船用柴油机技术与船用柴油机涡轮增压技术发展现状.docx

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1、船用柴油机技术与船用柴油机涡轮增压技术发展现状任何一门科学技术的发展，总是与社会生产力的需要和当时科学的发展水平相适应的。18世纪初，英国资本主义的发展促进了蒸汽机的发明，并由此开始了第一次工业革命，推动了生产力的发展。随着生产力的发展，蒸汽机热效率低以及过于笨重的问题越来越突出，己不能适应社会生产力的发展要求，因此产生了对新型动力机械的需求。1船用柴油机的技术现状及发展历程1.1 国外船用柴油机的发展历程1876年，德国人奥托（Otto）第一次提出了四冲程循环（即进气、压缩、膨胀、排气）原理，并发明了电点火的四冲程煤气机。该煤气机运转平稳，热效率可高达14%在当时曾得到普遍使用。在1880年

2、英国的DQerk和J.Robson以及德国人BEnz等，成功地开发了二冲程内燃机。1893年德国工程师RUdoIfDieSel申请了压缩发火内燃机专利,并于1897年在MAN公司成功研制出第一台使用液体燃料的内燃机（压燃式、空气喷射、定压燃烧），其效率比煤气机提高了近一倍。内燃机的问世，是继蒸汽机之后发动机发展史上的又一个里程碑，为现代工业的发展奠定了基础。柴油机由于其热效率高的固有优势，在它问世之后，就被应用于船舶运输业，对20世纪船舶运输业的发展起到了重要作用。1.1.1 船用柴油机发展的第一阶段船用柴油机发展的第一阶段是从20世纪初至40年代。这一阶段是船用柴油机的初步发展期，尽管从19

3、03年开始己经将柴油机用于船舶推进装置，但柴油机动力装置真正具有里程碑意义的是下列几艘船舶：最早的沿海柴油机船“Romagna”轮，1910年下水，吨位为678总吨，它使用了两台“Sulzer”公司生产的气口扫气二冲程柴油机（缸径310mm,行程460mm）,额定功率280kW,转速250rmin;世界上第一艘远洋柴油机船Selandia”轮,1912年投入营运，吨位为7400总吨，它装备了两台B&W公司生产的DM8150X柴油机（缸径530mm,行程730mm）,额定功率90kW,转速140rmin;第一艘安装二冲程十字头式柴油机的“MontePenedo”轮，1912年投入营运，吨位为65

4、00总吨，它装备了两台SiJlZer公司生产的4s47柴油机（缸径470mm,行程680mm）,额定功率为625kW,转速160rmin;第一艘由柴油机推进的大型客船“Aoyagi”轮，1924年投入营运，吨位为17490总吨，它装备了四台SUlZer公司生产的6ST70柴油机（缸径700mm,行程99Omm）,总功率956OkW,转速为127rmin,该船舶的下水和投入营运打破了当时有关柴油机动力装置不能用于大型船舶推进的偏见。这一阶段，在船舶领域，蒸汽机与柴油机并存，并在相互竞争中发展。但随着柴油机技术的不断发展及其产品性能的不断提高，柴油机逐渐取代了蒸汽机，20世纪40年代以后，新建商船

5、己经很少有蒸汽机船了。某在船用柴油机发展的第一阶段里，柴油机在自身逐步完善中有了很大发展，其中最关健的技术是无气喷射技术。狄赛尔（DieSeI）发明的柴油机是一种空气喷射式发动机，它需要用高压空气将燃油喷入柴油机的燃烧室并将其雾化。这种喷射和雾化方式存在很多问题：一是需要由柴油机带动两级式的压缩机以产生高压空气，使得柴油机在结构上非常笨重；二是喷射空气的压力不够高，仅仅略高于柴油机的压缩压力，因而燃油的喷射和雾化效果不佳，进而影响柴油机的燃烧过程；三是耗能高，带动空气压缩机大约需要消耗15%的柴油机功率。因此，在柴油机发明不久，就有许多研究人员致力于解决这一问题。1910年前后，英国ViiCk

