【渔船中船长与柴油机功率之间的关系探究9500字（论文）】

渔船中船长与柴油机功率之间的关系研究摘要近几年来，随着国际航运的迅速发展，对于船舶的续航力、航速要求也越来越高。船舶在航行的过程中，随着船舶航速的变化，所消耗的燃油也会有所不同。同样，对于配置多根螺旋桨的船舶，采用不同的螺旋桨工作模式也会相应产生不同的燃油消耗率。本文首先研究柴油机的研究现状，继而对柴油机的标定功率以及依据进行研究，从而探讨渔船中船长与柴油机功率之间的关系，最后得出结论，船身尺寸和柴油机功率之间成正比。关键词：渔船；船长；柴油机功率目录TOC\o"1-3"\h\u121111.柴油机研究现状 船舶是水上交通运输工具，是为生产和人们日常活动服务的。随着工业的发展和船舶服务面的扩大，船舶也日趋专业化。由于使用目的及船舶结构、动力装置和航行的区域的不同，船舶分成了许多种类，其中从事捕捞鱼类或其他水生生物资源的船舶称之为渔船。在船舶中，柴油机用作主机和辅机占有统治地位，因为它具有热效率高；功率和转速范围宽广；结构紧凑、轻巧、便于移动；起动迅速、工作可靠、操作使用简便，并能在起动后很快达到全负荷运行等优点，所以渔船都无例外地采用柴油机作为动力。对于远洋船舶，基本上采用低速柴油机，而内河和沿海船舶多采用中高速柴油机。渔船用柴油机的功率标定是对渔船柴油机使用可靠性的技术要求，也是一种国家主管机关对其进行核定管理、确定其安全使用的依据。所以，任何渔船柴油机的功率必须严格进行标定。其标定的方法应依据国家的强制标准GB1105.1-87和根据GB1105.1-87制订的船用柴油机标准CB/T3254.1一94进行。1.柴油机研究现状1.1国外柴油机研究现状世界上一些技术、经济比较发达的国家，不同于我国，山区地区的面积占据全国国土面积的四分之三，因此关注柴油机问题并不是很早[5]。近年来对节能、环境污染以及从军事上的考虑，数个发达国家开始致力开展环境技术研究。至于低温问题，由于前苏联、加拿大、美国、北欧和日本都有较低温和低温地区，这方面的研究开展的较早较多[6]。美国1976年的报道中，已论述在高海拔地区开矿条件下，如何提高挖掘机的效率，海拔1000米以内应合乎标牌规定的额定值，往上每升高1000米，额定值将减小0.4-1%使用，以保持挖掘机的温升相等[6]。他们对电机绝缘、冷却通风，空气过滤等都作了研究。印度1965年己研究高海拔地区补偿内燃机功率的增压技术。柴油机的废气涡轮增压在应用是其应用最早的领域之一。但最近引进的工程机械项目，大都在海拔3000米以下使用，不降低功率额定值，其具体性能指标到达什么程度尚鲜有人去关注，国内也鲜有检测记录[7]。近些年来，随着国际市场的开辟，由于有的国家大都为发展中国家，为占领市场，美国卡特彼勒、德国奔驰等公司己着手研制型产品，并陆续到南美的地区以及我国的青藏进行整车试验[8]。R.A.C.Fosberry[9]等和J.W.Dennis[10]分别研究了大气环境对自然吸气柴油机和涡轮增压柴油机动力性和燃油经济性的影响，并给出了一些经验性的性能预测公式。T.Wu[11]等改进了前人纯经验性的发动机性能预测方法，将发动机分解为进气系统、燃烧系统、增压系统等子系统，通过各子系统的性能预测分析得出整机的预测性能。他们的半经验预测公式适用于各种自然吸气、涡轮增压及增压中冷柴油机，预测的参数不仅包括功率、燃油消耗率等动力性、经济性参数，还包括烟度、增压器压比、增压器转速、排气温度等参数。1981年报道英国波金斯公司5.8升柴油机，用废气涡轮增压到南美洲波利维亚做试验，在海拔5200米能产生110PS/2500rpm，这说明本国没有试验条件，也说明重视影响[12]。为了获得试验条件，一般只能用较容易的进气模拟来试验发动机，如美国卡特皮勒公司的进气模拟实验室采用了蒸汽喷射模拟[13]。