[科普中國(guó)]-船用柴油發(fā)電機(jī)組

近年來(lái)，柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組在船舶上的應(yīng)用越來(lái) 越多。除了作為常規(guī)的提供船電的機(jī)組外，還越來(lái) 越廣泛地用于電力推進(jìn)。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，采用 全或半電力推進(jìn)已成為數(shù)千噸以上的船舶，特別是 軍用艦船推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。柴油機(jī)主要用做船上發(fā)電機(jī)組的原動(dòng)機(jī)，燃油冷卻器對(duì)于柴油機(jī)的柴油機(jī)油冷卻至觀重要，柴油機(jī)通過(guò)海水對(duì)燃油進(jìn)行冷卻，以達(dá)到柴油機(jī) 所需要的性能。

工作原理船用柴油機(jī)是一種船舶上用的柴油機(jī)。其工作原理如下：

一股新鮮空氣被抽進(jìn)或泵進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)，然后被運(yùn)動(dòng)的活塞壓縮到很高的壓力。當(dāng)空氣被壓縮時(shí)，其溫度升高以致它能點(diǎn)燃噴射進(jìn)汽缸的細(xì)霧狀燃油。燃油的燃燒給充進(jìn)的空氣增加更多的熱量，引起膨脹并迫使發(fā)電機(jī)活塞對(duì)曲軸做功，曲軸依次地通過(guò)其他軸來(lái)驅(qū)動(dòng)傳船舶的螺旋槳。

兩次燃油噴射之間的運(yùn)行稱為一個(gè)工作循環(huán)。在四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，這個(gè)循環(huán)需要由活塞四個(gè)不同的沖程來(lái)完成，即吸氣、壓縮、膨脹和排氣。如果我們把吸氣和排氣與壓縮和膨脹結(jié)合起來(lái)，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)就變成了兩沖程發(fā)電機(jī)。

二沖程循環(huán)開(kāi)始于活塞從其沖程的底部（既下止點(diǎn)）上升，此時(shí)汽缸邊上進(jìn)氣口處于打開(kāi)狀態(tài)。此時(shí)，排氣閥也打開(kāi)，新鮮空氣充入汽缸，把上一沖程殘留的廢氣通過(guò)打開(kāi)的排氣閥吹出去。閥吹出去。

當(dāng)活塞向上運(yùn)行到其行程上午大約五分之一時(shí)，它就關(guān)閉進(jìn)氣口，同時(shí)排氣閥也關(guān)閉，所以溫度和壓力都上升到很高的值。

當(dāng)活塞到達(dá)其沖程的頂部（即上止點(diǎn)）時(shí)，燃油閥把細(xì)霧狀的燃油噴射到汽缸內(nèi)的高溫空氣中，燃油立即燃燒，熱量使壓力很快上升。這樣，膨脹的燃?xì)馄仁够钊谧龉_程中向下移動(dòng)。

當(dāng)活塞向下移動(dòng)到行程的一半過(guò)一點(diǎn)的地方，排氣閥打開(kāi)，高溫的燃?xì)庥捎谄渥陨淼膲毫﹂_(kāi)始通過(guò)排氣閥向外流出，該壓力受助于通過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入的新鮮空氣。進(jìn)氣口是隨著活塞的進(jìn)一步下行而打開(kāi)的。然后，另一循環(huán)又開(kāi)始了。

在二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)里，曲軸轉(zhuǎn)一圈做一次做功沖程，而四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，需要曲軸轉(zhuǎn)二圈才做一次做功沖程，這就是為什么二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)在相同的尺寸下能夠做大約兩倍于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)所做功的原因。在當(dāng)前實(shí)際使用中，具有相同缸徑和相同轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率比四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)高出大約百分之八十。這種發(fā)動(dòng)機(jī)功率的增加，使得二沖程發(fā)電機(jī)作為大型船舶主機(jī)而得到廣泛地應(yīng)用。1

主要措施現(xiàn)代船用大型低速柴油機(jī)近十多年在提高經(jīng)濟(jì)性方而取得的成效超過(guò)了過(guò)去幾十年。各種節(jié)能措施相繼出現(xiàn)并日趨完善。這些措施主要有：

1．采用定壓渦輪增壓系統(tǒng)和高效率廢氣渦輪增壓器

在高增壓柴油機(jī)上采用定壓渦輪增壓系統(tǒng)代替脈沖渦輪增壓系統(tǒng)是現(xiàn)代柴油機(jī)一在顯著特點(diǎn)，同時(shí)也有利于提高增壓器的效率 。新型渦輪增壓器的發(fā)展和使用，使增壓器效率由60年代的50-60%提高于60-76%，由此顯著降低了柴油機(jī)燃油消耗率。

