船舶柴油发动机发展现状及其技术应用研究毕业论文

船舶柴油发动机发展现状及其技术应用研究 毕业设计题目：船舶柴油发动机发展现状及其技术应用研究姓名：学号：专业： 本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：船舶柴油发动机发展现状及其技术应用研究）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。作者签名： 年月 日 （学号）： 目 录船舶柴油发动机发展现状及其技术应用研究0摘要3ABSTRACT41.1引言51.2 课题研究背景和意义51.3本文结构6第2章 船舶柴油机基本原理72.1船舶柴油发动机的组成72.2 船舶柴油机发展主要技术指标82.2.1 动力性和经济性指标82.2.2重量和外形尺寸指标92.2.3 排气污染指标93.1 国外船舶柴油机的技术发展历程113.2 国内船舶柴油机发展状况12第4章 未来船舶柴油机发展方向134.1 船舶柴油机发展要求134.2 船舶柴油机发展策略134.2.1 船舶柴油机的智能化发展134.2.2 船舶柴油机排放控制技术发展14第5章 总结与展望165.1 总结165.2 展望16参考文献18致谢19摘要 本文简单论述了船舶柴油机基本原理、评定体系、产业现状；介绍了船舶柴油机技术发展动态和发展趋势；具体阐述了如今市场上船舶柴油机要求；并对影响柴油机发展的重要因素-电子智能化技术和废气排放控制技术作重点进行探讨。从而指出未来船舶柴油发动机的发展方向和发展策略；并在分析国内外船舶柴油机的技术差距的基础上，指出我国船舶柴油机产业发展将面临的机遇和挑战，在文章的最后提出了加快我国船舶柴油机发展的若干建议，要坚持走国产化的创新之路。关键词：船舶柴油机 机遇 国产化 创新 Development of marine diesel engines and their technical application ABSTRACT This paper briefly discusses the basic principles of marine diesel engine, assessment system, industry status quo；and introduces the technology developments and trends of marine diesel engine ; then addresses the requirements of marine diesel engine on the market today Specifically .It also has an important discussion to the key factors to the development of diesel enginesElectronic Intelligence Technology and Emission control technology of the diesel engine to point out the future direction and strategies of development of marine diesel engines . Based on the Analysis of the technology gap of Marine diesel engine at home and abroad, this paper point out that the development of China diesel engine industry twill face opportunities and challenges. At the end of the paper we propose a number of recommendations of accelerating the development of China diesel engine and we must adhere to the localization of innovation of the Marine Diesel Engine .Key word ：Marine Diesel Engine Opportunities Localization Innovation 第1章 绪 论1.1引言现代船舶工业是典型的综合加工装配工业，是综合工业之首。