1 船用柴油機的技術現狀及發展歷程

1.1國外船用柴油機的發展歷程

任何一門科學技術的發展，總是與社會生產力的需要和當時科學的發展水平相適應的。18世紀初，英國資本主義的發展促進了蒸汽機的發明，并由此開始了第一次工業革命，推動了生產力的發展。隨著生產力的發展，蒸汽機熱效率低以及過于笨重的問題越來越突出，已不能適應社會生產力的發展要求，因此產生了對新型動力機械的需求。

1876年，德國人奧托（Otto）第一次提出了四沖程循環（即進氣、壓縮、膨脹、排氣）原理，并發明了電點火的四沖程煤氣機。該煤氣機運轉平穩，熱效率可高達14%在當時曾得到普遍使用。在1880年英國的 D.Clerk和J.Robson以及德國人 BEnz等，成功地開發了二沖程內燃機。1893年德國工程師 Rudolf Diesel申請了壓縮發火內燃機專利，并于1897年在MAN公司成功研制出第一臺使用液體燃料的內燃機（壓燃式、空氣噴射、定壓燃燒），其效率比煤氣機提高了近一倍。內燃機的問世，是繼蒸汽機之后發動機發展史上的又一個里程碑，為現代工業的發展奠定了基礎。柴油機由于其熱效率高的固有優勢，在它問世之后，就被應用于船舶運輸業，對20世紀船舶運輸業的發展起到了重要作用。

1.1.1船用柴油機發展的第一階段

船用柴油機發展的第一階段是從20世紀初至40年代。這一階段是船用柴油機的初步發展期，盡管從1903年開始已經將柴油機用于船舶推進裝置，但柴油機動力裝置真正具有里程碑意義的是下列幾艘船舶：最早的沿海柴油機船“ Romagna”輪，1910年下水，噸位為678總噸，它使用了兩臺“ Sulzer”公司生產的氣口掃氣二沖程柴油機（缸徑310 mm，行程460 mm），額定功率280 kW，轉速250 r/min；世界上第一艘遠洋柴油機船“ Selandia”輪，1912年投入營運，噸位為7 400總噸，它裝備了兩臺B&W公司生產的DM8150X柴油機（缸徑530 mm，行程730 mm），額定功率90 kW，轉速140 r/min；第一艘安裝二沖程十字頭式柴油機的“Monte Penedo”輪，1912年投入營運，噸位為6500總噸，它裝備了兩臺 Sulzer公司生產的4s47柴油機（缸徑470 mm，行程680 mm），額定功率為625 kW，轉速160 r/min；第一艘由柴油機推進的大型客船“Aoyagi”輪，1924年投入營運，噸位為17 490總噸，它裝備了四臺 Sulzer公司生產的6ST70柴油機（缸徑700 mm，行程990 mm），總功率9 560 kW，轉速為127 r/min，該船舶的下水和投入營運打破了當時有關柴油機動力裝置不能用于大型船舶推進的偏見。

這一階段，在船舶領域，蒸汽機與柴油機并存，并在相互競爭中發展。但隨著柴油機技術的不斷發展及其產品性能的不斷提高，柴油機逐漸取代了蒸汽機，20世紀40年代以后，新建商船已經很少有蒸汽機船了。某在船用柴油機發展的第一階段里，柴油機在自身逐步完善中有了很大發展，其中最關鍵的技術是無氣噴射技術。狄賽爾（Diesel）發明的柴油機是一種空氣噴射式發動機，它需要用高壓空氣將燃油噴入柴油機的燃燒室并將其霧化。這種噴射和霧化方式存在很多問題：一是需要由柴油機帶動兩級式的壓縮機以產生高壓空氣，使得柴油機在結構上非常笨重；二是噴射空氣的壓力不夠高，僅僅略高于柴油機的壓縮壓力，因而燃油的噴射和霧化效果不佳，進而影響柴油機的燃燒過程；三是耗能高，帶動空氣壓縮機大約需要消耗15%的柴油機功率。因此，在柴油機發明不久，就有許多研究人員致力于解決這一問題。1910年前后，英國Viickers公司的 McKechnie將機械式高壓燃料噴射技術引入大型柴油機；1915年，McKechnie開發和試驗了可運行的直接噴射式柴油機；1927年 R.Bosch生產出性能可靠的高壓噴油泵，并在柴油機上正式使用，這是柴油機技術發展的一個突破性進步。噴油設備的改進使柴油機有了突飛猛進的發展，并廣泛用于車輛、船舶等運輸機械中，這一基本原理一直沿用至今。