6、erS公司的McKechnie将机械式高压燃料喷射技术引入大型柴油机；1915年，MCKeChnie开发和试验了可运行的直接喷射式柴油机；1927年R.Bosch生产出性能可靠的高压喷油泵，并在柴油机上正式使用，这是柴油机技术发展的一个突破性进步。喷油设备的改进使柴油机有了突飞猛进的发展，并广泛用于车辆、船舶等运输机械中，这一基本原理一直沿用至今。增压技术也是在这一阶段中发展起来的。1905年瑞士人AIfredBUeChi提出了废气涡轮增压的专利。但在早期主要采用的是机械增压，目的是为了获得足够的扫气空气，基本上采用往复泵和罗茨泵等形式，第一台废气涡轮增压柴油机由MAN公司于1927年生产，其

7、安装的增压器由BroWnboVeri公司(BBC)生产，增压比为1.3。采用增压技术将该柴油机(缸径540mm,行程60Omm)的功率由125OkW(240rmin)提高到1765kW(275rmin),当时由于增压器制造水平的限制，这台增压器的体积庞大、笨重，此项技术未能迅速推广。1.1.2 船用柴油机发展的第二阶段船用柴油机发展的第二阶段是从20世纪40年代至70年代。第二次世界大战之后，由于全球经济的迅速发展，对船舶运输业的要求不断增长。由于在这一阶段船舶一直向大型化及高速化方向发展，对船舶推进装置提出了新的要求，因柴油机动力装置的突出优点，使得柴油机在船舶动力装置中取得了明显的压倒优势

8、。这一时期是船用低速柴油机发展的黄金时期,其主要特征是向大缸径、大功率方向发展,以提高增压程度和加大气缸排量作为提高单缸功率的主要措施。加大气缸排量的主要手段是加大气缸直径,1956年最大气缸直径为740760mm,1960年最大气缸直径为840900mm,1965年最大气缸直径为930mm,到1970年最大气缸直径达到了1060mm其相应的单缸功率1956年为900-1030kW,1960年为15401700kW,1965年为2000kW,1970年为3000kW,1977年己达到340OkW。在这一阶段，船用柴油机发展的主要技术特征是废气涡轮增压技术的成熟和普及。随着生产和技术的发展，废气

9、涡轮增压器的设计和制造水平不断提高，废气涡轮增压器的性能得到改善，质量减轻，体积减小，使它能作为一个附件装在柴油机上。20世纪40年代，生产废气涡轮增压器的技术逐步成熟起来。1946年，瑞士BBC公司开始生产VTR轴流式涡轮增压器系列。废气涡轮增压技术在船用二冲程柴油机上的成功使用，使得船用柴油机的功率大大提高，是船用低速柴油机发展中的重要里程碑。国外称这一时期是船用低速柴油机的第一次飞跃。船用柴油机在此期间还完成了大缸径、焊接结构以及使用劣质燃油等重大技术成果，并逐步形成了多个船用低速柴油机系列。1.1.3 船用柴油机发展的第三阶段船用柴油机发展的第三阶段是从20世纪70年代开始至90年代末

10、。70年代的两次石油危机诱发了世界范围内的能源危机。1973年石油涨价三倍，石油产品价格大幅度上涨使船用柴油机的燃油费用支出一跃占总营运成本的40%50%降低柴油机的燃油支出费用，提高柴油机的经济性已成为第一要求。此外,苏伊士运河的通航也使得对大型船舶的需求量减少。这一阶段着重于改进增压技术以提高柴油机的单机功率并降低比质量,提高柴油机的经济性和可靠性等。这一阶段的最主要特征是各船用柴油机厂之间开始进行大规模地淘汰、调整和重新组合。柴油机技术不断趋于完善而柴油机的机型在逐渐减少。船用低速柴油机从以前的八个品牌(由八大船用柴油机制造厂生产)减少到三个。首先是瑞典的Gotaverken公司停产了自

11、己的GV系列而改为生产丹麦B&W公司的KGF系列；英国的Doxford公司停产了自己的76J系列而改为生产德国MAN公司的KSZ系列；对整个船用柴油机行业影响最大的是20世纪80年代初MAN公司和B&W公司的合并以及90年代Wartsil公司和Sulzer的合并。船用柴油机制造公司的合并与重组导致柴油机机型的减少和系列的完备。在世界范围内，大型低速柴油机只有MANB&W的MC系列柴油机和Wartsila公司的Sulzerrta系列柴油机。这一阶段的第二个特征是节能技术研究和发展。在20世纪70年代末到90年代，各类节能型柴油机大量出现，机型更新周期大大缩短(甚至仅为23年)，各类柴油机均采用各

