內(nèi)河船舶用柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究

伍賽特

（上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司， 上海200438）

0 引言

近年來(lái)，現(xiàn)代船舶柴油機(jī)技術(shù)和管理發(fā)展迅速，柴油機(jī)各項(xiàng)技術(shù)趨于完善。 各船用柴油機(jī)生產(chǎn)廠家經(jīng)過(guò)激烈競(jìng)爭(zhēng)、淘汰和重組，尤其是國(guó)外專(zhuān)利和技術(shù)的引進(jìn)，使得各機(jī)型得到不斷的調(diào)整、改造和升級(jí)。

各類(lèi)柴油機(jī)均采用各種節(jié)能措施降低油耗， 努力提高柴油機(jī)的有效熱效率，以提高整個(gè)動(dòng)力裝置的熱效率；在柴油機(jī)結(jié)構(gòu)、材料上及加工工藝上不斷改進(jìn)，努力提高柴油機(jī)的工作可靠性； 利用先進(jìn)的電子技術(shù)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，特別是近年來(lái)電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)用，更將柴油機(jī)的管理技術(shù)提高至一個(gè)嶄新的水平[1-4]。

1 四行程柴油機(jī)得到普遍應(yīng)用

由于內(nèi)河航道的特殊性，在船舶主機(jī)中，普遍采用四行程柴油機(jī)。 由于四行程中速柴油機(jī)有著質(zhì)量輕、 尺寸小，通過(guò)合適的減速裝置可選用最佳螺旋槳轉(zhuǎn)速，經(jīng)濟(jì)性好、工作可靠性高， 使用壽命長(zhǎng)及對(duì)劣質(zhì)燃油的適應(yīng)性好等突出優(yōu)點(diǎn)，在近年新建的船舶中，得到了廣泛應(yīng)用。

2 提高最高爆發(fā)壓力及提高最高爆發(fā)壓力和平均有效壓力的比值

適當(dāng)提高最高爆發(fā)壓力可以降低燃油消耗率、 提高柴油機(jī)的熱效率。 各生產(chǎn)廠家均把提高最高爆發(fā)壓力作為降低油耗的一種重要措施， 現(xiàn)在各種機(jī)型的最高爆發(fā)壓力值均有較大提高。 但是過(guò)高的最高爆發(fā)壓力會(huì)使受力部件應(yīng)力增加、 螺栓預(yù)緊力加大， 使結(jié)構(gòu)尺寸相應(yīng)增大；機(jī)器的振動(dòng)和噪聲也隨之增加，還容易破壞油膜使磨損加劇[5]，這些不利影響隨著科技進(jìn)步、柴油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)、材料性能及加工工藝的提高均已有所改善。

3 提高行程缸徑比，降低柴油機(jī)轉(zhuǎn)速

提高行程缸徑比能有效改善柴油機(jī)的換氣效果，配合適當(dāng)?shù)娜紵倚螤顚?duì)良好的燃燒大有裨益， 并能充分利用燃燒的膨脹功。 現(xiàn)在各種機(jī)型均有提高行程缸徑比的傾向。 同時(shí)，通過(guò)降低柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，以此可使柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，從而提高螺旋槳的推進(jìn)效率，使動(dòng)力裝置具有更高的經(jīng)濟(jì)性。

4 增大壓縮比

增大壓縮比有利于燃燒過(guò)程， 并能提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。特別是在燃用低品質(zhì)燃油，以及在部分負(fù)荷使用條件下，能使壓縮行程終點(diǎn)獲得較高的氣體溫度?，F(xiàn)代新型柴油機(jī)，特別是增壓度較高的柴油機(jī)不僅不降低壓縮比，反而采取措施加大壓縮比。 這樣做由理論循環(huán)研究可知能提高經(jīng)濟(jì)性，實(shí)際使用結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)，這也是近年來(lái)柴油機(jī)在結(jié)構(gòu)上采取的節(jié)能措施之一[6-7]。

5 增壓技術(shù)和增壓系統(tǒng)的改進(jìn)與發(fā)展

5.1 向高壓比、高效率及寬廣運(yùn)行范圍發(fā)展

四行程柴油機(jī)通常要求增壓器的壓比不低于4，才能滿(mǎn)足正常運(yùn)轉(zhuǎn)要求。數(shù)年前，部分機(jī)型曾采用兩級(jí)渦輪和兩級(jí)壓氣機(jī)串聯(lián)組成的兩級(jí)增壓方式來(lái)大幅度提高其壓比（如第一級(jí)壓比為2.5，第二級(jí)壓比為2，兩級(jí)總壓比即為5），使柴油機(jī)的工作范圍、加速性能及排氣污染等方面均有改善。但由于尺寸、質(zhì)量加大，成本增加，管道布置及維護(hù)管理困難等不利因素的影響， 使兩級(jí)增壓發(fā)展較慢。