增壓技術也是在這一階段中發展起來的。1905年瑞士人Alfred Buechi提出了廢氣渦輪增壓的專利。但在早期主要采用的是機械增壓，目的是為了獲得足夠的掃氣空氣，基本上釆用往復泵和羅茨泵等形式，第一臺廢氣渦輪增壓柴油機由MAN公司于1927年生產，其安裝的增壓器由 Brown boveri公司（BBC）生產，增壓比為1.3。采用增壓技術將該柴油機（缸徑540 mm，行程600 mm）的功率由1 250 kW（240 r/min）提高到1 765 kW（275 r/min），當時由于增壓器制造水平的限制，這臺增壓器的體積龐大、笨重，此項技術未能迅速推廣。

1.1.2船用柴油機發展的第二階段

船用柴油機發展的第二階段是從20世紀40年代至70年代。第二次世界大戰之后，由于全球經濟的迅速發展，對船舶運輸業的要求不斷增長。由于在這一階段船舶一直向大型化及高速化方向發展，對船舶推進裝置提出了新的要求，因柴油機動力裝置的突出優點，使得柴油機在船舶動力裝置中取得了明顯的壓倒優勢。

這一時期是船用低速柴油機發展的黃金時期，其主要特征是向大缸徑、大功率方向發展，以提高增壓程度和加大氣缸排量作為提高單缸功率的主要措施。加大氣缸排量的主要手段是加大氣缸直徑，1956年最大氣缸直徑為740～760 mm，1960年最大氣缸直徑為840～900 mm，1965年最大氣缸直徑為930 mm，到1970年最大氣缸直徑達到了1 060 mm其相應的單缸功率1956年為900～1 030 kW，1960年為1 540～1 700 kW，1965年為2 000 kW，1970年為3 000 kW，1977年已達到3 400 kW。

在這一階段，船用柴油機發展的主要技術特征是廢氣渦輪增壓技術的成熟和普及。隨著生產和技術的發展，廢氣渦輪增壓器的設計和制造水平不斷提高，廢氣渦輪增壓器的性能得到改善，質量減輕，體積減小，使它能作為一個附件裝在柴油機上。20世紀40年代，生產廢氣渦輪增壓器的技術逐步成熟起來。1946年，瑞士BBC公司開始生產VTR軸流式渦輪增壓器系列。廢氣渦輪增壓技術在船用二沖程柴油機上的成功使用，使得船用柴油機的功率大大提高，是船用低速柴油機發展中的重要里程碑。國外稱這一時期是船用低速柴油機的第一次飛躍。船用柴油機在此期間還完成了大缸徑、焊接結構以及使用劣質燃油等重大技術成果，并逐步形成了多個船用低速柴油機系列。

1.1.3船用柴油機發展的第三階段

船用柴油機發展的第三階段是從20世紀70年代開始至90年代末。70年代的兩次石油危機誘發了世界范圍內的能源危機。1973年石油漲價三倍，石油產品價格大幅度上漲使船用柴油機的燃油費用支出一躍占總營運成本的40%～50%降低柴油機的燃油支出費用，提高柴油機的經濟性已成為第一要求。此外，蘇伊士運河的通航也使得對大型船舶的需求量減少。這一階段著重于改進增壓技術以提高柴油機的單機功率并降低比質量，提高柴油機的經濟性和可靠性等。

這一階段的最主要特征是各船用柴油機廠之間開始進行大規模地淘汰、調整和重新組合。柴油機技術不斷趨于完善而柴油機的機型在逐漸減少。船用低速柴油機從以前的八個品牌（由八大船用柴油機制造廠生產）減少到三個。首先是瑞典的 Gotaverken公司停產了自己的GV系列而改為生產丹麥B&W公司的KGF系列；英國的 Doxford公司停產了自己的76J系列而改為生產德國MAN公司的KSZ系列；對整個船用柴油機行業影響最大的是20世紀80年代初MAN公司和B&W公司的合并以及90年代 Wartsil公司和 Sulzer的合并。船用柴油機制造公司的合并與重組導致柴油機機型的減少和系列的完備。在世界范圍內，大型低速柴油機只有MANB&W的MC系列柴油機和 Wartsila公司的 Sulzer rta系列柴油機。