船舶工业对国民经济97个产业有直接的消耗，还直接为我国能源运输、国际航运、海洋开发等产业提供必要的装备，形成了国民经济中一条重要的产业链。据统计资料表明，船舶产品的价值平均构造比例为：造船30，原材料20，配套设备50。由此可见。船舶配套设备对船舶工业发展的重要性。船舶柴油机是船舶最主要的配套设备，它应用于船舶推进动力装置和船舶电站，在船舶总成本中分别占l0一15和3一5，因此，建设能提供性能优良、质量可靠、品种齐全、数量充足产品的船舶柴油机制造业，对我国船舶工业快速、持续、健康发展是不可或缺的1。目前我国造船业的国内配套率不到40，船舶配套落后于造船，作为船舶配套核心产品之一的船舶柴油机，配套率更低，主要是直接从国外购买原装机或采用国外引进许可证生产的产品，没有自主知识产权、关键技术受制于人，已成为影响我国船舶发展的重要瓶颈。1.2 课题研究背景和意义船用柴油机是船舶的“心脏”，然而由于不掌握核心技术、缺少自主品牌，我国船舶柴油机制造业先天不足。接踵而来的全球船舶规范、标准风云变幻，技术发展日新月异，使本已孱弱的行业再遭围追堵截，发展前景不容乐观。而国内企业不掌握核心技术、缺乏自主品牌、产量不足，中国船舶不得不借助外部“动力”。造船业近几年持续繁荣，大马力船用柴油机出现了全球性供不应求。然而与之形成强烈反差的是，我国船用柴油机生产却错失良机，国产主机比例持续下降，本土化装船率仅为40左右。也就是说，我国建造的船舶有一半装配了进口主机，而且主要是为大型集装箱船、超大型成品油轮等。其中，低速机虽然产量在逐年增长，但相对于需求量来说，缺口却在增大。为远洋船舶配套的中速机情况也不容乐观，装船量的70为国外进口产品。所以客观地说，我国远洋船用柴油机目前还没有真正的自主品牌。柴油机技术发展日新月异，在技术领域处于竞争劣势的中国船舶柴油机行业，面临更加严峻挑战。而且随着世界船舶需求的快速增长和排放法规日益严格的要求，国外各大船舶柴油机公司在近几年陆续推出了各自的新型船舶柴油机。技术研发的突飞猛进将使先天不足、积累无多、大量依靠引进技术发展的国内船舶柴油机行业雪上加霜。从国内整个船舶柴油机行业来看，与国外主要生产国家存在着不小差距，主要是企业生产规模小，难以形成规模效益，同时，关键制造工艺技术落后，产品质量不够稳定，二轮配套滞后，部分船舶大功率柴油机核心配套件仍依赖于进口，特别是中速柴油机品种繁多，配套难度很大。1.3本文结构 全文共5章，各章内容安排如下：第1章：介绍课题的研究背景，研究意义，简单介绍了现今国内外船舶柴油机的发展状况，并给出本文的结构。第2章：介绍国内现有船舶柴油机工作的基本工作原理和组成、并介绍了船舶柴油发动机的主要技术指标。第3章：介绍船舶用柴油机的技术发展。具体阐述了国内外船舶发动机的技术发展历程，从指出我国船舶柴油发动机技术与国外船舶发动机技术的差距。第4 章：介绍未来船舶柴油发动机的研发动态和未来的研发趋势；具体探讨了两个影响船舶柴油机的发展的重要因素电子智能化技术和废气排放控制技术，。第5 章：总结与展望。对船舶柴油机发展状态的总结，并提出了加快我国船舶柴油机发展的若干建议，要坚持走国产化的创新之路，发展我国自主知识产权的船舶柴油机。第2章 船舶柴油机基本原理从20世纪60年代到70年代船用低速柴油机就进入了黄金时代，它在船舶动力装置中取得了明显的压倒性的优势。而进过近几十年尤其是近十年多的发展，现代船用柴油机发展已经到一个较高的水平。而今后，随着生产力的发展将会对船用柴油机提出更高的要求。下面，我先对现代船舶柴油发动机的组成、分类和技术要求作简要介绍。2.1船舶柴油发动机的组成 柴油机的工作原理为：空气在气缸内被压缩而产生高温，使彭茹的柴油自相着火燃烧，产生高温、高压的燃气，燃气膨胀推动活塞做功讲热能转变为机械能。柴油机的工作循环由进气、压缩、喷油着火燃烧、膨胀做功和排气等过程组成。