目前單級(jí)高壓比渦輪增壓器得以快速發(fā)展， 現(xiàn)在渦輪、噴嘴、渦輪葉片及壓氣機(jī)的空氣流道，導(dǎo)風(fēng)輪和擴(kuò)壓器葉片等均經(jīng)過(guò)應(yīng)力分析、計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)比較和優(yōu)化，其工作性能已得以充分提升。如部分機(jī)型的渦輪采用優(yōu)質(zhì)鎳合金材料制作輪盤(pán)，渦輪葉片根部采用新的形狀，并在葉片間用特殊設(shè)計(jì)的機(jī)械減振套圈取得了良好的減振效果。

部分壓氣機(jī)采用后彎式主葉片和導(dǎo)風(fēng)輪葉片整體式的葉輪，并用輕巧的鋁合金代替昂貴的鈦合金；同時(shí)采用最新設(shè)計(jì)的推力軸承和復(fù)合式彈性軸承， 使其具有極佳的減振特性；所有零件經(jīng)過(guò)特殊的精密加工，并采用專(zhuān)用的合成機(jī)油進(jìn)行潤(rùn)滑。 使最新型的增壓器在高壓比和高廢氣溫度的條件下具有良好的效率和可靠性。

5.2 增壓系統(tǒng)的改進(jìn)和發(fā)展

為了更有效地利用廢氣能量， 在脈沖增壓的排氣支管和廢氣渦輪增壓器之間增設(shè)“脈沖轉(zhuǎn)換器”和“多脈沖轉(zhuǎn)換器”，以此既能有效地利用廢氣的脈沖動(dòng)能，又能使渦輪有穩(wěn)定的進(jìn)氣壓力和連續(xù)的氣流，使渦輪效率提高。

該類(lèi)方法兼顧了脈沖和定壓兩種渦輪增壓的優(yōu)點(diǎn)，使增壓效果明顯提高， 尤其適合于氣缸數(shù)并非3 的整數(shù)倍的柴油機(jī)， 因這些柴油機(jī)排氣管的不合理分組會(huì)使廢氣供應(yīng)斷續(xù)進(jìn)行，增大渦輪的壓氣損失，使渦輪效率明顯下降，同時(shí)葉片急劇交變受力會(huì)造成疲勞裂紋。

近年來(lái)，隨著中速柴油機(jī)功率的不斷提高，又發(fā)展了“單管脈沖轉(zhuǎn)換增壓系統(tǒng)”， 該系統(tǒng)除了兼顧脈沖和定壓優(yōu)點(diǎn)外， 也不受柴油機(jī)缸數(shù)限制并使排氣管的布置更為簡(jiǎn)化，其工作性能也進(jìn)一步得到提高。

5.3 開(kāi)發(fā)動(dòng)力渦輪，提高動(dòng)力裝置效率

隨著廢氣渦輪增壓技術(shù)的改進(jìn)， 柴油機(jī)增壓度以提升，柴油機(jī)排氣能量除供應(yīng)給廢氣渦輪增壓器外，尚有相當(dāng)?shù)挠嗄躘8]。 利用一種尺寸小、經(jīng)濟(jì)性好的動(dòng)力渦輪接受部分廢氣能量將其轉(zhuǎn)為渦輪功， 再通過(guò)機(jī)械方法反饋給發(fā)動(dòng)機(jī)輸出。

目前， 設(shè)計(jì)運(yùn)用較好的一套動(dòng)力渦輪裝置利用廢氣能量中的15%轉(zhuǎn)換為柴油機(jī)輸出功率。 由于該系統(tǒng)投資較大， 在3600 kW 以上的柴油機(jī)上使用才能顯示出經(jīng)濟(jì)效果。 當(dāng)輸出功率小于50%時(shí)，則停止使用動(dòng)力渦輪。

5.4 采用高效的增壓空氣中間冷卻器，降低進(jìn)入氣缸的新氣溫度

因?yàn)樵诳諝獗辉鰤旱倪^(guò)程中，溫度也有所上升，從而可使空氣密度提高的幅度相應(yīng)減小，影響增壓效果。采用中間冷卻以提高空氣密度的作用較為明顯。