美国阿伯丁（公司）的试验设施，能模拟海拔3600米，少数几家在70年代建立了调压调温、调湿、密封的人工气候实验室，全面模拟环境，这要有相当的技术和资金[14]。如日本通产省工业技术院的机械技术研究所、日本汽车研究所就建起了这样的试验室，他们的这些试验设施大都只能模拟海拔3000米以下[15]。至于整机的试验，就只能借助于现场环境。汽车试验道试验场大都在海拔1600米以下[16]。如美国通用汽车公司在50年代就注意了特殊环境试验场的建设，他们有沙漠热带试验场、山区试验场、低温试验场，其试车设施在丹佛市，该市海拔仅1600米[17]。美国卡特皮勒公司的Phoenix和Peoria试验场则只有海拔335-1035米的跑道，海拔都不高[18]。在50年代，匈牙利还来我国青藏做过汽车试验[19]。1984年，美国AMG公司的M925C12型军用车也曾通过我国在青藏做试用考核试验[20]。另外，近年来发达国家对低温产品单项技术的研究，在某些方面己具有一定的深度[21]。例如，发动机和液压系统低温起动研究；低温油料及低温下液压件配合间隙的研究；低温密封材料的研究；低温下金属材料的冷脆问题等方面的研究等，其广度和深度大大超过我国。而整机方面主要采取发动机增压，增大发动机供氧储备，以应付海拔3000米以下环境的使用要求。据了解，美国丹佛科罗拉矿业学院，今年来也对地区使用的发动机进行专门的研究，但专用于海拔3000-5000米施工的工程机械整机，至今未见到资料报道[22]。国外为占领市场，美国、日本等国已着手研制型产品，近几年已有几台试验车在青藏地区试验运行[23]。如日本三菱公司的12吨型载重汽车；日本帝国活塞公司的型高压机车；英国AMG公司的M925C12型军用车载重汽车。在我国塔克拉马干沙漠的石油勘探中，德国奔驰公司和美国贝卡公司的沙漠车辆，有较强的沙漠适用性等[24]。在国外，由于计算机、内燃机设计技术以及试验条件等各方面都比较成熟，早在40年代，因单级增压比较低，出现了二级涡轮增压，且付之实用，但主要应用于机车和低速船用发动机[25]。俄罗斯斯科洛明机车厂对HH26/26型、4400kW的机车柴油机采用二级涡轮增压，试验结果为[26]：在保持最大爆发压力及指示效率不变的情况下，增压压力提高7%，扫气系数提高5.8%，排气温度降低45摄氏度，55%标定功率以上的运行范围效率超过60%，增压器综合效率变化平坦，在25%标定功率以上运行范围内的增压压力，大于排气管压力。此外，苏联中央柴油机研究所在HH26/34柴油机上进行了高增压研究，对单级增压和二级增压进行了比较性计算研究，结果表明在低增压时，二级增压并不比单级增压在性能参数上有明显优点，若进一步提高压比，二级增压才显示明显优势[27]。近年来，二级涡轮增压系统在轿车上的应用也日益广泛。其中BMW公司从2004年秋末开始，在其顶级3.0L直列6缸共轨直喷式柴油机上，在世界轿车柴油机领域首次采用了二级废气涡轮增压[28]。这种技术除了能将比功率提高到67kW/L之外，还可将可用转速范围从4000r/min扩展到5000r/min，从而能达到迄今为止只有8缸柴油机才能达到的行驶功率，且MVEG行驶循环燃油耗只有8L/100km。OPEL公司对其1.9L柴油机匹配了二级增压系统，其标定点功率达到156kW，最大扭矩点转速仅为1400r/min，最大扭矩值达到400N.m，平均有效压力2.6MPa，排放达到欧IV标准[29]。1.2国内柴油机研究现状柴油机的增压系统往往是根据海平面工况匹配的，当其在地区工作时，发动机低速大负荷时压气机易喘振，而高速大负荷时易堵塞，导致发动机工作动力性能严重下降，重新匹配高效率、大流量增压器有利于内燃机功率恢复[29]。