[科普中国]-船用柴油发电机组

近年来，柴油机发电机组在船舶上的应用越来 越多。除了作为常规的提供船电的机组外，还越来 越广泛地用于电力推进。由于其独特的优点，采用 全或半电力推进已成为数千吨以上的船舶，特别是 军用舰船推进系统的发展趋势。柴油机主要用做船上发电机组的原动机，燃油冷却器对于柴油机的柴油机油冷却至观重要，柴油机通过海水对燃油进行冷却，以达到柴油机 所需要的性能。

工作原理船用柴油机是一种船舶上用的柴油机。其工作原理如下：

一股新鲜空气被抽进或泵进发动机汽缸内，然后被运动的活塞压缩到很高的压力。当空气被压缩时，其温度升高以致它能点燃喷射进汽缸的细雾状燃油。燃油的燃烧给充进的空气增加更多的热量，引起膨胀并迫使发电机活塞对曲轴做功，曲轴依次地通过其他轴来驱动传船舶的螺旋桨。

两次燃油喷射之间的运行称为一个工作循环。在四冲程柴油发动机中，这个循环需要由活塞四个不同的冲程来完成，即吸气、压缩、膨胀和排气。如果我们把吸气和排气与压缩和膨胀结合起来，四冲程发动机就变成了两冲程发电机。

二冲程循环开始于活塞从其冲程的底部（既下止点）上升，此时汽缸边上进气口处于打开状态。此时，排气阀也打开，新鲜空气充入汽缸，把上一冲程残留的废气通过打开的排气阀吹出去。阀吹出去。

当活塞向上运行到其行程上午大约五分之一时，它就关闭进气口，同时排气阀也关闭，所以温度和压力都上升到很高的值。

当活塞到达其冲程的顶部（即上止点）时，燃油阀把细雾状的燃油喷射到汽缸内的高温空气中，燃油立即燃烧，热量使压力很快上升。这样，膨胀的燃气迫使活塞在做功冲程中向下移动。

当活塞向下移动到行程的一半过一点的地方，排气阀打开，高温的燃气由于其自身的压力开始通过排气阀向外流出，该压力受助于通过进气口进入的新鲜空气。进气口是随着活塞的进一步下行而打开的。然后，另一循环又开始了。

在二冲程发动机里，曲轴转一圈做一次做功冲程，而四冲程发动机，需要曲轴转二圈才做一次做功冲程，这就是为什么二冲程发动机在相同的尺寸下能够做大约两倍于四冲程发动机所做功的原因。在当前实际使用中，具有相同缸径和相同转速的发动机，二冲程发动机输出的功率比四冲程发动机高出大约百分之八十。这种发动机功率的增加，使得二冲程发电机作为大型船舶主机而得到广泛地应用。1

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而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

在高增压柴油机上采用定压涡轮增压系统代替脉冲涡轮增压系统是现代柴油机一在显著特点，同时也有利于提高增压器的效率 。新型涡轮增压器的发展和使用，使增压器效率由60年代的50-60%提高于60-76%，由此显著降低了柴油机燃油消耗率。

2．增大行程缸径比S/D

增大行程缸径比S/D的主要目的是在保持活塞平均速度Vm不变的情况下大幅度降低柴油机转速，以提高螺旋桨效率，从而提高动力装置的总效率。这是自石油危机以来提高柴油机动力装置经济性的重要措施。因此自70年代末期开始，S/D的增大速度很快，并逐步开发了低速柴油机的长行程和超长行程柴油机系列。S/D的增加，也使柴油机本身的经济性有所提高。目前，MAN B&W公司的SMC-C系列柴油机的S/D值已达4.0，而Wärtsilä瑞士公司的SULZER RTA-T系列柴油机的S/D值甚至已达到了4.17。然而，增大S/D使柴油机结构复杂，造价增加，因而S/D的增加是有限度的。

3．提高最高爆发压力pz与平均有效压力pe之比pz/pe

由柴油机的理论循环研究与实践证实，提高pz/pe可显著降低燃油消耗率。研究指出，当pz/pe从7.8提高到12，油耗率可下降约12g/kW·h。因而，现代船用柴油机均采用这种措施降低油耗率。但是，大幅度提高pz是十分困难的，它受到了柴油机负荷的限制，必须同时采取相应措施保证柴油机的可靠性。因而从60年代到70年代中期，船用柴油机的pz虽然逐步增加，但增加幅度不大(在近20年内pz仅提高约2.5MPa)。从70年代中期到80年代中期，柴油机的pz值有了大幅度增长，增加约5MPa。目前有些柴油机的pz已达15 MPa(如Sulzer RTA机)，甚至18MPa。在保持pz不变时降低pe值同样可降低油耗率，这也是目前广泛采用的节能措施。降低pe就是柴油机降功率使用，如保持标定转速而选用较低(如80%)的pe，或在使用较低转速(如80%)时选用较低的pe等。

4．增大压缩比ε

在增压柴油机上尤其是高增压柴油机上，为了限制pz，保证柴油机有足够的机械强度，过去常用的措施是降低柴油机的压缩比，但由此也降低了经济性。显然，这种措施已不符合现代柴油机的发展需求。现代船用低速柴油机为了提高经济性，根据理论循环的结论仍然采用了适当增大压缩比的措施，把压缩比由10左右提高到16～19之间。

