艦用柴油機(jī)技術(shù)特點(diǎn)及未來發(fā)展趨勢(shì)研究

作者簡(jiǎn)介：伍賽特（1990-），男，工學(xué)碩士，工程師，經(jīng)濟(jì)師，信息系統(tǒng)項(xiàng)目管理師，知識(shí)產(chǎn)權(quán)師。研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.019

摘? 要：介紹柴油機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)及其在艦船中的應(yīng)用，詳細(xì)闡述其優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)與動(dòng)力型式。重點(diǎn)闡述不同艦船對(duì)柴油機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)要求，重點(diǎn)對(duì)其艦用柴油機(jī)未來發(fā)展趨勢(shì)及當(dāng)前動(dòng)向進(jìn)行展望。隨著技術(shù)的逐步完善，柴油機(jī)將在軍用艦船上發(fā)揮更重要的作用。

關(guān)鍵詞：水面艦船；潛艇；柴油機(jī)；內(nèi)燃機(jī)；燃?xì)廨啓C(jī)；汽輪機(jī)；聯(lián)合動(dòng)力裝置

中圖分類號(hào)：U664.121? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）12-0081-09

Abstract： The technical characteristics of diesel engine and its application in warship are introduced， and its advantages， disadvantages and power types are described in detail. This paper focuses on the technical requirements of diesel engines for different warships， and looks forward to the future development trend and current trend of marine diesel engines. With the gradual improvement of technology， diesel engines will play a more important role in military ships.

Keywords： surface ship; submarine; diesel engine; internal combustion engine; gas turbine; steam turbine; combined power plant

柴油機(jī)是內(nèi)燃機(jī)的一種，產(chǎn)生于十九世紀(jì)末，發(fā)展已有百余年的歷史。當(dāng)時(shí)，引起產(chǎn)業(yè)革命的蒸汽機(jī)經(jīng)歷了兩百多年的改進(jìn)，已處于發(fā)展后期，社會(huì)生產(chǎn)力更進(jìn)一步的發(fā)展需要有比往復(fù)蒸汽機(jī)效能更高的原動(dòng)機(jī)。因此，內(nèi)燃機(jī)及汽輪機(jī)等熱力發(fā)動(dòng)機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生。

早在1892年，德國(guó)人魯?shù)婪颉さ屹悹枺≧udolf Diesel）研究出了柴油機(jī)工作原理，由于受到資本主義社會(huì)制度和當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)水平的限制，并沒有成功試制出樣機(jī)。1898年，由德國(guó)曼恩（MAN）公司根據(jù)該發(fā)明制成了第一臺(tái)四行程柴油機(jī)。這種熱機(jī)與當(dāng)時(shí)的其他熱機(jī)相比，最突出的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性好，其熱效率是當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)的兩倍。直到現(xiàn)在，該特點(diǎn)仍是柴油機(jī)被廣泛使用的主要原因之一。

除此之外，柴油機(jī)與早期的蒸汽機(jī)相比，還具有起動(dòng)容易、操縱簡(jiǎn)便、機(jī)動(dòng)性好、維修管理人員少、能使用安全廉價(jià)又便于儲(chǔ)存和搬運(yùn)的燃料，以及功率范圍、重量、體積對(duì)船舶設(shè)計(jì)具有較好的適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，因此很快就被用作艦船動(dòng)力。到20世紀(jì)50年代，幾乎在新型船舶中完全取代了往復(fù)蒸汽機(jī)。第二次世界大戰(zhàn)期間及戰(zhàn)后，柴油機(jī)在艦船上的應(yīng)用更為廣泛。但在近年來，由于燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展，大型水面艦船出現(xiàn)了以燃?xì)廨啓C(jī)為主要?jiǎng)恿Φ内呄?，但目前在中小型水面艦船、常?guī)潛艇及民用船舶中，柴油機(jī)仍是主要?jiǎng)恿1]。

1? 柴油機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)及在艦船中的應(yīng)用

1.1? 柴油機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

柴油機(jī)與汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)比較，燃油消耗率低，經(jīng)濟(jì)性好，這是柴油機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于汽輪機(jī)而言，由于整個(gè)裝置的效率較低，所以油耗較高，特別是中小功率范圍內(nèi)油耗更高。柴油機(jī)的耗油率是最低的，也就是說，柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性是最好的。主要原因是柴油機(jī)的燃料是直接在氣缸中燃燒，其燃燒產(chǎn)物立即推動(dòng)活塞膨脹作功，熱損失少。

在起動(dòng)前和停車后，柴油機(jī)不需要消耗燃料。同時(shí)，由于柴油機(jī)能燃用重油，降低了燃料費(fèi)用，增大了艦船的續(xù)航力，又進(jìn)一步提升了全艦的經(jīng)濟(jì)性。柴油機(jī)動(dòng)力裝置的機(jī)動(dòng)性能好。柴油機(jī)起動(dòng)方便，起動(dòng)所需時(shí)間短，而且從起動(dòng)到帶全負(fù)荷的過渡工況時(shí)間也很短。

此外，柴油機(jī)動(dòng)力裝置的尺寸較小，重量輕。柴油機(jī)的工質(zhì)直接在氣缸里燃燒作功，無需鍋爐、冷凝器等大型設(shè)備和部件，減少了機(jī)艙設(shè)備所占的容積，減少了動(dòng)力裝置的重量，有利于艦船機(jī)艙的布置。不僅如此，柴油機(jī)可以設(shè)計(jì)成直接反轉(zhuǎn)的型式，倒車性能好，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠。

由于上述優(yōu)點(diǎn)，柴油機(jī)在中小型軍用和民用艦船中得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)前在排水量3 000 t以下的中、小型水面艦船（如護(hù)衛(wèi)艦、登陸艦、掃雷艦、獵潛艇、導(dǎo)彈艇和其他的輔助艦艇）和常規(guī)潛艇中，都普遍采用柴油機(jī)作為主動(dòng)力裝置[2]。

1.2? 柴油機(jī)的動(dòng)力型式

柴油機(jī)在艦船上主要用作驅(qū)動(dòng)螺旋槳的主機(jī)和驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的副機(jī)。就作為主機(jī)而言，柴油機(jī)在各類艦船中有不同的主動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)形式，主要有下列幾種型式。

1.2.1? 單機(jī)單軸動(dòng)力裝置

用一臺(tái)柴油機(jī)通過傳動(dòng)軸系直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳的動(dòng)力裝置。柴油機(jī)如果可實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，則離合器只起離合作用，使柴油機(jī)能與軸系自由地結(jié)合和脫開；如果柴油機(jī)不能反轉(zhuǎn)，則離合器為減速反轉(zhuǎn)離合器，通過它的作用，在柴油機(jī)轉(zhuǎn)向不變的情況下，使螺旋槳實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)；如果采用變距槳，則離合器可以直接省去。螺旋槳在柴油機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的推力經(jīng)軸承傳給艦體，使艦船前進(jìn)或后退。這種動(dòng)力裝置的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，推進(jìn)效率高，操縱管理簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)操縱自動(dòng)化。但其弱點(diǎn)在于生命力較弱，如果動(dòng)力裝置一旦發(fā)生故障或戰(zhàn)斗損壞，艦船將完全失去動(dòng)力，進(jìn)退不得。因此，該系統(tǒng)在民用船舶上應(yīng)用最多。

