船舶柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)探索

劉洋銘

摘要：從后期船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向和趨勢(shì)來研究，本文提出了目前船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的現(xiàn)狀，并分析了國(guó)外相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)和問題，為中國(guó)成為造船大國(guó)，船舶動(dòng)能偉大的目標(biāo)，必須要實(shí)現(xiàn)符合船舶動(dòng)力的技術(shù)獨(dú)立研發(fā)，積極吸收先進(jìn)技術(shù)，先進(jìn)的概念，先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，堅(jiān)持自主創(chuàng)新和實(shí)踐，研發(fā)了中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)高性能船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

關(guān)鍵詞：船舶;柴油機(jī);技術(shù)發(fā)展;趨勢(shì);探索

Abstract： Based on the research on the development direction and trend of marine diesel engine in the later stage， this paper puts forward the current situation of marine diesel engine， and analyzes the relevant existing technologies and problems abroad. In order to become a big shipbuilding country and achieve the goal of great ship kinetic energy， it is necessary to realize independent research and development of technology in line with ship power， actively absorb advanced technology， advanced concept and advanced technology We have developed high-performance marine diesel engines with independent intellectual property rights in China.

Key words： ship;diesel engine;technology development;trend;exploration

0? 引言

船舶用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是船舶承載最重要的動(dòng)力源。伴隨著新的排放規(guī)定的實(shí)施和石油資源的削減。作為船舶最大的排放能源消耗機(jī)器，為了滿足節(jié)能削減排放的需要，技術(shù)開發(fā)和新能源的開發(fā)利用對(duì)策是必需的。船舶用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)核心關(guān)鍵部件的研發(fā)技術(shù)、高品質(zhì)燃料技術(shù)、高效廢氣凈化技術(shù)、可再生能源技術(shù)的應(yīng)用等，可為滿足海洋運(yùn)輸?shù)母咝?、?jié)能和減排的需要作出巨大貢獻(xiàn)。

1? 國(guó)內(nèi)船舶柴油機(jī)技術(shù)分析

①工業(yè)基礎(chǔ)經(jīng)過多年的努力，我國(guó)船用柴油機(jī)的開發(fā)從無到有，迄今已取得了豐碩的成果，除此之外國(guó)家還建立了船用柴油機(jī)研究機(jī)構(gòu)和相應(yīng)企業(yè)。最近幾年，大多數(shù)已被列為國(guó)家高新技術(shù)項(xiàng)目，所以，我國(guó)柴油機(jī)的生產(chǎn)及自主研發(fā)、制造水平得到了的大大提高[1]。

②在引進(jìn)新的技術(shù)和改革開放之前，我國(guó)引進(jìn)了多種船用柴油機(jī)，通過引進(jìn)外國(guó)先進(jìn)技術(shù)，培養(yǎng)高水平技術(shù)人才，目前，已經(jīng)取得一些科研成就，同時(shí)也具備了和世界發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的能力，如今與國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)相比，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家之間船用柴油機(jī)的制造技術(shù)差距越來越小。

2? 船舶柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

船舶用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是船舶用輔助裝置的核心，是中國(guó)造船產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展不可缺少的組成部分。近年來，隨著世界造船中心向亞洲轉(zhuǎn)移，中國(guó)船舶用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。通過引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，形成了中高速船舶用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)可設(shè)計(jì)、制造、開發(fā)的產(chǎn)品群，部分產(chǎn)品達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。甚至為中國(guó)船舶用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是，中國(guó)的船舶用柴油機(jī)的開發(fā)，現(xiàn)在的綜合開發(fā)的條件無法滿足，產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研究開發(fā)、生產(chǎn)技術(shù)等領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)的柴油機(jī)制造企業(yè)與國(guó)際先進(jìn)企業(yè)之間的差距還有很大。目前，國(guó)內(nèi)柴油機(jī)在中國(guó)造船業(yè)的匹配率還不到40%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于與制造業(yè)相關(guān)的其他產(chǎn)業(yè)。船舶用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為影響中國(guó)造船行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。在國(guó)際上，歐洲造船業(yè)中低速船舶用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)依然被發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷，manb&w、WNS等知名企業(yè)的市場(chǎng)份額超過70%[2]。近年來，外國(guó)產(chǎn)品，新的燃料噴射裝置、機(jī)油泵、液壓、排氣閥門、智能控制燃料噴射等技術(shù)都采用單缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，輸出功率、機(jī)械強(qiáng)度、可靠性、自動(dòng)化等，水平很高。國(guó)外先進(jìn)的低速柴油機(jī)在油耗、環(huán)保、智能控制方面有很大優(yōu)勢(shì)。近些年來，中速船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的制造技術(shù)和性能，特別是在大直徑、高功率產(chǎn)品的研發(fā)方面取得了很大的進(jìn)步，可靠性、耐用年限、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞內(nèi)的燃燒率也有很大的增加。通過增大柴油機(jī)的氣缸塊徑比和壓縮比，可以降低柴油機(jī)的燃料消耗量，使用更黏稠的燃料，大幅提高中速柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，提高噴霧質(zhì)量，大幅提高柴油機(jī)內(nèi)燃燒壓力，降低有害氣體排放，采用先進(jìn)技術(shù)。但是，作為使用最廣泛的船舶用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，中國(guó)的中樞船舶用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)依賴于國(guó)外。

