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5．自动化设备：

指为改善船员工作条件，提高装置工作效率和操作的准确性，以及减少维护工作所设置的设备。

主要由对主、副机及其它机械设备进行遥控、自动调节、监视和报警的设备组成。

三、船舶动力装置的类型：

以推进装置的类型进行分类。

1．蒸汽动力装置：

在蒸汽动力装置中，有往复式蒸汽机和汽轮机两种。

1）往复式蒸汽机最早应用于海船，由于它具有结构简单、运转可靠、管理方便等优点，在过去很长的一段时期内占据着统治地位；

但由于其经济性差、尺寸重量大、不能适应机组功率增长的需要，现在已经被其他船用发动机所代替。

2）回转式汽轮机自从十九世纪末问世并装船使用以来，由于受到柴油机的挑战，一直发展比较缓慢。

这种发动机运转平稳，摩擦、磨损较少，振动、噪声较轻。

但热效率低，要配置重量、尺寸较大的锅炉、冷凝器、减速齿轮装置以及其它辅助机械，因此装置的总重量和尺寸均较大，这就限制了它在中小船舶中的应用。

不少资料表明，在功率超过22000kW（30000HP）和船速超过20Kn时，汽轮机动力装置比柴油机动力装置更为优越。

2．燃气动力装置：

1）柴油机动力装置：

柴油机不仅是热效率最高的一种热机，而且还具有起动迅速、安全可靠、装置的重量较轻、功率范围大（从几kW至数万kW）等一系列优点，因此船舶主机及发电副机现在多用这种发动机。

在中、大型民用船舶上所使用的柴油机有大型低速和大功率中速两大类。

这两种柴油机在激烈竞争的同时又互相促进，都在迅速的发展着。

⑴大型低速柴油机动力装置自60年代起发展的特别迅速。

一方面是由于当时船舶向大型化、高速化发展，需要大功率的发动机；

另一方面由于废气涡轮增压技术的进步，可燃用更低质燃料，降低了比油耗，为大型低速机发展提供了可能。

70年代两次能源危机的冲击和相继出现的航运事业不景气，从节能需要出发，船舶已不再向大型化和高速化方向发展，除专业化船舶外，一般货船的航速降至14kn左右。

为了适应这种形势，大型低速柴油机的尺度不但不再增加，而且缸径也都回到1000mm以内，并出现了缸径只有260mm的低速机（如S26MC／MCE）。

从70年代末至今围绕着节能这一中心，大型低速柴油机的结构差不多年年都在改进，大体每隔两年就推出一种新机型。

可以认为，降低耗油率提高经济性，仍然是今后发展的方向之一。

⑵大功率中速柴油机动力装置的重量和尺寸较小，可燃用重质燃料，是低速机的有力竞争者，在中速机装置中，可通过合理选配减速比，使螺旋桨的转速最佳化，从而显著提高推进装置效率。

单缸功率的提高和单机功率的扩大，以及可用多台（2～4台）发动机通过减速器驱动一个螺旋桨的可能性，都给中速机的发展创造了有利的条件，特别是在机舱尺寸要求严格的滚装船、集装箱船和客船上，中速机的应用就更为广泛。

