船舶推进系统柴油主机的压缩比调整方法

摘要

本发明公开一种船舶推进系统柴油主机的压缩比调整方法，调整柴油主机的汽缸的活塞杆与十字头之间的调整垫片的厚度，改变柴油主机的压缩比。本发明的船舶推进系统柴油主机的压缩比调整方法，改变活塞杆与十字头之间的调整垫片的厚度，相对于改变连杆大头端的垫片而言，本发明没有改变或者影响到相关的运动轨迹，也就无需核算复杂的运动轨迹，能以较低成本改变柴油主机的压缩比，使压缩比与船舶的增压器相匹配，改善柴油的燃烧工况，降低柴油机的单位油耗，从而达到节能减排的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种船舶推进系统的改造方法，特别是涉及一种推进系统的柴油主机和压缩比调整方法。 

背景技术

现有的船舶推进系统主要包括柴油主机、轴系和螺旋桨。目前的远洋运输集装箱船舶为了提高船舶的周转率，其额定工况点基本上选择在航速16海里/小时以上。但是，这样的航速对于内贸集装箱运输来说是没有必要的，此时整个推进系统只工作在额定工况的50％以下。根据柴油机的工作原理得知，该工作区域是柴油主机耗油率相对较高的区域，另外螺旋桨也远远偏离设计的工况点，其工作效率也相对偏低。 

由于现有大部分船舶建造于上世纪90年代和本世纪初，当时的世界航运业追求船速快，对于经济航速及船舶的推进系统效率考虑较少，也就是说这些船舶主要考虑以提高船舶周转为出发点，对于当时燃油成本占船舶总成本比例不是很高(低于40％)的情况下是可行的。但对于目前船舶燃油成本占船舶运营成本超过50％甚至更高的情况下，随着船舶设计技术的不断提高，大批绿色环保的船舶进入市场，而这批船舶已经失去市场竞争力，甚至已经成为航运企业的负担。 

针对运营中的此类大批船舶的改造势在必行，改造方案可从推进系统、封增、封缸入手。有两个增压器的尚可考虑封掉一个增压器，仅有一个增压器的就不能采用封增。柴油主机有7个以上汽缸的，尚可考虑封掉一个汽缸，但对于少于7个汽缸的也不宜采用封缸，而且还会产生震动等不良现象。 

国内船舶推进系统的改造主要是针对螺旋桨的改造，通过更换螺旋桨减少螺旋桨的推动率，降低航速来达到减少燃油消耗。但是，这种改造并没有涉及到柴油主机，也没有对推进系统进行优化，节油效果并不明显。 

因此本申请人申请了一种低成本高节能的降功率运行船舶推进系统的改造方法，在船舶原有额定工况点之下选定新的常用工况点，根据常用工况点及其裕度按常规方法设定新螺旋桨，根据新螺旋桨按常规方法选定柴油主机的常用功率范围，根据常用功率范围按常规方法选配新增压器，根据新增压器调整船舶原有柴油主机的压缩比。 

针对这种改造方法有必要研发一种柴油主机的压缩比的调整方法。 

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种船舶推进系统柴油主机的压缩比调整方法，在不更换柴油主机的情况下，能以较低成本改变柴油主机的压缩比，使压缩比与船舶的增压器相匹配。 

为了达成上述目的，本发明的解决方案是： 

一种船舶推进系统柴油主机的压缩比调整方法，调整柴油主机的汽缸的活塞杆与十字头之间的调整垫片的厚度，改变柴油主机的压缩比。 

增加所述调整垫片的厚度，提高柴油主机的压缩比。 

根据柴油主机原有压缩比设定新压缩比，根据压缩比ε＝(v_冲+v _余)/v_余获得余隙容积v_余的变化量v_余变，根据调整垫片的厚度差δ_差＝v _余变/(3.14×r²)，以及δ_新＝δ_旧+δ_差设定新调整垫片的厚度δ_新； 