为了提高柴油机高海拔适应能力，董素荣[30]对匹配GT17和GT20增压器的SOFIM8142.43柴油机进行了高海拔性能模拟试验，通过更换压气轮、改变压气机叶轮轮径比和涡轮机叶轮直径，对GT20C101（56）NS111（44）涡轮增压器进行了改进，通过对增压器的优选以及改进，极大地提升了柴油机在高海拔中的低速动力性能。除了增压器的重新匹配，改进排气管路设计可以提高地区废气能量利用率；改善燃油系统以提高雾化效果，优化供油提前角；改进热平衡系统等措施往往也在内燃机功率恢复时组合使用。这些措施可以部分改善柴油机运行性能，但是内燃机变海拔运行要兼顾高低海拔性能，而传统增压压气机是根据固定海拔工况进行设计和优化的，变海拔工作时会发生匹配失调。近年来，可变截面涡轮增压、两级增压、电动增压等技术迅速发展，通过合理的匹配和控制，这些技术可以使增压柴油机在更宽广的海拔范围内运行，有效提高了增压内燃机的适应性[31]。90年代可变截面涡轮增压技术进一步成熟，得到广泛应用。可变截面涡轮增压技术通过调节可调叶片改变涡轮喉口的等效截面积来改变涡轮性能，以适应不同内燃机转速或者不同海拔工况对涡轮性能的要求，充分利用发动机排气能量，采用合理的变海拔控制策略能使可变截面涡轮增压器与柴油机在全海拔范围内获得良好的匹配，从而有效提高增压内燃机的适应性[32]。朱振夏[33]总结了环境对发动机各方面性能的影响，以及研究人员针对功率下降提出的解决措施。把增压系统的改进作为目前主要研究方向，介绍了两类改进措施：增压匹配和可调增压技术。以带放气阀的增压器、可调截面涡轮、二级增压、相继增压、电辅助增压和复合增压这几种典型的可调增压为重点，介绍了各种技术的原理、发展、应用现状，并讨论了这些技术在环境下的应用前景。通过研究成果的总结和方案之间的对比可知，可变截面涡轮、二级增压、转速可控复合增压方案不仅能够使柴油机获得较好的功率恢复效果，而且具有较强的实用价值。柴油机高增压技术国家级重点实验室针对某柴油机面临的变海拔适应性问题，基于可变截面增压器，建立了柴油机变海拔自适应增压系统，利用柴油机功率模拟试验台，进行了0~4000m性能模拟对比试验，研究了环境下增压对换气过程及柴油机功率的影响[34]。研究结果表明：通过采用可变截面增压技术，柴油机高海拔性能下降得以改善，并解决了柴油机在高海拔低速工况下不能工作、增压器喘振等问题，使柴油机4000m海拔下最大扭矩点转速恢复到原机平原条件下的转速1300r/min，扭矩降幅小于50N.m。通过初步研究得出可变截面增压技术在柴油机恢复功率、降低热负荷方面具有一定的潜力。两级增压技术根据两个涡轮增压器连接方式不同，可以分为串联式和并联式。研究表明，通过两级增压压气机与涡轮系统的合理控制，可以大幅度提高发动机低转速下的动力性，瞬态响应特性及发动机适应性。上海交通大学邓康耀等和北方发动机研究所邢卫东等针对上海柴油机厂生产的D6114增压水冷柴油机进行了变海拔适应性研究，进行两级可调增压系统的变海拔适应性计算研究。采用二级可调增压系统使海拔0-3000m之内的各转速功率大于原机平原功率，这是因为高、低压级增压器的共同压缩进气，充分补偿了因海拔升高引起的进气量下降。扭矩在高海拔下得到大幅度提升，而且最大扭矩所对应的转速也不像单级增压系统一样向高转速区域移动。上述措施从增压部件调节及系统控制着手提高增压发动机的适应性，但这些系统中的压气机等关键部件仍然是根据固定海拔面工况需求进行设计的，没有针对内燃机变海拔工作需求进行优化和改进。压气机等关键部件性能是系统性能的基础，决定了系统优化的改进幅度和潜力，所以还应对增压器基础部件的设计和优化进一步研究。2.相关理论介绍2.1渔船柴油机标定功率的标定根据标准规定作为渔船用的柴油机(内燃机)，在铭牌上必须标注持续功率和超负荷功率。在确定其对应功率值时，对无限航区渔船用柴油机，应采用国际标准功率标定，即把在试验台上测量出的功率值修正为国际标准功率值，并按此进行标定。