目前中速机的耗油率虽然有明显下降，但仍然略高于低速机，运转中噪声也比较大。

预计中速机今后还会有进一步发展。

2）燃气轮机动力装置：

本世纪30年代燃气轮机制造业开始兴盛起来，第一批作为商船主机的是在50年代。

它的优点是单位重量和尺寸小，机动性高，操纵管理简便，便于实现自动化。

但它的经济性差、进排气管道大、机舱布置困难、不能直接倒车、装置较复杂、叶片及燃气发生器均在高温高压状态下工作、寿命较短。

由于以上原因，这种动力装置在商船上应用较少。

3．核动力装置：

核动力装置的优点是所用燃料的重量极轻，大大增加船舶续航力。

同时核燃料燃烧不用空气助燃，不用设进排气系统。

但由于造价高，核分裂反应释放出大量放射性物质要严加防护，操纵管理检查系统复杂，因此在商船上应用甚少，随着液体燃料资源的日趋枯竭，核动力装置的竞争能力有可能加强。

第二节对船舶动力装置的要求

一、可靠性：

船舶动力装置的好坏，首先取决于它在各种营运条件下，能否可靠地和不间断地进行工作。

因此，对任何船舶动力装置首先提出的要求就是工作可靠性要高。

二、经济性：

民用船舶在满足可靠性的前提下，要求尽量提高其经济性。

对于船舶动力装置的经济性不能只从主机耗油率一项指标去衡量，还要考虑造船初投资费、燃润油价格、管理维修费、折旧费、船员工资、保险和港口各项费用。

所以对动力装置的经济性要全面考虑，综合分析。

三、机动性：

船舶机动性是安全航行的重要保证。

船舶起航、变速、倒航和回转的性能是船舶机动性的主要体现。

而船舶的机动性取决于动力装置的机动性，后者可由以下几项指标体现。

1．发动机由起动至达到全功率所需的时间：

这段时间的长短主要取决于发动机的型式，低速柴油机需30分钟以上。

影响发动机加速时间长短的因素是它的运动部件的质量惯性和受热部件的热惯性，而后者更为重要。

在这方面中速柴油机优于低速柴油机。

2．螺旋桨换向所需的时间和可能的换向次数：

螺旋桨换向所需的时间通常是指由发出换向指令起到螺旋桨开始反方向回转的时间。

柴油机的起动换向性能较好，在机动航行时一般十几秒内就可完成换向过程，但在船速较快且不进行紧急刹车时，换向时间则大为延长。

换向次数取决于空气瓶的容积和发动机的起动性能。

换向时间和换向次数，以电力传动和调距桨装置最佳。

3．船舶由前进变为倒航所需的时间（或滑行的距离）：

由于船舶惯性大，船舶由前进变为后退所需的时间，总是大于发动机或螺旋桨换向所需要的时间。

船舶开始倒航前滑行的距离主要取决于船舶的初速、排水量、装置的换向性能和倒车功率。

滑行距离不能太大，一般要求货船不能大于船体长度的6倍，而客船不得超过4倍。

4．发动机的最低稳定转速及转速限制区域：

低速柴油机的最低稳定转速一般不高于标定转速的30％，中速机不高于40％，高速机不高于45％，它主要取决于喷油设备的结构和制造质量。

在使用转速范围内如存在引起船体或轴系共振的临界转速，则规定为转速禁区。

最低稳定转速越低，在使用的转速范围内共振区越少、越窄，则动力装置的机动性能就越好。