1.2.2? 雙機(jī)單軸或多機(jī)單軸動(dòng)力裝置

用2臺(tái)或2臺(tái)以上柴油機(jī)通過減速并車裝置共同驅(qū)動(dòng)一個(gè)螺旋槳。這種裝置常用在中、高速柴油機(jī)作主機(jī)的艦船上，以獲得功率大、重量輕、體積小而且有較強(qiáng)生命力的動(dòng)力裝置上。該系統(tǒng)的最突出特點(diǎn)主要如下，多臺(tái)柴油機(jī)中只要還有一臺(tái)柴油機(jī)能正常工作，在軸系工作正常的條件下，艦艇就不會(huì)失去動(dòng)力，因此其生命力明顯強(qiáng)于單機(jī)單軸動(dòng)力裝置。

1.2.3? 雙機(jī)雙軸或多機(jī)多軸動(dòng)力裝置

雙機(jī)單軸和多機(jī)單軸雖然比單機(jī)單軸的生命力更高，但是軸系的生命力是個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，一旦軸系機(jī)械（如支點(diǎn)軸承、推力軸承、離合器等）中任何一個(gè)部件出了故障，不能正常工作，都會(huì)造成艦船失去動(dòng)力。因?yàn)檫@種狀況出現(xiàn)時(shí)，雖然柴油機(jī)能發(fā)出功率，但螺旋槳得不到功率，就無法產(chǎn)生推力，于是艦船就失去了動(dòng)力。為了提高軸系的生命力，設(shè)計(jì)了雙機(jī)雙軸或多機(jī)多軸的動(dòng)力裝置。這種系統(tǒng)由于生命力高，所以常為軍艦所采用。因該種軸系多裝了一套以上的軸系，造價(jià)也有所提高，故民用船舶很少采用。

1.2.4? 間接傳動(dòng)動(dòng)力裝置

這種動(dòng)力裝置，柴油機(jī)不直接傳動(dòng)螺旋槳，其主要功用是驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，向驅(qū)動(dòng)螺旋槳的主電動(dòng)機(jī)供電，或向蓄電池充電[3]。螺旋槳由主電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)（該電動(dòng)機(jī)可以是交流電動(dòng)機(jī)，也可以是直流電動(dòng)機(jī)或交直流電動(dòng)機(jī)串聯(lián)），電動(dòng)機(jī)可以由柴油發(fā)電機(jī)組直接供電，也可以由蓄電池組供電，也可以兩者同時(shí)供電。

該傳動(dòng)系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是柴油機(jī)只以一個(gè)轉(zhuǎn)速、一種工況工作，從而可以充分發(fā)揮柴油機(jī)的效率，按最佳工作狀態(tài)設(shè)計(jì)配置。而螺旋槳也可以按特性曲線選擇最高效率區(qū)工作，采用低轉(zhuǎn)速、大螺距螺旋槳，減小空泡噪聲，達(dá)到提高艦艇隱蔽性的目的，特別適合于潛艇動(dòng)力裝置。

2? 軍用艦艇對(duì)柴油機(jī)的要求

由于戰(zhàn)斗活動(dòng)的需要，對(duì)各類艦艇用的柴油機(jī)均有特殊要求。一般水面艦船對(duì)柴油機(jī)的主要要求大致相同，而快艇、潛艇與特種艦艇（如登陸艦、掃雷艦等）則有其特殊之處。

2.1? 一般水面艦船對(duì)柴油機(jī)的要求

2.1.1? 較強(qiáng)的生命力

生命力即為抵御戰(zhàn)斗破損和事故破損保持其戰(zhàn)斗性能與運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。艦艇要求柴油機(jī)具有較強(qiáng)的生命力。柴油機(jī)的生命力由以下幾方面組成。

1）抗沖擊能力。軍艦在作戰(zhàn)中，當(dāng)遭受魚水雷、炸彈、導(dǎo)彈等襲擊時(shí)，會(huì)受到水下沖擊波的沖擊，這時(shí)艦艇將產(chǎn)生很高的瞬時(shí)加速度。經(jīng)驗(yàn)表明，在船殼嚴(yán)重破損之前，艦艇內(nèi)的機(jī)械設(shè)備往往受到很大損傷。所以重要的艦用機(jī)械設(shè)備，如主柴油機(jī)等，必須具有一定的抗沖擊性能。抗沖擊性能是多方面的綜合：首先是材料方面，由于鑄鐵等材料在受到?jīng)_擊時(shí)往往會(huì)發(fā)生斷裂，所以在沖擊敏感的部位，如基座、懸臂梁等，不應(yīng)使用該類材料；其次，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)使主要零部件能承受一定的沖擊加速度。對(duì)不同重量的機(jī)械設(shè)備，所要求能承受的沖擊加速度值是不同的，隨設(shè)備重量增加而減小。

根據(jù)近年來的研究，機(jī)械設(shè)備的破壞情況不僅與沖擊波的加速度有關(guān)，而且還與其持續(xù)工作時(shí)間有關(guān)，與機(jī)械設(shè)備本身的彈性有關(guān)。所以近年來抗沖擊能力不單純用加速度值來代表，而是由有關(guān)部門制訂專門標(biāo)準(zhǔn)（沖擊譜）來評(píng)定。對(duì)一些特別重要的機(jī)械設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)規(guī)定進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)條件與程序由有關(guān)部門提出。

2）能在受核武器襲擊的條件下工作。在受到核武器襲擊時(shí)，首先要求柴油機(jī)及其系統(tǒng)具有一定的抗沖擊能力。此外，為了能迅速地脫離（或穿過）核襲擊區(qū)，柴油機(jī)必須在核沾染區(qū)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)機(jī)艙完全封閉，通過輸氣道與過濾裝置將空氣輸入，而且主機(jī)要隔艙操縱。

3）有一定的抗破損能力。在戰(zhàn)斗中，由于受到敵人的攻擊或由于柴油機(jī)工作的超負(fù)荷，有時(shí)會(huì)造成某些零部件、裝置或系統(tǒng)設(shè)備的損壞。此時(shí)仍必須保證艦艇的運(yùn)行狀態(tài)。因此，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量提高柴油機(jī)在部分破損情況下的工作能力與適應(yīng)性。例如，考慮一些輸油泵的相互代用，將幾個(gè)渦輪增壓器的儲(chǔ)氣室隔開等。

2.1.2? 較高的功率

為了保證艦艇能達(dá)到越來越高的航速，主柴油機(jī)必須具有足夠大的功率。由于戰(zhàn)術(shù)上的需要，某些軍艦在戰(zhàn)斗中要以盡可能大的航速搶占有利陣位，或者要迅速脫離敵艦，為此要求主柴油機(jī)能在短期內(nèi)超負(fù)荷工作，一般不超過1 h。艦用柴油機(jī)常以這種一小時(shí)內(nèi)的最大功率作為其標(biāo)定功率。目前，由于自動(dòng)武器、電子通信和航海設(shè)備的迅速發(fā)展，艦艇需要的電力日益增大，同時(shí)也要求柴油輔機(jī)的功率不斷提高。

2.1.3? 較輕的重量

艦艇動(dòng)力裝置的重量，很大程度上決定于主柴油機(jī)的重量。對(duì)軍艦來說， 由于要求的航速較高，動(dòng)力裝置的重量占艦艇排水量的比重較大，一般約占20%～40%。所以，柴油機(jī)的重量在很大程度上影響了艦船能攜帶武器裝備、消耗品，戰(zhàn)斗人員的數(shù)量，也會(huì)影響其戰(zhàn)斗力。衡量柴油機(jī)的重量指標(biāo)是比重量。減輕柴油機(jī)的比重量，往往對(duì)其壽命有一定的影響。因此，在減輕比重量的同時(shí)，應(yīng)考慮柴油機(jī)的工作可靠性和壽命，綜合分析，兩者兼顧。

