我國(guó)船用柴油機(jī)發(fā)展趨勢(shì)探析

田海濤

（武警海警學(xué)院，寧波315801）

0 引言

船用柴油機(jī)具有功率范圍大、熱效率高、經(jīng)濟(jì)性能好、起動(dòng)容易、使用和維修方便等優(yōu)點(diǎn)。至20世紀(jì)中期，世界上運(yùn)行的各類(lèi)船舶普遍采用柴油機(jī)作為動(dòng)力源。隨著我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的全面實(shí)施和高新技術(shù)的快速發(fā)展，船用柴油機(jī)與船舶工業(yè)及軍事艦艇裝備發(fā)展的聯(lián)系越來(lái)越緊密，正逐漸受到政府、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注。本文對(duì)國(guó)內(nèi)船用柴油機(jī)研究現(xiàn)狀以及我國(guó)船舶柴油機(jī)發(fā)展優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，并探析我國(guó)船用柴油機(jī)發(fā)展趨勢(shì)。

1 國(guó)內(nèi)船用柴油機(jī)研究現(xiàn)狀

我國(guó)船用柴油機(jī)技術(shù)起步晚，但發(fā)展速度較快。通過(guò)與國(guó)際上知名的柴油機(jī)制造商、科研機(jī)構(gòu)和院所的交流合作，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的專利技術(shù)，借鑒國(guó)際上成熟的制造工藝流程，國(guó)內(nèi)的柴油機(jī)產(chǎn)業(yè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，性能更加可靠、種類(lèi)更加豐富、規(guī)格更加齊全，積累了大量的柴油機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)和生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)，專業(yè)技術(shù)人才隊(duì)伍得到了擴(kuò)充。然而我國(guó)船用柴油機(jī)技術(shù)離國(guó)際一流水準(zhǔn)還有一定的差距，仍然存在著一些缺陷。首先，國(guó)內(nèi)船用柴油機(jī)企業(yè)養(yǎng)成了依靠國(guó)外技術(shù)的習(xí)慣，自主化程度低，高端科研人才缺乏；科研院所相對(duì)分散，與企業(yè)之間缺乏有效的信息交流平臺(tái)，很多科研成果和技術(shù)專利因種種原因沒(méi)有得到有效轉(zhuǎn)化，僅僅停留在紙面上、停留在證書(shū)中，難以形成核心競(jìng)爭(zhēng)力，造成了巨大的科技資源浪費(fèi)。其次，國(guó)內(nèi)柴油機(jī)企業(yè)維修服務(wù)能力還有待加強(qiáng)。當(dāng)柴油機(jī)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，不能及時(shí)診斷問(wèn)題、消除隱患、減少故障停機(jī)時(shí)間，保證柴油機(jī)設(shè)備的安全、高效運(yùn)行。

目前國(guó)內(nèi)船用柴油機(jī)研發(fā)的重點(diǎn)普遍集中在制造工藝方面，對(duì)自主研發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重視程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，自主研發(fā)和創(chuàng)新能力較弱。如果不改變現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)船用柴油機(jī)的發(fā)展會(huì)繼續(xù)受外國(guó)企業(yè)牽制，這樣會(huì)阻礙我國(guó)造船業(yè)的快速發(fā)展。

2 我國(guó)船用柴油機(jī)發(fā)展優(yōu)勢(shì)分析

我國(guó)船用柴油機(jī)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有的歷史性跨域，取得了不俗的業(yè)績(jī)，涌現(xiàn)了大量的科研院所和高等院校的科研機(jī)構(gòu)，形成了國(guó)有企業(yè)、民營(yíng)企業(yè)及合資企業(yè)共同發(fā)展的產(chǎn)業(yè)格局，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)逐漸完善，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)更加合理，市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)秩序得到了進(jìn)一步規(guī)范。同時(shí)，隨著我國(guó)制造業(yè)的迅速發(fā)展，船用柴油機(jī)關(guān)鍵零部件制造技藝和制造水平達(dá)到了較高水準(zhǔn)。如大連重工控股企業(yè)大連華銳船用曲軸有限公司，已經(jīng)成功研制了全球首支、世界最大22 000標(biāo)箱集裝箱船用曲軸，打破了國(guó)外大型低速船用曲軸對(duì)我國(guó)制造業(yè)的長(zhǎng)期壟斷，讓“船等機(jī)、機(jī)等軸”制約國(guó)家造船業(yè)發(fā)展的瓶頸成為了歷史[1]。柴油機(jī)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化，整機(jī)裝配與調(diào)試水平得到了大幅提升，配套產(chǎn)業(yè)也得到了協(xié)同發(fā)展，形成了良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。

