船用柴油機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1 船用柴油機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展歷程

1.1國外船用柴油機(jī)的發(fā)展歷程

任何一門科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，總是與社會生產(chǎn)力的需要和當(dāng)時(shí)科學(xué)的發(fā)展水平相適應(yīng)的。18世紀(jì)初，英國資本主義的發(fā)展促進(jìn)了蒸汽機(jī)的發(fā)明，并由此開始了第一次工業(yè)革命，推動了生產(chǎn)力的發(fā)展。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，蒸汽機(jī)熱效率低以及過于笨重的問題越來越突出，已不能適應(yīng)社會生產(chǎn)力的發(fā)展要求，因此產(chǎn)生了對新型動力機(jī)械的需求。

1876年，德國人奧托（Otto）第一次提出了四沖程循環(huán)（即進(jìn)氣、壓縮、膨脹、排氣）原理，并發(fā)明了電點(diǎn)火的四沖程煤氣機(jī)。該煤氣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，熱效率可高達(dá)14%在當(dāng)時(shí)曾得到普遍使用。在1880年英國的 D.Clerk和J.Robson以及德國人 BEnz等，成功地開發(fā)了二沖程內(nèi)燃機(jī)。1893年德國工程師 Rudolf Diesel申請了壓縮發(fā)火內(nèi)燃機(jī)專利，并于1897年在MAN公司成功研制出第一臺使用液體燃料的內(nèi)燃機(jī)（壓燃式、空氣噴射、定壓燃燒），其效率比煤氣機(jī)提高了近一倍。內(nèi)燃機(jī)的問世，是繼蒸汽機(jī)之后發(fā)動機(jī)發(fā)展史上的又一個(gè)里程碑，為現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。柴油機(jī)由于其熱效率高的固有優(yōu)勢，在它問世之后，就被應(yīng)用于船舶運(yùn)輸業(yè)，對20世紀(jì)船舶運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展起到了重要作用。

1.1.1船用柴油機(jī)發(fā)展的第一階段

船用柴油機(jī)發(fā)展的第一階段是從20世紀(jì)初至40年代。這一階段是船用柴油機(jī)的初步發(fā)展期，盡管從1903年開始已經(jīng)將柴油機(jī)用于船舶推進(jìn)裝置，但柴油機(jī)動力裝置真正具有里程碑意義的是下列幾艘船舶：最早的沿海柴油機(jī)船“ Romagna”輪，1910年下水，噸位為678總噸，它使用了兩臺“ Sulzer”公司生產(chǎn)的氣口掃氣二沖程柴油機(jī)（缸徑310 mm，行程460 mm），額定功率280 kW，轉(zhuǎn)速250 r/min；世界上第一艘遠(yuǎn)洋柴油機(jī)船“ Selandia”輪，1912年投入營運(yùn)，噸位為7 400總噸，它裝備了兩臺B&W公司生產(chǎn)的DM8150X柴油機(jī)（缸徑530 mm，行程730 mm），額定功率90 kW，轉(zhuǎn)速140 r/min；第一艘安裝二沖程十字頭式柴油機(jī)的“Monte Penedo”輪，1912年投入營運(yùn)，噸位為6500總噸，它裝備了兩臺 Sulzer公司生產(chǎn)的4s47柴油機(jī)（缸徑470 mm，行程680 mm），額定功率為625 kW，轉(zhuǎn)速160 r/min；第一艘由柴油機(jī)推進(jìn)的大型客船“Aoyagi”輪，1924年投入營運(yùn)，噸位為17 490總噸，它裝備了四臺 Sulzer公司生產(chǎn)的6ST70柴油機(jī)（缸徑700 mm，行程990 mm），總功率9 560 kW，轉(zhuǎn)速為127 r/min，該船舶的下水和投入營運(yùn)打破了當(dāng)時(shí)有關(guān)柴油機(jī)動力裝置不能用于大型船舶推進(jìn)的偏見。

這一階段，在船舶領(lǐng)域，蒸汽機(jī)與柴油機(jī)并存，并在相互競爭中發(fā)展。但隨著柴油機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展及其產(chǎn)品性能的不斷提高，柴油機(jī)逐漸取代了蒸汽機(jī)，20世紀(jì)40年代以后，新建商船已經(jīng)很少有蒸汽機(jī)船了。某在船用柴油機(jī)發(fā)展的第一階段里，柴油機(jī)在自身逐步完善中有了很大發(fā)展，其中最關(guān)鍵的技術(shù)是無氣噴射技術(shù)。狄賽爾（Diesel）發(fā)明的柴油機(jī)是一種空氣噴射式發(fā)動機(jī)，它需要用高壓空氣將燃油噴入柴油機(jī)的燃燒室并將其霧化。這種噴射和霧化方式存在很多問題：一是需要由柴油機(jī)帶動兩級式的壓縮機(jī)以產(chǎn)生高壓空氣，使得柴油機(jī)在結(jié)構(gòu)上非常笨重；二是噴射空氣的壓力不夠高，僅僅略高于柴油機(jī)的壓縮壓力，因而燃油的噴射和霧化效果不佳，進(jìn)而影響柴油機(jī)的燃燒過程；三是耗能高，帶動空氣壓縮機(jī)大約需要消耗15%的柴油機(jī)功率。因此，在柴油機(jī)發(fā)明不久，就有許多研究人員致力于解決這一問題。1910年前后，英國Viickers公司的 McKechnie將機(jī)械式高壓燃料噴射技術(shù)引入大型柴油機(jī)；1915年，McKechnie開發(fā)和試驗(yàn)了可運(yùn)行的直接噴射式柴油機(jī)；1927年 R.Bosch生產(chǎn)出性能可靠的高壓噴油泵，并在柴油機(jī)上正式使用，這是柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)突破性進(jìn)步。噴油設(shè)備的改進(jìn)使柴油機(jī)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并廣泛用于車輛、船舶等運(yùn)輸機(jī)械中，這一基本原理一直沿用至今。

增壓技術(shù)也是在這一階段中發(fā)展起來的。1905年瑞士人Alfred Buechi提出了廢氣渦輪增壓的專利。但在早期主要采用的是機(jī)械增壓，目的是為了獲得足夠的掃氣空氣，基本上釆用往復(fù)泵和羅茨泵等形式，第一臺廢氣渦輪增壓柴油機(jī)由MAN公司于1927年生產(chǎn)，其安裝的增壓器由 Brown boveri公司（BBC）生產(chǎn)，增壓比為1.3。采用增壓技術(shù)將該柴油機(jī)（缸徑540 mm，行程600 mm）的功率由1 250 kW（240 r/min）提高到1 765 kW（275 r/min），當(dāng)時(shí)由于增壓器制造水平的限制，這臺增壓器的體積龐大、笨重，此項(xiàng)技術(shù)未能迅速推廣。

1.1.2船用柴油機(jī)發(fā)展的第二階段

船用柴油機(jī)發(fā)展的第二階段是從20世紀(jì)40年代至70年代。第二次世界大戰(zhàn)之后，由于全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對船舶運(yùn)輸業(yè)的要求不斷增長。由于在這一階段船舶一直向大型化及高速化方向發(fā)展，對船舶推進(jìn)裝置提出了新的要求，因柴油機(jī)動力裝置的突出優(yōu)點(diǎn)，使得柴油機(jī)在船舶動力裝置中取得了明顯的壓倒優(yōu)勢。