這一階段的第二個特征是節能技術研究和發展。在20世紀70年代末到90年代，各類節能型柴油機大量出現，機型更新周期大大縮短（甚至僅為2～3年），各類柴油機均采用各種節能措施降低油耗率，努力提高柴油機的有效熱效率；同時，由于供給船用柴油機的燃油質量日益低劣，使得船用柴油機在使用劣質燃油的技術上又有了新的發展。目前，現代船用低速柴油機的油耗率已降低到0.155～0.160 kg/（kW·h），有效熱效率可高達55%。船用柴油機的節能不僅僅在于提高柴油機本身的熱效率，更著重提高柴油機動力裝置的整體效率，也就是提高螺旋槳的推進效率。值得一提的是，1975年11月丹麥B&W公司在60000散貨船“帕納馬克斯號上的改進研究：在航速保持16 kn不變的情況下，將螺旋槳直徑由6.35 m加大到9m，通過增加減速裝置使螺旋槳轉速由原來的140 r/min降低到5 r/min，達到了節約燃油30%以上的效果。這一研究成果引起了造船界的高度重視，降低柴油機轉速、提高推進效率成為當時低速柴油機的發展趨勢。這就導致了長行程以及超長行程低速柴油機的研制。根據散貨船、油船和集裝箱船對推進裝置的不同要求，目前已形成了普通行程、長行程和超長行程的完備的柴油機系列在柴油機節能技術的發展的同時，柴油機的可靠性（在規定的使用期間按規定的負荷運轉，不因故障而停車或降功率使用的能力）也有了長足的發展。各種先進技術（如材料、加工、結構等）和制造工藝的運用大大提高了船用柴油機的可靠性。船用低速柴油機的吊缸周期已從60年代的5 000～6 000 h提高到8 000～12 000 h，甚至高達2 000 h以上。在此期間船用二沖程低速柴油機的氣缸排量沒有進一步提高，氣缸直徑基本保持在500～980 mm，柴油機功率的提高主要依賴于增壓技術的改進和柴油機強化程度的提高。此外，針對日益興起的四沖程中速柴油機的競爭，開發了一系列小缸徑（260 mm，350 mm）的低速柴油機。

1.1.4船用柴油機發展的第四階段

船用柴油機發展的第四階段是從21世紀初開始，其特征：一是電子控制在船用柴油機上的應用，實現了柴油機控制和管理的電子化、信息化和智能化；二是對柴油機有害排放的控制。現代船用柴油機控制與操縱自動化，即對船用柴油機及其附屬設備進行自動控制及自動監視由來已久。20世紀60年代初曾進行在控制室內對主機集中控制與集中監視；70年代電子技術開始在柴油機上使用；80年代柴油機的電子控制技術已有了很大發展，除可監視柴油機的運行工況外，還可保持柴油機各運行參數的最佳值，以求得柴油機功率、燃油消耗率和其他有關性能的最佳平衡，并由此發展了對柴油機的故障診斷、未來趨勢預報等技術，把柴油機的管理技術提高到一個嶄新的水平。

電子控制式船用柴油機最典型的機型是 Wartsila公司在2000年推出的 Sulzer rt-flex全電子控制的智能型柴油機。該柴油機取消了凸輪軸傳動齒輪、凸輪軸、燃油噴射泵、氣閥控制機構及換向伺服器等設備，而將電子設備及其軟件應用于船用柴油機并成為船用柴油機的基本組成部分。柴油機的所有主要功能如燃油噴射、排氣閥驅動、柴油機的起動和氣缸潤滑都是全電子控制的。發動機的管理采用DENS模塊和 MAPEX監控與維護專家系統，不僅可以對柴油機的工作性能進行優化，而且可以檢測柴油機的關鍵數據，并對這些數據進行智能化分析，以及實現利用專家知識在船評估和通過衛星通信全面支持數據儲存和傳輸。MANB&W公司也在2003年推出了ME系列電控柴油機，并開始裝船使用；同時，日本三菱公司也與 Wartsila公司合作開發了LSE系列電控柴油機。隨著全球經濟的發展，現代工業造成環境污染受到了廣泛關注，為限制和控制船舶向大氣排放有害物質，國際海事組織（MO）1997年召開了防止大氣污染締約國外交大會，通過了修訂《73/78國際防止船舶造成污染公約》（MARPOL公約）的1997年議定書。該議定書新增了《73/78國際防止船舶造成污染公約》附則Ⅵ“防止船舶造成大氣污染規則”，要求對2000年1月1日或以后建造的船上安裝的船用柴油機有害排放進行控制。2008年10月，國際海事組織（IMO）海洋環境保護委員會（MEC）對 MARPOL公約附則VI重新進行了修訂，對于船舶的廢氣排放提出了更嚴格的要求。國際海事組織和世界各國對船用柴油機有害排放的控制內容主要包括氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）、微粒物質（PM）和溫室氣體（CO2）