对有限航区渔船用柴油机，确定其使用标准功率所根据的环境条件应符合作业航区的情况，即把在试验台上测量出的对应功率值修正为使用标准功率值，并按此进行标定，且加以说明。根据GB1105.1-87的解释，渔船柴油机的超负荷功率为持续功率的110%，柴油机必须保证在超负荷功率下至少连续运转1小时而不冒浓烟。此时油量调节机构所处的位置为渔船柴油机的实际运转中的允许极限位置(即在油泵齿条上加铅封的位置)。2.2渔船用柴油机功率标定的应用在技术应用方面，渔船用柴油机功率标定后，其相应的输出功率及转速，在船舶设计中，是作为船舶设计螺旋桨选定设计负荷点及在动力装置设计中作为配套件的选择、扭振计算的依据。如果柴油机在使用中变更油泵齿条的限制位置而加大功率使用，必将带来螺旋桨强度、船舶结构及动力装置的不安全因素。在渔业行政管理方面，标定功率有其特定的用途，随意标定会引起管理的混乱。从以上的分析说明柴油机的功率标定应是严格的。对此，1998年《钢质海洋渔船建造规范》已有明确的规定。2.3船舶机桨及柴油机功率分析（一）船舶机桨间的相互作用螺旋桨是在船后工作的，螺旋桨和船体成为一个系统，两者之间必然存在相互作用。在船后工作的螺旋桨因受到船体的影响，故进入桨盘处的水流速度及其分布情况与敞水状态不同。因此，船后螺旋桨与水流的相对速度不等于船速，螺旋桨发出的推力也不等于孤立船体所遭受的阻力。利用三因次法将船模阻力数值转成实船的阻力值，得出实船在四桨工作时，随航速变化的船体阻力情况：表2.1四桨工作状态下，船体阻力随航速的变化情况(kN)航速（kn）121618.7202429试验值63412061676192529404906计算值80713051678190328614572图2.1四桨工作时，随航速变化的船体阻力情况考虑船尾伴流对螺旋桨性能的影响，计算在船体不同航速下船尾螺旋桨的轴向力，转换得出船舶在不同航速下，不同方式的部分螺旋桨工作状态下的船舶阻力情况。表2.2外桨工作，内桨锁定时，随航速变化的船体阻力情况(kN)航速（kn）121618.7202429卡式法134622743010342950747831CFD法131022172929333849447629图2.2外桨工作，内桨锁定时，随航速变化的船体阻力情况表2.3内桨工作，外桨锁定时，随航速变化的船体阻力情况(kN)航速（kn）121618.7202429卡式法140023683135357152698098CFD法136223043047347351257882图2.3内桨工作，外桨锁定时，随航速变化的船体阻力情况表2.4外桨工作，内桨自由旋转时，随航速变化的船体阻力情况(kN)航速（kn）121618.7202429卡式法89414321836207630844878CFD法90714471854209731194927图2.4外桨工作，内桨自由旋转时，随航速变化的船体阻力情况表2.5内桨工作，外桨自由旋转时，随航速变化的船体阻力情况(kN)航速（kn）121618.7202429卡式法89914401846208630994900CFD法912.14561866211031374951图2.5内桨工作，外桨自由旋转时，随航速变化的船体阻力情况3.柴油机功率的标定依据国家强制标准GB1105.1-87中具体规定的条款有：内燃机的标定功率种类：1Smin功率：内燃机允许连续运转1Smin的标定功率。1h功率：内燃机允许连续运转1h的标定功率。12h功率：内燃机允许长期连续运转的标定功率。专业标准也可根据本行业内燃机的特点和要求规定其他种类的标定功率。内燃机的超负荷功率内燃机在标定工况工作之后，立即可以继续安全发出的最大功率，称为超负荷功率。其大小以标定功率的百分数表示。具体的数值与使用情况由专业标准规定。一般情况下，标定为12h功率或标定持续功率的内燃机应具有超负荷功率，其值可分别规定为这二种标定功率的110%，并在12h运转期问，可连续运转lh}在内燃机铭牌上应标明功率及其相应转速。