我國(guó)現(xiàn)在處于大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)的高速階段。船舶作為海上重要的交通工具，無(wú)論在商用還是軍用領(lǐng)域都發(fā)揮著不可替代的作用。船舶工業(yè)擁有巨大的發(fā)展空間，也為船用柴油機(jī)的發(fā)展提供了千載難逢的戰(zhàn)略機(jī)遇。目前，國(guó)家投入了大量的人力、物力，扶持海洋船舶類(lèi)項(xiàng)目的自主研發(fā)。國(guó)內(nèi)船用柴油機(jī)科學(xué)研究院和企業(yè)研究所也加大了科研力度，根據(jù)船舶市場(chǎng)所需和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，不斷創(chuàng)新實(shí)踐，研發(fā)新的船用柴油機(jī)機(jī)型，國(guó)內(nèi)船用柴油機(jī)企業(yè)展現(xiàn)了巨大的活力。

隨著全球航運(yùn)業(yè)呈現(xiàn)回暖跡象，以及我國(guó)海軍艦艇裝備的加快發(fā)展，特別是新型作戰(zhàn)艦艇的更新?lián)Q代都對(duì)船用柴油機(jī)有較大需求；并且國(guó)內(nèi)船用柴油機(jī)市場(chǎng)直接與國(guó)際接軌，呈現(xiàn)了較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，國(guó)內(nèi)船用柴油機(jī)企業(yè)有能力搶占更大的市場(chǎng)空間和市場(chǎng)份額，這些都會(huì)促進(jìn)中國(guó)船用柴油機(jī)的快速發(fā)展。中國(guó)船用柴油機(jī)要快速發(fā)展，首先要更好地滿足市場(chǎng)對(duì)船用柴油機(jī)的要求。這些要求主要體現(xiàn)在船用柴油機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)上。

3 船用柴油機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)航區(qū)和任務(wù)的不同，船舶對(duì)排水量、適航性、操縱性有不同的定位和取向。因此，船舶對(duì)柴油機(jī)的要求也存在一定的差異，但為滿足船舶的正常航行，我國(guó)船用柴油機(jī)基本上應(yīng)滿足以下要求[2]。

（1）安全可靠。由于船舶長(zhǎng)時(shí)間航行在海上，且船用柴油機(jī)有較長(zhǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)周期，全球范圍內(nèi)運(yùn)輸物資時(shí)，海上航行的時(shí)間有時(shí)會(huì)多達(dá)數(shù)月。一旦柴油機(jī)發(fā)生故障，尤其在惡劣海況下，造成船舶主機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，致使船舶喪失航行能力，后果將不堪設(shè)想。因此，安全可靠是船用柴油機(jī)的首要技術(shù)特點(diǎn)。船用柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)合理，選擇合適的材料、正確的加工工藝，使零部件具有較高的可靠性，不僅能保證柴油機(jī)正常、高效地運(yùn)轉(zhuǎn)，而且具有較長(zhǎng)的使用壽命。

（2）工作平穩(wěn)。船舶在航行過(guò)程中必然會(huì)受到風(fēng)、浪、流的影響，致使船舶出現(xiàn)縱搖和橫搖的現(xiàn)象。在海況惡劣時(shí)，船舶會(huì)遭受大風(fēng)浪持續(xù)的砰擊、拍底 （在激烈的縱搖與垂蕩中，船舶升起后下落與波浪向上運(yùn)動(dòng)相撞）和艉淹 （順浪航行中，船舶陷入波速比船速更快的波谷時(shí)，浪打船艉甲板），進(jìn)一步加大了船舶橫搖和縱搖的程度。同時(shí)，在大的風(fēng)浪中螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)阻力增加，增大了船舶柴油機(jī)的負(fù)荷，導(dǎo)致柴油機(jī)熱負(fù)荷加大，容易造成船用柴油機(jī)出現(xiàn)軸系斷裂等事故。由于在海上難以獲得外界援助，船用柴油機(jī)發(fā)生故障停機(jī)導(dǎo)致船舶擱淺、沉沒(méi)等事故時(shí)有發(fā)生。因此，船用柴油機(jī)應(yīng)當(dāng)具備一定的工作平穩(wěn)性，即使在大風(fēng)浪天氣里，在縱搖、橫搖程度嚴(yán)重的情況下，船舶仍能正常工作，維持船舶的正常航行。

（3）檢修方便。船用柴油機(jī)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，由于受到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用材料等內(nèi)在因素，運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷、維護(hù)保養(yǎng)質(zhì)量等外界條件的影響，柴油機(jī)零部件的材料結(jié)構(gòu)、尺寸精度、相關(guān)零部件的配合間隙容易發(fā)生變化，造成柴油機(jī)機(jī)體產(chǎn)生腐蝕、裂紋等破壞，需要維修。另外，船舶在停航期間需要定期對(duì)船用柴油機(jī)進(jìn)行安全檢修，及時(shí)清洗中冷器、呼吸器、燃油粗濾器和空氣濾清器等部件，或者更換潤(rùn)滑油，防止?jié)櫥到y(tǒng)被污染，以備船舶隨時(shí)出航所需。此外，船用機(jī)艙空間比較狹小，船舶航行過(guò)程中，船體晃動(dòng)，非常不利于維修工作的開(kāi)展。因此，船用柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)能方便工作人員進(jìn)行檢修、及時(shí)更換失效零件、故障排除、做好日常和定期的維護(hù)管理工作。