2.1.4? 較小的外形尺寸

艦艇的體積一般小于民用船舶，且裝備的武器彈藥、消耗品及其他設(shè)備需占用一定的容積，因此要求柴油機(jī)的外形尺寸盡可能小。但必須注意，外形尺寸不僅與壽命有關(guān)，且影響柴油機(jī)的發(fā)展?jié)摿?。在選型、確定主要尺寸和總體布置時(shí)必須綜合考慮。

2.1.5? 較好的隱蔽性

軍艦的隱蔽性是指防止軍艦暴露，以及防止受各種利用物理場(chǎng)的武器（如魚雷等）襲擊的能力。影響柴油機(jī)隱蔽性的主要因素如下。

①振動(dòng)與噪音。柴油機(jī)的振動(dòng)與噪音主要會(huì)在兩方面破壞軍艦的隱蔽性：一個(gè)是噪音在海面上的傳播，主要是排氣噪音。為了減少排氣噪音，可裝消音器，或?qū)U氣排入水下，這就要增加排氣背壓。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮柴油機(jī)在較高背壓下工作的特點(diǎn)。第二是柴油機(jī)的振動(dòng)傳到基座引起艦體振動(dòng)，使艦體向四周散射噪音。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，必須盡量使柴油機(jī)有良好的平衡性和扭振特性，必要時(shí)應(yīng)采取隔振措施。②排氣中的熱量。柴油機(jī)的廢氣中含有大量熱量。在目前使用導(dǎo)彈的情況下，為了避免紅外線制導(dǎo)的導(dǎo)彈跟蹤，應(yīng)設(shè)法降低廢氣中的熱量，一般可采用水下排氣的方法。

2.1.6? 多機(jī)并車以及與燃?xì)廨啓C(jī)組成聯(lián)合裝置的可能性

隨著軍艦速度的不斷提高，排水量的不斷增大，對(duì)主動(dòng)力裝置功率的要求也越來越高，單軸所需的功率隨之上升，使現(xiàn)代柴油機(jī)的單機(jī)功率不能滿足需要。因而出現(xiàn)多臺(tái)柴油機(jī)并車，共同驅(qū)動(dòng)一個(gè)螺旋槳的方案，或者柴油機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合使用。后一種情況又有2種裝置：一種是交替使用柴油機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)，即巡航時(shí)用柴油機(jī)，最大航速時(shí)用燃?xì)廨啓C(jī)，習(xí)慣上稱為柴燃交替動(dòng)力裝置（CODOG）。另一種是在最大航速時(shí)，柴油機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合使用，稱為柴燃聯(lián)合動(dòng)力裝置（CODAG）[4]。第二種方案實(shí)際上也是并車裝置。

2.2? 潛艇對(duì)柴油機(jī)的特殊要求

2.2.1? 能在一定真空度與高背壓和變背壓狀態(tài)下穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)并發(fā)出要求的功率

為了提高潛艇活動(dòng)時(shí)的隱蔽性，現(xiàn)代柴油機(jī)動(dòng)力裝置經(jīng)常在通氣管狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。在這種狀態(tài)下工作時(shí)，柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的特點(diǎn)主要如下。潛艇用柴油機(jī)會(huì)在有一定真空度的機(jī)艙中工作，當(dāng)海面有風(fēng)浪時(shí)，吸氣閥有時(shí)突然關(guān)閉，中斷進(jìn)氣，艙室內(nèi)的真空度會(huì)進(jìn)一步提高。其次，為了減少煙跡、油跡，保證潛艇的隱蔽性，要求柴油機(jī)的廢氣從水面以下500～2 000 mm處排出，加上管道的阻力，排氣背壓會(huì)進(jìn)一步提高。同時(shí)，由于風(fēng)浪的關(guān)系，背壓會(huì)處于變化狀態(tài)，所以柴油機(jī)不僅需要在高背壓下，而且需要在變背壓狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，在通氣管狀態(tài)下啟動(dòng)柴油機(jī)時(shí)，有很大一部分排氣管內(nèi)都充滿著海水。所以，啟動(dòng)時(shí)要克服更高的背壓。潛艇由半潛狀態(tài)上浮時(shí)，由于要節(jié)約高壓空氣，往往用柴油機(jī)的廢氣去排出主水柜中的水，這時(shí)也要求柴油機(jī)在高背壓狀態(tài)下工作，并連續(xù)工作15～20 min左右。為使柴油機(jī)適應(yīng)上述特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)一般采取如下措施：①采用四行程柴油機(jī)，因?yàn)樗男谐滩裼蜋C(jī)有專門的排氣行程。有的柴油機(jī)還用2套凸輪機(jī)構(gòu)，當(dāng)柴油機(jī)在水面工作時(shí)，氣閥重疊角較大，而在通氣管情況工作時(shí)，換用另一套凸輪軸，使氣閥重疊角減小；②當(dāng)采用二行程柴油機(jī)時(shí)，應(yīng)裝有機(jī)械傳動(dòng)的羅茨或螺桿式掃氣泵；③采用廢氣渦輪增壓柴油機(jī)時(shí)，應(yīng)采取措施使柴油機(jī)能適應(yīng)高背壓與變背壓工況，但目前在潛艇上采用廢氣渦輪增壓柴油機(jī)者極少。在高背壓下還應(yīng)確保不會(huì)向機(jī)艙泄漏有害氣體。

2.2.2? 能適應(yīng)航行、充電等多種工作制

潛艇柴油機(jī)的工況是十分復(fù)雜的。在水面航行時(shí)既有單獨(dú)驅(qū)動(dòng)螺旋槳的工作狀態(tài)，也有單獨(dú)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)，還有既驅(qū)動(dòng)螺旋槳又利用余功驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)。在通氣管狀態(tài)航行時(shí)，可既驅(qū)動(dòng)螺旋槳又驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行充電，同樣也可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。為了適應(yīng)多種工況的需要，要求柴油機(jī)有較寬的允許工作功率范圍。

2.2.3? 噪音與振動(dòng)要求小

潛艇主要靠隱蔽性來接近與攻擊敵人，所以消音與減震的重要意義比一般水面艦船更突出。經(jīng)驗(yàn)證明，如一艘潛艇的噪音級(jí)大于敵方潛艇的噪音級(jí)時(shí)，艇上的聲納裝置很難搜索到對(duì)方，而自身易被發(fā)現(xiàn)并受到攻擊。影響潛艇隱蔽性的主要因素是船殼振動(dòng)向水中散射的噪音，所以一定要減少?gòu)牟裼蜋C(jī)傳到艇殼的振動(dòng)。一般采用隔振裝置。對(duì)于柴油機(jī)本身而言，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)盡量降低其噪音和振動(dòng)。