四、续航力：

是指船舶不需要补充任何物资（燃油、滑油、淡水等）所能航行的最大距离或最长时间。

续航力是根据船舶的用途和航区确定的。

续航力不但和动力装置的经济性、物资储备量有关，也和船舶航速有很大关系。

除以上要求外，还要求便于维护管理，有一定的自动化程度，并满足造船和验船规范。

第二章船舶柴油机动力装置

柴油机是内燃机中的一种，而内燃机又是热机的一种。

所谓热机是指把热能转换成机械能的动力机械。

柴油机、汽油机、蒸汽轮机、燃气轮机以及蒸汽机是热机中较典型的机型。

其中，蒸汽机与蒸汽轮机同属外燃机。

汽油机、柴油机、燃气轮机同属内燃机。

柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机。

它使用柴油或劣质油做燃料，在汽缸内与空气混合形成可燃混合气，缸内燃烧采用压燃式发火。

第一节柴油机的基本结构

1.固定部件、运动部件和燃烧室：

柴油机是以燃油作为燃料的往复式内燃机。

在柴油机中，燃油的燃烧是在机器的燃烧室内进行，并把燃料燃烧所产生的热能转变为机械功。

气缸体、气缸盖和活塞等三个部件组成密闭的燃烧室。

柴油机是一种往复式机械，活塞在缸内作往复运动。

由于工作机械（螺旋桨、发电机）等通常是以旋转的方式工作的，这就需要将活塞的往复运动变为输出轴的旋转运动，把活塞从工质得来的动力传递出去。

该任务是由活塞、连杆和曲轴组成的传递动力组件来完成的。

2.辅助装置和系统：

1）起动装置的作用是把柴油机从静止状态转动到足够的转速，使汽缸内的空气压缩后温度升高到足以使柴油机发火燃烧，机器开始正常运转。

2）燃油系统则定时定量地将符合燃烧要求的油供入气缸。

3）为了使废气排净，使新鲜空气进足，由配气机构定时地开关气阀。

4）为了使柴油机持久而可靠地工作，还需要有润滑系统把滑油供应到各个磨擦面进行润滑，并由冷却系统来降低机件和滑油的温度。

5）为了提高运转的准确性和可靠性以及操纵的灵活性，一般柴油机还安装有调速器以及各种安全装置并有专门的操纵机构、换向机构等。

3.常用术语：

1）活塞在气缸中运动的最上端位置，也就是活塞离曲轴中心线最远的位置，称之为上止点。

2）活塞在汽缸中运动的最下端位置，也就是活塞离曲轴中心线最近的位置，称之为下止点。

3）活塞从上止点移到下止点的距离称之为行程，它等于曲轴曲柄半径的两倍。

4）活塞移动一个行程，相当于曲轴转动180°

（曲轴转角）。

第二节柴油机的工作原理

1.柴油机的基本工作原理：

采用压缩式发火使燃料在汽缸内燃烧，以高温高压的燃气工质在汽缸中膨胀推动活塞作往复运动，再通过活塞一连杆曲柄机构将往复运动转变为曲轴的回转运动，从而带动机械工作。

2.柴油机的工作循环：

根据柴油机的工作特点，燃油在柴油机汽缸中燃烧必须通过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程的全部热力循环过程称为柴油机工作过程。