12、种节能措施降低油耗率，努力提高柴油机的有效热效率；同时，由于供给船用柴油机的燃油质量日益低劣，使得船用柴油机在使用劣质燃油的技术上又有了新的发展。目前，现代船用低速柴油机的油耗率己降低到01550.160kg/(kW-h),有效热效率可高达55%。船用柴油机的节能不仅仅在于提高柴油机本身的热效率，更着重提高柴油机动力装置的整体效率，也就是提高螺旋桨的推进效率。值得一提的是，1975年11月丹麦B&W公司在60000散货船“帕纳马克斯号上的改进研究：在航速保持16kn不变的情况下，将螺旋桨直径由6.35m力口大至J9m,通过增加减速装置使螺旋桨转速由原来的140rmin降低到5rmin,达到了节

13、约燃油30%以上的效果。这一研究成果引起了造船界的高度重视，降低柴油机转速、提高推进效率成为当时低速柴油机的发展趋势。这就导致了长行程以及超长行程低速柴油机的研制。根据散货船、油船和集装箱船对推进装置的不同要求，目前已形成了普通行程、长行程和超长行程的完备的柴油机系列在柴油机节能技术的发展的同时，柴油机的可靠性（在规定的使用期间按规定的负荷运转，不因故障而停车或降功率使用的能力）也有了长足的发展。各种先进技术（如材料、加工、结构等）和制造工艺的运用大大提高了船用柴油机的可靠性。船用低速柴油机的吊缸周期已从60年代的5000600Oh提高到800012000h,甚至高达2000h以上。在此期间船

14、用二冲程低速柴油机的气缸排量没有进一步提高，气缸直径基本保持在500980mm,柴油机功率的提高主要依赖于增压技术的改进和柴油机强化程度的提高。此外，针对日益兴起的四冲程中速柴油机的竞争，开发了一系列小缸径（260mm,350mm）的低速柴油机。1.1.4 船用柴油机发展的第四阶段船用柴油机发展的第四阶段是从21世纪初开始，其特征：一是电子控制在船用柴油机上的应用，实现了柴油机控制和管理的电子化、信息化和智能化；二是对柴油机有害排放的控制。现代船用柴油机控制与操纵自动化，即对船用柴油机及其附属设备进行自动控制及自动监视由来己久。20世纪60年代初曾进行在控制室内对主机集中控制与集中监视；70年

15、代电子技术开始在柴油机上使用；80年代柴油机的电子控制技术己有了很大发展，除可监视柴油机的运行工况外，还可保持柴油机各运行参数的最佳值，以求得柴油机功率、燃油消耗率和其他有关性能的最佳平衡，并由此发展了对柴油机的故障诊断、未来趋势预报等技术，把柴油机的管理技术提高到一个崭新的水平。电子控制式船用柴油机最典型的机型是Wartsila公司在2000年推出的Sulzerrt-flex全电子控制的智能型柴油机。该柴油机取消了凸轮轴传动齿轮、凸轮轴、燃油喷射泵、气阀控制机构及换向伺服器等设备，而将电子设备及其软件应用于船用柴油机并成为船用柴油机的基本组成部分。柴油机的所有主要功能如燃油喷射、排气阀驱动、

16、柴油机的起动和气缸润滑都是全电子控制的。发动机的管理采用DENS模块和MAPEX监控与维护专家系统，不仅可以对柴油机的工作性能进行优化，而且可以检测柴油机的关键数据，并对这些数据进行智能化分析，以及实现利用专家知识在船评估和通过卫星通信全面支持数据储存和传输。MANB&W公司也在2003年推出了ME系列电控柴油机，并开始装船使用；同时，日本三菱公司也与WartSiIa公司合作开发了1.SE系列电控柴油机。随着全球经济的发展，现代工业造成环境污染受到了广泛关注，为限制和控制船舶向大气排放有害物质，国际海事组织（MO）1997年召开了防止大气污染缔约国外交大会，通过了修订7加8国际防止船舶造成污染公约（MARPo1.公约）的1997年议定书。该议定书新增了7加8国际防止船舶造成污染公约附则VT防止船舶造成大气污染规则”，要求对2000年1月1日或以后建造的船上安装的船用柴油机有害排放进行控制.2008年10月，国际海事组织（IMO）海洋环境保护委员会（MEC）对MA