2.2.4? 可靠性好

首先要抗沖擊能力強(qiáng)，潛艇在水下活動(dòng)，遭受水中沖擊波襲擊的機(jī)會(huì)很多。因此，潛艇用柴油機(jī)的抗沖擊能力極為重要。但與水面艦船柴油機(jī)的要求有所不同。由于潛艇在水下航行時(shí)，一旦受到外界非接觸水下爆炸的襲擊，垂向與橫向可能都會(huì)受到?jīng)_擊波的作用。所以，要求潛艇柴油機(jī)在垂向和橫向都能承受15 g的沖擊，艏艉方向能承受6 g的沖擊。柴油機(jī)的重要部件及各種裝置設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)比較可靠，其材料和加工質(zhì)量應(yīng)嚴(yán)格檢查，因?yàn)闈撏Р粌H自給能力強(qiáng)、在海上逗留時(shí)間長(zhǎng)，而且柴油機(jī)發(fā)生故障后帶來的后果特別嚴(yán)重。同時(shí)，各油水系統(tǒng)應(yīng)有必要的轉(zhuǎn)換閥門。

2.2.5? 檢修方便，壽命長(zhǎng)

潛艇要遠(yuǎn)離基地活動(dòng)，應(yīng)當(dāng)考慮在艇上進(jìn)行一些修理的可能。因此，要求把易發(fā)生故障，或經(jīng)常需要調(diào)整的零部件安裝在便于檢查調(diào)整和更換修理的地方。當(dāng)潛艇采用中速柴油機(jī)時(shí)，必需割開艇體才能吊出曲軸等龐大配件來進(jìn)行大修，這樣會(huì)嚴(yán)重影響艇體的壽命甚至影響潛艇的性能（如減少下潛深度）。所以要求大修間隔時(shí)間長(zhǎng)，目前一般為6 000～7 000 h左右。如采用高速柴油機(jī)時(shí)，由于其尺寸小，主要部件都能從艙口吊出，則可以考慮適當(dāng)減少其對(duì)壽命的要求。但如考慮潛艇活動(dòng)時(shí)的續(xù)航力和自給力較長(zhǎng)的特點(diǎn)，潛艇柴油機(jī)第一次拆修的壽命不應(yīng)小于2 000～2 500 h。

2.2.6? 耗氣量要求低

為了在同樣通氣管直徑情況下安裝具有較大功率的柴油機(jī)，為了改善真空度和降低排氣背壓，以有利于改善柴油機(jī)的工作條件，要求潛艇柴油機(jī)的耗氣量盡量低。減少耗氣量的途徑一般如下：①采用四行程柴油機(jī)，一般四行程柴油機(jī)比二行程柴油機(jī)耗氣量小50%左右。②采用過量空氣系數(shù)較低的混合氣形成方法，可選用分開式燃燒室，如預(yù)燃室等。

2.2.7? 柴油機(jī)及其裝置系統(tǒng)能在大縱傾情況下正常運(yùn)轉(zhuǎn)

因?yàn)闈撏г谶M(jìn)行各種戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)時(shí)，縱傾特別大，有時(shí)長(zhǎng)期處于20°縱傾的狀態(tài)下，短期可高達(dá)45°。所以柴油機(jī)應(yīng)能在縱傾20°狀態(tài)下長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，而當(dāng)艇作更大傾斜機(jī)動(dòng)時(shí)一般處于深海狀態(tài)，此時(shí)柴油機(jī)是停止工作的。

2.3? 快艇對(duì)柴油機(jī)的特殊要求

魚雷快艇和導(dǎo)彈快艇是海上的重要突擊力量。根據(jù)快艇的作戰(zhàn)特點(diǎn)，它對(duì)柴油主機(jī)的特殊要求主要有以下幾點(diǎn)。

2.3.1? 較高的功率大、較輕的重量、較小的體積

為了充分發(fā)揮快艇的突擊作用，必須盡量提高快艇的航速，所以要求主機(jī)功率大、重量輕、體積小。

①導(dǎo)彈快艇。對(duì)導(dǎo)彈快艇而言，要求航速能超過高速水面艦船最高航速的15%以上。為了提高續(xù)航力及耐波力，導(dǎo)彈快艇的排水量越來越大。②魚雷快艇。魚雷快艇主要用來在近距離突擊大、中型艦艇，其排水量較小，大部分用來在近海作戰(zhàn)（耐波力與續(xù)航力較?。?，因此對(duì)主機(jī)的功率、重量和外形尺寸的要求與導(dǎo)彈快艇基本相同。③護(hù)衛(wèi)艇。護(hù)衛(wèi)艇用來在近海護(hù)漁護(hù)航。雖然其排水量不大，航速也較低，但任務(wù)頻繁。主機(jī)功率一般較小，對(duì)比功率的要求也較低。

2.3.2? 可靠性與耐用性

上述關(guān)于功率、重量和體積的要求是與可靠性與壽命相矛盾的。但對(duì)快艇來說，決不能犧牲可靠性來達(dá)到重量和尺寸的要求。因?yàn)榭焱Х烙芰^差，而作戰(zhàn)對(duì)象又往往是大、中型艦艇，航速的減低（主機(jī)故障引起）會(huì)帶來嚴(yán)重的后果。而且滑行艇與水翼艇的推進(jìn)特性往往有一個(gè)“滑行過渡”或“起飛”的階段，幾部主機(jī)中只要有一部主機(jī)的功率因故減小，則艇速會(huì)大幅降低。所以艇的可靠性必須得到充分保證。與其他水面艦船相比，快艇用主機(jī)的耐用性或壽命要求較低，但近年來也有延長(zhǎng)壽命的趨勢(shì)。

2.3.3? 柴油機(jī)的功率特性應(yīng)能適應(yīng)滑行艇或水翼艇的推進(jìn)特性要求

主柴油機(jī)的特性應(yīng)與螺旋槳特性相適應(yīng)。在低速時(shí)，柴油機(jī)能發(fā)出的功率與螺旋槳所需功率相差不大，而航行一段時(shí)期后，艇體阻力可能增大，這樣有時(shí)會(huì)造成柴油機(jī)在低速時(shí)的超負(fù)荷或艇加速性能變差。所以在低負(fù)荷時(shí)，快艇用柴油機(jī)應(yīng)有足夠大的扭矩。

2.3.4? 便于進(jìn)行遙控

為了使柴油機(jī)重量輕、尺寸小，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和增壓度一般都很高，所以其噪音較大。同時(shí)快艇的機(jī)艙中布置得十分擁擠，因此有進(jìn)行遙控的必要。對(duì)于導(dǎo)彈快艇，在發(fā)射導(dǎo)彈時(shí)將產(chǎn)生很大沖擊力，機(jī)艙壁上將產(chǎn)生較高的溫度，機(jī)艙人員必須轉(zhuǎn)移至有專門防護(hù)設(shè)備的操縱室來繼續(xù)工作，所以遙控更有必要。為了便于遠(yuǎn)距離操縱，除了應(yīng)具備安裝遙控裝置的可能性外，柴油機(jī)還必須備有各種信號(hào)裝置與警報(bào)或自動(dòng)保護(hù)裝置，如自動(dòng)停車裝置與水溫過高警報(bào)裝置等。

