艦船柴油機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析

李志磊

摘 要：艦船柴油機(jī)經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，已經(jīng)擁有一套屬于自己的設(shè)計(jì)規(guī)范、支撐研發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程等，但是其在低油耗、低排放以及一些影響柴油機(jī)性能的關(guān)鍵因素上仍存在一定的缺陷。本文對(duì)艦船柴油機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，以期促進(jìn)艦船柴油機(jī)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：艦船柴油機(jī) 技術(shù)現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：U664 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）01（c）-0094-02

近年來(lái)，艦船柴油機(jī)的技術(shù)發(fā)展迅速，主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）功率密度高。柴油機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)（Pe·Cm）由發(fā)展之初的20提高到24，之后又經(jīng)過(guò)進(jìn)一步提升，指標(biāo)達(dá)到如今的32，技術(shù)上了3個(gè)臺(tái)階。（2）可靠性高、大修期長(zhǎng)。艦船柴油機(jī)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)可以用可靠性和耐久性兩個(gè)方面作參考。目前各國(guó)的艦船柴油機(jī)在研發(fā)技術(shù)上，除了注重提高柴油機(jī)的功率、減少整機(jī)零件的數(shù)量，還注重提高工作可靠性和使用壽命。（3）經(jīng)濟(jì)性好、自動(dòng)化程度高。艦船柴油機(jī)一般采用電子控制、監(jiān)測(cè)、管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代技術(shù)與柴油機(jī)的融合以及智能控制，促進(jìn)了柴油機(jī)全工況高效率運(yùn)行，降低柴油機(jī)全壽命周期費(fèi)用。

1 當(dāng)前國(guó)外艦船柴油機(jī)技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，為了滿足市場(chǎng)上越來(lái)越多樣化的需求，國(guó)內(nèi)外廠商在對(duì)柴油機(jī)的研發(fā)上都投入了較大的精力。主要表現(xiàn)在如下方面。

（1）聯(lián)合研發(fā)柴油機(jī)新技術(shù)，促進(jìn)柴油機(jī)的技術(shù)改進(jìn)。比如，AVL和奧地利格拉茲工業(yè)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合建立柔性單缸實(shí)驗(yàn)室，專門研發(fā)對(duì)柴油機(jī)中單缸機(jī)的氣缸直徑和活塞行程進(jìn)行調(diào)整或改善，促進(jìn)單缸各項(xiàng)性能的改善。并且這種聯(lián)合研發(fā)的模式，可以有效降低整機(jī)研發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，縮短了研發(fā)周期。再比如，MAN、KS等公司共同建立了極限中速單缸機(jī)研究實(shí)驗(yàn)室。新研發(fā)單缸機(jī)燃燒壓力可達(dá)40MPa，氣閥、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)等都采用最先進(jìn)的電控或電柔液控制，實(shí)現(xiàn)了單缸機(jī)各項(xiàng)性能的綜合提高。

（2）運(yùn)用CAE、工程數(shù)據(jù)庫(kù)等，逐步形成以數(shù)字化樣機(jī)為標(biāo)志的新型開(kāi)發(fā)流程。國(guó)外著名的柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)公司，基本都有屬于自己研發(fā)系統(tǒng)的一套完整的數(shù)據(jù)庫(kù)，這些數(shù)據(jù)庫(kù)收集了近幾年發(fā)動(dòng)機(jī)工程實(shí)際驗(yàn)證過(guò)的大部分?jǐn)?shù)據(jù)，為公司的研發(fā)提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。而CAE技術(shù)的使用已經(jīng)不單單是針對(duì)柴油機(jī)某項(xiàng)技術(shù)、某個(gè)部件的研發(fā)分析，它是與開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行融合之后，形成了一種全新的柴油機(jī)技術(shù)、零件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程。因此，在進(jìn)行柴油機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的早期，可以參考CAE的客觀數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)原有功能的優(yōu)化。