這一時(shí)期是船用低速柴油機(jī)發(fā)展的黃金時(shí)期，其主要特征是向大缸徑、大功率方向發(fā)展，以提高增壓程度和加大氣缸排量作為提高單缸功率的主要措施。加大氣缸排量的主要手段是加大氣缸直徑，1956年最大氣缸直徑為740～760 mm，1960年最大氣缸直徑為840～900 mm，1965年最大氣缸直徑為930 mm，到1970年最大氣缸直徑達(dá)到了1 060 mm其相應(yīng)的單缸功率1956年為900～1 030 kW，1960年為1 540～1 700 kW，1965年為2 000 kW，1970年為3 000 kW，1977年已達(dá)到3 400 kW。

在這一階段，船用柴油機(jī)發(fā)展的主要技術(shù)特征是廢氣渦輪增壓技術(shù)的成熟和普及。隨著生產(chǎn)和技術(shù)的發(fā)展，廢氣渦輪增壓器的設(shè)計(jì)和制造水平不斷提高，廢氣渦輪增壓器的性能得到改善，質(zhì)量減輕，體積減小，使它能作為一個(gè)附件裝在柴油機(jī)上。20世紀(jì)40年代，生產(chǎn)廢氣渦輪增壓器的技術(shù)逐步成熟起來。1946年，瑞士BBC公司開始生產(chǎn)VTR軸流式渦輪增壓器系列。廢氣渦輪增壓技術(shù)在船用二沖程柴油機(jī)上的成功使用，使得船用柴油機(jī)的功率大大提高，是船用低速柴油機(jī)發(fā)展中的重要里程碑。國外稱這一時(shí)期是船用低速柴油機(jī)的第一次飛躍。船用柴油機(jī)在此期間還完成了大缸徑、焊接結(jié)構(gòu)以及使用劣質(zhì)燃油等重大技術(shù)成果，并逐步形成了多個(gè)船用低速柴油機(jī)系列。

1.1.3船用柴油機(jī)發(fā)展的第三階段

船用柴油機(jī)發(fā)展的第三階段是從20世紀(jì)70年代開始至90年代末。70年代的兩次石油危機(jī)誘發(fā)了世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)。1973年石油漲價(jià)三倍，石油產(chǎn)品價(jià)格大幅度上漲使船用柴油機(jī)的燃油費(fèi)用支出一躍占總營運(yùn)成本的40%～50%降低柴油機(jī)的燃油支出費(fèi)用，提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性已成為第一要求。此外，蘇伊士運(yùn)河的通航也使得對大型船舶的需求量減少。這一階段著重于改進(jìn)增壓技術(shù)以提高柴油機(jī)的單機(jī)功率并降低比質(zhì)量，提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性等。

這一階段的最主要特征是各船用柴油機(jī)廠之間開始進(jìn)行大規(guī)模地淘汰、調(diào)整和重新組合。柴油機(jī)技術(shù)不斷趨于完善而柴油機(jī)的機(jī)型在逐漸減少。船用低速柴油機(jī)從以前的八個(gè)品牌（由八大船用柴油機(jī)制造廠生產(chǎn)）減少到三個(gè)。首先是瑞典的 Gotaverken公司停產(chǎn)了自己的GV系列而改為生產(chǎn)丹麥B&W公司的KGF系列；英國的 Doxford公司停產(chǎn)了自己的76J系列而改為生產(chǎn)德國MAN公司的KSZ系列；對整個(gè)船用柴油機(jī)行業(yè)影響最大的是20世紀(jì)80年代初MAN公司和B&W公司的合并以及90年代 Wartsil公司和 Sulzer的合并。船用柴油機(jī)制造公司的合并與重組導(dǎo)致柴油機(jī)機(jī)型的減少和系列的完備。在世界范圍內(nèi)，大型低速柴油機(jī)只有MANB&W的MC系列柴油機(jī)和 Wartsila公司的 Sulzer rta系列柴油機(jī)。

這一階段的第二個(gè)特征是節(jié)能技術(shù)研究和發(fā)展。在20世紀(jì)70年代末到90年代，各類節(jié)能型柴油機(jī)大量出現(xiàn)，機(jī)型更新周期大大縮短（甚至僅為2～3年），各類柴油機(jī)均采用各種節(jié)能措施降低油耗率，努力提高柴油機(jī)的有效熱效率；同時(shí)，由于供給船用柴油機(jī)的燃油質(zhì)量日益低劣，使得船用柴油機(jī)在使用劣質(zhì)燃油的技術(shù)上又有了新的發(fā)展。目前，現(xiàn)代船用低速柴油機(jī)的油耗率已降低到0.155～0.160 kg/（kW·h），有效熱效率可高達(dá)55%。船用柴油機(jī)的節(jié)能不僅僅在于提高柴油機(jī)本身的熱效率，更著重提高柴油機(jī)動力裝置的整體效率，也就是提高螺旋槳的推進(jìn)效率。值得一提的是，1975年11月丹麥B&W公司在60000散貨船“帕納馬克斯號上的改進(jìn)研究：在航速保持16 kn不變的情況下，將螺旋槳直徑由6.35 m加大到9m，通過增加減速裝置使螺旋槳轉(zhuǎn)速由原來的140 r/min降低到5 r/min，達(dá)到了節(jié)約燃油30%以上的效果。這一研究成果引起了造船界的高度重視，降低柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、提高推進(jìn)效率成為當(dāng)時(shí)低速柴油機(jī)的發(fā)展趨勢。這就導(dǎo)致了長行程以及超長行程低速柴油機(jī)的研制。根據(jù)散貨船、油船和集裝箱船對推進(jìn)裝置的不同要求，目前已形成了普通行程、長行程和超長行程的完備的柴油機(jī)系列在柴油機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展的同時(shí)，柴油機(jī)的可靠性（在規(guī)定的使用期間按規(guī)定的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，不因故障而停車或降功率使用的能力）也有了長足的發(fā)展。各種先進(jìn)技術(shù)（如材料、加工、結(jié)構(gòu)等）和制造工藝的運(yùn)用大大提高了船用柴油機(jī)的可靠性。船用低速柴油機(jī)的吊缸周期已從60年代的5 000～6 000 h提高到8 000～12 000 h，甚至高達(dá)2 000 h以上。在此期間船用二沖程低速柴油機(jī)的氣缸排量沒有進(jìn)一步提高，氣缸直徑基本保持在500～980 mm，柴油機(jī)功率的提高主要依賴于增壓技術(shù)的改進(jìn)和柴油機(jī)強(qiáng)化程度的提高。此外，針對日益興起的四沖程中速柴油機(jī)的競爭，開發(fā)了一系列小缸徑（260 mm，350 mm）的低速柴油機(jī)。