2.4? 特種艦艇對(duì)柴油機(jī)的要求

有些艦艇由于擔(dān)負(fù)著特殊的戰(zhàn)斗任務(wù)，因而相應(yīng)地對(duì)柴油機(jī)有一些特殊要求。

2.4.1? 登陸艦對(duì)柴油機(jī)的特殊要求

①最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速要小。登陸艦在作戰(zhàn)時(shí)要進(jìn)行登灘，以便將兵員物資直接送上敵岸。在登灘時(shí)，根據(jù)敵岸灘頭土質(zhì)情況有時(shí)需要微速?zèng)_灘，否則容易將艦彈回與碰傷。②反轉(zhuǎn)功率大。登陸艦把兵員裝備送上敵岸后應(yīng)退出灘頭以便進(jìn)行下次登灘。在退灘時(shí)一般先用主機(jī)倒車將艦體拉動(dòng)后再用尾錨拖，以防止尾錨脫出。在用主機(jī)反轉(zhuǎn)拉動(dòng)艦體時(shí)要求柴油機(jī)有較大的反轉(zhuǎn)功率，以發(fā)出拉動(dòng)艦體所需要的拉力。③經(jīng)濟(jì)性高。登陸艦在戰(zhàn)時(shí)需要把兵員裝備經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的航渡送上敵岸，在平時(shí)也擔(dān)負(fù)著繁重的運(yùn)輸任務(wù)，所以提高其柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性增加其續(xù)航力具有重要意義。尤其在目前登陸艦的航速已高達(dá)20 kn左右，柴油機(jī)的功率相應(yīng)有了顯著提升，所以降低柴油機(jī)的耗油率更顯得十分重要。

2.4.2? 掃雷艦對(duì)柴油機(jī)的特殊要求

①在低轉(zhuǎn)速與低負(fù)荷時(shí)能穩(wěn)定工作。在收放掃雷具時(shí)，要求掃雷艦以很小的速度航行，這要求柴油機(jī)能在低負(fù)荷低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定工作。一般柴油機(jī)的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速約為額定轉(zhuǎn)速的1/3，所以在主動(dòng)力裝置中應(yīng)安裝其他裝置（如變距螺旋槳），才能滿足要求。即使裝變距螺旋槳，也還要求柴油機(jī)在很低負(fù)荷時(shí)能穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。②柴油機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)盡量小。為減少掃雷艦本身引爆磁性水雷的可能性，要求柴油機(jī)有盡量小的磁場(chǎng)強(qiáng)度?，F(xiàn)代掃雷艦艦體一般用非磁性材料（如木材、玻璃鋼）制造，減少柴油機(jī)的磁性更為重要。柴油機(jī)的非磁性是以非磁性率來評(píng)定的，即柴油機(jī)用無磁及貧磁材料制造的零件重量占柴油機(jī)總重的百分比。目前非磁性柴油機(jī)的非磁性率已達(dá)到88%。在非磁性柴油機(jī)上主要磁性零件是曲軸、主軸瓦、活塞銷、噴油泵及其傳動(dòng)裝置、起動(dòng)裝置等。如曲軸改用非磁性材料，則非磁性率可達(dá)95%。③超負(fù)荷能力大。掃雷艦在掃雷時(shí)需要拖帶各種掃雷具。在掃雷時(shí)還要割斷錨雷的鐵索，所以掃雷艦的拖力可能在瞬時(shí)增加得很多。這要求掃雷艦主機(jī)能夠有較大的超負(fù)荷能力。④噪音振動(dòng)小。為了防止掃雷艦本身引爆水雷，要求柴油機(jī)的噪音與振動(dòng)盡量小。近年來在掃雷艦設(shè)計(jì)中，提出了艇具合一的概念，就是掃雷艦與掃雷具合在一起，把非觸發(fā)的感應(yīng)水雷引爆，而掃雷艇本身卻靠迅速駛離爆炸區(qū)來避免破損。在這種情況下，掃雷艇的柴油機(jī)應(yīng)具有較好的抗震性能和操縱靈活性。而且還要求柴油機(jī)能在強(qiáng)磁場(chǎng)情況下正常運(yùn)轉(zhuǎn)（因掃雷艇本身發(fā)出強(qiáng)磁場(chǎng)以引爆磁性水雷）。為此，要求調(diào)速器的有關(guān)部件（如飛鐵塊等）以及一些有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件（如曲軸與主軸承）具有較小的磁性，以免影響調(diào)速性能或吸附鐵屑而增大磨損。

2.5? 艦用發(fā)電機(jī)對(duì)柴油機(jī)的特殊要求

對(duì)于帶發(fā)電機(jī)的艦船輔助柴油機(jī)，除了要求其能適應(yīng)海上情況外，還有以下一些要求。

①為了保證發(fā)電機(jī)電壓與頻率穩(wěn)定，柴油機(jī)曲軸回轉(zhuǎn)不均勻性要求小。對(duì)于帶直流發(fā)電機(jī)的柴油機(jī)，不均勻性應(yīng)在1/150～1/100左右；對(duì)于帶交流發(fā)電機(jī)的柴油機(jī)，則應(yīng)在1/250～1/150左右。②為了在電力網(wǎng)路中負(fù)荷改變時(shí)能保持電壓與頻率穩(wěn)定，要求帶發(fā)電機(jī)的柴油機(jī)有較好的調(diào)速率，一般調(diào)整時(shí)間應(yīng)小于2～3 s，具體數(shù)字參考有關(guān)規(guī)范。③艦船發(fā)電機(jī)一般都要進(jìn)行并車，為了使負(fù)荷分配均勻并穩(wěn)定，對(duì)柴油機(jī)的調(diào)速性能有一些特殊要求。④柴油機(jī)工作時(shí)所必需的輔助設(shè)備都應(yīng)裝在柴油機(jī)上。由柴油機(jī)帶動(dòng)的發(fā)電機(jī)，應(yīng)與柴油機(jī)安裝在同一機(jī)座上，以便于安裝與減震。⑤柴油機(jī)能從配電板上進(jìn)行遠(yuǎn)距離操縱，以便于管理。

3? 艦用柴油機(jī)總體技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

總體而言，艦用柴油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要包括以下幾個(gè)方面。

3.1? 提高單機(jī)功率

近二十年來，為了適應(yīng)船舶大型化和高速化發(fā)展的需要，為了同近年來飛速發(fā)展的燃?xì)廨啓C(jī)，和長(zhǎng)期在大型船舶中占主要地位的汽輪機(jī)相競(jìng)爭(zhēng)，各種類型艦用柴油機(jī)不斷向提高單機(jī)功率方向發(fā)展。在軍用艦船方面，雖然大型水面艦船有優(yōu)先采用燃?xì)廨啓C(jī)的趨勢(shì)，但在中、小型艦艇上，柴油機(jī)仍是主要的動(dòng)力裝置之一。這些艦艇的航速要求日益提高[5]，也要求柴油機(jī)的單機(jī)功率不斷提高。目前，提高柴油機(jī)單機(jī)功率的途徑主要如下。

3.1.1? 提高轉(zhuǎn)速

同行轉(zhuǎn)速重在提高活塞平均速度。由于受到柴油機(jī)結(jié)構(gòu)材料的限制，近年來提高幅度較低，僅1.2倍左右。今后進(jìn)一步提高的趨勢(shì)也不明顯。

3.1.2? 增加排量

在同樣增壓度的條件下，增加氣缸排量是增加單機(jī)功率的有效途徑。增加排量通常包括增加缸數(shù)和加大缸徑或行程。增加缸數(shù)的方法，曾在高速快艇（魚雷艇、水翼艇、氣墊艇）用的輕型高速機(jī)上采用過。因?yàn)檫@種艇的機(jī)艙容積較小，對(duì)柴油機(jī)的重量尺寸要求嚴(yán)格，為了增大單機(jī)功率，不得不限制缸徑，增大缸數(shù)。當(dāng)時(shí)，缸徑在130～160 mm左右的柴油機(jī)，缸數(shù)增加至18、24、32、42、48、56，并出現(xiàn)W、H、V、X、星型等較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)型式。但缸數(shù)過多，帶來結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修保養(yǎng)不便、影響柴油機(jī)的可靠性。由于氣缸的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力得到進(jìn)一步優(yōu)化，近年來很少采用這種方法來增加單機(jī)功率。加大缸徑和行程是目前增加柴油機(jī)排量的新動(dòng)向，也是在同樣增壓度的條件下，提高單機(jī)功率的有效途徑。

