船舶主柴油机实船工况分析论文.docx

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船舶主柴油机实船工况分析论文

船舶主柴油机实船工况分析

摘要

随着我国航运业的不断发展，航运船队的规模不断扩大，控制船舶运营成本已经成为了一个重要的研究课题。

船舶主柴油机实船工况的研究对控制船舶柴油机的运行成本具有重要意义。

本文主要对运输船舶营运舶主动力装置柴油机的日常工况进行了论述和论证。

第一章主要介绍以柴油机作为船舶主动力装置的发展历史和柴油机特性;第二章研究了船舶动力装置的运行特性,从船舶主动力柴油机特性曲线以与船机桨匹配进行分析，分析船舶主柴油机实船工况，选择船舶主动力柴油机合适的运行区间;第三章结合实船的主动力柴油机运行数据，制定出保证主机运行安全和高效的控制措施。

关键词：

船舶；船舶主动力装置；柴油机；运行工况

ABSTRACT

WiththecontinuousdevelopmentofChina'sshippingindustry,thesizeoftheshippingfleethasbeenexpanding,controllingoftheshipoperatingcostshasbecomeanimportantresearchtopic.Researchingship'smainengineworkingconditionisimportantforthecontrollingofmarinedieselengineoperatingcosts.Thispaperfocusesonthetransportship’sshippowerplantinoperationdailyworkingconditions,itwasdiscussedandstudied.Thefirstchapterintroducesthecharacteristicsofthedieselengineandthehistoryoftheanddieselenginedevelopmentasthemarinedieselpowerplant;ChapterIIstudiestheoperatingcharacteristicsoftheship'spowerplant,itwasanalyzedofship dieselengine characteristiccurvesandthematchingofshipengineandpropeller  ,analyzingtheshipmainpowerdieselenginesituation,choosetherightshipmainpowerdieselengineoperatingrange;ChapterIIIisbasedonship'smainpowerdieselengineoperatingdata,drawsupcontrolmeasuresthatmakesdieselengineworkinsafeandefficientcondition.

Keywords:

Ships,shippowerplant,Diesel,Operatingconditions

船舶主柴油机实船工况分析

1.1船舶柴油机发展历程

自从18世纪末瓦特改良蒸汽机以来，蒸汽机成为推动世界发展的动力。

1805年，富尔顿发明了实用的蒸汽机船，从此以后很多船舶开始用上了蒸汽机。

不过早期的蒸汽机工作压力很低，结构极其笨重，效率不到5%。

1876年，德国人奥托（N.A.Otto）第一次提出了四冲程循环（即进气、压缩、膨胀、排气这四个过程）原理，并发明了电点火的四冲程煤气机。

1893年德国工程师RudolfDiesel申请了压缩发火燃机专利，并于1897年在曼恩公司研制成功第一台使用液体燃料的燃机（压燃式、空气喷射、定压燃烧），其效率比煤气机提高了近一倍。

燃机的问世，是继蒸汽机之后发动机发展的又一个里程碑[1]。

随着石油的开发，柴油却率先在船舶推进中得到极大应用。

1903年，俄国的“万达尔”号（Vandal）油轮和法国的“佩迪特.皮埃尔”号（Petite-Pierre）成为最早装备柴油机的船舶，第一艘柴油机动力军舰是1904年法国建造的“埃吉瑞特”号（Aigrette）潜艇。

早期柴油机主要应用于河船舶和近岸潜艇，在经历了最初的发展阶段后，柴油机技术日益成熟，单机功率和可靠性都有大幅提高，为柴油机航向大海和远洋创造了基础。

1912年，是人类航海史上重要的一年。

这一年，第一艘真正意义上的大型远洋轮船-“锡兰迪亚”号（MSSelandia，MS为MoterShip）建成，第一次世界大战后，柴油机性能有了新的提高，柴油机的装船数量开始上升，1921年左右柴油机已经开始在客轮上使用。

1920年~1930年末，是柴油机技术发展的黄金时代，柴油机越造越大，功率越来越高。

新技术的出现促进了柴油机的发展，主要技术革新来自于燃油喷射的改进和增压技术的采用。

1930年代后，船用柴油机向大功率方向发展，二冲程的使用日趋普遍。

对于两台气缸直径、活塞行程与转速等一样的柴油机，二冲程柴油机在一个循环中有1/2的冲程在作用，而4冲程柴油机仅有1/4时间做功，因此二冲程的输出功率要明显优于四冲程。

