论船用柴油机动力效率的提高【摘要】柴油机的动力性和经济性是衡量柴油机性能好坏的重要指标参数，为了提高船用柴油机的动力效率，利用相关技术来提高整个动力装置的能量利用效率。
本文简要地对柴油机的动力效率的影响因素和改善方法进行了教学研究和分析。
【关键词】船用柴油机；动力效率；提高一、船用柴油机动力的发展历史及特点分析让学生了解船用动力发展历史船用柴油机动力主要靠内燃机，内燃机的发动机与外燃机的最大不同在于它的燃料在其内部燃烧，简单来说就是将化学能转化机械能，相对于外燃机来说内燃机的效率更高。
现代船舶多采用燃气轮机，这种发动机的工作特点是燃烧产生高压燃气，利用燃气的高压推动燃气轮机的叶片旋转，从而输出动力。
另一种船舶现代动力是电动机，电动机是把电能转换成机械能的一种设备。
是利用通电线圈产生旋转磁场，并作用于转子鼠笼式式闭合铝框，形成磁电动力旋转扭矩。
电动机的优点是安静，无污染。
最先进的技术是利用核能技术，是目前最先进的动力，利用可控核反应来获取能量得到动力，热量和电能。
核动力的优势在于具有其强大的持久性，一般的核动力航母的动力都可以维持10-20年，这是任何其他动力无法比拟的，但核动力高昂的价格成本，使其推广受到很大的限制，目前多用于军事船舶。
学习掌握船用柴油机动力效率特点柴油发动机的优点是功率大而且经济性能好。
柴油发动机的工作过程与汽油发动机有很多相同的地方，如每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个冲程。
但由于柴油机用的燃料是柴油，它的粘度比汽油大，不容易蒸发，而其自燃温度却比汽油低，因此，可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。
不同之处是柴油发动机的气缸中的混合气是压燃的，而非点燃的。
柴油发动机工作时，进入气缸的是空气，气缸中的空气压缩到终点的时候，温度可以达到500-700℃，压力可以达到40—50个大气压。
活塞接近上止点时，供油系统的喷油嘴以极高的压力在极短的时间内向气缸燃烧室喷射燃油，柴油形成细微的油粒，与高压高温的空气混合，可燃混合气自行燃烧，猛烈膨胀产生爆发力，推动活塞下行做功，此时温度可达1900-2000℃，压力可达60-100个大气压，产生的功率很大，所以柴油发动机广泛的应用于大型柴油设备上。
传统柴油发动机的特点之优点：热效率和经济性较好，柴油机是采用压缩空气的办法提高空气温度的，这样使空气温度超过柴油的自燃点再喷入柴油、柴油喷雾和空气混合的同时自己会点火燃烧，所以柴油发动机无需点火系统。
同时柴油机的供油系统也很简单，它的可靠性要就比汽油发动机的好。
因为不受爆燃的限制以和柴油自燃的需要，柴油机压缩比就很高。
所以热效率和经济性都要好于汽油机，在相同功率的情况下，柴油机的扭矩大，最大功率时的转速低，适合于载货汽车的使用。
传统柴油发动机的特点之缺点：柴油机工作压力大，要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度，所以柴油机就比较笨重，体积较大；柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求很高，所以制造成本较高；另外柴油机工作振动噪声大；不易蒸发，冬季冷车时起动会困难。
动力效率影响因素动力效率影响的因素有燃油、发动机在燃烧过程中需要充足的氧气，影响发动机充气效率的因素有进气终了压力、进气终了温度、排气终了残余废气压力和温度；提高发动机充气效率的措施有：减小进气系统的流动损失、减少排气系统对气流的阻力、减少排气系统对气流的阻力、气门叠开角、合理选择配气正时，保证最好的充气效率。
由于上述特点，以前柴油发动机一般用于大、中型载重货车上。
传统上，柴油发动机由于比较笨重，升功率指标不如汽油机（转速较低），噪声、振动较高，炭烟与颗粒（PM）排放比较严重，所以一直以来很少受到轿车的青睐。
特别是小型高速柴油发动机的新发展，一批先进的技术，例如电控直喷、共轨、涡轮增压、中冷等技术得以在小型柴油发动机上应用，使原来柴油发动机存在的缺点得到了较好的解决，而柴油机在节能与CO2排放方面的优势，则是包括汽油机在内的所有热力发动机无法取代的，成为“绿色发动机”。
二、认识船用柴油机动力效率提高方法通过资料分析和以往教学经验，我们了解当前比较成熟的技术手段主要包括：（1）采用新的动力能源、或新能源的组合方式。
（2）采用宽高效区高压比增压器，以部分负荷为优化点，兼顾额定功率；缸内燃烧室结构和进排道设计以部分负荷优化为主，额定负荷为辅；（3）不合理的设计还会导致滑油耗量增加、零部件过早磨损。
随着计算机技术、材料表面处理技术和仿真技术的发展，充分挖掘这项传统技术的潜力，有助于发动机进一步减少能耗，提高动力效率。
我们知道总能利用技术有助于提高整个动力装置的能量利用效率。