采用高效的中冷器已成為提高增壓技術(shù)的重要措施，采用合理的散熱片材料和形狀，通過(guò)冷卻效果更好的氣流和液流流動(dòng)形式，經(jīng)過(guò)冷卻器的各種改型設(shè)計(jì)，使新型中冷器體積更小，效率更高。在中冷過(guò)程后由于進(jìn)氣溫度的降低使循環(huán)平均溫度降低， 使冷卻水帶走的熱量相對(duì)減少，使經(jīng)濟(jì)性有所提高。

6 部件結(jié)構(gòu)和使用材料的改進(jìn)

近年來(lái)，柴油機(jī)在基本結(jié)構(gòu)不變的前提下，各種機(jī)型從不同的角度考慮，對(duì)部分機(jī)件的構(gòu)造進(jìn)行了改進(jìn)。隨著新機(jī)型的出現(xiàn)， 各種部件的結(jié)構(gòu)形式和材料的應(yīng)用還會(huì)得以進(jìn)一步優(yōu)化。燃燒室部件中的氣缸蓋、氣缸套和活塞采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)并在離燃燒室較近處通過(guò)鉆孔冷卻，使較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和高效冷卻相結(jié)合，形成“薄壁厚背”的結(jié)構(gòu)。這種使熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷都得以降低的結(jié)構(gòu)型式，目前已在大功率中、低速機(jī)中被廣泛地采用[9]。

氣缸套可通過(guò)形狀的優(yōu)化來(lái)適應(yīng)工作壓力的持續(xù)提高， 經(jīng)合理設(shè)計(jì)的缸套肩部結(jié)構(gòu)能避免熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力過(guò)于集中。隨著最高爆發(fā)壓力的不斷增大，單一材料制成的鑄鐵氣缸套已達(dá)使用極限， 可采用雙層材料制成的缸套并將其用于低速柴油機(jī)， 其內(nèi)層為薄的片狀石墨鑄鐵、具有良好的抗磨性，外層則為厚壁鑄鋼，增加強(qiáng)度，兩層金屬之間約有2mm 厚的結(jié)合層，日本三菱公司在這方面的研究獲得了成功。

缸套采用上、下兩排注油孔，進(jìn)行多級(jí)潤(rùn)滑并自動(dòng)控制供油率以適應(yīng)長(zhǎng)行程活塞的潤(rùn)滑需要。 采用組合式活塞以適應(yīng)越來(lái)越惡劣的工作條件， 其活塞頂部用耐熱合金鋼制成，活塞裙部則用耐磨合金鑄鐵或鋁合金制成，部分機(jī)型在兩者之間加隔熱環(huán)，使裙部受熱甚微，熱變形也相應(yīng)減少， 可以不必制成橢圓形并可適當(dāng)縮小與缸套之間的間隙，這無(wú)疑對(duì)其工作過(guò)程大有裨益。

同時(shí)，可利用鑄鋼代替鍛鋼制造曲軸，可使曲柄尺寸形狀不受限制，毛坯加工余量小，精細(xì)的鑄造工藝可使曲柄臂免去加工過(guò)程。目前對(duì)曲軸的鑄造工藝要求極為嚴(yán)格，采用此類(lèi)結(jié)構(gòu)的曲軸已在部分大型采用機(jī)中得以使用。

7 電子技術(shù)在內(nèi)河船舶用柴油機(jī)中的運(yùn)用

（1）隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是近年來(lái)電子計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用， 內(nèi)河船舶用柴油機(jī)中的電子控制技術(shù)運(yùn)用得更為廣泛。使用“噴油器自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)”，柴油機(jī)在運(yùn)行中能根據(jù)工況的不同及負(fù)荷的差異， 自動(dòng)改變噴油定時(shí)和噴油壓力， 使燃油的霧化和燃燒始終能在最佳的狀態(tài)下工作。采用“可變壓縮比活塞”，在不同的工況下能自動(dòng)選用不同的壓縮比， 以期獲得較佳的燃燒效果和較高的熱效率。

渦輪增壓器采用可變噴嘴，并通過(guò)電子控制，能在不同的工況條件下選擇最佳的噴嘴角度， 使廢氣渦輪增壓器能在不同工況運(yùn)行中，提供相應(yīng)的增壓空氣，滿(mǎn)足主機(jī)的要求。采用電子調(diào)速器，能更迅速地獲得工況變化的瞬時(shí)信息，再通過(guò)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，利用電子噴射系統(tǒng)，使燃油的噴射過(guò)程始終處于良好的狀態(tài)。