為了滿足國際海事組織和世界各國日益嚴格的排放法規要求并獲得相應的證書，必須控制船用柴油機的排放，這已成為當前船用柴油機發展的中心任務，使得船用柴油機在燃料使用、燃燒方式、噴油設備等方面發生了重大變化，并對船用柴油機的發展產生了重大影響。在船用低速二沖程柴油機發展的同時，大功率四沖程柴油機自20世紀50年代開始也得到了穩步發展，至今已經歷五代機型。它的最大優點是質量輕、尺寸小，可通過選用減速齒輪箱達到最佳的螺旋槳轉速。在工作可靠性、使用壽命、經濟性及對劣質燃油的適應性方面均有明顯改進，基本上達到了與低速機相近的水平。近年建造的總噸位2 000總噸以上船舶中，使用中速機做主機的船舶數量達到了35%～40%，裝機功率也達到了裝機總功率的20%左右。

1.2國內柴油機的發展歷程

我國是后期的低速船用柴油機生產大國，船舶低速柴油機的發展基本可以分為三個階段。第一階段是在20世紀50年代至70年代末期。由于當時的國際、國內環境，船用柴油機的發展立足于自主研發。我國對低速二沖程柴油機研制始于1958年，曾經研制并生產了ES/DZ43/82ES/DZ58/100、ES/DZ76160等機型，填補了我國大功率低速柴油機的空白，并在國產的沿海和遠洋船舶上使用。

20世紀70年代末至2005年是我國船用柴油機發展的第二個階段。改革開放以來，逐步開始引進 Sulzer、MANB&W公司的專利進行生產，船用柴油機的生產技術和生產能力有了快速增長。這一階段在引進國外先進技術的同時，沒能重視和開發自主品牌的產品，導致國產低速機品牌從此消失，應該說是一個重大的損失。

自20世紀80年代初到90年代中期，國產主機裝船率呈上升趨勢。1982年，國產柴油機的裝船率僅為25%，大部分是從日本進口。以后幾年，隨著國產柴油主機生產能力的提高，國產主機的裝船比例迅速上升，由1983年的35%提高到1984年的51%和1985年的80%，到1994年為止，國產主機比例大致保持80%上下。到了21世紀初，由于主機生產跟不上造船業的快速發展，國產主機比例持續下降。在2002～2004年，我國造船產量大幅度攀升，盡管國產主機產量也在快速增長，但是國產主機裝船率卻不斷下降，2002年降至56%，2003年進一步跌至45%，2004年更低，22 000 kW以上的船用柴油機幾乎都要外購。據英國克拉克松研究公司報告，2015年我國造船完工量1286萬修正載重噸，新承接船舶訂單1 025萬修正載重噸，手持船舶訂單3 987萬修正載重噸，分別占世界市場份額的35.1%、30.3%和36.5%，均位居世界第一。這更加突出了我國造機能力不足的問題。

2005年以后是我國船用柴油機發展的第三個階段。為了解決我國船用柴油機行業存在的產能較弱的問題，國家從政策、資金等各個方面對造機行業進行了扶持，同時對柴油機曲軸等配套行業也有較大的投入。2005～2008年，船用低速柴油機的制造出現了快速增長的勢頭。

2005年前，規模較大的船用低速柴油機生產企業只滬東重機、大連船用柴油機廠和宜昌船用柴油機廠三家，目前已發展到1.家企業。截至2016年年底，滬東重機、大連船用柴油機廠等

企業已進入世界十大造機企業行列。然而不可回避的是，我國在專利生產方面依舊存在諸多短板。我國在船舶發動機領域起步晚、底子薄，缺少先進的理論基礎和實際數據的積累，而且在生產制造過程中又受制于工藝、材料等多種因素的制約，所以在研發方面存在不足，關鍵零部件的性能也存在較大差距。

