缸一個蓋，方便整車維修處理，降低維修消耗費用。
3. 主要零部件時時全球採購，實現了發動機高配置。
4. 柴油機附屬檔案安裝齊全，空氣冷卻器、海淡水熱交換器等安裝在柴油機上，便於機艙布置。
5. 柴油機冷卻系統採用內外雙循環水冷方式，內循環用淡水對柴油機進行冷卻，外循環用海水通過海淡水熱交換器對淡水冷卻，提高了柴油機使用壽命。
6. 完善的保護和控制系統，採用柴油機職能監控儀，可對柴油機的轉速、水溫、機油溫度及壓力等自動測量顯示，當柴油機參數超限時能自動報警和停機，可選配遠程控制儀。
7. 優良設計，採用水套排氣管，保持機艙溫度低。
8. 配套適應性好，WD615C、WD618C系列柴油機飛輪、飛輪殼、柴油機監控儀表、水套排氣管、海水泵等零部件通用。柴油機安裝尺寸、飛輪及飛輪殼尺寸也相同，方便了配套和維修。
9. 曲軸前端皮帶輪預留有皮帶輪槽及聯接法蘭盤，供用戶外接動力輸出裝置使用。
行業發展
1994 年以來我國船用柴油機發展嚴重滯後。據日本赤岩昭滋先生統計，在1982-2001 年20 年間中國船廠建造的2664 艘、1692.6 萬總噸船舶，共裝用柴油主機3691 台、853.6 萬千瓦，其中國產主機1851 台、568.1萬千瓦，進口主機1503 台、259.5 萬千瓦，製造國不明的主機337 台、26.0萬千瓦，按台數計，國產主機占50%，進口主機占41%，按功率計，國產主機占67%，進口主機占30%。
統計數據來源於或依賴於日本赤岩昭滋先生的統計，也從另一個側面反映了一個嚴峻現實，過去20 多年關心我國船舶配套業（尤其是船用柴油機）發展的本土專家和學者實在太少了。
我國船用柴油機發展關係到國家重大的政治與經濟安全戰略，2003 年以來，中央領導同志十分重視並充分肯定了船舶工業在國民經濟發展中的積極作用，尤其是2004 年巨觀調控的背景下對船舶工業更快、更大發展寄予殷切期望。在這種背景下，我們認為，我國船用柴油機工業已經具備跨越式發展的基礎和各種有利條件，未來十五年中我國船用柴油機製造業將極有可能雄居世界第一。也許由於世界造船業持續景氣，中國造船業稱雄世界可能並不需要那么長的時間。
由於我國船舶柴油機與國外水平存在很大差距，要大力發展我國造船工業，實現世界第一造船大國的目標，我國船舶柴油機必須堅持走“引進—消化—吸收—創新”的國產化技術創新之路，加快船舶配套動力的發展。
總體目標是通過引進生產許可證，對柴油機技術的消化吸收，突破關鍵技術，提高生產能力，開發研製具有自主智慧財產權的產品，到2020 年，基本實現一個以研究所、柴油機整機廠及專業化配套廠組成的船舶柴油機研發、生產體系。
行業發展問題
自20 世紀90 年代以來，由於國際、國內市場需求的變化和產品的激烈競爭，我國低速柴油機已完全由MAN - B&W 的MC/MC - C 和WARTSILA - SULZER 的RTA 系列所取代，而且大部分為出口船舶推進動力配套。而且有些新機型，如大連船用柴油機廠的MAN -B&W7S60MC - C、滬東重機股份有限公司的MAN -B&W 6K80MC - C、7S80MC 和宜昌船舶柴油機廠的SULZER RT - flex58T - B 智慧型型船用低速大功率柴油機等，均代表了當代國際先進水平，並填補了國內空白，無論在國內還是在國際市場上都具有很強的競爭力。
尤其是其中有些首制機在我國成功製造，技術難度大，質量要求高，說明我國低速機的生產已達到很高的水平，而且已有能力生產缸徑90 cm 以下低速船用大功率柴油機。
我國大功率中速柴油機經歷了引進、自行研製、再引進國產化、消化吸收和提高的過程。上世紀50-60年代引進前蘇聯部分機型，在此基礎上開發研製了我國中速柴油機，自行研製的中速機缸徑系列有150、160、170、180、290、210、230、240、280、300、390mm。這些機型的技術指標與當代國外的機型相比有較大的差距。