v_冲为柴油主机的活塞运动一个冲程所包容的冲程汽缸容积， 

v_余为活塞处于上死点位置活塞、汽缸和缸头所包容的汽缸容积； 

r为汽缸的半径； 

δ_旧为原有调整垫片的厚度； 

δ_新为改变压缩比后的新调整垫片的厚度。 

所述新压缩比根据耗油率Y＝0.201ε²-8.339ε+259.3的压缩比---耗油率图选定。 

采用上述技术方案后，本发明的船舶推进系统柴油主机的压缩比调整方法具有以下有益效果： 

一、本发明改变活塞杆与十字头之间的调整垫片的厚度，相对于改变连杆大头端的垫片而言，本发明没有改变或者影响到相关的运动轨迹，也就无需核算复杂的运动轨迹，能以较低成本改变柴油主机的压缩比，使压缩比与船舶的增压器相匹配。 

二、增加所述调整垫片的厚度，提高柴油主机的压缩比，改善柴油主机的启动性能，燃烧也更加充分，降低了耗油率，达到节能减排的目的。本发明主要针对已投入运营船舶航行的实际需要，在不更换柴油主机的情况下调整柴油主机的压缩比，使此压缩比与高效柴油主机增压器相匹配，优化推进系统，提高柴油主机的工作效率，对船舶主推进柴油机进行降功率运行，提高柴油在新的工况下的工作效率，在保持船速基本不变的情况下，大幅度减少燃油消耗。 

附图说明

图1为船舶阻力特性曲线，即螺旋桨负荷特性曲线。 

图2为6S60MC(型号)MK5主机的压缩比---耗油率特性曲线图。 

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。 

船舶推进系统主要包括柴油主机、轴系和螺旋桨，由于柴油主机和螺旋桨是影响船舶运行航速的主要因素之一，因此本发明对船舶上的柴油主机和螺旋桨进行优化，使调整参数的柴油主机和重新设计的新螺旋桨达到低航速高效运转的目的，还能以较低成本提高效率和大幅降低油耗。因本发明中螺旋桨和增压器需重新设计、选配，为了叙述方便，故对船舶改造前的称之为原螺旋桨、原增压器，改造之后重新设计安装的称之为新螺旋桨、新增压器。 

本发明主要用于船舶改造，船舶改造的设计原理如下：首先根据重新设计的新螺旋桨的负荷特性曲线和原柴油主机的基本参数，选定柴油主机的常用功率范围。考虑到海况功率裕度为15％，以及基本机桨匹配的功率储备为15％，选定优化后的柴油主机的额定功率。根据选定的柴油主机的额定功率、在额定功率下的柴油主机转速、废气锅炉的受热面积和效率、核算机舱日常蒸汽的消耗量来确定柴油主机的新压缩比和新增压器的规格型号。 

调整柴油主机活塞杆与十字头之间的调整垫片的厚度，使柴油主机获得新压缩比。 

例如：设定柴油主机的原单缸(单个汽缸)的余隙容积为37.55L，缸径为0.6米，冲程2.292米，根据压缩比计算公式： 

ε＝(v_冲+v_余)/v_余

ε＝(3.14×0.3×0.3×2.292+0.03755)/0.03755＝18.25 

v_冲为柴油主机活塞运动一个冲程所包容的汽缸容积； 

v_余为余隙容积，即活塞处于上死点位置活塞、汽缸和缸头所包 容的汽缸容积。 

根据图2压缩比ε---耗油率Y曲线图，压缩比与耗油率的关系为Y＝0.201ε²-8.339ε+259.3，图中横坐标表示压缩比ε，纵坐标表示耗油率Y，将压缩比调整到20.8左右，该主机的耗油率将处于最佳状态。 

要使得该柴油主机的压缩比为20.8，其余隙容积v_余-2计算如下： 

ε＝20.8＝(3.14×0.3×0.3×2.292+v_余-2)/v_余-2

即19.8v_余-2＝0.64772 

v_余-2＝0.03272立方米即32.72L 

即在新设计点的余隙容积为32.72L，即柴油主机的余隙容积从37.55L调整到32.72L，减少了4.83L，该余隙容积可通过调整柴油主机活塞杆与十字头之间的调整垫片的厚度δ实现。 