另外，影響柴油機(jī)整體性能的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)單杠機(jī)驗(yàn)證之后，能夠快速獲得設(shè)計(jì)目標(biāo)的數(shù)字化樣機(jī)，這就幫助省去了許多技術(shù)或零件探索過(guò)程中的性能、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，使得整個(gè)柴油機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)平均周期縮短，從而節(jié)約了研發(fā)成本。

（3）很多國(guó)外公司建立了完善的技術(shù)交流分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)技術(shù)的集約化。平臺(tái)集產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的流程、設(shè)計(jì)、分析優(yōu)化、測(cè)試等過(guò)程為一體，融合了最新的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程分析、知識(shí)工程以及管理、工程數(shù)據(jù)管理和計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)等電腦分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)的集約化。

2 國(guó)內(nèi)外艦船柴油機(jī)技術(shù)差距

我國(guó)艦船柴油機(jī)發(fā)展較為滯后，從最開(kāi)始研發(fā)之初，多為借鑒國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，但是經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)投入，我國(guó)的艦船技術(shù)產(chǎn)化率得到了大幅度提升，據(jù)近期的統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)化率達(dá)85%，性能可與國(guó)外的柴油機(jī)比肩，達(dá)到了引進(jìn)水平。并且我國(guó)在引進(jìn)的基礎(chǔ)上做了一定的改進(jìn)，使其性能得到了一定提高。但是，我國(guó)艦船柴油機(jī)整體性能與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比，仍然存在一定的差距，筆者根據(jù)自己的從業(yè)經(jīng)歷，對(duì)國(guó)內(nèi)外柴油機(jī)技術(shù)做了一定的對(duì)比。

（1）我國(guó)現(xiàn)有的柴油機(jī)零部件技術(shù)水平較為落后，并且我國(guó)自主研發(fā)技術(shù)相對(duì)比較落后，與國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)存在差距，可靠性仍有待提高。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)進(jìn)行了一定的自主研發(fā)，例如，船用中速機(jī)，但是由于關(guān)鍵技術(shù)以及主要零部件標(biāo)準(zhǔn)的限制，該船用中速機(jī)多用于內(nèi)河航行，并沒(méi)有進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。

（2）關(guān)鍵技術(shù)落后。艦船柴油機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，如高增壓技術(shù)、高壓噴射技術(shù)、智能化技術(shù)等，是影響柴油機(jī)性能的主要因素，并且對(duì)于一些零部件的生產(chǎn)，如調(diào)速器、活塞環(huán)的生產(chǎn)研發(fā)技術(shù)較差，仍然受限制于國(guó)外技術(shù)的引進(jìn)，使得我國(guó)的柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展緩慢，不能形成高性能的產(chǎn)品。

（3）研發(fā)模式落后。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)船舶柴油機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)創(chuàng)新基礎(chǔ)和能力較差，主要體現(xiàn)在對(duì)于艦船開(kāi)發(fā)流程、開(kāi)發(fā)手段以及開(kāi)發(fā)過(guò)程中設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等研發(fā)模式上。比如，德國(guó)對(duì)于艦船柴油機(jī)的設(shè)計(jì)中，開(kāi)發(fā)流程主要采取CAE集成技術(shù)，并強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程，對(duì)于一些零部件的驗(yàn)證在研發(fā)早期就已經(jīng)實(shí)踐，而我國(guó)在艦船柴油機(jī)的研發(fā)流程較為傳統(tǒng)，沒(méi)有使用到較為先進(jìn)的CAE技術(shù)。

3 艦船柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

應(yīng)當(dāng)下市場(chǎng)對(duì)艦船柴油機(jī)的要求，未來(lái)艦船柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該向著以下幾個(gè)方面發(fā)展。