（4）易于變速換向。船舶在航行期間，隨時(shí)都可能遇到各種情況，有時(shí)需要根據(jù)不同的水文環(huán)境進(jìn)行變速換向。例如在狹水道航行或離靠碼頭時(shí)船舶需要減速；在開(kāi)闊海域，為了縮短海上運(yùn)輸時(shí)間，提高航運(yùn)效益，船舶往往需要加速航行；在海面上避讓來(lái)往船只以及深水浮標(biāo)和礁石時(shí)，或者軍艦在避免魚(yú)雷、水雷和飛機(jī)的攻擊時(shí)，需要船用柴油機(jī)具有一定的機(jī)動(dòng)性。無(wú)論柴油機(jī)處于什么狀態(tài)，曲軸在什么位置上，都能在最大轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間進(jìn)行任意切換，迅速?gòu)囊环N工況過(guò)渡到另一種工況；并且在整個(gè)過(guò)程中，船用柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度要保持平穩(wěn)，不能出現(xiàn)速度驟增或者驟降的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

（5）應(yīng)急性能好。船舶在海上航行時(shí)，柴油機(jī)由于潤(rùn)滑油管路或燃油管路破裂、曲軸箱爆炸、冷卻水缺失、曲軸裂斷等各種因素都會(huì)引發(fā)故障。由于船上條件有限，很難在較短時(shí)間內(nèi)及時(shí)修復(fù)好。為了確保船舶正常航行和船員人身安全，船用柴油機(jī)應(yīng)具有良好的應(yīng)急性能。例如，潤(rùn)滑油失壓時(shí)，柴油機(jī)應(yīng)能夠立即發(fā)出警報(bào)，第一時(shí)間通知駕駛臺(tái)和機(jī)艙值班人員，進(jìn)行減速運(yùn)行，并利用多種途徑加強(qiáng)對(duì)柴油機(jī)的潤(rùn)滑或者立即停機(jī)，查明潤(rùn)滑油失壓的原因，排除故障，及時(shí)恢復(fù)柴油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

我國(guó)船用柴油機(jī)不僅需要很好地滿足使用要求，還需要把握船用柴油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，走自主創(chuàng)新之路，這樣得以加快發(fā)展。

4 船用柴油機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

自1897年，德國(guó)人魯?shù)婪颉さ胰麪柍晒ρ兄瞥龅?臺(tái)柴油機(jī)，柴油機(jī)的發(fā)展已經(jīng)走過(guò)了上百年的歷程。近年來(lái)，基于世界造船行業(yè)技術(shù)的日趨成熟，現(xiàn)代船用柴油機(jī)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)較高的技術(shù)水平。伴隨著科技技術(shù)的不斷進(jìn)步和生產(chǎn)力水平的持續(xù)提高，造船行業(yè)將會(huì)對(duì)船用柴油機(jī)提出更高的技術(shù)要求，主要集中在以下幾個(gè)方面。

（1）節(jié)能環(huán)保。節(jié)能環(huán)保是船用柴油機(jī)在21世紀(jì)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，也是船用柴油機(jī)發(fā)展中的新課題。隨著排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，為了使船用柴油機(jī)在各類(lèi)使用環(huán)境中都能滿足國(guó)際海事組織 （IMO）的排放規(guī)則，需要進(jìn)一步加大對(duì)船用柴油機(jī)節(jié)能減排的研究[3]。當(dāng)前，船用柴油機(jī)普遍采用提高噴射壓力、延遲噴油正時(shí)，并采用廢氣渦輪增壓器增大進(jìn)氣密度，提高燃燒效率等來(lái)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)節(jié)能環(huán)保，取得了良好的效果；但有時(shí)仍然無(wú)法滿足排放要求。因此，船用柴油機(jī)已經(jīng)嘗試采用高壓共軌燃油系統(tǒng)，根據(jù)不同工況確定柴油機(jī)所需的最佳噴射壓力，柔性控制噴油正時(shí)和噴油速率，避免高壓油路中出現(xiàn)氣泡和殘壓為零的現(xiàn)象，優(yōu)化柴油機(jī)綜合性能，減輕柴油機(jī)的振動(dòng)并降低排放。隨著柴油機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，船用柴油機(jī)進(jìn)入了電子控制技術(shù)時(shí)代，電子噴射、電子調(diào)速等技術(shù)日趨成熟完善。另外，也可以根據(jù)船舶柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研發(fā)更多新的柴油機(jī)機(jī)型，自動(dòng)降解排氣雜質(zhì)和有害氣體，降低柴油機(jī)的排放，滿足船用柴油機(jī)的節(jié)能環(huán)保要求[4]。