3）二冲程或四冲程柴油机：

在柴油机中可用活塞的两个行程或四个行程来完成柴油机的一个工作循环，相应称为二冲程或四冲程柴油机。

一、四冲程柴油机的工作原理：

图2-2中的4个简图分别表示柴油机工作循环五个过程进行的情况以及活塞、曲轴、气阀等部件的有关动作位置。

第一行程——进气行程。

活塞从上止点下行，进气阀被打开。

由于汽缸容积不断增大，缸内压力下降，依靠大气与缸内的压差，新鲜空气经气阀被吸入汽缸。

进气阀一般在活塞到达上止点前提前打开，下止点后延迟关闭。

该进气持续角用曲轴转角表示约为220°

～250°

。

第二行程——压缩行程。

活塞从下止点向上运动，自进气阀关闭开始压缩，一直到活塞到达上止点为止。

第一行程吸入的新鲜空气经压缩后压力增高到3～6MPa，温度升至600～700℃。

在压缩过程的后期由喷油器喷入气缸内的燃油与高温空气混合、加热、并自行发火燃烧，过程约持续140°

～160°

曲轴转角。

第三行程——燃烧和膨胀行程。

活塞在上止点附近由于燃油猛烈燃烧，使缸内压力和温度急剧升高，压力约达5～8MPa，甚至15MPa以上，温度约为1400～1800℃或更高。

高温高压的燃气膨胀推动活塞下行做功。

由于气缸容积增大，压力下降，在上止点后某一时刻燃烧基本完成。

膨胀过程一直到排气阀开启时结束。

膨胀终了时的缸内压力约为250～450kPa，气体温度约为600～700℃。

该过程约持续120°

～140°

第四行程——排气行程。

在上一行程末气阀开启时，活塞尚在下行，废气靠汽缸内外压差经排气阀排出。

当活塞由下止点上行时，废气被活塞推出汽缸，此时的排气过程是在略高于大气压力（约1.05～1.1atm）且在压力基本不变的情况下进行的。

排气阀一直延迟到上止点后才关闭。

该过程约持续230°

～260°

进行了以上四个行程，柴油机就完成一个工作循环。

当活塞继续运动时，又一个新的工作循环又按同样的顺序重复进行。

四冲程柴油机每完成一个工作循环，曲柄回转两转。

每工作循环中只有第三行程是做功的，其它行程都为第三行程服务，都需要外界供给能量。

柴油机常做成多缸，这样进气、压缩、排气行程的能量可由正在做功的气缸供给。

如果是单缸柴油机，那就由较大的飞轮供给。

四冲程柴油机的进、排气阀启闭时刻是在上、下止点的前后某一时刻。

其开启角都大于180°

曲柄转角。

进、排气阀的启闭时刻称为气阀正时。

通常气阀正时均以上、下止点前后的曲柄转角表示，分别称为进（排）气阀提前、滞后角。

用曲柄转角表示气阀正时的圆图称为气阀正时圆图。

气阀提前开启与延后关闭目的：

是为了将废气排除干净并增加空气的吸入量，以利于燃油的燃烧，并可减少排气耗功。

在上止点前后进气阀与排气阀同时开启着，这段重叠着的曲柄转角称为进、排气阀重叠角（亦称气阀重叠角）。

在气阀叠开期间，利用废气的流动惯性，除可避免废气倒冲入进气管外，尚可抽吸新鲜空气进入气缸，并利用压力差在将新气吸入气缸的同时将燃烧室内的废气扫出汽缸，实现所谓的燃烧室扫气。

二、二冲程柴油机的工作原理：

在二冲程柴油机中，没有单独的进气与排气过程，其进气与排气过程几乎重叠在下止点前后120°

～150°

内同时进行。

因此在结构上，二冲程必须采用气缸下部扫气口一排气口，或气缸下部扫气口一气缸盖上排气阀的换气机构，而且必须设置一个专门的扫气泵以提高进气压力，使进气能从扫气口进入汽缸并将废气清扫出汽缸。

图2-4为一种二冲程柴油机的工作原理图。

该柴油机使用特设的罗茨式扫气泵，采用扫气口一排气口方式换气。

扫气泵设在柴油机的一侧，其转子由柴油机带动。

空气从泵的吸口吸入，经压缩后储存在较大容积的扫气箱d中并保持一定压力。

在柴油机膨胀行程中，柴油机活塞下行，先将排气口打开，缸内废气经排气口进入到排气管g中。

当气缸内压力降低到扫气压力时，活塞下行将扫气口打开，扫气空气由扫气箱d经扫气口e进入气缸同时将废气排出气缸，于是进气与排气同时进行，一直到下止点（点0），并转而上行把扫气口关闭为止。

扫气结束，活塞继续上行把排气口关闭。

至此，换气过程全部结束，而开始进行压缩、燃烧和膨胀过程。

这两个过程与四冲程机基本相同。

通常，二冲程柴油机的燃烧和膨胀行程约占90°

～120°

曲轴转角；

换气过程约占120°

压缩行程约占120°

二冲程机与四冲程机比较，在相同的工作条件下，其功率约为四冲程机的1.6～1.7倍，而且其回转也比四冲程机均匀，但二冲程机的换气质量比四冲程机差。

第三节柴油机的换气与增压

一、柴油机的换气：

柴油机每完成一个工作循环都必须把废气排出气缸，并把新鲜空气吸入气缸，从排气过程、扫气过程到进气过程结束的整个气体交换过程称为换气过程。

换气过程的质量将影响柴油机的功率、经济性、可靠性以及排气污染，是柴油机工作优劣的先决条件。

1．换气过程：

由于四冲程柴油机进排气过程是分别在两个过程中完成的，新气与废气互不掺混，因而其换气质量较高。

而二冲程机换气时间短，换气与排气同时进行，新气与废气掺混，换气质量差，缸内新气少，残留废气多。

所以二冲程机对换气型式要求较高。

二冲程机常见的换气形式一般为：

（1）简单横流扫气：

如图2-6（a），进气口位于汽缸中心线的两侧，空气从进气口一侧沿汽缸中心线向上，然后在靠近燃烧室部位回转到排气口一侧，再沿汽缸中心线向下把废气从排气口清扫出汽缸。