3? 船用柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 國(guó)外船用柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展歷史

內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展是繼蒸汽機(jī)之后渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的又一個(gè)時(shí)代。為現(xiàn)代西方修船業(yè)的快速發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。在過去的幾十年里，外國(guó)工業(yè)生產(chǎn)力的迅速發(fā)展，發(fā)生了巨大的變化，促進(jìn)了船用汽柴油機(jī)的發(fā)展。

①高功率密度。

②可靠性高。

③經(jīng)濟(jì)性好，自動(dòng)化程度高。

④開發(fā)低噪音，緊湊型柴油機(jī)動(dòng)力模塊。從1980年代中期到1990年代中期到21世紀(jì)初，船用柴油機(jī)的開發(fā)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[3]。到21世紀(jì)初，增強(qiáng)的指數(shù)值已變?yōu)?8-32，新發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)時(shí)間已大大縮短至3-4年，超高增壓技術(shù)，電控高壓燃油噴射技術(shù)，并且出現(xiàn)了智能技術(shù)。這些發(fā)展基于整體集成技術(shù)。

3.2 國(guó)產(chǎn)船用柴油機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r

隨著大型船舶和自動(dòng)化船舶的日益普及，船舶設(shè)備的質(zhì)量和要求越來越高。到目前為止，無論是低速、中速還是高速，船用柴油機(jī)的技術(shù)發(fā)展基本相同。主要原因是平均效率不斷提高。加壓，增加單機(jī)功率，減少油耗和排放，并進(jìn)行電子控制。從技術(shù)發(fā)展過程來看，外國(guó)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)先于我國(guó)，這表明我國(guó)的造船和機(jī)械制造水平與造船能力相比處于劣勢(shì)。隨著國(guó)際船舶配套技術(shù)的快速發(fā)展，近年來，世界各大船用柴油機(jī)公司相繼推出了采用最新科技成果和新設(shè)計(jì)理念的新型船用柴油機(jī)。例如模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)、高效率增壓技術(shù)、高壓燃油噴射技術(shù)、燃燒與排放控制技術(shù)、智能技術(shù)等主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①船用柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展，柴油機(jī)的整體效率，不僅提高了柴油機(jī)的整體性能和在各種工況下的適應(yīng)性，但是還需要改進(jìn)，主要研究?jī)?nèi)容：船用柴油機(jī)輸出系統(tǒng)總體匹配設(shè)計(jì)技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)、船用柴油機(jī)輸出系統(tǒng)綜合優(yōu)化仿真技術(shù)。

②將虛擬技術(shù)應(yīng)用于船舶柴油機(jī)的虛擬設(shè)計(jì)中，制造、組裝、運(yùn)行和維護(hù)的全過程。基于發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，利用“數(shù)字樣機(jī)”、“虛擬測(cè)試”、“虛擬制造”等相關(guān)軟件，技術(shù)和方法，進(jìn)行船用柴油機(jī)的設(shè)計(jì)與開發(fā)研究，從試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)船用柴油機(jī)。設(shè)計(jì)向“預(yù)測(cè)”設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。

③智能電子控制技術(shù)開發(fā)柴油電子控制系統(tǒng)開發(fā)和工程應(yīng)用技術(shù)，電控系統(tǒng)（ECS），電子調(diào)速器設(shè)計(jì)技術(shù)，電控泵、柴油機(jī)運(yùn)行電子管理系統(tǒng)等研究。

④船用柴油機(jī)可靠性技術(shù)柴油機(jī)零件（或模塊零件）將有更高的發(fā)展水平，特別是燃燒室零件和運(yùn)動(dòng)摩擦零件的可靠性將得到高度重視。

⑤船用柴油機(jī)的替代燃料技術(shù)。以大功率柴油機(jī)為動(dòng)力的燃料將實(shí)現(xiàn)多樣化，并可使用重油、殘油和各種清潔燃料。對(duì)于LNG和LPG等燃料運(yùn)輸船，開發(fā)單燃料或雙燃料汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，以方便使用運(yùn)輸?shù)娜剂稀?/p>