目前船舶增压器的综合效率已经超过60%，可以使船用柴油机在50%以上的负荷状态下产生高品质多余排气能量，因此，正常加热废气锅炉时，可以在排气系统中并联一套排气能量发电透平，充分利用柴油机在各个负荷段富余的排气能量补充发电，并与船舶本身配置的发电机组电网联网，以此减少发电机组的配置数量或降低功率。
当前总能利用技术涉及的动力涡轮、联网技术和自动化控制技术等都已经相当成熟，国外企业已经在各类大型运输船中加以应用，改造方向双燃料发动机前景广阔。
以下举例说明让学生注意关注以下四个方面可以提高柴油机动力效率：1. 提高发动机缸体燃烧室密封性。
发动机燃烧室密封包括活塞环处，气门和气门座圈，汽缸垫密封。
发动机燃烧室密封不严会导致漏气，压缩比小且燃油燃烧不完全，发动机功率就会降低。
2.做到喷油正时。
发动机喷油正时误差会引起发动机导致发动机功率降低，而且会导致发动机产生振动和噪声，而喷油正时错误会导致发动机不能启动，或者不能正常运转。
3. 油气混合充分。
燃油和空气混合的充分程度是燃油燃烧是否充分的关键，而燃油和空气混合要充分混合，第一，需要燃油以较高的压力喷入气缸，保证燃油的雾化程度：第二，进入气缸的空气应高速流动，以保证油气充分的混合。
4. 合适的空燃比。
进入气缸的空气量直接关系到发动机燃油是否完全燃烧，因此应该尽量增加发动机进气量。
增加发动机进气量的方法有两种，第一，增大气门面积，增加气门数量；第二增加涡轮增压器。
目前国内外在双燃料发动机技术方面还有诸多不足，在安全性、陆基供给方面也存在不少问题，已经超出技术问题本身，这需要全行业形成共识，共同努力，加快取得核心和关键技术上的突破并落实相关政策，以便使该项技术尽快在船舶减排方面。
此外，太阳能和风能的组合应用也是值得关注的降低船用发动机能耗的措施之一，可将发动机能耗降低约5%。
虽然国外已开展相关研究并有了概念设计方案，但由于涉及面广，还需要一系列政策法规的支撑以及基础技术层面的突破进行配合，因此其仍要经过一段较长的时间才能真正成为可以实际应用的技术。
而生物质、核能等低碳和再生能源在船舶中的应用，也受到供给、安全性等因素的制约，所以在可以预见的未来还无法取代化石能源成为船舶动力装置的主要能源。
三、了解船用柴油机动力未来发展趋势目前欧洲国家以及日韩等领先的造船国家已经在船舶动力方面有了很深刻的研究，他们推出方案并把成熟技术应用于实船，在加快研制更高效的船舶动力节能技术和装备。
长期以来低油耗发动机一直是船舶动力研发、设计、制造和应用领域的一项主要技术指标，采取技术措施进一步降低考核工况的燃油消耗率，或在满足安全要求的前提下进一步减少船舶动力设备的配置数量。
结合国外船舶动力技术的发展思路，国内企业可通过采用双燃料发动机、降低发动机考核点能耗、总能利用技术、发动机减磨技术等来提升船舶动力效率和降低能耗。
目前国内外在双燃料发动机技术方面还有诸多不足，在安全性、陆基供给方面也存在不少体制机制方面的问题，这需要全行业形成共识，共同努力，加快取得核心和关键技术上的突破并落实相关政策，以便使该项技术尽快在船舶减排方面派上用场。
此外，太阳能和风能的组合应用也是值得关注的降低船用发动机能耗的措施之一，可将发动机能耗降低约5%。
虽然国外已开展相关研究并有了概念设计方案，但由于涉及面广，还需要一系列政策法规的支撑以及基础技术层面的突破进行配合，因此其仍要经过一段较长的时间才能真正成为可以实际应用的技术。
而生物质、核能等低碳和再生能源在船舶中的应用。
事实传统上都是将额定功率或持续功率燃料消耗作为优化指标。
当前可以采取的比较成熟的技术手段主要包括：采用宽高效区高压比增压器，以部分负荷为优化点，兼顾额定功率；缸内燃烧室结构和进排道设计以部分负荷优化为主，额定负荷为辅；柴油机燃油系统为共轨系统，在部分负荷状况下能及时提供精确的燃油量和所需的喷油压力，提高气体燃烧的热效率。
这些技术手段都已发展成熟或基本成熟，单项技术在发动机上的应用已经没有大的障碍，如能组合应用效果更好。
与此同时，总能利用技术有助于提高整个动力装置的能量利用效率。
目前船舶增压器的综合效率已经超过60%，可以使船用柴油机在50%以上的负荷状态下产生高品质多余排气能量，因此，正常加热废气锅炉时，可以在排气系统中并联一套排气能量发电透平，充分利用柴油机在各个负荷段富余的排气能量补充发电，并与船舶本身配置的发电机组电网联网，以此减少发电机组的配置数量或降低功率。
当前总能利用技术涉及的动力涡轮、联网技术和自动化控制技术等都已经相当成熟，国外企业已经在各类大型运输船中加以应用，经济效益和减排效果明显。
四、结束语通过分析船用柴油机的发展历史及动力效率的特点，让学生了解国内外行业发展的差距和影响柴油机动力效率的主要因素，结合实际教学要求，提出动力效率改进方式，为船用柴油机动力效率的提高找到方法和措施，培养大批专业人才，为发展船舶动力事业奠定坚实基础。
参考文献：[1]内燃机编辑部.内燃机结构强度研究[M].北京机械工业出版社，1977.[2]束德林.工程材料的力学性能[M]北京机械工业出版社，2007.。