1.1.4船用柴油機(jī)發(fā)展的第四階段

船用柴油機(jī)發(fā)展的第四階段是從21世紀(jì)初開始，其特征：一是電子控制在船用柴油機(jī)上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)控制和管理的電子化、信息化和智能化；二是對柴油機(jī)有害排放的控制?，F(xiàn)代船用柴油機(jī)控制與操縱自動化，即對船用柴油機(jī)及其附屬設(shè)備進(jìn)行自動控制及自動監(jiān)視由來已久。20世紀(jì)60年代初曾進(jìn)行在控制室內(nèi)對主機(jī)集中控制與集中監(jiān)視；70年代電子技術(shù)開始在柴油機(jī)上使用；80年代柴油機(jī)的電子控制技術(shù)已有了很大發(fā)展，除可監(jiān)視柴油機(jī)的運(yùn)行工況外，還可保持柴油機(jī)各運(yùn)行參數(shù)的最佳值，以求得柴油機(jī)功率、燃油消耗率和其他有關(guān)性能的最佳平衡，并由此發(fā)展了對柴油機(jī)的故障診斷、未來趨勢預(yù)報(bào)等技術(shù)，把柴油機(jī)的管理技術(shù)提高到一個(gè)嶄新的水平。

電子控制式船用柴油機(jī)最典型的機(jī)型是 Wartsila公司在2000年推出的 Sulzer rt-flex全電子控制的智能型柴油機(jī)。該柴油機(jī)取消了凸輪軸傳動齒輪、凸輪軸、燃油噴射泵、氣閥控制機(jī)構(gòu)及換向伺服器等設(shè)備，而將電子設(shè)備及其軟件應(yīng)用于船用柴油機(jī)并成為船用柴油機(jī)的基本組成部分。柴油機(jī)的所有主要功能如燃油噴射、排氣閥驅(qū)動、柴油機(jī)的起動和氣缸潤滑都是全電子控制的。發(fā)動機(jī)的管理采用DENS模塊和 MAPEX監(jiān)控與維護(hù)專家系統(tǒng)，不僅可以對柴油機(jī)的工作性能進(jìn)行優(yōu)化，而且可以檢測柴油機(jī)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析，以及實(shí)現(xiàn)利用專家知識在船評估和通過衛(wèi)星通信全面支持?jǐn)?shù)據(jù)儲存和傳輸。MANB&W公司也在2003年推出了ME系列電控柴油機(jī)，并開始裝船使用；同時(shí)，日本三菱公司也與 Wartsila公司合作開發(fā)了LSE系列電控柴油機(jī)。隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)造成環(huán)境污染受到了廣泛關(guān)注，為限制和控制船舶向大氣排放有害物質(zhì)，國際海事組織（MO）1997年召開了防止大氣污染締約國外交大會，通過了修訂《73/78國際防止船舶造成污染公約》（MARPOL公約）的1997年議定書。該議定書新增了《73/78國際防止船舶造成污染公約》附則Ⅵ“防止船舶造成大氣污染規(guī)則”，要求對2000年1月1日或以后建造的船上安裝的船用柴油機(jī)有害排放進(jìn)行控制。2008年10月，國際海事組織（IMO）海洋環(huán)境保護(hù)委員會（MEC）對 MARPOL公約附則VI重新進(jìn)行了修訂，對于船舶的廢氣排放提出了更嚴(yán)格的要求。國際海事組織和世界各國對船用柴油機(jī)有害排放的控制內(nèi)容主要包括氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）、微粒物質(zhì)（PM）和溫室氣體（CO2）

為了滿足國際海事組織和世界各國日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求并獲得相應(yīng)的證書，必須控制船用柴油機(jī)的排放，這已成為當(dāng)前船用柴油機(jī)發(fā)展的中心任務(wù)，使得船用柴油機(jī)在燃料使用、燃燒方式、噴油設(shè)備等方面發(fā)生了重大變化，并對船用柴油機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。在船用低速二沖程柴油機(jī)發(fā)展的同時(shí)，大功率四沖程柴油機(jī)自20世紀(jì)50年代開始也得到了穩(wěn)步發(fā)展，至今已經(jīng)歷五代機(jī)型。它的最大優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、尺寸小，可通過選用減速齒輪箱達(dá)到最佳的螺旋槳轉(zhuǎn)速。在工作可靠性、使用壽命、經(jīng)濟(jì)性及對劣質(zhì)燃油的適應(yīng)性方面均有明顯改進(jìn)，基本上達(dá)到了與低速機(jī)相近的水平。近年建造的總噸位2 000總噸以上船舶中，使用中速機(jī)做主機(jī)的船舶數(shù)量達(dá)到了35%～40%，裝機(jī)功率也達(dá)到了裝機(jī)總功率的20%左右。

1.2國內(nèi)柴油機(jī)的發(fā)展歷程

我國是后期的低速船用柴油機(jī)生產(chǎn)大國，船舶低速柴油機(jī)的發(fā)展基本可以分為三個(gè)階段。第一階段是在20世紀(jì)50年代至70年代末期。由于當(dāng)時(shí)的國際、國內(nèi)環(huán)境，船用柴油機(jī)的發(fā)展立足于自主研發(fā)。我國對低速二沖程柴油機(jī)研制始于1958年，曾經(jīng)研制并生產(chǎn)了ES/DZ43/82ES/DZ58/100、ES/DZ76160等機(jī)型，填補(bǔ)了我國大功率低速柴油機(jī)的空白，并在國產(chǎn)的沿海和遠(yuǎn)洋船舶上使用。

20世紀(jì)70年代末至2005年是我國船用柴油機(jī)發(fā)展的第二個(gè)階段。改革開放以來，逐步開始引進(jìn) Sulzer、MANB&W公司的專利進(jìn)行生產(chǎn)，船用柴油機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)能力有了快速增長。這一階段在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，沒能重視和開發(fā)自主品牌的產(chǎn)品，導(dǎo)致國產(chǎn)低速機(jī)品牌從此消失，應(yīng)該說是一個(gè)重大的損失。

自20世紀(jì)80年代初到90年代中期，國產(chǎn)主機(jī)裝船率呈上升趨勢。1982年，國產(chǎn)柴油機(jī)的裝船率僅為25%，大部分是從日本進(jìn)口。以后幾年，隨著國產(chǎn)柴油主機(jī)生產(chǎn)能力的提高，國產(chǎn)主機(jī)的裝船比例迅速上升，由1983年的35%提高到1984年的51%和1985年的80%，到1994年為止，國產(chǎn)主機(jī)比例大致保持80%上下。到了21世紀(jì)初，由于主機(jī)生產(chǎn)跟不上造船業(yè)的快速發(fā)展，國產(chǎn)主機(jī)比例持續(xù)下降。在2002～2004年，我國造船產(chǎn)量大幅度攀升，盡管國產(chǎn)主機(jī)產(chǎn)量也在快速增長，但是國產(chǎn)主機(jī)裝船率卻不斷下降，2002年降至56%，2003年進(jìn)一步跌至45%，2004年更低，22 000 kW以上的船用柴油機(jī)幾乎都要外購。據(jù)英國克拉克松研究公司報(bào)告，2015年我國造船完工量1286萬修正載重噸，新承接船舶訂單1 025萬修正載重噸，手持船舶訂單3 987萬修正載重噸，分別占世界市場份額的35.1%、30.3%和36.5%，均位居世界第一。這更加突出了我國造機(jī)能力不足的問題。