2．增大行程缸徑比S/D

增大行程缸徑比S/D的主要目的是在保持活塞平均速度Vm不變的情況下大幅度降低柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，以提高螺旋槳效率，從而提高動(dòng)力裝置的總效率。這是自石油危機(jī)以來(lái)提高柴油機(jī)動(dòng)力裝置經(jīng)濟(jì)性的重要措施。因此自70年代末期開(kāi)始，S/D的增大速度很快，并逐步開(kāi)發(fā)了低速柴油機(jī)的長(zhǎng)行程和超長(zhǎng)行程柴油機(jī)系列。S/D的增加，也使柴油機(jī)本身的經(jīng)濟(jì)性有所提高。目前，MAN B&W公司的SMC-C系列柴油機(jī)的S/D值已達(dá)4.0，而W?rtsil?瑞士公司的SULZER RTA-T系列柴油機(jī)的S/D值甚至已達(dá)到了4.17。然而，增大S/D使柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)增加，因而S/D的增加是有限度的。

3．提高最高爆發(fā)壓力pz與平均有效壓力pe之比pz/pe

由柴油機(jī)的理論循環(huán)研究與實(shí)踐證實(shí)，提高pz/pe可顯著降低燃油消耗率。研究指出，當(dāng)pz/pe從7.8提高到12，油耗率可下降約12g/kW·h。因而，現(xiàn)代船用柴油機(jī)均采用這種措施降低油耗率。但是，大幅度提高pz是十分困難的，它受到了柴油機(jī)負(fù)荷的限制，必須同時(shí)采取相應(yīng)措施保證柴油機(jī)的可靠性。因而從60年代到70年代中期，船用柴油機(jī)的pz雖然逐步增加，但增加幅度不大(在近20年內(nèi)pz僅提高約2.5MPa)。從70年代中期到80年代中期，柴油機(jī)的pz值有了大幅度增長(zhǎng)，增加約5MPa。目前有些柴油機(jī)的pz已達(dá)15 MPa(如Sulzer RTA機(jī))，甚至18MPa。在保持pz不變時(shí)降低pe值同樣可降低油耗率，這也是目前廣泛采用的節(jié)能措施。降低pe就是柴油機(jī)降功率使用，如保持標(biāo)定轉(zhuǎn)速而選用較低(如80%)的pe，或在使用較低轉(zhuǎn)速(如80%)時(shí)選用較低的pe等。

4．增大壓縮比ε

在增壓柴油機(jī)上尤其是高增壓柴油機(jī)上，為了限制pz，保證柴油機(jī)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，過(guò)去常用的措施是降低柴油機(jī)的壓縮比，但由此也降低了經(jīng)濟(jì)性。顯然，這種措施已不符合現(xiàn)代柴油機(jī)的發(fā)展需求。現(xiàn)代船用低速柴油機(jī)為了提高經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)理論循環(huán)的結(jié)論仍然采用了適當(dāng)增大壓縮比的措施，把壓縮比由10左右提高到16～19之間。

5．采用可變噴油定時(shí)(VIT)機(jī)構(gòu)

把提高pz作為節(jié)能措施時(shí)，更要重視提高柴油機(jī)部分負(fù)荷下的pz值。因?yàn)槠湟?，現(xiàn)代船用柴油機(jī)的實(shí)際使用功率通常均小于標(biāo)定功率；其二，柴油機(jī)在部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)pz隨負(fù)荷的減小而降低。如果在部分負(fù)荷時(shí)能使pz值一保持其標(biāo)定值，結(jié)果是pz與pe的比值pz/pe變大，則燃油消耗率減少。VIT機(jī)構(gòu)可在柴油機(jī)負(fù)荷變化時(shí)自動(dòng)調(diào)整其噴油提前角，保證在部分負(fù)荷(通常為80%～100%負(fù)荷)時(shí)柴油機(jī)的pz基本不變，而在50%～80%負(fù)荷范圍內(nèi)也有較高的pz值(與無(wú)VIT機(jī)構(gòu)比較)。

6．降低摩擦損失功提高機(jī)械效率ηm

柴油機(jī)的摩擦損失約占機(jī)械損失的40%，因而降低摩擦損失是提高ηm的主要途徑。現(xiàn)代船用低速柴油機(jī)采用短裙和超短裙活塞、減少活塞環(huán)數(shù)量(如由5道減為4道)及改善活塞環(huán)的工作條件等措施降低摩擦損失，提高機(jī)械效率。

7．軸帶發(fā)電機(jī)（PTO）

在主柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間(通常要求主機(jī)轉(zhuǎn)速>70%標(biāo)定轉(zhuǎn)速)，通過(guò)專設(shè)的恒速傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，可發(fā)出滿足船舶航行所需要的電力。在主機(jī)轉(zhuǎn)速變動(dòng)或波動(dòng)時(shí)通過(guò)恒速傳動(dòng)裝置可保證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，或可通過(guò)變頻裝置保證發(fā)出的電壓與頻率不變。采用軸帶發(fā)電機(jī)在航行期間可停止柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。此裝置并不直接降低柴油機(jī)油耗率，但提高船舶動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)主要有：可使用油耗率較低的主柴油機(jī)供應(yīng)電力，可節(jié)省柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的滑油消耗，減少柴油發(fā)電機(jī)的數(shù)量與維修費(fèi)用。