（2）智能監(jiān)控。近段時(shí)間以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的柴油機(jī)科研院所開(kāi)始進(jìn)行船用柴油機(jī)全智能系統(tǒng)的應(yīng)用研發(fā)，使柴油機(jī)擁有狀態(tài)監(jiān)管、自動(dòng)分析處理和維修保養(yǎng)于一體的智能監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)船用柴油機(jī)的工作性能指標(biāo)，全過(guò)程地對(duì)柴油機(jī)的工作動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，自動(dòng)對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析處理，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)消除隱患；并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)，形成大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)識(shí)別、故障分析和維護(hù)保養(yǎng)自動(dòng)完成，提高診斷速度和準(zhǔn)確度，使柴油機(jī)能夠應(yīng)對(duì)海上嚴(yán)苛的工作環(huán)境，在任何情況下都可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高船舶航行的安全性。另外，通過(guò)集成化技術(shù)和開(kāi)發(fā)專用APP，將船用柴油機(jī)智能系統(tǒng)裝入工作人員手機(jī)上，使工作人員可以在集控室、駕駛臺(tái)甚至船艙休息室都可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，隨時(shí)掌握柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，加強(qiáng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程管理，既保障了工作人員的安全，又減少了船用柴油機(jī)的管理和維修費(fèi)用，提高了船舶運(yùn)輸?shù)男б妗?/p>

（3）代用燃料和多種燃料混合使用。隨著全球石油資源的減少及當(dāng)今世界政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等日益復(fù)雜的形勢(shì)，導(dǎo)致國(guó)際市場(chǎng)原油價(jià)格不斷攀升，正逐漸成為制約柴油機(jī)發(fā)展的重要因素之一。因此，加強(qiáng)船用柴油機(jī)代用燃料以及多種燃料混合使用方面的研究勢(shì)在必行，使船用柴油機(jī)動(dòng)力燃料按照多元化、可回收化的方向發(fā)展。在保障船用柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，為了更好地提高航運(yùn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，減少有害物質(zhì)排放，通過(guò)研發(fā)設(shè)計(jì)，改進(jìn)柴油機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)或柴油機(jī)工作過(guò)程，使船用柴油機(jī)不僅可以使用燃油，也可以使用渣油、重油、各種清潔原料后的廢油等多種動(dòng)力原料，或者將幾種不同類(lèi)型的燃油經(jīng)科學(xué)計(jì)算分析按照比例混合使用。增加可再生燃料的使用，提高燃燒效率，開(kāi)創(chuàng)船用柴油機(jī)發(fā)展的新局面。

（4）高比功率。隨著船舶大型化時(shí)代的到來(lái)，為了提高經(jīng)濟(jì)效益，同一航次的船舶應(yīng)盡可能多地裝載物資[5]。高比功率柴油機(jī)體積小，有利于節(jié)省機(jī)艙空間；也可以通過(guò)合理的布置設(shè)計(jì)，最大限度優(yōu)化機(jī)艙布局，一則可用于多載物資，二則當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，方便輪機(jī)員對(duì)機(jī)艙內(nèi)部的機(jī)器設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和修理。另外，高比功率柴油機(jī)質(zhì)量輕，可以有效避免船舶由于局部過(guò)重而造成的航行事故。在軍事艦艇方面，同樣需要柴油機(jī)具備功率大、質(zhì)量輕、體積小的特性，以增加艦船的機(jī)動(dòng)性，滿足作戰(zhàn)需求。在當(dāng)前研究中可以借助柴油機(jī)虛擬模擬技術(shù)，通過(guò)相關(guān)的軟件、技術(shù)和手段，以船用柴油機(jī)預(yù)期要求為依據(jù)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，大力研發(fā)功率大、質(zhì)量輕、體積小的柴油機(jī)，增加柴油機(jī)的使用壽命，提高柴油機(jī)連續(xù)服役的能力。

5 結(jié)論

當(dāng)前，我國(guó)的船舶工業(yè)進(jìn)入了發(fā)展新階段，隨著國(guó)家加大對(duì)船舶類(lèi)項(xiàng)目的扶持力度以及科研院所加強(qiáng)對(duì)船用柴油機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)，我國(guó)船用柴油機(jī)的性能會(huì)越來(lái)越優(yōu)越，配套設(shè)施也會(huì)越來(lái)越完善，不僅可以滿足我國(guó)船舶行業(yè)需求，而且有能力走好我國(guó)船用柴油機(jī)的自主研發(fā)之路。