2005年以后是我國船用柴油機(jī)發(fā)展的第三個(gè)階段。為了解決我國船用柴油機(jī)行業(yè)存在的產(chǎn)能較弱的問題，國家從政策、資金等各個(gè)方面對造機(jī)行業(yè)進(jìn)行了扶持，同時(shí)對柴油機(jī)曲軸等配套行業(yè)也有較大的投入。2005～2008年，船用低速柴油機(jī)的制造出現(xiàn)了快速增長的勢頭。

2005年前，規(guī)模較大的船用低速柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)只滬東重機(jī)、大連船用柴油機(jī)廠和宜昌船用柴油機(jī)廠三家，目前已發(fā)展到1.家企業(yè)。截至2016年年底，滬東重機(jī)、大連船用柴油機(jī)廠等

企業(yè)已進(jìn)入世界十大造機(jī)企業(yè)行列。然而不可回避的是，我國在專利生產(chǎn)方面依舊存在諸多短板。我國在船舶發(fā)動機(jī)領(lǐng)域起步晚、底子薄，缺少先進(jìn)的理論基礎(chǔ)和實(shí)際數(shù)據(jù)的積累，而且在生產(chǎn)制造過程中又受制于工藝、材料等多種因素的制約，所以在研發(fā)方面存在不足，關(guān)鍵零部件的性能也存在較大差距。

2016年12月26日，由中船動力研究院有限公司（中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司，簡稱“中船集團(tuán)”下屬子公司）自主研發(fā)、制造的大功率小缸徑船用低速柴油機(jī)6EX340EF順利通過中國船級社（CCS）形式認(rèn)可試驗(yàn)。作為中船動力研究院自主研發(fā)的大功率小缸徑船用低速柴油機(jī)，6EX340EF填補(bǔ)了自主品牌二沖程低速柴油機(jī)領(lǐng)域的空白。EX340系列超長沖程低速柴油機(jī)缸徑為340 mm，沖程達(dá)1 600 mm，轉(zhuǎn)速為144～169 r/min，采用高強(qiáng)度緊湊設(shè)計(jì)，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，設(shè)計(jì)單缸功率達(dá)920 kW。該型主機(jī)采用高效、高壓比渦輪增壓器和高壓共軌燃油系統(tǒng)，優(yōu)化了燃燒過程，提高了熱效率；采用模塊化電控燃油系統(tǒng)及集成式伺服油系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及單貫穿螺栓、單主軸承螺栓等多項(xiàng)易維護(hù)性設(shè)計(jì)；采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整機(jī)具有良好的振動、噪聲特性。同時(shí)，該型主機(jī)滿足國際海事組織（IMO）Tier II排放要求，配置選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)等后處理裝置后，可滿足 MO Tier III排放要求

中船動力研究院推出的另一型自主品牌1 000 kW級功率中速機(jī)12MV390，是我國新一代趕超世界最新水平的自主品牌大功率中速柴油機(jī)，該機(jī)同樣采用了國際最先進(jìn)的電控及燃油共軌系統(tǒng)，具備適用范圍廣、可靠性高、大修期長和維修便捷等多種優(yōu)良特性，關(guān)鍵指標(biāo)趕超了同等缸徑范圍中速柴油機(jī)的國際先進(jìn)技術(shù)水平。它的誕生正式開啟了我國大功率中速機(jī)的自主發(fā)展之路。

2 船用柴油機(jī)的現(xiàn)狀及技術(shù)水平

2.1船舶低速柴油機(jī)

船用低速柴油機(jī)制造商目前只有德國的 MAN Diesel& Turbo公司（2010年MAN集團(tuán)完成 MAN Diesel se和 MAN Turbo AG公司的合并成立）、芬蘭的Wrti公司和日本的三菱公司。盡管每年各公司所占市場份額略有變化，但根據(jù)近年來的統(tǒng)計(jì)，MAN Diesel& Turbo公司約占80%， Wartsila公司約占18%，而日本三菱公司僅約占2%?？梢哉f在世界船用柴油機(jī)行業(yè)中，歐洲的品牌一統(tǒng)天下， MAN Diesel&Tubo和 Wartsila兩大品牌的市場份額合計(jì)高達(dá)98%。

世界船舶低速柴油機(jī)的研發(fā)中心在歐洲，制造中心在東亞。2010年， MAN Diesel& Turbo公司終止了其在丹麥工廠的低速機(jī)的生產(chǎn)， MAN Diesel&TubO公司和 Wartsil公司目前均已不再生產(chǎn)低速機(jī)。船用低速柴油機(jī)基本采用專利許可證授權(quán)的方式，由世界其他國家的造機(jī)企業(yè)從事許可證生產(chǎn)。

韓國、日本、中國是目前世界上主要的船用低速柴油機(jī)生產(chǎn)國，三個(gè)國家船用低速柴油機(jī)的產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的90%以上，但基本沒有自己的品牌。韓國是當(dāng)前居世界第一的造船和造機(jī)大國，擁有現(xiàn)代重工、斗山發(fā)動機(jī)、STX等大型企業(yè)，其低速柴油機(jī)的產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的50%（按功率計(jì)），全部屬于許可證生產(chǎn)。日本低速柴油機(jī)生產(chǎn)是從20世紀(jì)20年代引進(jìn)Suer和B&W柴油機(jī)起步的，在大量生產(chǎn)專利機(jī)的同時(shí)，于50年代成功研發(fā)了自主品牌的船用低速機(jī)三菱UE型機(jī)，并于20世紀(jì)50年代中期成為世界第一造船大國，70年代中期成為世界第一大造機(jī)大國，但近年來在世界造船和造機(jī)市場的份額都有所下降，其自主品牌的三菱低速機(jī)只占全球市場約2%且僅限于日本國內(nèi)。中國船用柴油機(jī)行業(yè)經(jīng)過三十多年的發(fā)展，目前的生產(chǎn)規(guī)模和日本相當(dāng)，但仍存在著產(chǎn)業(yè)集中度低、配套能力不足、技術(shù)壓力大、對性能和質(zhì)量要求較高的大缸徑柴油機(jī)生產(chǎn)能力不足等問題。

近年來， MAN Diesel& Turbo公司成功地開發(fā)了SME-B系列和GME系列柴油， Wartsila公司也開發(fā)了X系列低速柴油機(jī)。從上述參數(shù)可以看出，目前新型船用低速柴油機(jī)的活塞平均速度為83～915 m/s，平均有效壓力高達(dá)20～22MPa，最大燃燒壓力達(dá)15～16MPa，燃油消耗率約為170g/（kW·h），其動力性和經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平。超長行程柴油機(jī)的S/D值都已達(dá)到4.1～4.65。

2.2船舶中速柴油機(jī)