这些过程可以由四冲程柴油机来实现，也可由二冲程柴油机来实现3。下图是船舶柴油机的剖面图，其组成为：（1）固定部件-主要由气缸盖、气缸套、机体、机座主轴承等构成；（2）运动部件-主要由活塞、活塞鞘、连杆、曲轴等组成；（3）配气系统-进气系统和排气系统；（4）燃油系统-包括供应和喷射两个系统；（5）润滑系统-主要作用润滑摩擦表面；（6）冷却系统；（7）启动系统；（8）调制装置。图1 船舶柴油机的剖面图2.2 船舶柴油机发展主要技术指标要研究船舶柴油机的发展趋势，我们得要对船舶柴油机的主要工艺和技术指标做一定的了解，这样才能从总体上或者从某方面去评价一台柴油机性能的优良。而这些技术指标除了动力性指标、经济性指标，还有重量和外形尺寸指标、排气污染等。2.2.1 动力性和经济性指标柴油机的主要性能指标包括动力性和经济性两个方面的指标。它们既是反映柴油机工作循环完善程度的参数，更是评估柴油机性能的主要依据。 1.有效功率。从柴油机曲轴输出端传出的功率为有效功率，用Ne表示。柴油机的有效功率Ne在实验台上用水力测功率器测出，在船舶上可用扭力计测出式中：Me柴油机输出的有效扭矩；n-柴油机转速 2.平均有效压力Pe。平均有效压力Pe是柴油机在每一工作循环每单位气缸工作容积所作的有效功效。Pe的值大表明工作循环进行的比较完善或和机械损失小。Pe是评定柴油机工作循环动力性的重要指标。 3.滑油消耗率。柴油机在标定工况时，每千瓦小时所消耗滑油量的克数称为滑油消耗率，单位为g/()2.2.2重量和外形尺寸指标 柴油机的重量和外形尺寸是评价柴油机结构紧凑性和金属材料利用率的一项指标。 1.重量指标柴油机的重量指标通常以比重量来衡量。比重量是柴油机的净重Gw与标定功率的比值，即 （kg/kw）比重量的大小，除了和柴油机类型、结构、附件的大小有关外，还和所用材料和制造技术有关。各类柴油机的比重量（kg/kw）的一般范围如下：船用高速机：1.43.7；船用中速机：1019；船用低速机：2035. 2.外形尺寸指标 外形尺寸指标有称紧凑性指标，是指柴油机总体布置紧凑程度的指标。通常以柴油机的单位功率来衡量。单位体积功率Nv是柴油机的标定功率Ne与柴油机外廓体积的V的比值，即： （kw/m2）式中：V=L*B*H其中L 、B 、H为柴油机的最大长、宽、高尺寸。2.2.3 排气污染指标 在柴油机的排气中含有数量不大的但非常有害的排放物。他们是：一氧化碳、碳氢化合物、氧化氢、二氧化硫。这些燃烧产物排入大气，污染环境而且有害于人体的健康，从而造成社会公害。随着环境保护意识增强，对柴油机排污的限制也日益严格。国际海事组织MARPOL73/7公约中关于限制柴油机排气污染的最新附则，对船舶柴油机的排放规定如表1-1所示4。 表2-1 船舶柴油机排放限制 排放物中速机g/(kw.h)低速机g/(kw.h)NOX1.217CO1.61.6HC0.50.5CO2660660SO24.2*%S4.2*%S第3章 船舶柴油的技术发展随着船舶日趋大型化和自动化，对船用设备的质量和要求越来越高，到目前为止船舶柴油机不论是低速、中速、还是高速其技术发展基本都是相同的，主要都是不断提高平均有效压力、提高单机功率、降低油耗和排放以及电子控制。从技术发展历程来开，国外船舶发动机要远远优先于我国5。3.1 国外船舶柴油机的技术发展历程 近几十年来，国外船舶柴油机发展迅速，主要反映在以下几个方面6：1）功率密度高。柴油机强化指标（Pe Cm）由20世纪70年代的20提高到24，而80年代末又由28再提高到90年代的32以上，技术上了3个台阶。2）可靠性高。高可靠性和耐久性是评价柴油机实际效用和综合性指标。3）经济性好、自动化程度高。采用电子控制、监测、管理系统，智能控制柴油机实现柴油机全工况高效运行，降低柴油机全寿命周期费用。4）发展低噪声、紧凑型柴油机动力模块。5）国外船用油的研发紧跟船舶发动机技术的发展，力求满足在新型发动机的苛刻工况下对润滑油的要求7。 国外船舶柴油机的技术发展情况见表2. 表3-1国外船舶柴油机发展情况 由表2可以看出强化指标由20提高到24的实现，主要是突破高效率增压器的设计制造技术，提高单级增压技术，同时提高柴油机燃烧压力。