5．采用可变喷油定时(VIT)机构

把提高pz作为节能措施时，更要重视提高柴油机部分负荷下的pz值。因为其一，现代船用柴油机的实际使用功率通常均小于标定功率；其二，柴油机在部分负荷运转时pz随负荷的减小而降低。如果在部分负荷时能使pz值一保持其标定值，结果是pz与pe的比值pz/pe变大，则燃油消耗率减少。VIT机构可在柴油机负荷变化时自动调整其喷油提前角，保证在部分负荷(通常为80%～100%负荷)时柴油机的pz基本不变，而在50%～80%负荷范围内也有较高的pz值(与无VIT机构比较)。

6．降低摩擦损失功提高机械效率ηm

柴油机的摩擦损失约占机械损失的40%，因而降低摩擦损失是提高ηm的主要途径。现代船用低速柴油机采用短裙和超短裙活塞、减少活塞环数量(如由5道减为4道)及改善活塞环的工作条件等措施降低摩擦损失，提高机械效率。

7．轴带发电机（PTO）

在主柴油机正常运转期间(通常要求主机转速>70%标定转速)，通过专设的恒速传动装置驱动发电机，可发出满足船舶航行所需要的电力。在主机转速变动或波动时通过恒速传动装置可保证发电机转速恒定，或可通过变频装置保证发出的电压与频率不变。采用轴带发电机在航行期间可停止柴油发电机运转。此装置并不直接降低柴油机油耗率，但提高船舶动力装置的经济性。这种装置的优点主要有：可使用油耗率较低的主柴油机供应电力，可节省柴油发电机运转时的滑油消耗，减少柴油发电机的数量与维修费用。

8．柴油机废热再利用

柴油机的废气和冷却介质带走了燃料总发热量中50%左右的热量。充分利用这一部分废热的能量，对提高整个动力装置的经济性有重要意义。如利用废气涡轮发电机组、废气锅炉发电机等。目前这方面的问题仍在研究与探索之中。

9．改进喷射与燃烧技术

在高增压柴油机中缩短喷射持续期，改善雾化质量提高燃烧效率是该型柴油机的重大研究课题之一。为此，发展了高喷油压力(达100 Mpa～140Mpa)、高喷油率以缩短喷射持续期的喷射系统，并采取优化喷射系统结构措施提高雾化质量，提高燃烧效率。目前，智能化的电子控制喷射柴油机已开始装船应用。具体机型为SULZER Rtflex 58T—B。

柴油机烧瓦的原因一是没按季节使用润滑油。不同季节应使用不同牌号的润滑油。一些柴油机烧瓦，就是因夏季使用粘度小的润滑油，在轴瓦接触面上形成不了油膜所致。

二是润滑油不清洁。若将不清洁的润滑油加入机体内，就会堵塞油路造成烧瓦。

三是不注意观察仪表。柴油机正常工作时机油压力应在(0.15~0.25)MPa之间，怠速运转机油压力不小于0.5MPa。许多机手很少注意看机油压力表，因而也不能及时发现故障隐患。

四是添加机油不适量。若机油过多，发动机运转时容易烧机油，形成积碳,若过少，则会因润滑不良而烧瓦抱轴。一般机油面处于油尺上下刻度之间最为适宜。

五是长期超负荷而导致烧瓦。因长期超负荷作业，发动机温度高、转速低，轴瓦的承载力增加，机油泵供油量相应减少，加之机油在高温下粘度降低，更容易造成烧瓦。

六是轴与瓦的配合间隙不符合标准。间隙过小，机油不容易进入，形成不了油膜层,间隙过大，机油容易流失，油膜层也难以形成。因此在修理装配时，必须保证轴瓦间隙在标准范围内。

振动问题产生原因(1)连接刚度不足机组基座单薄，支撑强度不够：基座与机座之间垫片连接不好，螺丝松动，机座结构刚度不
足。

(2)机械本身存在缺陷由于长期使用，缺乏保养，运动副的间隙过大，运动件损坏，产生不平衡质量，运动时
产生不平衡力。

(3)联轴节缺陷齿轮式联轴器长时间运行，齿轮因磨损产生齿厚和齿隙不均，齿面接触不良；弹性柱销联轴器长时间运行，弹性胶老化、变形、磨损脱落，联接胶座孔磨损变形，联接螺丝疲劳折断。刚性联轴器平面跳动大，端面与轴中心不垂直等。

(4)修理、安装的精度差修理中更换运动件时没有考虑质量、间隙：电机与柴油机中线调整不合规范，在调整
中线时垫片使用不合理等。

危害机械振动往往会导致轴承的过度磨损、机件裂纹的形成、紧固件松弛、结构和机械的破坏、机械设备频繁的维修，以及由此引起的过高费用、焊点破裂引发的电路故障、绝缘材料磨损造成的短路等。工作人员长时间在振动环境中会感到疼痛、不适，工作效率低下。2

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学