船用中速柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為350～1 200 r/min，大多為四沖程機(jī)，其體積較小，質(zhì)量輕，制動速度快。大功率中速機(jī)主要用于客運(yùn)班輪、作業(yè)船、滾裝船等。近年來，中速機(jī)在開發(fā)大缸徑、提高整機(jī)功率方面做了大量工作，并在燃用劣質(zhì)燃油、降低油耗、提高零部件的可靠性、提高使用壽命及高增壓等方面取得顯著成效。目前雖然生產(chǎn)廠家較多，主要集中于 Wartsila、MAN Diesel& Turbo、 Caterpillar（Mak）等幾家公司， wartsila、 MAN Diesel&Tubo（SEMT

Pielstick皮爾斯蒂克已經(jīng)并入MAN）在中速機(jī)方面同樣走在世界最前沿。根據(jù)最新的報(bào)告顯示，世界中速柴油機(jī)市場規(guī)模為每年750萬馬力。據(jù) Wartsila公司2012年年度報(bào)告， Wartsila

公司的中速機(jī)市場份額為47%， MAN Diesel& Turbo公司為23%， Caterpillar公司為5%，其他公司的總和為25%中、低速船用柴油機(jī)一直以來都大量運(yùn)用于船舶電站，為船上的各類設(shè)備提供電力，并開始在日漸繁榮的船舶電力推進(jìn)中得到廣泛應(yīng)用。

我國的船用中速柴油機(jī)的生產(chǎn)在近年內(nèi)也有較大的發(fā)展。通過自主研發(fā)和技術(shù)引進(jìn)，缸徑為150～350 mm的船用中速機(jī)從單缸強(qiáng)化程度到整機(jī)功率都有很大的提高。我國目前生產(chǎn)的中速機(jī)的機(jī)型中，引進(jìn)的機(jī)型很多，主要包括洋馬、大發(fā)、 Sulzer、MANB&W和MTU等多家公司的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品的引進(jìn)縮小了國產(chǎn)柴油機(jī)與國外的產(chǎn)品的差距，基本滿足了國內(nèi)造船業(yè)對中速機(jī)的要求。但也要看到，某些引進(jìn)產(chǎn)品已趨于老化，市場競爭力逐步減弱。

3 船用柴油機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 總體概述

21世紀(jì)是一個(gè)挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存的世紀(jì)，其中能源與環(huán)境則是人類面臨的最嚴(yán)峻的問題。能源資源儲量有限，而能源消耗量卻逐年增加，資源耗竭的危險(xiǎn)正逐步逼近，這種危機(jī)感已成人們的共識；環(huán)境污染日趨惡化，嚴(yán)重地制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，已危及人類自身的生存。人類面臨的能源與環(huán)境問題同樣是船用柴油機(jī)面臨的挑戰(zhàn)，石油產(chǎn)品是船用柴油機(jī)的主要燃料，而柴油機(jī)的排放則是大氣污染的重要污染源。1997年，國際海事組織《MARPOL（73/78）公約》的新增附則VI：防止船舶造成大氣污染規(guī)則，對船舶主機(jī)排放提出更嚴(yán)格的限制。特別是硫氧化物排放控制區(qū)（SECA）設(shè)立：波羅的海、北海、北美、美國加勒比海四個(gè)區(qū)域（2006年5月強(qiáng)制實(shí)施）、氮氧化物排放控區(qū)的設(shè)立：北美和加勒比海兩個(gè)氮氧化物排放控區(qū)（2016年1月1日強(qiáng)制實(shí)施）、波羅的海和北海兩個(gè)氮氧化物排放控區(qū)（2021年1月1日強(qiáng)制實(shí)施）；以及2017年1月1日在中國珠三角、長三角、環(huán)渤海（京津冀）水域設(shè)立的排放控制區(qū)相關(guān)實(shí)施方案的生效。在這個(gè)大環(huán)境下，排放控制和節(jié)能成了當(dāng)前船用柴油機(jī)發(fā)展的主要影響因素。

船用柴油機(jī)經(jīng)過了一百多年的發(fā)展，盡管現(xiàn)代船用柴油機(jī)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)很高的技術(shù)水平，柴油機(jī)的技術(shù)已趨完善，但隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，特別是在能源與環(huán)境問題的雙重壓力之下，將會對船用柴油機(jī)提出更高的要求，船用柴油機(jī)將得到繼續(xù)發(fā)展和改進(jìn)。從目前的情況看，柴油機(jī)動力裝置在民用船舶上占統(tǒng)治地位這一狀況不會發(fā)生變化。大型低速二沖程柴油機(jī)仍將是散貨船、油船和集裝箱船的主要?jiǎng)恿ρb置。世界主要的柴油機(jī)生產(chǎn)商都已形成了普通行程、長行程和超長行程等不同系列的機(jī)型，如 Wartsil公司的RTA和 RT-flex的U、T和C系列柴油機(jī)和新開發(fā)的X系列柴油機(jī)， MAN Diesel&Tubo公司的MC和ME的K、L、S和G系列柴油機(jī)。各種機(jī)型氣缸尺寸大中小完備，功率范圍齊全，足以滿足不同類型船舶對動力裝置的需求。電子控制技術(shù)在柴油機(jī)上的成功應(yīng)用，使電控柴油機(jī)逐步取代機(jī)械控制成為當(dāng)前的主流機(jī)型。柴油機(jī)控制和管理的電子化、信息化和智能化，也促使柴油機(jī)性能全面提高。而大型客船、客滾船和滾裝船發(fā)展及柴油機(jī)電力推進(jìn)技術(shù)的推廣應(yīng)用，促進(jìn)了大功率中速柴油機(jī)的開發(fā)。

當(dāng)前船用柴油機(jī)發(fā)展的基本目標(biāo)仍然是低排放、低能耗、可靠、強(qiáng)化和大功率，也可以概括為：在滿足排放法規(guī)的前提下，兼顧節(jié)能與可靠性的要求，全面提高柴油機(jī)性能。根據(jù)此發(fā)展目標(biāo)，今后船用柴油機(jī)的研究和發(fā)展趨勢仍然表現(xiàn)在下列幾個(gè)方面。

（1）降低船用柴油機(jī)排放的研究。排放控制是船用柴油機(jī)在21世紀(jì)面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，也是船用柴油機(jī)發(fā)展要解決的中心任務(wù)。隨著對船用柴油機(jī)排放控制法規(guī)日益嚴(yán)格，如何來滿足排放法規(guī)的要求，將是船用柴油機(jī)發(fā)展中的新課題。

（2）進(jìn)一步提高船用柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

（3）船用柴油機(jī)電子控制技術(shù)的不斷完善。柴油機(jī)電子控制技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)成功地應(yīng)用于傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的又一范例，通過對調(diào)節(jié)和控制精度的提高，使柴油機(jī)從動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及排放等綜合性能方面得以全面提高，給柴油機(jī)帶來了革命性的變化。電控柴油機(jī)正逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)械控制柴油機(jī)。

（4）LNG燃料在船舶上的應(yīng)用。

（5）進(jìn)一步提高船用柴油機(jī)的強(qiáng)化程度及柴油機(jī)的單缸和單機(jī)功率。

（6）改進(jìn)船用柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)，提高可靠性與耐久性的研究。