（2）回流式扫气：

如图2-6（b）所示，进排气口在气缸下部同一侧且进气口在排气口的上方，进气沿活塞顶面向对侧的缸壁流动，到气缸盖再转向下流动，把废气从排气口清扫出气缸。

在船用大型柴油机中，MAN、KZ型柴油机为回流式扫气。

（3）半回流扫气：

如图2-6（c），进气口布置在排气口的下方及两侧，气流在缸内的流动特征兼有横流与回流的特点。

某些早期的半回流扫气形式，在排气管中装有回流控制阀。

在船用大型柴油机中sulzerRD，RND，RLA，RLB等型柴油机均为半回流扫气形式。

（4）直流扫气：

如图2-6（d），气缸下部均布一圈进气口，在气缸口有一圈排气阀（1～6个）。

空气从气缸下部进气口进入气缸，沿气缸中心线上行驱赶废气从气缸盖上的排气阀排出气缸。

该扫气型式使空气与废气不易掺混，扫气效果较好。

同时排气阀的启闭由排气凸轮控制，不受活塞运动的限制，所以排气阀可以与进气阀同时关闭。

在船用柴油机中B＆W、UEC等机型是传统的排气阀——扫气口直流扫气式柴油机。

现代船用超长行程柴油机MAN／B＆WMC／MCE、sulzerRTA机型也是排气阀——扫气口直流扫气式柴油机。

2．换气机构：

保证柴油机按规定顺序和时刻完成进、排气过程的机构称配气机构。

通常是由气阀机构、气阀传动机构、凸轮轴和凸轮轴传动机构组成的。

二冲程气口换气的柴油机不需用专门的换气机构，而四冲程柴油机和二冲程气口一气阀式直流扫气柴油机则是通过专门的换气机构来完成的，它是这类型柴油机的重要组成部分。

四冲程柴油机曲轴转两转气阀应开关一次，即要求凸轮轴转一转。

因此，齿轮传动要使曲轴与凸轮轴之间的转速比为2：

1。

为保证曲轴与凸轮轴之间的“正时”关系，防止相对位置装错，在传动齿轮上打有互相啮合的装配记号。

大型低速二冲程柴油机因曲轴在凸轮轴之间的距离较远，转速低，多采用链条传动。

二、柴油机的增压：

随着生产的发展，一方面要求柴油机的功率适应增加的负荷的要求，另一方面又要把柴油机的重量和尺度限制在一定范围内。

为此就要求在单缸容积内增加进气量，从而相应的多喷入燃油，以提高柴油机的功率。

柴油机中把用增加进气压力来提高功率的方法称之为增压。

为此必须装设一个压气泵。

如果压气泵是由柴油机带动的，则进气压力的提高会使柴油机消耗于压力泵的功率增多。

一般用这种机械增压的压力不会超过0.17×

103kPa。

柴油机的排气温度还很高（约为400～500℃），约含燃油燃烧所发出热量的1/3，而且该能量品质较高。

如果把废气能量充分利用起来，使之用于涡轮增压器，则涡轮增压器既可使柴油机的功率增加，又可提高柴油机的经济性。

将柴油机排出的废气送入涡轮机中，使涡轮机高速回转带动离心式压气机工作，从而提高进气压力以实现增压，该方式称之为废气涡轮增压。

废气涡轮机和压气机同称为废气涡轮增压器。

第四节柴油机的类型和典型结构

一、柴油机的类型：

根据柴油机所用场合、目的不同，对其要求也不同，其类型很多。

如按工作循环可分为四冲程和二冲程机两类；

按是否增压可分为非增压和增压柴油机等。

1．直列式和V型柴油机：

船用柴油机通常均为多缸机。

可满足功率、机动性、可靠性等多方面的要求。

多缸柴油机的排列可分为直列式、V型、W型等。

船用柴油机多为直列式和V型两种。

具有两个或两个以上直列缸，并是一列布置的柴油机称直列式柴油机。

具有两个或两列汽缸，中心线夹角呈V型，并共用一根曲轴输出动力称为V型机。

直列机的缸数一般不超过12缸，缸数超过12通常用V型机，V型机一般用于中、高速柴油机。

2．高速、中速、低速柴油机：

柴油机的速度可以用曲轴转速n或活塞平均速度Cm来表示。