实际上由于考虑到二冲程柴油机气缸上开有气口而使工作容积有所减少，机械传动的扫气泵也要消耗一定功率等因素，二冲程柴油机的功率只能增大60～80％。

二冲程柴油机与四冲程柴油机基本结构一样，主要差异在配气机构方面。

二冲程柴油机没有进气阀，有的连排气阀也没有，而是在气缸下部开设扫气口与排气口；或设扫气口与排气阀机构。

二冲程柴油机还专门设置一个由运动件带动的扫气泵与贮存压力空气的扫气箱，利用活塞与气口的配合完成配气，从而简化了柴油机结构。

二冲程燃机换气后，气缸残余多少废气，或者说气缸能充入多少新鲜充量，直接影响燃机性能。

二冲程燃机没有单独的排气冲程和进气冲程，不能利用活塞的推挤作用清除废气，要使气缸清扫干净比较困难，难以得到高的扫气质量。

因此，改进二冲程燃机的扫气作用是一项重要的工作。

二冲程燃机主要有横流、回流和直流3种扫气方式。

在二战前，双动式的二冲程柴油机比较流行。

这种柴油机在活塞的上下两边都设有燃烧室，可以推动活塞在两个方向都做功，因此称为双动。

双动比单动能输出更大的功率。

不过双动柴油机的结构比较复杂，而且活塞杆穿透气缸，因此对气密要求很高，现代柴油机已经不再采用这种双动的方式了。

采用增压技术在柴油机的发展中是一个里程碑，增压技术显著提高了进气压力，空气的压缩比进一步提高，在同等条件下，增压显著减少了柴油机的尺寸和重量，提升了输出功率。

1920年代，二冲程柴油机的兴起后，在排气过程中就必须用高压空气扫除气缸中的废气，并吹入新鲜空气，因此增压器的作用就更为重要了。

1915年，布奇在尔寿的柴油机上进行了废气增压的试验。

1927年，曼恩公司成功的在其生产的10缸4冲程柴油机上安装了废气增压装置，对功率提升非常明显，输出功率从1,250千瓦提升到1,765千瓦，提升幅度超过40%。

二战结束后，船用柴油机经历了新一轮的发展，性能不断提高。

从上世纪40年代-70年代，大功率低速船用柴油机继续向大缸径、大功率方向发展，同时进一步提高进气压力和气缸工作压力，加大气缸排气量。

在柴油机结构上广泛使用了焊接结构，降低结构重量，普与涡轮增压，使用劣质燃油，提高经济性，这些都使柴油机技术有了飞跃发展。

在缸径方面，1956年只有740-760毫米，单缸功率只有1,200-1,400马力；1960年达到840-900毫米，单缸功率达2,100-2,300马力；1965年缸径达930毫米，单缸功率2,750马力，1970年，缸径超过1米（达1,060毫米），单缸功率超过4,000马力，1977年达到4,600马力[2]。

船用柴油机进入了黄金年代，在民船上完全取代了蒸汽动力。

1970年代以后，爆发了两次石油危机，原油价格急剧上涨，运输成本不断提高，对燃油经济性的要求日显突出，柴油机主要以提高单机功率、降低比重量以与提高可靠性和经济性为主要改进方向[3]。

1980年后，世界柴油机市场向巨头集中。

1980年，德国曼恩公司收购丹麦B&W公司，1997年芬兰瓦锡兰公司与瑞士尔寿公司合并，实现了强强联合。

各大柴油机公司经过了一轮新的整合，优胜劣汰之后，技术水平不断提高，机型有所减少。

在技术方面，除继续增大单缸功率外，电子控制技术也在柴油机上得到广泛应用，燃油喷射、排气阀驱动、增压、气缸润滑等都可由全电子驱动，柴油机的电子化、信息化和智能水平不断提高，热效率进一步提高，并不断满足更高的排放标准要求。

近十几年以来，船舶大型柴油机在民用船舶动力装置领域中更是占绝对的统治地位，不仅占领了VLCC、大型散装船和集装箱船等在传统上认为属于蒸汽动力装置的领域，而且还向蒸汽动力装置统治的最后一个堡垒——LNG船的动力装置发起了冲击[1]。

1.2船舶柴油机特性

1.2.1船舶柴油机结构

船舶柴油机的结构比较复杂，它是由许多机构和系统组成。

尽管各种柴油机的结构、型号各异，但从工作原理和总体结构上则有很多共同之处。

柴油机主要由主要固定件（机座、机架、气缸和气缸盖等）、主要运动件（活塞、连杆组件、十字头和曲轴等）、配气机构与换气系统（进排气阀、气阀传动机构、凸轮轴与凸轮轴传动机构等）、燃油系统（喷油泵、喷油器和高压油管等）、润滑系统（气缸注油系统和曲轴箱油系统等）、冷却系统（泵、冷却器和温控器等）、起动和控制系统（气动马达、起动电机、气缸启动阀、压缩空气系统等）等。

根据部结构不同，船舶柴油机可分为十字头柴油机和筒形柴油机。

1.2.2船舶柴油机工作原理

根据工作原理不同船舶柴油机可分为四冲程柴油机和二冲程柴油机

按工作循环可分为四冲程柴油机和二冲程机两类。

柴油机的一个工作循环包括进气、压缩、燃烧、膨胀、排气五个过程，四冲程柴油机是曲轴转两转，也就是活塞运动四个行程完成一个工作循环，而二冲程柴油机是曲轴转一转，也就是活塞运动两个行程完成一个工作循环。