3.2降低船用柴油機(jī)排放的研究

大量礦物燃料的使用已經(jīng)造成了臭氧層空洞、酸雨以及全球氣候變暖等局部和全球性的環(huán)境污染問題。盡管海運(yùn)是能源效率最高的運(yùn)輸方式，但由于船用柴油機(jī)個(gè)體龐大，排放總量巨大，使得船用柴油機(jī)排放成為大氣污染的重要污染源?？刂拼貌裼蜋C(jī)的排放是柴油機(jī)在21世紀(jì)面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著船用柴油機(jī)排放控制法規(guī)的日益嚴(yán)格，在提高柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)如何滿足排放法規(guī)的要求，成為船用柴油機(jī)發(fā)展中的新課題。對船用柴油機(jī)排放的控制主要是對柴油機(jī)排放中的氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）、溫室氣體（CO2）和微粒物質(zhì)（PM）的控制。

溫室氣體（CO2）的控制方面。2011年7月，在國際海事局組織（MO）海洋環(huán)境保護(hù)委員會（MEPC）第62次會議上，通過了對 MARPOL公約附則Ⅵ新的修正案。這是個(gè)強(qiáng)制性的國際航行船舶溫室氣體（GHCs）減排法規(guī)，已于2013年1月1日強(qiáng)制實(shí)施。該修正案新增了“船舶能效規(guī)則”，要求新造船舶應(yīng)滿足“船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EED I）”和“船舶能效管理計(jì)劃（SEEMP）”的要求，并獲得主管機(jī)關(guān)簽發(fā)的“國際能效證書”（EC）。國際海事組織設(shè)立能效指標(biāo)是試圖在2010～2018年期間逐步降低船舶動力裝置平均CO2排放值，達(dá)到目前排放值的70%。此外，歐盟、美國等也頒布了自己的一系列環(huán)保法規(guī)。這些法規(guī)的頒布和實(shí)施，對船用柴油機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。這使控制船用柴油機(jī)排放，滿足排放法規(guī)要求并獲得相應(yīng)的證書，成為當(dāng)前船用柴油機(jī)發(fā)展的中心任務(wù)。圍繞如何滿足各種排放法規(guī)的要求將在船舶設(shè)計(jì)、新能源技術(shù)、配套設(shè)備應(yīng)用等方面進(jìn)行一系列的研究工作，使得船用柴油機(jī)在機(jī)器結(jié)構(gòu)、運(yùn)轉(zhuǎn)工況、燃料使用、燃燒方式、噴油設(shè)備等方面發(fā)生相應(yīng)的變化。目前采用的主要措施有：

（1）廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)；

（2）進(jìn)氣加濕和噴水技術(shù)；

（3）燃油噴射的控制和改進(jìn)；

（4）米勒循環(huán)

（5）廢氣催化轉(zhuǎn)化（SCR）技術(shù)；

（6）使用低硫燃油和廢氣水洗技術(shù)；

（7）控制主機(jī)轉(zhuǎn)速和船舶航速

（8）使用LNG燃料

上述各項(xiàng)措施中，有些技術(shù)只針對某種有害排放的，有些則可以全面改善柴油機(jī)的排放。

3.3 提高船用柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的策略

提高船用柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和控制船用柴油機(jī)的CO2排放是基本一致的。提高船用柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性就是柴油機(jī)發(fā)出同樣的功率可以使用更少的燃油，這也意味著CO2排放的降低。由于降低CO2排放相當(dāng)于降低燃油消耗率，這就意味著對于未來船舶，每航次要減少30%的燃油消耗量。提高船用柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性是實(shí)現(xiàn)降低能效設(shè)計(jì)指標(biāo)的主要手段之一。提高船用柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性的研究主要包括燃燒、增壓、低摩擦、低磨損等方面?，F(xiàn)代船用大型低速柴油機(jī)近十多年在提高經(jīng)濟(jì)性方面取得的成效超過了過去幾十年，各種節(jié)能措施相繼出現(xiàn)并日趨完善。這些措施主要如下所示。

3.3.1增大行程缸徑比S/D和降低柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速

增大行程缸徑比S/D的主要目的是在保持活塞平均速度不變的情況下大幅度降低柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，以提高螺旋槳的推進(jìn)效率，從而提高動力裝置的總功率。如果選用較大直徑的螺旋槳，則可以在維持船舶航速不變的情況下降低主機(jī)功率。S/D的增加，也使得柴油機(jī)的壓縮比增加，根據(jù)理論循環(huán)的結(jié)論，壓縮比的提高會使柴油機(jī)本身的經(jīng)濟(jì)性有所提高。同時(shí)，由于氣缸行程的增加，也使得柴油機(jī)的單缸功率隨之提高。提高柴油機(jī)的S/D值，是自石油危機(jī)以來提高船用柴油機(jī)動力裝置經(jīng)濟(jì)性的重要措施。

20世紀(jì)70年代末期，二沖程低速柴油機(jī)的S/D值一般在2左右，但自70年代末期開始，S/D的增大速度很快，并逐步開發(fā)了低速柴油機(jī)的長行程和超長行程柴油機(jī)系列。目前，Wartsila公司最新開發(fā)的X系列柴油機(jī)的S/D值已達(dá)到了443，而 MAN Diesel& Turbo公司最新研制的GME系列柴油機(jī)的S/D值甚至達(dá)到465。S/D的增加，使柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速大大降低，超長行程的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速一般為7 080 r/min，配槳轉(zhuǎn)速最低達(dá)到57r/min。然而，增大S/D使柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)增加，因而S/D的增加是有限度的。

3.3.2提高最高爆發(fā)壓力Pz與平均有效壓力Pe之比Pz/Pe

柴油機(jī)的理論循環(huán)研究與實(shí)踐證實(shí)，提高Pz/Pe可顯著降低燃油消耗率。當(dāng)Pz/Pe從7.8提升到12，油耗率可降低達(dá)12g/（kW·h）因而，現(xiàn)代船用柴油機(jī)均采用這種措施降低油耗。但是，大幅度提高Pz是十分困難的，它受到了柴油機(jī)負(fù)荷的限制，必須同時(shí)采取相應(yīng)措施保證柴油機(jī)的可靠性。因而從20世紀(jì)60年代到70年代中期，船用柴油機(jī)的Pz雖然逐步增加，但增加幅度不大（在近20年內(nèi)Pz僅提高約2.5 MPa）。從70年代中期到80年代中期，柴油機(jī)的Pz值有了大幅度增長（增加約5 MPa）。目前有些低速柴油機(jī)的Pz已達(dá)16 MPa，甚至18 MPa，而船用中速油機(jī)Pz則達(dá)到23 MPa。在保持Pz不變時(shí)降低Pe值同樣可降低油耗率，這也是目前廣泛采用的節(jié)能措施。