①艦用高速柴油機(jī)。該類機(jī)型一般缸徑為180～280 mm，轉(zhuǎn)速為1 000～1 500 r/min，缸數(shù)最多為20，多采用V型排列。它是目前內(nèi)燃機(jī)車上應(yīng)用最廣泛的機(jī)型[6]，現(xiàn)在被選用在機(jī)艙地位和重量限制較寬的大型導(dǎo)彈艇、大型水翼艇、護(hù)衛(wèi)艇、輕型護(hù)衛(wèi)艦和常規(guī)電力推進(jìn)潛艇上。近年來，由于水翼艇、氣墊艇、半潛艇等特種船型的發(fā)展，除排水量較大者可選用燃?xì)廨啓C(jī)外，中小噸位的這類艦船仍然要求以重量輕、尺寸小的高速柴油機(jī)作為主機(jī)。因此，在結(jié)構(gòu)上怎樣解決重量輕、尺寸小與壽命短和維修不便的矛盾是高速柴油機(jī)發(fā)展的新課題。這方面目前已有新的發(fā)展，特別是在超高補(bǔ)燃增壓出現(xiàn)后，顯示出新的發(fā)展前景。②艦用中速柴油機(jī)。近年來擴(kuò)大缸徑的趨勢(shì)明顯。更進(jìn)一步增大缸徑，目前尚受到熱應(yīng)力的限制。③艦用低速柴油機(jī)。早期，國(guó)外曾用加大氣缸直徑的辦法來增加單機(jī)功率。隨著后期國(guó)際市場(chǎng)發(fā)生能源危機(jī)，強(qiáng)調(diào)船舶運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，使大型船舶訂貨減少，加之這些超大缸徑的低速二行程柴油機(jī)，轉(zhuǎn)速在100 r/min以上，不適合大型螺旋槳最佳轉(zhuǎn)速的要求。相反，由于與中速機(jī)競(jìng)爭(zhēng)，目前低速機(jī)缸徑有縮小的趨向。

3.1.3? 提高平均有效壓力

這是近年來提高各類艦用柴油機(jī)單機(jī)功率最主要的方法。一般是通過增壓，采用高性能增壓器、兩級(jí)增壓方式和補(bǔ)燃起高增壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。二行程低速機(jī)的平均有效壓力也是不斷在提高，因而使單機(jī)功率隨之增加。

3.2? 強(qiáng)化工作過程、提高強(qiáng)化系數(shù)、提高單缸功率、減少柴油機(jī)的尺寸

這一趨勢(shì)在中、低速機(jī)的發(fā)展中尤為明顯。特別是低速柴油機(jī)，如上所述，目前并不強(qiáng)調(diào)提高單機(jī)功率，而強(qiáng)調(diào)提高單缸功率，以便減少同功率柴油機(jī)的缸數(shù)，縮短機(jī)艙長(zhǎng)度，提高船的裝載能力。同樣，對(duì)艦用中速柴油機(jī)和高速柴油機(jī)而言，也有用兩級(jí)增壓和超高增壓方式提高強(qiáng)化系數(shù)和單缸功率的趨勢(shì)。

3.3? 提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性

3.3.1? 降低燃油和滑油的耗量，對(duì)提高柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和提高艦艇續(xù)航力具有重大意義

幾十年來，柴油機(jī)耗油量有明顯下降。然而最近由于采用超高增壓，單缸功率成倍提高，每循環(huán)噴油量成倍增加，使燃燒組織較為困難，又加上為了防止最大爆發(fā)壓力過高，壓縮比降低至7～8，使熱效率下降，導(dǎo)致燃油消耗率有所上升。為此，目前正在進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究工作。此外，降低滑油的消耗量，也是歷年來很重視的問題。因滑油的價(jià)格昂貴，降低其消耗對(duì)提高柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性將起到較大作用。

3.3.2? 燃用低質(zhì)燃料是提高柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要措施

目前在低速柴油機(jī)上燒重油的問題已基本解決，正在從事燃用黏度更大的重油和在中速機(jī)上燃用重油的研究。

3.3.3? 回收廢熱能量

在船上安裝廢熱鍋爐和造水設(shè)備，以便從廢氣和冷卻水中回收熱量，很早已采用。但回收的熱量?jī)H占發(fā)動(dòng)機(jī)總功率的50%。現(xiàn)在正在研究把廢熱作為一種復(fù)合式柴油機(jī)循環(huán)的介質(zhì)，并從事除水之外的熱介質(zhì)的選定、高效率熱交換器和熱循環(huán)等方面的應(yīng)用理論研究工作。

3.3.4? 提高艦用柴油機(jī)的可靠性、耐久性，大幅度地提高使用壽命

艦用柴油機(jī)的可靠性、耐久性是保證艦艇戰(zhàn)術(shù)性能、船舶經(jīng)濟(jì)性能的重要條件，因此一直引起人們的特別重視。尤其隨著柴油機(jī)增壓壓力的提高，可靠性和耐久性顯得更為重要。這一特性與設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量密切相關(guān)。對(duì)于大型低速機(jī)正在通過適當(dāng)?shù)叵拗茊胃坠β省⒔档脱h(huán)溫度和應(yīng)力的水平、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，來提高可靠性和耐久性。在中、高速柴油機(jī)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，往往將可靠性和耐久性放在第一位，寧愿降低一些對(duì)重量和尺寸指標(biāo)的要求。

3.3.5? 艦用柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)遙控和自動(dòng)化控制

早期，為了減少船員人數(shù)，就開始從事艦用柴油機(jī)遙控和自動(dòng)化研究工作。近年來，國(guó)外柴油機(jī)遙控和自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展很快。中、小型柴油機(jī)主機(jī)駕駛臺(tái)遙控在多年前已有應(yīng)用，而大馬力主柴油機(jī)遙控是在1960年以后才開始發(fā)展。遙控內(nèi)容，包括換向、起動(dòng)和變速。早在1964年，已開始發(fā)展“機(jī)艙無人操作船”，實(shí)現(xiàn)在夜間和節(jié)假日機(jī)艙無人值班。在柴油機(jī)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮實(shí)現(xiàn)遙控和機(jī)艙自動(dòng)化的條件，如備車聯(lián)鎖、換向聯(lián)鎖、重復(fù)啟動(dòng)、緊急換向、緊急停車和自動(dòng)降速等。并應(yīng)備有測(cè)量、報(bào)警、監(jiān)視等儀表。1969年發(fā)展了采用電子計(jì)算機(jī)的所謂超自動(dòng)化船，使柴油機(jī)遙控和自控技術(shù)水平進(jìn)一步提高。目前，除了對(duì)柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)、操縱、監(jiān)督等遙控和自控研究工作之外，還從事對(duì)柴油機(jī)工況監(jiān)測(cè)的自動(dòng)調(diào)整的研究，以便選擇柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)最佳參數(shù)和及時(shí)地發(fā)現(xiàn)故障、排除故障。

艦用柴油機(jī)自動(dòng)化程度的不斷提高，不僅大幅減少了操作人員的工作量、改善了船員的工作條件，而且還提高了動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性、機(jī)動(dòng)性和操縱性，提高了艦艇的戰(zhàn)斗力，從而也提高了艦艇的自持力。因此，逐步實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)遙控和自動(dòng)化控制，已經(jīng)成為艦用柴油機(jī)必然的發(fā)展趨勢(shì)。

