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第一节 柴油机的概述及发展趋势
一、柴油机的概述
1．热机
热机是指把热能转换成机械能的动力机械。蒸汽机、蒸汽轮机以及柴油机、汽油机等是热机中较典型的机型。
蒸汽机与蒸汽轮机同属外燃机。在该类机械中，燃烧（燃料的化学能转变成热能）发生在汽缸外部（锅炉），热能转变成机械能发生在汽缸内部。此种机械由于热能需经某中间工质（水蒸气）传递，必然存在热损失，所以它的热效率不高，况且整个动力装置十分笨重。在能源问题十分突出的当前，它无法与内燃机竞争，因而已经在船舶动力装置中消失。
2．内燃机
汽油机、柴油机以及燃气轮机同属内燃机。虽然它们的机械运动形式（往复、回转）不同，但具有相同的工作特点──都是燃料在发动机的气缸内燃烧并直接利用燃料燃烧产生的高温高压燃气在气缸中膨胀作功。从能量转换观点，此类机械能量损失小，具有较高的热效率。另外，在尺寸和重量等方面也具有明显优势，因而在与外燃机竞争中已经取得明显的领先地位。
在内燃机中根据所用燃料不同，可大致分为汽油机、煤气机、柴油机和燃气轮机。它们都具有内燃机的共同特点，但又都具有各自的工作特点。由于这些各自不同的特点使它们在工作原理、工作经济性以及使用范围上均存在一定差异。如汽油机使用挥发性好的汽油做燃料，采用外部混合法（汽油与空气在气缸外部进气管中的汽化器进行混合）形成可燃混合气。缸内燃烧为电点火式（电火花塞点火）。这种工作特点使汽油机不能采用高压缩比，因而限制了汽油机的经济性不能大幅度提高，而且也不允许作为船用发动机使用（汽油的火灾危险性大）。但它广泛应用于运输车辆。
3．柴油机
柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机。它使用挥发性较差的柴油或劣质燃料油做燃料。采用内部混合法（燃油与空气的混合发生在气缸内部）形成可燃混合气；缸内燃烧采用压缩式（靠缸内空气压缩形成的高温自行发火）。这种工作特点使柴油机在热机领域内具有最高的热效率（已达到 55％左右），而且允许作为船用发动机使用。因而，柴油机在工程界应用十分广泛。尤其在船用发动机中，柴油机已经取得了绝对领先地位。
根据英国劳氏船级社统计，1985年全世界制造的船舶中（2000t以上）以柴油机作为推进装置者占99.89％，而到1987年100％为柴油机船。船用主机经济性、可靠性、寿命是第一位，尺寸、重量是第二位，低速机适用作船用主机，大功率四冲程中速机适用作滚装船和集装箱船，中、高速机适用作发电机组。柴油机通常具有以下突出优点：
（1）经济性好。有效热效率可达50％以上，可使用廉价的重油，燃油费用低。
（2）功率范围宽广，单机功率从0.6kW～45600kW，适用的领域广。
（3）尺寸小，重量轻，有利于船舶机舱布置。
（4）机动性好。起动方便，加速性能好，有较宽的转速和负荷调节范围，可直接反转，能适应船舶航行的各种工况要求。
同时，柴油机也具有以下缺点：
（1）存在机身振动、轴系扭转振动和噪音。
（2）某些部件的工作条件恶劣，承受高温、高压并具有冲击性负荷。
二、现代船用柴油机的发展趋势
经过近几十年尤其是近十年的发展，现代船用柴油机已经发展到一个较高的技术水平。今后，随着生产力的发展，将会对船用柴油机提出更高的要求，船舶柴油机也将继续发展改进。当前柴油机的发展可以概括为：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，今后的研究趋势大致为：
1）提高经济性的研究，包括燃烧、增压、低磨损等的研究；
2）降低柴油机的排放的研究，排放是现代柴油机面临的严重挑战，随着对船舶柴油机排放控制的限制，使得经济性的提高更加困难，这也是船舶柴油机发展中的新课题；
3）提高可靠性与耐久性的研究；
4）电子控制技术的研究；
5）代用燃料的研究。
1．现代船用柴油机提高经济性的主要措施
现代船用大型低速柴油机近十多年在提高经济性方面取得的成效超过了过去几十年。各种节能措施相继出现并日趋完善，这些措施主要有：
1）采用定压涡轮增压系统和高效率废气涡轮增压器。
2）增大行程缸径比S／D。
3）提高最高爆发压力pz与平均有效压力pe之比pz／pe。
4）增大压缩比ε。
5）采用可变喷油定时（VIT）机构。
6）降低摩擦损失功提高机械效率ηm。
7）采用动力涡轮系统（TCS）。
8）轴带发电机（PTO）。
9）柴油机废热再利用。
10）改进喷射与燃烧技术。
2．现代船用低速柴油机的结构特点
1）燃烧室部件普遍采用钻孔冷却结构。
2）采用旋转式排气阀及液压式气阀传动机构。
3）喷油泵采用可变喷油定时（VIT）机构。
4）采用薄壁轴承。
5）采用独立的气缸润滑系统。
6）曲轴上增设轴向减振器。
7）焊接曲轴。
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发表于 2011-11-10 22:44:49