3.1 艦船柴油機(jī)面臨技術(shù)上的變革

未來(lái)艦船柴油機(jī)的發(fā)展方向，應(yīng)該向著生產(chǎn)的集約化以及低碳排放的方向發(fā)展，既要提高柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、效率等，又要降低油耗、實(shí)現(xiàn)環(huán)保低碳。在通常情況下，低碳排放與低油耗之間是一種相互制約的關(guān)系。當(dāng)下，艦船柴油機(jī)在低耗、低排放方面主要研發(fā)用于應(yīng)對(duì)IMO TierII和IMO TierIII的技術(shù)措施。其中，應(yīng)對(duì)IMO TierII的技術(shù)措施通常是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部措施或通過(guò)加濕空氣的方法進(jìn)行，但是在一定程度上會(huì)增加油耗。應(yīng)對(duì)IMO TierIII排放，必須采取一些附加措施，比如，國(guó)際上最常用的是SCR技術(shù)，這一技術(shù)能夠幫助減少NOx的排放，延長(zhǎng)柴油機(jī)部件的使用壽命。

3.2 高壓共軌燃油系統(tǒng)

對(duì)高壓共軌燃油系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，是降低柴油機(jī)排放的主要手段。對(duì)高壓共軌燃油的調(diào)節(jié)是控制NOx排放的主要手段，并且系統(tǒng)調(diào)節(jié)的精度越高，柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)NOx的排放量越少。并且，在實(shí)際的應(yīng)用中，系統(tǒng)中的高壓油泵供油規(guī)律一般是不連續(xù)性或者按一定的時(shí)序供油，因此，這種規(guī)律導(dǎo)致共軌內(nèi)壓力差生波動(dòng)大，從而對(duì)柴油機(jī)的各缸噴射的性能產(chǎn)生影響，比如，其一致性或重復(fù)性的影響。此后，經(jīng)過(guò)我國(guó)技術(shù)的改進(jìn)，高壓共軌燃油系統(tǒng)逐漸由最初的整體式發(fā)展為分段式，后經(jīng)進(jìn)一步改造形成分布式系統(tǒng)，取代了傳統(tǒng)的共軌系統(tǒng)。

3.3 電控系統(tǒng)

由于高壓共軌燃油系統(tǒng)的復(fù)雜性，為與之相適應(yīng)，國(guó)外的MAN公司投入并研發(fā)了新一代的電控系統(tǒng)，這一系統(tǒng)由噴射模塊、機(jī)旁控制箱和通信接口組成。其中，噴射模塊相較于之前的系統(tǒng)，功能得到優(yōu)化升級(jí)，而機(jī)旁控制箱相較于之前的系統(tǒng)，功能得到一定簡(jiǎn)化。這一新系統(tǒng)的研發(fā)促進(jìn)了艦船柴油機(jī)油耗的大幅度降低，另外向空氣中排放NOx的量大幅度減少。此外，還具有以下優(yōu)勢(shì)：統(tǒng)一了燃油的接口、支持共軌技術(shù)、可變正時(shí)渦輪、可變氣閥正時(shí)、水乳化燃油、空氣加濕裝置以及其他前沿技術(shù)。

3.4 降低CO2排放量的措施

多種燃料發(fā)動(dòng)機(jī)被用到了艦船柴油機(jī)上，因?yàn)槠渚哂袩嵝矢吆团欧诺偷膬?yōu)勢(shì)，比如，LNG船是使用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)最多的一種艦船。而氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的排放物的量要優(yōu)于柴油機(jī)主要排放物，尤其是NOx和SO2的排放。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)艦船柴油機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，如何提升我國(guó)艦船柴油機(jī)研發(fā)能力提出了建議。加強(qiáng)基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的建設(shè)，將柴油機(jī)研發(fā)技術(shù)、支撐研發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程、與設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和指南，以及先進(jìn)的單缸機(jī)及專項(xiàng)技術(shù)研究驗(yàn)證平臺(tái)與國(guó)際接軌，促進(jìn)艦船柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展。另外，要加強(qiáng)對(duì)艦船柴油機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究，包括緊跟國(guó)際形勢(shì)的高壓共軌技術(shù)、低排放技術(shù)等，促進(jìn)艦船柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的平穩(wěn)性。

參考文獻(xiàn)

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