4? 現(xiàn)代艦用大功率柴油機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)

由于海軍艦船的發(fā)展和民用航運(yùn)事業(yè)的迅速進(jìn)步，對(duì)大功率柴油機(jī)的需求越來越高。以海軍為例，從世界各國(guó)對(duì)中、小型水面艦船動(dòng)力裝置的選型來看，柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及它們的聯(lián)合動(dòng)力裝置在逐年增加，而蒸汽動(dòng)力裝置卻在逐年減少，在中、小型艦艇動(dòng)力裝置的選型中，主要是選擇柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)或柴燃聯(lián)合動(dòng)力裝置。

艦用大功率柴油機(jī)近年來發(fā)展很快，在功率、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和壽命等方面都達(dá)到了較高水平。低速二行程大功率艦用柴油機(jī)是民用運(yùn)輸船舶的主要推進(jìn)動(dòng)力，我國(guó)海軍運(yùn)輸補(bǔ)給船也有使用。

提高功率的主要途徑是靠改變?cè)鰤杭夹g(shù)。以二級(jí)增壓機(jī)型為例，在脈沖級(jí)之后加裝定壓級(jí)，使之在熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷不變的情況下充分提升平均有效壓力。由于高增壓的研制成功，顯著提升了整機(jī)熱效率。

低速大功率柴油機(jī)現(xiàn)在普遍燃用重油，大幅降低了燃料費(fèi)用。其熱能綜合利用程度是當(dāng)前最高的，機(jī)油消耗率也是最低的。低速大功率柴油機(jī)可靠性最高、壽命長(zhǎng)，其最高壽命可達(dá)80 000～100 000 h。

4.1? 低速大功率柴油機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)

①繼續(xù)改進(jìn)增壓技術(shù)提高功率。依靠增大缸徑，研制超大缸徑型來提高功率的趨勢(shì)已處于停頓狀態(tài)。②研制低速長(zhǎng)行程的主機(jī)。為了進(jìn)一步提高推進(jìn)效率，改進(jìn)主機(jī)與螺旋槳的配合而研制了長(zhǎng)行程低速主機(jī)。③提高經(jīng)濟(jì)性。進(jìn)一步改進(jìn)掃氣增壓系統(tǒng)、燃油噴射與燃燒系統(tǒng)；進(jìn)一步綜合利用熱能，使廢熱充分有效地回收，以便進(jìn)一步降低燃油消耗率。

4.2? 中速大功率柴油機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)

近年來，發(fā)展最快的要數(shù)中速大功率柴油機(jī)，以四行程高增壓柴油機(jī)占絕大多數(shù)。與低速機(jī)相比，中速機(jī)的重量輕，相同功率條件下，重量?jī)H是低速機(jī)的25%，體積小，僅為低速機(jī)的50%；而壽命和經(jīng)濟(jì)性已與低速機(jī)很接近，如果選配適當(dāng)?shù)臏p速器也可以獲得較高的推進(jìn)效率，所以是中小型艦艇選擇的主要機(jī)型。中速大功率柴油機(jī)的壽命也比較長(zhǎng)，有些機(jī)型的使用壽命已接近低速機(jī)。中速大功率柴油機(jī)今后發(fā)展的趨勢(shì)如下。

①主要發(fā)展四行程柴油機(jī)，因?yàn)槎谐滩裼蜋C(jī)的熱負(fù)荷較大。②提高功率的途徑主要靠增大缸徑和提高平均有效壓力。目前中速機(jī)的最大缸徑已達(dá)到650 mm，再繼續(xù)增大的可能性較小，主要需解決熱負(fù)荷問題。提高平均有效壓力的主要措施是改進(jìn)增壓技術(shù)。③為了延長(zhǎng)中速機(jī)的工作壽命，活塞的平均速度不能太高。④采用低壓縮比的兩級(jí)增壓技術(shù)，可以保證在增壓比不變的條件下提高功率，而熱負(fù)荷比非兩級(jí)增壓還低。⑤采用行星齒輪減速器，使螺旋槳的轉(zhuǎn)速降低，以得到較高的推進(jìn)效率。

4.3? 高速大功率柴油機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)

高速大功率柴油機(jī)一直是我國(guó)海軍重點(diǎn)發(fā)展的機(jī)型，因?yàn)橹行⌒团炌艿襟w積重量的限制，只能選用高速大功率柴油機(jī)作為動(dòng)力源。由于輕型高速大功率柴油機(jī)的缸徑小、缸數(shù)多，具有X型星型等排列型式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且制造、安裝、維修都不方便，且造價(jià)昂貴，所以難向民用推廣。但是通用型高速大功率柴油機(jī)的開發(fā)卻成績(jī)斐然。像MTU公司推出的各種高速大功率柴油機(jī)，都是壽命長(zhǎng)、功率大、經(jīng)濟(jì)性好的機(jī)犁。現(xiàn)代高速大功率柴油機(jī)的共同特點(diǎn)如下。

①通用性強(qiáng)。它們不僅可以用于快艇、護(hù)衛(wèi)艦、小型軍艦，而且能用于內(nèi)燃機(jī)車、陸用電站，還可以用于潛艇及核動(dòng)力艦船的應(yīng)急推進(jìn)動(dòng)力等，具有廣闊的發(fā)展前途。②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。一般采用V型排列結(jié)構(gòu)，為保證機(jī)身與曲軸的剛度，其氣缸數(shù)不超過20缸。這樣也便于維修保養(yǎng)。③功率大，單位功率重量輕。

其中，高速大功率柴油機(jī)今后的發(fā)展趨勢(shì)主要如下：①主要開發(fā)四行程柴油機(jī)，其主要原因是二行程柴油機(jī)的熱負(fù)荷大，熱效率較低。②結(jié)構(gòu)型式上以簡(jiǎn)單的V型機(jī)為主，未研制星型等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的機(jī)型。③提高功率的途徑多通過適當(dāng)增加缸徑和行程來實(shí)現(xiàn)，而不會(huì)過多地增加氣缸數(shù)。④提高平均有效壓力的途徑是提高增壓度。⑤注重提高可靠性和使用壽命，而不是速度而求輕的比重量。因?yàn)榭煽啃院蛪勖苯佑绊懙脚炌У膽?zhàn)斗力和企業(yè)廠家的生產(chǎn)，是普遍關(guān)注的問題。有的甚至采取降低功率的辦法來提高使用壽命。⑥注意提高經(jīng)濟(jì)性。由于各種措施的綜合應(yīng)用，采用高增壓技術(shù)的高速大功率柴油機(jī)的熱效率已超過40%。

4.4? 有待進(jìn)一步優(yōu)化的問題

綜上所述，大功率柴油機(jī)的研制與開發(fā)已得到了長(zhǎng)足發(fā)展，將朝著大功率、高經(jīng)濟(jì)性、長(zhǎng)壽命方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)上趨于簡(jiǎn)單、緊湊，便于維護(hù)保養(yǎng)。但是，還存在許多問題有待進(jìn)一步研究解決。

4.4.1? 進(jìn)一步完善增壓技術(shù)

從柴油機(jī)的增壓技術(shù)至今，歷經(jīng)數(shù)年的發(fā)展，其技術(shù)已日臻完善，柴油機(jī)的功率和效率都因增壓技術(shù)而獲益匪淺。但是，隨著高增壓和超高增壓技術(shù)的使用，許多新的問題又突出起來有待研究解決，其主要方面如下。