3.3.3采用定壓渦輪增壓系統(tǒng)和高效率廢氣渦輪增壓器

在高增壓柴油機(jī)上采用定壓渦輪增壓系統(tǒng)代替脈沖渦輪增壓系統(tǒng)是現(xiàn)代柴油機(jī)的一大顯著特點(diǎn)，同時(shí)也有利于提高增壓器的效率和功率。新型高效渦輪增壓器的發(fā)展和使用，使增壓器效率由20世紀(jì)60年代的50%～60%提高到70%～76%，由此顯著降低了柴油機(jī)的燃油消耗率。

為了使柴油機(jī)在全部負(fù)荷和速度范圍內(nèi)都能處于最優(yōu)狀態(tài)，新型高效渦輪增壓系統(tǒng)中還設(shè)置了渦輪增壓器切斷裝置或變噴嘴環(huán)增壓器，當(dāng)柴油機(jī)在低負(fù)荷下工作的時(shí)候，對裝有多個(gè)渦輪增壓器的大型柴油機(jī)，可自動中止其中一個(gè)增壓器的工作，從而提升其他增壓器的性能，對只裝有一個(gè)增壓器的柴油機(jī)，則可以通過可變噴嘴環(huán)（VTA）的技術(shù)，保證增壓器的高效工作。

3.3.4改進(jìn)噴射與燃燒技術(shù)

改進(jìn)噴射與燃燒技術(shù)一直是船用柴油機(jī)的重大研究課題之一。對于這一技術(shù)的研究主要有如下幾個(gè)方面：

一是提高噴油壓力。其主要目的是縮短噴射持續(xù)期，改善霧化質(zhì)量，提高燃燒效率。這需要采取措施，優(yōu)化噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以提高霧化質(zhì)量。目前高壓噴射系統(tǒng)的嘖射壓力已達(dá)到100～180 MPa。

二是優(yōu)化噴油定時(shí)。前文提到，提高最高爆發(fā)壓力Pz與平均有效壓力Pe之比Pz/Pe可以提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)柴油機(jī)在部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如能使最高爆發(fā)壓力Pz保持在標(biāo)定值不變，就會使Pz與Pe的比值變大，燃油消耗減少。這需要在柴油機(jī)負(fù)荷變化時(shí)自動調(diào)整其噴油提前角，在機(jī)械控制的條件下，通過VIT機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，電控柴油機(jī)對噴油定時(shí)的控制會更加精確。

三是對噴油設(shè)備的改造。如在MAN柴油機(jī)上使用的滑閥式噴油器可以大幅度提高低負(fù)荷下的經(jīng)濟(jì)性。

3.3.5 降低摩擦損失功提高機(jī)械效率η

柴油機(jī)的摩擦損失約占機(jī)械損失的40%，因而降低摩擦損失是提高η的主要途徑。降低摩擦損失需在潤滑和摩擦學(xué)方面對柴油機(jī)各處摩擦損失進(jìn)行深入研究，找到最具有節(jié)能潛質(zhì)的地方，以增加柴油機(jī)的效率和減少發(fā)動機(jī)內(nèi)部摩擦損失。如現(xiàn)代船用低速柴油機(jī)采用短裙和超短裙活塞，減少活塞環(huán)數(shù)量（如由5道減為4道）及改善活塞環(huán)的工作條件等措施都在降低摩擦損失、提高機(jī)械效率方面起到了一定的作用。改進(jìn)材料摩擦性能并減少摩擦損失的研究將會開發(fā)出新的材料，用于氣缸、活塞和軸承。

3.3.6 軸帶發(fā)電機(jī)（PTO）

在主柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間（通常要求主機(jī)轉(zhuǎn)速>70%標(biāo)定轉(zhuǎn)速），通過專設(shè)的恒速傳動裝置驅(qū)動發(fā)電機(jī)，可發(fā)出滿足船舶航行所需要的電力。在主機(jī)轉(zhuǎn)速變動或波動時(shí)通過恒速傳動裝置可保證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，或可通過變頻裝置保證發(fā)出的電壓與頻率不變。采用軸帶發(fā)電機(jī)在航行期間可停止柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。此裝置并不直接降低主推進(jìn)柴油機(jī)油耗率，但提高了船舶動力裝置的經(jīng)濟(jì)性。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)主要有：可使用油耗率較低的主柴油機(jī)提供電力，節(jié)省了柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的滑油消耗，減少了柴油發(fā)電機(jī)的數(shù)量與維修費(fèi)用。

3.3.7柴油機(jī)廢熱再利用

柴油機(jī)的廢氣和冷卻介質(zhì)帶走了燃料總發(fā)熱量中50%左右的熱量。充分利用這一部分廢熱的能量，對提高整個(gè)動力裝置的經(jīng)濟(jì)性有重要意義。在20世紀(jì)80年代后期，由于增壓器效率的提高，使用部分廢氣就可以保證柴油機(jī)所需的增壓壓力和空氣質(zhì)量，為提高柴油機(jī)總的熱效率，設(shè)計(jì)了動力渦輪，使部分廢氣在單設(shè)的動力渦輪中膨脹做功，并經(jīng)減速機(jī)構(gòu)傳給曲軸，組成渦輪復(fù)合系統(tǒng)（TCS）。但由于渦輪復(fù)合系統(tǒng)比較復(fù)雜，并造成廢氣鍋爐可用能量下降，這一系統(tǒng)在出現(xiàn)幾年后也不再使用。當(dāng)前比較流行的節(jié)能設(shè)計(jì)是熱效率系統(tǒng)（TES），其設(shè)計(jì)思想是兼顧增壓器、動力渦輪和廢氣鍋爐的能量平衡。在確保增壓器有效工作的前提下，使用部分廢氣驅(qū)動力渦輪，并帶動發(fā)電機(jī)組；然后利用在增壓器和動力渦輪膨脹做功后的廢氣余熱產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動一臺小型的蒸汽輪機(jī)，與動力渦輪聯(lián)合驅(qū)動一臺發(fā)電機(jī)向船舶供電。目前這方面的問題仍在研究與探索之中。

上述這些措施不僅是以往提高柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的主要手段，也將是今后繼續(xù)提高柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的研究內(nèi)容。

3.4 船用柴油機(jī)電子控制技術(shù)的研究

柴油機(jī)電子控制技術(shù)是將電子設(shè)備及其軟件應(yīng)用于船用柴油機(jī)并成為船用柴油機(jī)的基本組成部分。柴油機(jī)電子控制的主要功能有燃油噴射、排氣閥啟閉、氣缸潤滑以及柴油機(jī)的操縱、控制和維護(hù)管理。

柴油機(jī)電子控制技術(shù)是微電子技術(shù)成功地應(yīng)用于傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的又一范例，通過調(diào)節(jié)和控精度的提高，使柴油機(jī)從動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及排放的綜合性能得以全面提高，這也是當(dāng)前船用柴油機(jī)研究和制造的發(fā)展方向。目前柴油機(jī)電子控制技術(shù)的研究已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展并進(jìn)入了實(shí)用階段，世界上主要的船用柴油機(jī)制造公司都推出了各自的電控柴油機(jī)系列，并逐漸成為市場上的主流產(chǎn)品，如 Wartsila公司的RT-flex系列、MAN Diesel & Turbo公司的ME系列以及三菱公司的LSE系列。2012年 Pantsil公司的低速機(jī)訂單全部是RT-flex系列，機(jī)械控制的RTA機(jī)型實(shí)際上己被電控柴油機(jī)所代替，其新開發(fā)的X系列柴油機(jī)不再有機(jī)械控制的機(jī)型。電控柴油機(jī)將會在數(shù)字化、信息化、智能化等方面繼續(xù)完善。

