柴油机的主要工作原理（重达1000吨的柴油机每分钟只有72转）

柴油机的主要工作原理（重达1000吨的柴油机每分钟只有72转）船舶螺旋桨至于船舶柴油机的转速为何那么低，相信常看我文章的人都知道，我不止一次的讲过这个问题，不过今天也不在乎再讲一遍，毕竟这是船舶很重要的一个概念。一般来说船舶的螺旋桨直径越大，转速越低，效率越高。把这个概念引入到柴油机身上，可以理解为：在功率不变的情况下，降低转速，提高扭矩，扭矩大了就能驱动更大直径的螺旋桨，同时转速低了，推进的效率也增加了。7G80ME-C船用低速机咱们还是老规矩先简要了解一下它的参数：该型柴油机大约长：13.6m ，宽：9.7m ，高：16.0m，重约1100t，功率：约4.5万马力，额定转速：72r/min，烧重油。如果单从参数来看，和14RT-flex96C相比是一点都不突出，但是作为绿色超长冲程柴油机，它在气缸直径800mm的情况下，拥有3720mm的超长活塞行程，可谓是一大亮点。7G80ME-C的外形尺寸

注：柴油机转速的设定是需要综合考虑的，实际过程非常复杂，在这里为了文章通俗易懂，特意省去简化了很多条件和因素，希望大家在阅读的时候不要太过于纠结。

之前我的文章讲到世界最大的柴油机，瓦锡兰的14RT-flex96C船用柴油机，最高转速每分钟102转，当时很多人惊叹不已，甚至对这个转速产生了怀疑，但是我今天要讲的主角，最高转速每分钟只有72转，会不会惊掉大家的下巴呢？

惊呆了

今天我们的主角是船用柴油机的另一个巨头，“MAN Diedel & Turbo”的7G80ME-C。为何选的它，因为这是一款超长冲程的绿色柴油机，有着极低的转速，以此来引出超长冲程对于柴油机低转速的意义和影响。

7G80ME-C船用低速机

咱们还是老规矩先简要了解一下它的参数：该型柴油机大约长：13.6m ，宽：9.7m ，高：16.0m，重约1100t，功率：约4.5万马力，额定转速：72r/min，烧重油。如果单从参数来看，和14RT-flex96C相比是一点都不突出，但是作为绿色超长冲程柴油机，它在气缸直径800mm的情况下，拥有3720mm的超长活塞行程，可谓是一大亮点。

7G80ME-C的外形尺寸

至于船舶柴油机的转速为何那么低，相信常看我文章的人都知道，我不止一次的讲过这个问题，不过今天也不在乎再讲一遍，毕竟这是船舶很重要的一个概念。一般来说船舶的螺旋桨直径越大，转速越低，效率越高。把这个概念引入到柴油机身上，可以理解为：在功率不变的情况下，降低转速，提高扭矩，扭矩大了就能驱动更大直径的螺旋桨，同时转速低了，推进的效率也增加了。

船舶螺旋桨

说起这个降速增扭，大家最容易想到的就是给传动系统增加一个减速齿轮箱。这个方法确实不错，也是动力机械最常用的办法，但是对于船舶主机动辄几万马力的输出功率，哪怕齿轮箱只有0.5％的传动损失，也是一个巨大的损失；同时要满足能传递这么大功率的齿轮箱，在制造上也是有很大的难度的，价格也不菲。如果我们能在不降低主机功率的情况下，直接降低主机的转速，就可以不用齿轮箱，直接用主机去驱动螺旋桨，能大大提高传动效率，也简化了传动系统。

船舶的传动轴

那么该如何降低柴油机的转速呢？在不改变柴油机的情况下，我们降低了柴油机的转速，也可以理解为降低了活塞的速度，反之也就是降低了活塞的速度就降低了柴油机的转速。那么又该如何降低活塞的速度呢？活塞的运动是通过高压燃气的压力对活塞做功，使其运动的，这样我们降低燃气压力也就能降低其速度了。在不改变柴油机的情况下，降低燃气压力，我们只需要降低喷入的油量即可，这也就是为何发动机可以通过油门来控制转速的原因。不过这样虽然降低了转速，但问题却很明显：柴油机的转速是低了，但是功率和扭矩也低了，这样就和我们降低转速的初衷是相背离的了。

发动机工作原理

那么有没有办法在降低了柴油机工作压力，降低转速而不降低功率和扭矩呢？办法是有，只是必须要改动柴油机了。首先我们想到的就是增大缸径。柴油机的工作压力虽然降低了，但是增加缸径也就是增大了活塞的有效面积，这样虽然燃气压力降低了，但是有效面积变大了，作用在活塞上的力并没有变，这也就是为何大家常说，缸径更大一点的柴油机爬坡更加有力的原因了。

发动机活塞和气缸

增大缸径确实是一个有效的办法，所以大型低速机的缸径普遍都很大，现在最大的缸径达到了980mm，也就是近一米了。不过柴油机的缸径并不能一味的增加，因为这样会造成活塞的体积质量巨大，当它在运动的时候就会有很大的往复惯性力（中学没有惯性力的概念），这对柴油机的连杆和曲轴的强度有很大的挑战；同时当这个力过大时，柴油机的的功率很大一部分要去克服这个力，这样只会适得其反。

大型柴油机的气缸，人能钻进去

这时如果我们还想继续降低转速我们还要引入一个新的思路。我先讲一个小例子：我们假设两辆相同速度的小车去跑圈，一个跑一百米的圈，一个跑两百米的圈，当跑一百米圈的小车跑了两圈的时候，跑两百米圈的小车才跑了一圈。两台小车做的功是相等的，圈数却相差了一倍，这样我们可以把这个思路引入到柴油机上，增大活塞的行程也就像增大了汽车的路程，这就能大大降低柴油机的转速，这也是现在大型低速机的主流思路。

大型集装箱船，两台超长冲程柴油机

增加了柴油机活塞的行程后，可以说优势是非常明显的：

第一点，增大了行程也就是增大了气缸的容积，同时也可以提高压缩比，这样能燃烧更多的燃油，拥有更高的爆炸压力。最高爆炸压力的提高能有效提高柴油机的效率，但是爆炸压力过高会造成柴油机的机械负荷和热负荷过大；同时工作会更粗暴，震动会更大。但是对于超长冲程来说，活塞的行程增加了，这样给予活塞更长的加速和减速时间，能增加柴油机工作的平顺性。

第二点，活塞速度不变，冲程变长了，活塞的做功时间也就变长了，燃油的燃烧时间也就变长了，这样能提高柴油机的燃烧质量，提高效率，同时降低尾气的排放。

第三点，虽然作用在活塞上的有效压力没有改变，也就是活塞的作用力没有改变，但是冲程长了，也就是曲轴的回转半径增大了，这样作用力虽然没变，但是力臂增大了，柴油机的输出扭矩也就增大了。

大型低速柴油机的曲轴

申明：本文部分图片来源网络，如有侵权请联系删除。

作者：小船人的梦想 2019年1月3号