①研究控制機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷的措施。隨著增壓度的提高，柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷相應(yīng)增加，給柴油機(jī)的繼續(xù)強(qiáng)化設(shè)置了障礙。在高增壓柴油機(jī)中，最高爆發(fā)壓力過高會(huì)嚴(yán)重影響柴油機(jī)的可靠性和壽命，為此應(yīng)采取適當(dāng)措施。一是降低壓縮比，雖然可以有效降低熱負(fù)荷，但又會(huì)引起柴油機(jī)的起動(dòng)困難，因此應(yīng)在進(jìn)排氣系統(tǒng)中采取補(bǔ)救措施，以保證柴油機(jī)的起動(dòng)性能。二是采用可變壓縮比活塞，這種活塞的壓縮比可以隨負(fù)荷的改變而自動(dòng)調(diào)節(jié)。這種活塞有內(nèi)外2個(gè)活塞體，兩者之間有儲(chǔ)油室，室內(nèi)機(jī)油的壓力與柴油機(jī)的負(fù)荷相對(duì)應(yīng)，負(fù)荷越高，壓力就越大，當(dāng)室內(nèi)油壓超過規(guī)定時(shí)就會(huì)自動(dòng)放掉一部分油而使內(nèi)活塞體向增大燃燒容積方向移動(dòng)，從而改變壓縮比，使其處于允許的范圍之內(nèi)。但該裝置制造要求高，其可靠性和耐用性還有待解決。三是采用兩級(jí)噴射系統(tǒng)以控制最大爆發(fā)壓力，為此可以采用改變凸輪型線、電子控制噴射裝置和變?nèi)莘e、變喉口預(yù)燃室等措施，都可有效降低最大爆發(fā)壓力。四是還可以采用改變進(jìn)排氣的正時(shí)，例如采用進(jìn)氣門在下止點(diǎn)前關(guān)閉的米勒循環(huán)、兩次排氣等措施。這些措施對(duì)降低最大爆發(fā)壓力都有不同程度的提升效果，但還有許多問題待進(jìn)一步研究解決。隨著增壓度的提高，燃燒室零部件的熱流強(qiáng)度增大，熱負(fù)荷增高。熱負(fù)荷是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改善增壓掃氣系統(tǒng)、改善燃燒過程、選擇合理的總過量空氣系數(shù)等多方面出發(fā)，并采取有效措施。②研究適應(yīng)高增壓需要的高壓比、大流量、高效率的增壓器。③研究在高增壓條件下，能量利用與能量轉(zhuǎn)換的規(guī)律及其裝置。④研究高增壓后，如何改善柴油機(jī)的低負(fù)荷性能和起動(dòng)性能。

4.4.2? 改進(jìn)燃燒及燃燒室的研究

有效的組織燃燒可以改善柴油機(jī)的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)牲能，研究適應(yīng)高增壓燃燒系統(tǒng)對(duì)降低熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷，減少噪聲與振動(dòng)，以及減少排氣污染都有著較好效果。

4.4.3? 研究適應(yīng)高強(qiáng)化要求的結(jié)構(gòu)

重點(diǎn)是對(duì)承受機(jī)械負(fù)荷與熱負(fù)荷較大的燃燒室組件和傳遞動(dòng)力組件的研究，它們對(duì)保證柴油機(jī)工作的可靠性和耐久性起著決定性的作用。比如當(dāng)前設(shè)計(jì)的對(duì)受熱部件進(jìn)行強(qiáng)背式鉆孔冷卻的結(jié)構(gòu)很有效益。

4.4.4? 開發(fā)新型熱力發(fā)動(dòng)機(jī)

①對(duì)絕熱陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，正出現(xiàn)新的熱潮。②對(duì)旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的研制與應(yīng)用正在取得新的成果。③智能型柴油機(jī)的研究已經(jīng)取得重大成果。④斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用正在取得新的進(jìn)展。⑤斜盤發(fā)動(dòng)機(jī)和其他新型發(fā)動(dòng)機(jī)還在不斷涌現(xiàn)[7]。

5? 總結(jié)及展望

自德國(guó)工程師魯?shù)婪颉さ屹悹枺≧udolf Diesel）在1892年獲得柴油機(jī)的發(fā)明專利權(quán)以來，發(fā)展歷程超過一個(gè)世紀(jì)，機(jī)組性能得到了不斷改進(jìn)，工作的可靠性和壽命也在不斷提高，現(xiàn)已達(dá)到相當(dāng)完善的程度。因此，柴油機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和艦船上獲得了廣泛的應(yīng)用[8-9]。

柴油機(jī)在各種類型軍民船舶中應(yīng)用極為廣泛。中小型運(yùn)輸船、工程船及漁輪中柴油機(jī)的應(yīng)用更為普遍。在艦艇中，雖然近年來燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展在一定范圍內(nèi)取代了柴油機(jī)，但在中、小型戰(zhàn)斗艦艇中，柴油機(jī)因其經(jīng)濟(jì)性較好以及其他原因，仍被廣泛采用。大量軍用輔助艦船中，柴油機(jī)更是主要?jiǎng)恿Α?/p>

因此，大力發(fā)展柴油機(jī)制造工業(yè)和不斷提高艦用柴油機(jī)性能和技術(shù)水平[10]，是建設(shè)強(qiáng)大海軍和開發(fā)海洋資源的一項(xiàng)重要措施。隨著技術(shù)的逐步完善，柴油機(jī)將在軍用艦艇上發(fā)揮更重要的作用[11]。

參考文獻(xiàn)：

[1] 伍賽特.艦船柴-燃聯(lián)合動(dòng)力裝置技術(shù)要求及應(yīng)用前景研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2020，56（11）：1-4.

[2] 張雨林.某主機(jī)缸蓋墊片被吹出原因分析[J].航海技術(shù)，2018（5）：53-55.

[3] 伍賽特.船舶綜合電力推進(jìn)技術(shù)研究及展望[J].傳動(dòng)技術(shù)，2019，33（4）：24-29.

[4] 伍賽特.艦船聯(lián)合動(dòng)力裝置技術(shù)特點(diǎn)研究及未來趨勢(shì)展望[J].傳動(dòng)技術(shù)，2021，35（2）：40-48.

[5] 安士杰，陳國(guó)鈞，常漢寶.水面艦艇主動(dòng)力裝置發(fā)展展望[J].武漢造船，2000（2）：11-13.

[6] 伍賽特.機(jī)車電傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)及未來發(fā)展趨勢(shì)研究[J].傳動(dòng)技術(shù)，2021，35（3）：43-48.

[7] 伍賽特.潛艇AIP系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)及其未來應(yīng)用前景研究[J].傳動(dòng)技術(shù)，2020，34（4）：40-48.

[8] 常漢寶.艦用大功率柴油機(jī)低負(fù)荷性能研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2004.

[9] 陳新傳，陳華清，安衛(wèi).國(guó)外艦用柴油機(jī)的發(fā)展及啟示[J].柴油機(jī)，2003（6）：6-9.

[10] 黃根法，黃晨.現(xiàn)代艦用柴油機(jī)的新技術(shù)[J].內(nèi)燃機(jī)，2007（5）：22-23.

[11] 陳華清.對(duì)自主研發(fā)艦船柴油機(jī)的幾點(diǎn)思考[J].柴油機(jī)，2015，37（5）：1-5+45.