引進的品種很多，而且大多數氣缸直徑為200-300mm 左右。在引進的機型中，上世紀90 年代後期以來新引進的如DK20、L16/ 24、L21/ 31、L27/ 38、PA6 等機型與國外產品的差距在逐步縮小外，大部分引進產品已逐步趨於老化，市場競爭力逐步縮小。我國中速柴油機的廠家有淄博柴油機總公司、陝西柴油機廠、鎮江船用柴油機廠、安慶船用柴油機廠、重慶長江柴油機廠、新中動力機廠、滬東重機股份有限公司等，主要生產缸徑165-400mm，單機功率147-9900 kW，轉速500-1400 r/ min 的中速柴油機。雖然通過引進中速柴油機，進行國產化、關鍵技術消化吸收、不斷引進國外較新機型等，縮小了與國外的差距。但與國外中速柴油機相比，我國中速機仍存在著缸徑分布密集，功率分布範圍狹小，大功率柴油機較少，且功能單一，尤其是在可靠性、高增壓技術、NOx 排放控制、電控共軌燃油噴射等技術方面，還存在很大差距。
行業技術發展現狀及趨勢
船用柴油機在機型發展方面總體看相對穩定，前幾年，主要集中在提高機型可靠性方面，這是因為增壓技術的發展，柴油機強化度提高很快，尤其是石油危機後，反映在降低燃油消耗率和燃用劣質燃料油為目標的經濟性的強烈追求上，各國環境政策對柴油機的排放限制日趨嚴酷，而NOx、SO2 等有害排放物的增加正是高強度與燃用劣質燃料油的副產品，而且這幾種有害排放氣體成分的含量，船用柴油機比汽車柴油機更甚。各柴油機廠商正在致力於下列共同追求的新型柴油機。
(1) 連續服役中的可靠性。
(2) 高度強化。即大幅度提高其最高燃燒壓力和燃油噴射壓力。
(3) 廢氣排放符合日趨嚴厲的排放法規要求。1997 年船舶開始執行國際海事組織( IMO) 制定的排放限值，各柴油機廠商採取工況控制或採取廢氣後處理，甚至重新設計以符合法規要求。
(4) 綜合經濟性好。不僅僅追求的燃油消耗率與劣質燃料的使用，而是包括價格、運行成本、省力、少維修、推進效率等。
(5) 總體結構趨於相同。氣缸排列以直列和V 形兩種為主，既是技術目標，也是經濟目標的要求。
(6) 規範化的接口。儘量滿足用戶的要求，適合不同配套輔助裝置以及監控系統的套用。
大功率低速柴油機廣泛套用於散貨船、油輪、貨櫃船等大型遠洋船舶上。
由於船舶日趨大型化、巨型化與自動化以及對船舶主機的經濟性、可靠性的要求日益提高，大功率二衝程低速柴油機的技術發展呈現出整體最佳化的趨勢，具體表現為以下幾個方面:
(1) 單機、單缸功率越來越大，單機最大可達到11萬匹馬力。
(2) 進一步降低燃油消耗率，二衝程低速柴油機的燃油消耗率已降低到164g/ kW·h。
(3) 平均有效壓力已達1190-1195MPa，爆發壓力在1510-1515MPa 。
(4) 採用高壓比、高效的新型增壓器，如ABB 公司研製的4P 型增壓器，壓比高達5∶1。
(5) 採用電子調速器系統、電控燃油噴射系統、高壓共軌燃油噴射系統、智慧型化電子控制系統，進一步提高低速柴油機的可靠性，改善低負荷性能，降低油耗，控制NOx 排放，以及安全保護控制等。
柴油發電機組
柴油發電機組屬自備電站交流供電設備的一種類型，是一種小型獨立的發電設備，以內燃機作動力，驅動同步交流發電機而發電。
現代柴油發電機組由柴油機，三相交流無刷同步發電機、控制箱（屏）、散熱水箱、聯軸器、燃油箱、消聲器及公共底座等組件組成鋼性整體。柴油機的飛輪殼與發電機前端蓋的軸向採用凸肩定位直接連線構成一體，並採用圓柱型的彈性聯軸器由飛輪直接驅動發電機的旋轉，其聯接方式由螺釘固定在一起，使兩者聯接成一鋼體，保證了柴油機的曲軸與發電機轉子的同心度在規定的範圍內。
柴油發電機組是由內燃機和同步發電機組合而成的，內燃機的最大功率受零部件的機械負荷和熱負荷的限制，稱為額定功率，交流同步發電機的額定功率是指在額定轉速下，長期連續運轉時，輸出的額定功率，通常把柴油機輸出額定功率與同步交流發電機輸出的額定功率之間，稱為匹配比。
現代柴油發電機組由柴油機，三相交流無刷同步發電機、控制箱（屏）、散熱水箱、聯軸器、燃油箱、消聲器及公共底座等組件組成鋼性整體。柴油機的飛輪殼與發電機前端蓋的軸向採用凸肩定位直接連線構成一體，並採用圓柱型的彈性聯軸器由飛輪直接驅動發電機的旋轉，其聯接方式由螺釘固定在一起，使兩者聯接成一鋼體，保證了柴油機的曲軸與發電機轉子的同心度在規定的範圍內。
柴油發電機組是由內燃機和同步發電機組合而成的，內燃機的最大功率受零部件的機械負荷和熱負荷的限制，稱為額定功率，交流同步發電機的額定功率是指在額定轉速下，長期連續運轉時，輸出的額定功率，通常把柴油機輸出額定功率與同步交流發電機輸出的額定功率之間，稱為匹配比。