强化指标由24提高到28的实现主要是突破的高增压及相关应用技术、机械式高压燃油喷射技术、燃烧优化技术等；强化指标由28上升到32的实现，是在强化指标28的基础上突破了单级超高增压技术、电控高压燃油喷射技术、考虑排放控制的全工况性能优化技术和智能化技术。3.2 国内船舶柴油机发展状况目前，我国舰船柴油机多为引进国外生产许可证技术的产品，经过多年努力，国产化率已达80 以上，性能达到原引进机的水平，部分柴油机还作了一定的改进提高。几十年来，我国船舶柴油机取得了显著的进步，但同国外先进水平相比还存在较大差距，主要表现在：1）现有产品技术水平落后，少有成熟先进的自主研发产品。现有船舶柴油机与当今国际先进舰船柴油机相比，技术上存在较大差距，可靠性有待进一步提高。2）关键技术落后。影响船用柴油机发展的关键技术没有很好掌握，如：高增压技术、高压喷射技术、智能化技术等。3）研发模式落后。与国外相比，国内船舶柴油机产品开发创新基础和能力都较差，从开发流程、开发手段、设计准则以及工程数据库等方面国内船舶柴油机发展与国外船舶柴油机发展都有一定的差距。4）摩擦磨损 和故障诊断技术。5) 船用油技术。目前国内船用油技术发展相比国外先进水平还有定差距，主要体现在润滑技术和生产配方相对成就，并且产品系列不完善。国内船用润滑油通过世界OEM技术认证的产品种类也相对较少，可以说国内润滑油的发展也在某种程度上限制了船舶柴油机的发展8。所以壮大实力、发展自主品牌、扩大本土化制造能力、提高装船率是我国船舶柴油机行业及待解决的问题。第4章 未来船舶柴油机发展方向柴油发动机将继续是船舶动力的主力军，从最近几年世界航运界的柴油机订单来看，世界船用柴油机技术正在向智能化、大功率、低排放等趋势发展。今后其主要走向就是提高发动机的效率和降低废气排放量。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。船用柴油的技术开发正向高性能化、模块化、智能化、自动化、低排放等方面发展。 目前世界主要船用柴油机生产商正在研究开发具有高性能、低排放、模块化、智能化的中高速柴油机.具体表现在五个方面：1）单机、单缸功率大型化；2）低燃油消耗率；3）平均有效压力增大；4）采用高压比、高效的新型增压器，ABB公司研制的4P 型增压器，压比高达5:1；5）采用电子调速器系统、电控燃油喷射系统、高压共轨燃油喷射系统、智能化电子控制系统，进一步提高了低速柴油机的可靠性，改善了低负荷性能，降低了油耗，控制了氧化氮排放量。而接下来本文将对船舶柴油机发展众多因素中，对船舶柴油机电子智能化和氮氧化物的排放控制技术这两方面作重点讨论。4.1 船舶柴油机发展要求首先，是智能化要求。为了满足运行的灵活性和可靠性要求，有必要对船舶柴油机设置保护系统，防止由于过载、缺乏维护和调整不当而损害柴油机必须采用工况监测系统,以估计柴油机的工况,保持柴油机的性能,并使柴油机在寿命期中保持工作参数在规定范围内。因此,必须采用新型的喷油和排气阀、电子控制和监测系统，实现适时调节，所以说船舶智能柴油机已经成为发展的必然趋势。 其次，是燃烧与排放技术控制技术要求。在研究船舶柴油发动机有一个不可忽视的问题，那就是柴油发动机有害气体排放要求。1997年通过的船舶柴油机氮氧化物排放控制技术规则 详细规定了氮氧化物的检验与发证、排放标准、测量程序等规则。MO排放规则的实施，对柴油机和船舶均是一大挑战，为满足排放法要求，必须对柴油机进行改进或采用排气后处理装置使其减少有害气体排放量。这些法律法规对船舶柴油机将产生深远的影响，国内外的船用柴油机都面临着更新换代。4.2 船舶柴油机发展策略4.2.1 船舶柴油机的智能化发展为了提高船用柴油机的可靠性和操作灵活性，船用柴油机的的控制要求越来越高；并且随着电子控制技术应用到船舶柴油机领域，于是船舶柴油机向智能化方向发展7。与传统型船用柴油机相比,船用智能柴油机有如下结构特点:一是取消了传统的凸轮轴系统,利用计算机控制各缸的喷油定时和喷油量、排气阀定时、起动空气定时等。二是采用共轨燃油喷射系统,高压油泵向一共用的高压管路(共轨) 中提供高压燃油,通过计算机控制系统进行控制。