当内燃机具有超负荷功率时，应同时标定超负荷功率及其相应转速。国家标准的上述条款说明，内燃机的铭牌上凡标定持续功率时必须标定超负荷功率，二者缺一不可。船用柴油机的标准CB/T3254.1-94中具体规定的条款，标定时应说明功率的类别，并按下列方法进行分类：a.按功率标定的环境状况可分为国际标准功率或柴油机工作使用时的使用标准功率。国际标准功率是柴油机基本必需的标定功率值，而使用标准功率应有附加说明，即在什么环境情况下使用。b.按照功率使用方法分为持续功率、超负荷功率或燃油限制功率。持续功率是柴油机基本必需的标定功率值，标定超负荷功率或燃油限制功率时可附加说明。注：国际标准功率是指柴油机在规定的标准环境状况下所发出的持续有效功率(此标准环境状况是指大气压力0.1MPa；环境温度298K；相对湿度30%，空气冷却器进水温度298K；但对装在无限航区航舶上的柴油机应采用国际船级社规定的环境状况即大气压力0.1MPa；环境温度318K；相对湿度60%，空气冷却器进水温度305K)使用标准功率指柴油机在使用时的环境状况和运行条件下所发出的持续有效功率。4.柴油机的能力储备作为船用主机的柴油机，经常一连数天甚至数月不间断的推进着船舶，与陆用柴油机相比，其总作环境要恶劣得多。随着使用时间的增长，柴油机的运动部件会出现磨损，比如气缸套活塞组件、高压喷油泵柱塞与套筒等。长期处于燃烧废气中的排气阀、增压器、排气管也会受到污垢的附着，燃油中所含的硫分在一定条件下会对某些机柴油机零部件产生腐蚀。诸如此类的各种因素都会不同程度地影响到柴油机的性能，经过运行一段时间后，柴油机的性能出现老化以致发不出最大持续功率(MCR功率)，甚至会出现故障。如果一条船在航行中突然失去推进动力，其后果是不堪设想的，因此船用主机的可靠性对船舶的生命力是至关重要的。为了保证柴油机能够长期可靠地运行，在航行中通常不会使用柴油机的MCR功率，或者说柴油机推进一条在平均海况下满载航行的船舶达到服务航速时所发出的功率要比其MCR功率小，称这个功率为持续服务功率，以CSR功率表示。CSR功率是MCR功率的85-90%。由于CSR功率与MCR功率在同一条螺旋桨的推进特性上，见图3.1，故CSR功率所相应的转速nCSR为：nCSR=这种做法实际上是一种降低柴油机使用功率的方法，即把柴油机的平均有效压力pe和转速ne保持在略微低一些的水平上，使其热负荷和机械负荷下降，从而换取柴油机具有较长的寿命和较大的工作可靠性。尽管柴油机老化是不可避免的，但通过该措施，使得老化的速度变小了，主机至少能长期保持CSR功率水平。在特殊情况下，还有余量发出更大的功率。此外，从柴油机的油耗曲线也可以看出，通常当柴油机的功率处于80%左右MCR时，其燃油消耗率最低，因此在经济上也是有利可图的。图4.1螺旋桨的推进特性曲线柴油机能力储备以EM表示：EM=（3-2）假定CSR=0.9MCR，则：EM=10%MCRnCSR=5.渔船中船长与柴油机功率之间的关系研究由以上分析讨论可知船用柴油机气体排放实船测试势在必行，因此，对柴油机气体排放量的计算方法以及所需参数的测方法和设备选型的研究十分必要和有意义，尤其是柴油机有效功率的实船测量问题：首先，为了更为客观真实地反映柴油机排放的水平，((MARPOL公约》附则VI中规定气体排放限制值的单位由过去常用的体积流量单位：ppm改为了质量流量单位：g/kW.h，即：柴油机单位时间内发出单位功率所排出废气的质量。这是因为：如果采用体积流量单位ppm，被检方通过一定的措施很容易就可以掩饰柴油机真实的排放水平，比如通过鼓风机往排气管中不断地吹入新鲜的空气，这样就可以降从排气口处废气的侧体积流量，甚至可以达到汗何要求的水平，而采用为单位则不存在此类问题。