二冲程柴油机的工作与原理为：

第一冲程-活塞从下止点向上止点运动。

当活塞处于下止点时，排气阀和进气孔已打开，扫气室中的压缩空气便进入气缸，并冲向排气阀，这动产生清除废气的作用，同时也使气缸充满新空气。

当活塞由下止点向上止点运动时，进气孔首先由活塞关闭，然后排气阀也关闭；空气在气缸受到压缩。

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。

1.2.3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≤300r/min）、中速柴油机（300＜n≤1,000r/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350-1,200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、提高使用寿命与高增压等方面取得显著成效。

1.3船舶柴油机发展趋势

国际海事组织（IMO）决定从2011年1月1日起实施IMOTierII排放法规。

与IMOTieI相比，IMOTierII排放法规氮氧化合物（NOX）必须降低20%，IMOTierIII排放法规则规定降低80%。

未来5～10年间，“京都议定书”与最近的’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。

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与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与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与代用燃料的研究[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部结构。

二、船舶主动力柴油机运行分析

2.1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。

2.1.1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2.1柴油机速度特性曲线

2.1.2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。

图2.2柴油机负荷特性曲线

2.1.3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））与燃油消耗率—转速、负荷特性（g=f（n,p））。

2.2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]。

图2.3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

2.3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（layoutdiagram），区域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。

2.3.1MAN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。

（L1-L2为100%nb等转速线，L3-L4为75%nb等转速线，L1-L3为100%Pb平均有效压力线，L2-L4为80%Pb平均有效压力线。

）

图2.4MAN船舶柴油机选型图

2.3.2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2.5瓦锡兰船舶柴油机选型图

2.4螺旋桨推进特性

2.4.1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Ｐe和转矩Ｍe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，Ｐe=Pp＝Ｃnp3（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2.6螺旋水动力桨特性曲线

2.4.2螺旋桨特性曲线

进程比λp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λp值，KF和Km相应有一对应值。

从图9-4中可看到，λp减小时，KF和Km增大，可视为Fp和Ｍp都增加。

当λp=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）。

随着λp的增大，KF和Km递减，Fp和Ｍp随之减小，这相当于船舶阻力降低的情况。

在λp＞1.0后，Kp和Ｋm先后为零，这相当于桨推力和零转矩情况。

对一定的螺旋桨，直径是常数，海水的密度变化很小，也可以认为是常数。

在特定的某一航行条件下（装载、气候、海面状况等条件不变）的各种转速下航行时，vp/np基本不变，λp、KF、Km皆可视为常数。

这样，推力和转矩公式可写成：

Fp=C1np2

Mp=C2np2

即螺旋桨的推力和转矩与其转速的平方成正比。

螺旋桨所需功率Pp可由Pp=Mpn/9550来确定。

可得出螺旋桨功率与转速的关系式

Pp＝Cnp3

上式反映出螺旋桨运转特性，即螺旋桨的吸收功率Pp与转速的三次方成正比。

将Ｍp=C2np2和Pp＝Cnp3绘成Mp－np和Pp-np的关系曲线即为螺旋桨特性曲线。

图2.7螺旋桨特性曲线

2.4.3不同进程比时的螺旋桨特性曲线

实际上，船舶的工况常常是变化的，在各个不同的航行条件下对应不同λp值。

当λp值不同时，同一转速下螺旋桨的转矩和吸收功率也相应有不同的值。

图示出在各种不同航行条件下螺旋桨功率与转速的关系曲线。

在图中可看出随着航行阻力的增加（λp减小），螺旋桨特性线变陡。

图2.7不同进程比时螺旋桨特性曲线

2.5航行工况（船舶阻力）对机桨配合点的影响。

船舶阻力变化引起螺旋桨的工作状况变化以螺旋桨的进程比λp来表示。

在船舶航行时，当船舶阻力增大（重载、污底、逆风、顶流、浅水窄航道航行等）或运动状态改变（系泊、起航、转弯、倒航等）时，会使λp减小，螺旋桨的特性线变陡，如图2.9所示。

图中λpⅠ＜λpⅡ＜λpⅢ。

当机桨配合时，桨特性线Ⅱ与柴油机速度特性线2相交于a点。

若阻力增大时λp减小，桨特性线由Ⅱ变为Ⅰ，与速度特性线交于b点，柴油机转速、功率下降。

当船舶阻力减小时λp变大，螺旋桨特性线变得平坦（曲线）Ⅲ。

此时如果柴油机仍按原速度特性工作时，则工作点变到d点，柴油机的功率、转速均大于原功率和转速。

如果a点是正确的机桨配合工作点，则b点时柴油机的功率未得到充分发挥。

假如Ⅰ线太陡（外界阻力太大），还会使柴油机工作