8．柴油機(jī)廢熱再利用

柴油機(jī)的廢氣和冷卻介質(zhì)帶走了燃料總發(fā)熱量中50%左右的熱量。充分利用這一部分廢熱的能量，對(duì)提高整個(gè)動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性有重要意義。如利用廢氣渦輪發(fā)電機(jī)組、廢氣鍋爐發(fā)電機(jī)等。目前這方面的問(wèn)題仍在研究與探索之中。

9．改進(jìn)噴射與燃燒技術(shù)

在高增壓柴油機(jī)中縮短噴射持續(xù)期，改善霧化質(zhì)量提高燃燒效率是該型柴油機(jī)的重大研究課題之一。為此，發(fā)展了高噴油壓力(達(dá)100 Mpa～140Mpa)、高噴油率以縮短噴射持續(xù)期的噴射系統(tǒng)，并采取優(yōu)化噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)措施提高霧化質(zhì)量，提高燃燒效率。目前，智能化的電子控制噴射柴油機(jī)已開(kāi)始裝船應(yīng)用。具體機(jī)型為SULZER Rtflex 58T—B。

柴油機(jī)燒瓦的原因一是沒(méi)按季節(jié)使用潤(rùn)滑油。不同季節(jié)應(yīng)使用不同牌號(hào)的潤(rùn)滑油。一些柴油機(jī)燒瓦，就是因夏季使用粘度小的潤(rùn)滑油，在軸瓦接觸面上形成不了油膜所致。

二是潤(rùn)滑油不清潔。若將不清潔的潤(rùn)滑油加入機(jī)體內(nèi)，就會(huì)堵塞油路造成燒瓦。

三是不注意觀察儀表。柴油機(jī)正常工作時(shí)機(jī)油壓力應(yīng)在(0.15~0.25)MPa之間，怠速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)油壓力不小于0.5MPa。許多機(jī)手很少注意看機(jī)油壓力表，因而也不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患。

四是添加機(jī)油不適量。若機(jī)油過(guò)多，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)容易燒機(jī)油，形成積碳,若過(guò)少，則會(huì)因潤(rùn)滑不良而燒瓦抱軸。一般機(jī)油面處于油尺上下刻度之間最為適宜。

五是長(zhǎng)期超負(fù)荷而導(dǎo)致燒瓦。因長(zhǎng)期超負(fù)荷作業(yè)，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度高、轉(zhuǎn)速低，軸瓦的承載力增加，機(jī)油泵供油量相應(yīng)減少，加之機(jī)油在高溫下粘度降低，更容易造成燒瓦。

六是軸與瓦的配合間隙不符合標(biāo)準(zhǔn)。間隙過(guò)小，機(jī)油不容易進(jìn)入，形成不了油膜層,間隙過(guò)大，機(jī)油容易流失，油膜層也難以形成。因此在修理裝配時(shí)，必須保證軸瓦間隙在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

振動(dòng)問(wèn)題產(chǎn)生原因(1)連接剛度不足機(jī)組基座單薄，支撐強(qiáng)度不夠：基座與機(jī)座之間墊片連接不好，螺絲松動(dòng)，機(jī)座結(jié)構(gòu)剛度不
足。

(2)機(jī)械本身存在缺陷由于長(zhǎng)期使用，缺乏保養(yǎng)，運(yùn)動(dòng)副的間隙過(guò)大，運(yùn)動(dòng)件損壞，產(chǎn)生不平衡質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)時(shí)
產(chǎn)生不平衡力。

(3)聯(lián)軸節(jié)缺陷齒輪式聯(lián)軸器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，齒輪因磨損產(chǎn)生齒厚和齒隙不均，齒面接觸不良；彈性柱銷聯(lián)軸器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，彈性膠老化、變形、磨損脫落，聯(lián)接膠座孔磨損變形，聯(lián)接螺絲疲勞折斷。剛性聯(lián)軸器平面跳動(dòng)大，端面與軸中心不垂直等。

(4)修理、安裝的精度差修理中更換運(yùn)動(dòng)件時(shí)沒(méi)有考慮質(zhì)量、間隙：電機(jī)與柴油機(jī)中線調(diào)整不合規(guī)范，在調(diào)整
中線時(shí)墊片使用不合理等。

危害機(jī)械振動(dòng)往往會(huì)導(dǎo)致軸承的過(guò)度磨損、機(jī)件裂紋的形成、緊固件松弛、結(jié)構(gòu)和機(jī)械的破壞、機(jī)械設(shè)備頻繁的維修，以及由此引起的過(guò)高費(fèi)用、焊點(diǎn)破裂引發(fā)的電路故障、絕緣材料磨損造成的短路等。工作人員長(zhǎng)時(shí)間在振動(dòng)環(huán)境中會(huì)感到疼痛、不適，工作效率低下。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李雪梅 - 副教授 - 西南大學(xué)