这样一来，柴油机功率的测量就变得必不可少了；其次，由于现有技术条件的限制，精确测量进排气的质量流量十分困难，所以不管是IS08178,((MARPOL公约》附则VI规定的排放测试力一法，还是参考文献1中的实船测试方法都是采用废气成分测试和理论计算相结合的方法，所需测量参数包括：进气压力和温度、排气中各气体成分浓度、燃油成分含量及消耗量和发动机功率等。对于实船测试而言，测量进气和排气参数的较精确的便携式仪器已经具备，比如：日本岛津NOx测量仪、船舶现有的扫气压力温度仪表，燃油成分含量也可以提取汕样通过专门的检验机构测试得到，而发动机有效功率的精确测量一直是实船测试中的没有很好解决的难点之一；另外，相对于其他参数，功率对最终柴油机NOx排放计算值的误差传递系数较大，即功率测量的精确度对NOx排放实船测试结果的误差影响较大。总而言之，船用柴油机排放实船测试的重点和难点都集中到了发动机有效功率的精确测量上，因此，有必要对其实船测试方法以及误差分析进行深入的研究和探讨。现以下列三点为前提探讨母型主尺度变更后船体有效功率的估算：a)母型船体线型与阻力为已知；b)母型主尺度按表5.1所列的一种或几种方式变更，变更范围与前述一般舰艇参数范围相同；1.船长变更后有效功率的估算变更方式见表5.1中的第(上)种，即保持母型的横剖面图不变，变更它的纵向站距(将纵向站距乘以一个正的常数)。此时，除船长、长宽比和排水量变化外，船宽、吃水，等船型参数均不变动。都是以保持船长L二不变，按同样比例变更船宽BO。表5.1母型全尺度变更方式Tm(即B/T不变)。此时，只要取作为缩尺比，就可获得在变更船长但保持船宽B和吃水T等不变这一条件下的相应换算结果为同组中各船模的宽度，相应的实船船长为为同组船模的水线长)。文献〔5〕对文献〔2〕中这四组(4x4二16条)船模试验结果(图谱)及其它试验结果作了修正。利用上述各组船模试验数据，可按如下方法绘出船宽为、航速为犷。时的船长变化与相应的单位排水量有效功率改变量之间的关系曲线。以两个不同母型的变船长试验为例。首先，绘出各自的曲线，如图1中的线和线。图中为某一常量。然后，将Q组船模的线连同其纵坐标零值点一起沿纵向平移(保持横坐标完全不变和纵坐标刻度间距不变)，使点与：点相重合，即得线，再用手工方法画出和两线的统计回归线。由于本文规定，在使用这些回归线时，母型的船宽和均为已知，欲求航速时的船长变化(即长宽比由变为后的值，只要知道船长变更前后单位排水量有效功率的改变量就可以了。因此，我们可在保持原来纵坐标刻度间距不变的条件下，把纵坐标改为y，其量纲仍为马力每吨。经计算，统计回归线与各组系试验换算值之间的相对误差一般都在士2%以内。只有个别点误差为士2,50/。这说明，尽管各组船模的母型参数和线型有所不同，但当这些母型的长宽比同样从Lo/B。变为L/B。时(仅船长按表1(1)所列方式变化)，它们在同航速同船宽条件下单位排水量有效功率的改变量将相差不大。而这一差别相对实船的尸：/△.值来说，仅是个二阶小量。因此，一般中型水面舰艇船长按表1(1)所列方式变更后的新船裸体有效功率可按下式估算：式中Lo.Bo.0。和PEO(Ifo,Lo/Bo)是母船(即实船)的船长、船宽、排水量和航速Y。为已知时所需有效功率，PE(T}o,L/Bo)为母船船长由L。变为L后的新；船在同样航速Y。时所需有效功率，△.为船长变更后的排水量，即△一△oXL/Lood.v二y一.vo，由Yo}Bo}LlBo}L打Bo各值从图3^-19中查得(方法见图4)。航速}o(节)的取值需满足傅汝德数不超出0.40^'0.65区问。注意：图3^-19中B。的不同值仅仅反映母船尺度量级的不同，它是通过变化船模缩尺比得出的。适用(1)式计算时，B。为已知值。由于图3^-19中任意一根手工回归线上下平移后对dy..-L/B。之间的关系都没有影响，同时为使图中各线条布置得比较