三是采用液压伺服油系统,使用柴油机的系统滑油作为工作介质,驱动高压油泵(或容积喷射控制单元) 、排气阀等机构。四是采用气缸压力在线检测系统,将各缸的压力及时输入计算机, 确保各缸负荷均匀,同时不超负荷。据国外有关公司预测，未来舰船柴油机的技术指标还将进一步提高，2020年柴油机最大燃烧压力将达280 MPa，强化指标约为40。其中，中速机的活塞平均速度将大于11 ms，高速机将大于13 ms，平均有效压力最高可达3.5MPa。4.2.2 船舶柴油机排放控制技术发展 国际海事组织海洋环境保护委员会分别规定了在不同时期和区域NO 、SO 、PM等排放量的限制值以及对燃油含硫量的规定等。 表4-1列出了IMO在不同阶段对NOx的限值8。 表 4-1 IMO在不同阶段对NOx的限值国际海事组织（IMO）规定排放量的测量应该按下列ISO8178规定的试验循环来进行的，NOx循环值是由在100，75，50 ，25 以及10 (仅对衡速运行的辅机)负荷下根据E2、E3和D2循环测得的NO 值经加权所得： g/kwh式中：为不同循环时各负荷点的加权系数，见图2. 图2 E2、E3及D2循环再各工况点下的加权系数船舶柴油机排放控制措施，分为机内控制(一次控制)和机外控制(二次控制)9。机内控制，是指在可燃混合气燃烧之前采取的降低污染物排放的措施，包括：机内、机外废气再循环技术(EGR)；优化柴油机结构参数和运行参数；湿法降低NO 技术；添加燃油添加剂等。采取高压共轨燃油喷射(共轨压力200 MPa)、先进增压器及增压系统(可调增压器、大增压器效率7072、增压压力0.5MPa、两级增压06MPa、相继增压系统等)、可调气门正时、低排放燃烧、以及清洁燃料燃烧等内部技术，大幅度降低发动机排放，可使NO 排放比IMO TierI降低30以上，达到TierII的要求。机外控制，是在机内控制基础上，进一步降低排放量，要求所采取的措施，包括：氧化催化器、尾气颗粒净化器、选择性催化还原技术(SCR)，废气洗涤法等，还可以满足Tier III及更高的排放法规的要求10。解决这两个关键技术，我国船舶柴油机将会有一个质的飞跃。所以在未来30年内船舶柴油机将以较大的步伐继续发展，面对新的形势，必须加强诸如高压共轨技术、低排放技术和智能化技术的研究。 第5章 总结与展望 经过以上对船舶柴油机工作原理，技术评定体系、国内外船舶柴油机技术发展历程以及影响船舶柴油机发展的的两个重要因素电子智能化技术和废物排放控制技术的介绍，为我国船舶柴油机的发展做理论铺垫。由文中分析可知我国船舶柴油机技术发展与国外还存在很大的差距。所以要大力发展我国造船工业，实现世界第一造船大国的目标，我国船舶柴油机必须坚持走国产化技术创新之路，开发研制具有自主知识产权的高水平中国品牌机，提高国际市场竞争力。5.1 总结过去50年来几代人的艰苦努力，我国船舶柴油机从无到有，取得了很大的发展。国家为船舶柴油机研制成立了专门的科研机构和相应的生产企业。近些年来，通过国家高新工程项目的实施，我国主要船舶柴油机生产厂的生产设施得到较大的改造、更新，制造能力和水平明显提高；并且已经具备了生产世界先进水平柴油机的加工、测试和配套的能力，和国外相比，制造技术差距已明显缩小。近20来，国内科研所、企业合作持续不断地设计、开发船舶柴油机，并直接应用于国内市场，积累了一定的船舶柴油机研发经验，具备了一定的研发能力，培养了大量的科研人才11。 实践证明，一个国家在世界造船市场占有一席之地，强大的国内配套业是必需的基础。据了解，日本船厂90的配套在国内完成，韩国的国产配套率也达到80，德、英、法、丹麦、挪威等世界航运大国更是如此。尽管我国造船业发展的步伐很快，但与世界造船强国相比，我们的基础很落后，对配套业来说更是如此。5.2 展望针对船舶快速发展对动力装置的需求，我国船舶配套行业应抓住船舶动力装置稳步增长的大好机遇，加强引进技术产品的消化、吸收和改进提高，加大技术刨新的力度，逐步形成一批具有自主知识产权的船舶柴油机动力装置产品，真正做到国轮国造和自主配套，早日实现第一造船大国和造船强国的目标。确立了以上目标，我们必须对我国船舶柴油机发展进行构思：对于船用低速柴油机-通过引进技术消化吸收和国产化研制，在部