⑥全生命周期經(jīng)濟(jì)和低排放技術(shù)，開展船用柴油機(jī)性能和燃燒技術(shù)研究，重點(diǎn)研究高壓增壓技術(shù)、高壓共軌燃油噴射技術(shù)、高效燃燒技術(shù)等方面的突破。為解決船用柴油機(jī)在整個(gè)生命周期內(nèi)的低負(fù)荷性能和滿負(fù)荷性能的工程問題、情況甚至經(jīng)濟(jì)問題。結(jié)合船用柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作要求、運(yùn)行環(huán)境和燃料類型以及其他實(shí)際情況，對(duì)噴射控制技術(shù)進(jìn)行研究，例如噴水燃燒，廢氣再循環(huán)（EGR）和減少大功率柴油機(jī)的NOX滿足世界環(huán)境保護(hù)的要求更加嚴(yán)格的要求。

4? 船用柴油機(jī)技術(shù)前景

4.1 船用柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)采集，虛擬機(jī)仿真研發(fā)，全智能數(shù)字技術(shù)

①動(dòng)力系統(tǒng)綜合技術(shù)船舶用柴油機(jī)技術(shù)的開發(fā)，改善柴油機(jī)的整體效率，不僅柴油機(jī)攔網(wǎng)的各指標(biāo)的性能和各種工作條件下的適應(yīng)性，有必要改善。船舶用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的研究，包括主體匹配設(shè)計(jì)研究、模塊設(shè)計(jì)研究、船舶用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力組裝技術(shù)。

②虛擬機(jī)仿真研究與開發(fā)技術(shù)主要用于船用柴油機(jī)車體的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)制造、零件裝配、車體的操作與維護(hù)。這項(xiàng)技術(shù)主要基于船用發(fā)動(dòng)機(jī)各種參數(shù)的數(shù)據(jù)，使用模擬和數(shù)字原型、虛擬（制造，測(cè)試）以及其他相關(guān)軟件，技術(shù)和方法來進(jìn)行船用柴油機(jī)各種參數(shù)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和研究。船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是從實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M預(yù)測(cè)。

③全智能數(shù)字技術(shù)。全智能數(shù)字技術(shù)是通過全智能船用柴油機(jī)智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用和開發(fā)，調(diào)試設(shè)計(jì)技術(shù)以及柴油機(jī)智能控制管理研究來進(jìn)行的。

4.2 船用柴油機(jī)性能可靠性，燃料使用，節(jié)能環(huán)保技術(shù)

①?gòu)目煽啃缘慕嵌瓤?，船舶用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)組件（或模塊），特別是燃燒室內(nèi)組件的可靠性和系統(tǒng)傳動(dòng)性對(duì)機(jī)械性能得到高度評(píng)價(jià)。我們研究了船舶用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)各種性能指標(biāo)的可靠性分析技術(shù)、摩擦磨耗試驗(yàn)技術(shù)、故障診斷分析和總結(jié)技術(shù)[4]。

②在燃料使用方面，船舶用柴油燃料的使用向著多樣化和循環(huán)利用的方向發(fā)展。例如，船舶用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，不僅使用各種清潔的原材料生產(chǎn)的殘留油、重油、廢油，而且運(yùn)輸方便，研發(fā)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。使用可再生燃料的船舶用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。從船舶用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的節(jié)能環(huán)保的觀點(diǎn)出發(fā)，重點(diǎn)放在高壓高效燃燒技術(shù)的研究開發(fā)上。

③在節(jié)能環(huán)保技術(shù)方面，船用柴油機(jī)可以在高負(fù)荷或滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)使用高效燃燒燃料，設(shè)計(jì)出新型柴油機(jī)，以減少雜質(zhì)氣體等的排放，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求[5]。

5? 總結(jié)

高性能船舶動(dòng)力單元正在向多樣化、高效率、長(zhǎng)壽命高速發(fā)展。推進(jìn)動(dòng)力，安裝空間，單體高速船的傳動(dòng)系統(tǒng)，水翼，安裝空間的選擇和布置，傳動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)特定功率，獨(dú)立的完整性和功率輸出，促進(jìn)了船舶的多分集發(fā)展方向。各國(guó)都非常重視船用燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用，提高船舶運(yùn)行的研成果，開發(fā)高性能海洋燃?xì)廨啓C(jī)電力。為了滿足船舶的高性能要求，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的性能正在不斷增加。目前，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)更適合中小型高性能船舶要求。

把船舶柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)作為研究目標(biāo)，第一，以實(shí)踐需求中產(chǎn)生的問題，制訂研究方案，通過對(duì)船舶柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的敘述，了解到相應(yīng)的變化數(shù)據(jù)和有實(shí)際意義的參考數(shù)據(jù)，把發(fā)展成為海洋大國(guó)為目標(biāo)出發(fā)，應(yīng)該把自主創(chuàng)新吸取他國(guó)先進(jìn)思想與技術(shù)為主，自學(xué)和引進(jìn)技術(shù)為輔，為我國(guó)柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)自主生產(chǎn)、創(chuàng)新奠定昌盛之路。

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