3.5 船用柴油機(jī)代用燃料的研究

根據(jù)目前己探明的石油儲量和每年的石油消耗量估算，30～50年內(nèi)石油資源即將枯竭。面對日益嚴(yán)峻的能源形勢，柴油杋開發(fā)和使用代用燃料勢在必行。代用燃料包括煤制液體燃料、生物燃料、氣體燃料等作為船舶燃料油的代用燃料，要滿足下列幾個(gè)基本條件：（1）有豐富的存儲量；（2）在目前高油價(jià)時(shí)代與燃料油相比在經(jīng)濟(jì)上要有競爭力；（3）含硫量要低。實(shí)際上就是既要滿足船舶營運(yùn)的要求，又要滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求。盡管人們對于船舶新能源和代用燃料做了很多研究，但目前比較成熟，可以在船舶上實(shí)際使用的只有液化天然氣（LNG）。

3.6改進(jìn)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)和提高可靠性與耐久性的研究

對柴油機(jī)及其零部件的結(jié)構(gòu)與性能改進(jìn)的研究從柴油機(jī)產(chǎn)生至今一直都在進(jìn)行。近年來，這方面的研究主要是借助于計(jì)算機(jī)，通過有限元計(jì)算，研究柴油機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的受力狀況，并根據(jù)柴油機(jī)及零件的受力狀況進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，這使得柴油機(jī)的機(jī)座、機(jī)架、氣缸體、氣缸蓋等主要零部件結(jié)構(gòu)簡化，受力合理，尺寸和質(zhì)量降低，可靠性提高。另外，新材料、新工藝的應(yīng)用，如活塞環(huán)外側(cè)噴涂的陶瓷材料，用于排氣閥及閥座的耐熱材料等的使用，都使柴油機(jī)的可靠性和耐久性得以提高。

3.7提高船用柴油機(jī)功率的策略

提高船用柴油機(jī)的單缸功率和單機(jī)功率是船用柴油機(jī)的設(shè)計(jì)和制造人員的主要課題之。從柴油機(jī)問世以來，它的最大功率一直在不斷提高，近30年中，柴油機(jī)的單機(jī)功率不斷突破，如在1981年最大的柴油機(jī)功率為35 520kW，1988年為45 840kW，1993年為48 600kW，20世紀(jì)末，世界上兩大著名船用柴油機(jī)公司所生產(chǎn)的 Sulzer12RTA96C和MAN B&W 12K98MC型柴油機(jī)的功率分別達(dá)到了65 800 kW和68 840 kW?，F(xiàn)在，Wartsila 14RT-flex96C和MAN 14K98ME7型柴油機(jī)的功率分別達(dá)到80 080 kW和87 220 kW。

為了降低營運(yùn)成本，各種運(yùn)輸船舶一直向大型化方向發(fā)展。當(dāng)前的船用柴油機(jī)能夠滿足大型油船和散貨船的推進(jìn)要求，研發(fā)最大缸徑和最大功率的柴油機(jī)主要是為了滿足大型集裝箱船對主機(jī)功率的要求，這是集裝箱船的大型化和高速化決定的。雖然受2008年爆發(fā)的國際金融危機(jī)和近年來出臺的一系列排放法規(guī)的影響，大型集裝箱船的航速有所降低，所需功率也有所下降，氣缸直徑超過1 m的K108ME柴油機(jī)沒有如期開發(fā)，但集裝箱船的大型化必須有更大功率的柴油機(jī)的推進(jìn)，這決定了船用柴油機(jī)仍然將繼續(xù)增大功率。

當(dāng)前釆用的技術(shù)手段主要是通過提高柴油機(jī)的強(qiáng)化程度保證所需的推進(jìn)功率，增加S/D值降低轉(zhuǎn)速和提高推進(jìn)效率。為大型集裝箱船推進(jìn)新開發(fā)G95MEC92型柴油機(jī)是 MAN DieselTurbo公司推出的有史以來最大的發(fā)動機(jī)，其外形尺寸已超過沒有如期開發(fā)的K108ME柴油機(jī)。盡管G95ME柴油機(jī)的氣缸直徑和單缸功率比K108ME稍小，其單缸功率已超過現(xiàn)存的任何一臺柴油機(jī)，它的平均有效壓力已達(dá)2 MPa，具有更高的強(qiáng)化程度及更低的燃油消耗率。3.46 m長的活塞行程使其轉(zhuǎn)速只有70～80 mim，配以直徑99 m的六葉螺旋槳，可使其具有更高的推進(jìn)效率。9～10缸的G9ME柴油機(jī)，足以推進(jìn)13000～14000 TEU的集裝箱船，更大型的18000 TEU的集裝箱船，則可選取雙主機(jī)的推進(jìn)方式。

3.8 船舶混合動力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用

船舶混合動力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用，包括如下幾方面：

3.8.1 柴油機(jī)余熱混合推進(jìn)系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要利用船舶主機(jī)、發(fā)電機(jī)組在輸出動力和電能時(shí)，柴油機(jī)的廢熱生產(chǎn)蒸汽（或其他熱媒介質(zhì)）和空調(diào)用冷媒水，從而達(dá)到有效地利用資源、節(jié)省燃料消耗的目的。

3.8.2太陽能電力混合動力推進(jìn)系統(tǒng)

配備該系統(tǒng)的船舶將采用太陽能、鋰電池及柴油發(fā)電機(jī)組多種能源混合推進(jìn)船舶。目前主要應(yīng)用在小型游船上，智能化混合動力管理系統(tǒng)是其技術(shù)關(guān)鍵。在不同的日照情況下，船體行駛所使用的動力可通過計(jì)算機(jī)在太陽能和柴油機(jī)組間進(jìn)行自動調(diào)配，節(jié)省電力和減少排放均達(dá)到30%以上。

3.8.3基于超級電容混合動力推進(jìn)系統(tǒng)

基于超級電容混合動力的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)包括混合供電電源、充電系統(tǒng)、駕駛操作控制系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)中的超級電容相對于蓄電池其充電速度快，可以在短時(shí)間內(nèi)完成，并具有無排放、無污染、利于環(huán)保、同時(shí)具有噪聲小，可以提高船舶艙內(nèi)的舒適度。

3.8.4混合型電動船動力系統(tǒng)

混合型電動船動力系統(tǒng)采用柴油一電動配置、船用燃料電池、電池組、太陽板或可縮回的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和緊湊型的超導(dǎo)電動機(jī)等設(shè)備。該推進(jìn)系統(tǒng)在提高船舶整體效率的同時(shí)，綜合利用各種可再生能源。性能監(jiān)控、動力管理和冗余是該類型動力系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵。在未來十年，混合動力的概念將應(yīng)用于工作船、客船和小型貨船，對于大型貨船，只能用作輔助動力。

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