活塞杆与十字头之间的调整垫片的厚度改变，没有改变或者影响到相关的运动轨迹，也就无需核算复杂的运动轨迹。而改变连杆大头端的垫片，会改变或者影响到相关的运动轨迹，也就需核算复杂的运动轨迹。因此，本发明选择改变活塞杆与十字头之间的调整垫片的厚度。 

活塞杆与十字头之间的调整垫片的厚度调整范围受到的填料函的下表面与四个固定用的螺栓长度的限制。也就是说，填料函的下表面会与上述螺栓端之间的空隙是调整垫片的加厚范围，但是，若调整垫片太厚，则填料函的下表面将会与上述螺栓端产生干扰，影响柴油主机正常运转。 

经过测量、计算，调整垫片的厚度如下选配： 

δ_新-δ_旧＝4.83/1000/(3.14×D/2×D/2) 

D为柴油主机的缸径，D为0.6米； 

δ_旧为原调整垫片的厚度，δ_旧为0.02米； 

δ_新为新调整垫片的厚度。 

计算，得出δ_新＝0.037米。 

本发明通过对影响船舶运行航速的主要因素进行数据测试、分析，对柴油主机的运行工况点进行重新界定，对原螺旋桨进行重新设计以及对柴油主机的增压系统配套的进行改造，让新螺旋桨和调整后的柴油主机都工作在额定工况点或者高效区域工况点，更换与船舶主机相匹配的高效增压器、压缩比和调整垫片来调整柴油主机的最大持续使用功率和常用服务功率，使柴油主机工作在高效区域，提高柴油主机的有效效率。 

表1船舶阻力特性曲线即螺旋桨负荷特性曲线 

表1中Vs表示航速，Nt表示主机转速，Pdt表示柴油机输出功率， 

从图1的船体阻力曲线(即新螺旋桨特性曲线)我们可以看出，选择在14.5节的航速下，主机必须提供的功率为4041.5KW，处于额定功率的4041.5/7000＝58％位置，是处于单位耗油率的高效区。该点 的选择充分考虑了现实营运的需求，同时还留有一定的裕度，在航运环境好转时可以保持在15.16海里/小时的航速下运营。 

表2实船航行试验表 

表中从2月21日开始到3月17日的1403、1404、1405、1406航次中，1403还加挂汕头港，时间41小时；1406加挂石湖，时间28.1小时。1403、1404、1405、1406航次的平均航次油耗为187.65T，其包含加挂汕头港的8.7吨和加挂石湖港的6.05吨，平均为7.37T，扣除加挂因素平均航次油耗为为180.28T。与上述航次时间相比的前一年的1343\1344航次运行同样的航线以及1345/1346航次的平均航次油耗为198.6T，采用本发明改造后的船舶整个来回航次节省油耗18.32T，节省定速运行时间19.6小时。其中，前一年的1343\1344航次组合还是该年度该航线段的最佳、最节油的航次。 

采用本发明改造船舶之前，每天19.7T/主机，节省19.6小时航行时间即折算节省油耗19.6/24×19.7＝16.1吨，合计为每个航次节省耗油34.42吨。每个月按照2.2来回航次计算，可以节约75.8吨重油，节约成本34.11万元，每吨重油按4500元计算。减少CO₂排放量为236.1吨(按照燃油量和CO₂量转换系数为3.1144计算)，比采用本 发明改造前的CO₂排放减少了19.1％。 

按照每月节约75.8吨重油计算，一年可以节省909.6吨燃料重油，约合4093200元，采用本发明的改造成本按4146937元计算，详见表3，12.2个月即可回收成本。采用本发明对船龄超过6年以上的集装箱船舶，或者已运行17年的船舶进行改造，船舶还可以运行17年，集装箱船舶按34年强制报废，其投入产出比为：4146937/(4093200×17)＝1/16.78。 

表32006年以前建造的大型集装箱船舶改造成本，单位为元。 

通过分析可以看出，采用本发明所改造的船舶，其燃油费用有大幅度降低，同时该船舶的单位时间的CO₂排放量也有较大程度的减少，这不仅可以节约运营成本，提高盈利能力和竞争力，也在保持航速基本不变的情况下大幅度减少了燃油的燃烧产物排放，采用本发明也可对船龄在8年以上的船舶进行节能减排和技术改造。 

上述实施例和附图并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。