低速柴油机n≤300r／minCm＝6.0～7.2m／s

中速柴油机300<

n<

1000r／minCm＝7.0～9.4m／s

高速柴油机n>

1000r／minCm＝9.0～14.2m／s

中、低速柴油机一般用作船舶的主机。

高速机一般用于发电原动机、救生艇发动机及应急发电机、应急空压机、应急消防泵的原动机等。

3．筒形活塞式和十字头式柴油机：

用活塞销连接活塞与连杆的柴油机称筒形活塞式柴油机；

用沿着导板滑动的十字头连接活塞与连杆的柴油机称十字头式柴油机。

十字头式柴油机设有填料函，燃烧产物不易漏入曲柄箱污染滑油，这为十字头式柴油机用劣质油作燃料燃烧创造了有利条件。

但重量和高度较大，且结构也较复杂。

4．右旋和左旋柴油机：

从柴油机功率输出端看，正车时沿顺时针方向旋转的柴油机称右旋机，一般布置在右舷。

从柴油机功率输出端看，正车时沿逆时针方向旋转的柴油机称左旋机，一般布置在左舷。

单台布置的柴油机通常为右旋机。

5．可逆转和不可逆转主机：

可由操纵机构改变自身转向的柴油机称可逆转柴油机。

曲轴仅能按同一方向旋转的柴油机称不可逆转主机。

二、船舶柴油机型号：

每种柴油机都有自己的代号，称为型号。

下面介绍几种主要的型号：

1．我国国产柴油机型号：

（1）低速柴油机：

例：

6ESDZ43／82B，其代号含意为：

气缸数二冲程十字头式可倒转增压缸径（cm）／行程（cm）改进序号

（2）中、小型柴油机型号：

8E350ZCD，其代号含意为：

气缸数二冲程缸径（mm）增压船用可倒转

2．sulzer柴油机：

主要有RD、RND、RNDM、RLA、RLB、RTA、RTAM等产品。

例：

6RTA84M，其代号的含义为：

气缸数焊接线构、二冲程、十字头式超长冲程直流扫气机型发展序号、气缸直径（cm）改进代号

3，MAN低速柴油机：

例：

K9Z60／105E，其代号的含义为：

十字头式气缸数二冲程，单作用缸径（cm）／行程（cm）改进代号

4．B＆W船用柴油机：

1284VT2BF-180，其代号的含义为：

气缸数缸径（cm）二冲程、单作用、十字头式设计特征船用行程（cm）

5．MAN-B＆W船用柴油机：

5L（S）60MC／MCE，其代号的含义为：

气缸数长冲程（超长冲程）缸径（cm）二冲程、十字头、定压增压强化经济型

6，三菱船用柴油机：

8UEC85／180D，其代号的含义为：

气缸数直流扫气废气涡轮增压十字头式缸径（cm）／行程（cm）系列号

第五节柴油机的工作系统

一、燃油系统：

功用：

为保证船舶的正常营运，为主机、辅机和锅炉等提供足够数量并合乎质量要求的燃油。

1．油的选择：

1）燃油的粘度和凝点：

燃油一般以油的粘度进行分类。

粘度是表示燃油流动时的内部阻力。

粘度的大小可以用绝对粘度和相对粘度来表示。

前者表示内摩擦系数的绝对值，后者是在某一条件下的相对值。

属于绝对粘度的有运动粘度和动力粘度，属于相对粘度的有恩氏、雷氏、赛氏粘度。

⑴动力粘度表示面积为1cm2、相距为1cm的两个流体薄层，以1cm／s的速度作相对运动时该流体所产生的阻力的达因数，单位为泊（h），1h的1％用厘泊（cpa）表示。

⑵运动粘度是动力粘度与密度的比值，一般用St表示，或用其1％即cst表示。

⑶恩氏粘度是在某一测定温度下，从恩氏粘度计流出．200cm3油所需时间与20℃时同体积蒸馏水从该粘度计流出所需时间的比值，用符号°

Et表示。

⑷雷氏粘度为某一油品在100℉（37.8℃）时，从雷氏粘度计中流出50cm3所需的时间，单位为秒（s）。

雷氏粘度又有雷氏1号（RedN01）和雷氏2号（RedN