通過(guò)電子控制 “液力驅(qū)動(dòng)可調(diào)式正時(shí)配氣系統(tǒng)”對(duì)進(jìn)、排氣定時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同工況對(duì)配氣定時(shí)的不同要求。 氣缸潤(rùn)滑油利用電子控制，能按起動(dòng)、負(fù)荷變化和氣缸過(guò)熱狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定， 隨不同的工況自動(dòng)控制供油率以獲得相適應(yīng)的正常潤(rùn)滑。此外，起動(dòng)系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)均能通過(guò)電子控制， 以便在不同條件下均能獲得最佳的起動(dòng)效果和冷卻效果。

（2）采用自動(dòng)遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。近年制造的大型低速柴油機(jī)大多以電子計(jì)算機(jī)為核心， 并以此構(gòu)成自動(dòng)遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。 通過(guò)在柴油機(jī)的各個(gè)測(cè)量點(diǎn)上安裝各種不同的傳感器，對(duì)壓力值、溫度值、位移值獲得信號(hào)，經(jīng)過(guò)不同的轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)換為微機(jī)能識(shí)別的代碼，利用通道輸入微機(jī)。再按照計(jì)算機(jī)事先所存儲(chǔ)的各種程序和數(shù)學(xué)模式， 對(duì)輸入的各種檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行分析和綜合， 并將其結(jié)果顯示出來(lái)以供管理人員分析及應(yīng)用。

可通過(guò)各種特設(shè)的傳感器， 對(duì)柴油機(jī)各主要部件及系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控。 部分船用柴油機(jī)上裝有約200 個(gè)傳感器，能隨時(shí)提供各種想了解的數(shù)據(jù)和情況。 如通過(guò)氣缸套內(nèi)表面的傳感器來(lái)遙測(cè)各道活塞環(huán)的狀況（如磨損量及部件折斷等情況）。 通過(guò)氣缸套表面的熱電偶來(lái)遙測(cè)、分析氣缸潤(rùn)滑和磨損情況。通過(guò)測(cè)取缸內(nèi)壓力變化，經(jīng)微機(jī)運(yùn)算自動(dòng)輸出平均指示壓力、指示功率等表征燃燒品質(zhì)的重要數(shù)據(jù)。 通過(guò)噴射系統(tǒng)上的各種傳感器得到的信號(hào)， 經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后能直觀顯示出噴射過(guò)程中各種有關(guān)壓力和壓力波，用于分析噴射過(guò)程。通過(guò)裝置在廢氣渦輪增壓器上的些傳感器能從壓力變化、 溫度變化及轉(zhuǎn)子振動(dòng)情況等信息經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后對(duì)增壓器的工作性能作出評(píng)估。

利用監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)工作的特點(diǎn)， 持續(xù)或定期對(duì)柴油機(jī)各參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和修正。同時(shí)，能對(duì)各個(gè)測(cè)量值預(yù)定報(bào)警值，一旦達(dá)到此值即能發(fā)出聲光信號(hào)自動(dòng)報(bào)警，有些還能使相應(yīng)備用裝置或系統(tǒng)自動(dòng)投入使用， 通過(guò)監(jiān)測(cè)后在各種不同工況下通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)或人工調(diào)節(jié)使柴油機(jī)始終處于最佳工作狀態(tài)， 使柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、 可靠性大大提高，并能防止突發(fā)性事故的發(fā)生[10]，為無(wú)人機(jī)艙的進(jìn)一步推廣創(chuàng)造了條件。

由于計(jì)算機(jī)控制的柴油機(jī)能使燃油達(dá)到最佳的燃燒效果，滿(mǎn)足節(jié)能省油的要求，同時(shí)也能簡(jiǎn)化駕駛臺(tái)至機(jī)艙的操縱設(shè)施，易于實(shí)現(xiàn)駕機(jī)合一，并減少管理人員。 可以預(yù)料，今后將有越來(lái)越多的柴油機(jī)采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，使內(nèi)河船用柴油機(jī)的管理進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代。

8 結(jié)束語(yǔ)

考慮到柴油機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)， 其在未來(lái)較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)仍會(huì)在內(nèi)河船舶上得以廣泛應(yīng)用，在此背景下，針對(duì)船用柴油機(jī)而開(kāi)展的技術(shù)研究有著重要而深遠(yuǎn)的意義。