2016年12月26日，由中船動力研究院有限公司（中國船舶工業集團公司，簡稱“中船集團”下屬子公司）自主研發、制造的大功率小缸徑船用低速柴油機6EX340EF順利通過中國船級社（CCS）形式認可試驗。作為中船動力研究院自主研發的大功率小缸徑船用低速柴油機，6EX340EF填補了自主品牌二沖程低速柴油機領域的空白。EX340系列超長沖程低速柴油機缸徑為340 mm，沖程達1 600 mm，轉速為144～169 r/min，采用高強度緊湊設計，技術指標先進，設計單缸功率達920 kW。該型主機采用高效、高壓比渦輪增壓器和高壓共軌燃油系統，優化了燃燒過程，提高了熱效率；采用模塊化電控燃油系統及集成式伺服油系統設計，以及單貫穿螺栓、單主軸承螺栓等多項易維護性設計；采用高強度結構設計，整機具有良好的振動、噪聲特性。同時，該型主機滿足國際海事組織（IMO）Tier II排放要求，配置選擇性催化還原（SCR）系統等后處理裝置后，可滿足 MO Tier III排放要求

中船動力研究院推出的另一型自主品牌1 000 kW級功率中速機12MV390，是我國新一代趕超世界最新水平的自主品牌大功率中速柴油機，該機同樣采用了國際最先進的電控及燃油共軌系統，具備適用范圍廣、可靠性高、大修期長和維修便捷等多種優良特性，關鍵指標趕超了同等缸徑范圍中速柴油機的國際先進技術水平。它的誕生正式開啟了我國大功率中速機的自主發展之路。

2 船用柴油機的現狀及技術水平

2.1船舶低速柴油機

船用低速柴油機制造商目前只有德國的 MAN Diesel& Turbo公司（2010年MAN集團完成 MAN Diesel se和 MAN Turbo AG公司的合并成立）、芬蘭的Wrti公司和日本的三菱公司。盡管每年各公司所占市場份額略有變化，但根據近年來的統計，MAN Diesel& Turbo公司約占80%， Wartsila公司約占18%，而日本三菱公司僅約占2%。可以說在世界船用柴油機行業中，歐洲的品牌一統天下， MAN Diesel&Tubo和 Wartsila兩大品牌的市場份額合計高達98%。

世界船舶低速柴油機的研發中心在歐洲，制造中心在東亞。2010年， MAN Diesel& Turbo公司終止了其在丹麥工廠的低速機的生產， MAN Diesel&TubO公司和 Wartsil公司目前均已不再生產低速機。船用低速柴油機基本采用專利許可證授權的方式，由世界其他國家的造機企業從事許可證生產。

韓國、日本、中國是目前世界上主要的船用低速柴油機生產國，三個國家船用低速柴油機的產量占世界總產量的90%以上，但基本沒有自己的品牌。韓國是當前居世界第一的造船和造機大國，擁有現代重工、斗山發動機、STX等大型企業，其低速柴油機的產量約占世界總產量的50%（按功率計），全部屬于許可證生產。日本低速柴油機生產是從20世紀20年代引進Suer和B&W柴油機起步的，在大量生產專利機的同時，于50年代成功研發了自主品牌的船用低速機三菱UE型機，并于20世紀50年代中期成為世界第一造船大國，70年代中期成為世界第一大造機大國，但近年來在世界造船和造機市場的份額都有所下降，其自主品牌的三菱低速機只占全球市場約2%且僅限于日本國內。中國船用柴油機行業經過三十多年的發展，目前的生產規模和日本相當，但仍存在著產業集中度低、配套能力不足、技術壓力大、對性能和質量要求較高的大缸徑柴油機生產能力不足等問題。

近年來， MAN Diesel& Turbo公司成功地開發了SME-B系列和GME系列柴油， Wartsila公司也開發了X系列低速柴油機。從上述參數可以看出，目前新型船用低速柴油機的活塞平均速度為83～915 m/s，平均有效壓力高達20～22MPa，最大燃燒壓力達15～16MPa，燃油消耗率約為170g/（kW·h），其動力性和經濟性已經達到了相當高的水平。超長行程柴油機的S/D值都已達到4.1～4.65。

2.2船舶中速柴油機

船用中速柴油機轉速為350～1 200 r/min，大多為四沖程機，其體積較小，質量輕，制動速度快。大功率中速機主要用于客運班輪、作業船、滾裝船等。近年來，中速機在開發大缸徑、提高整機功率方面做了大量工作，并在燃用劣質燃油、降低油耗、提高零部件的可靠性、提高使用壽命及高增壓等方面取得顯著成效。目前雖然生產廠家較多，主要集中于 Wartsila、MAN Diesel& Turbo、 Caterpillar（Mak）等幾家公司， wartsila、 MAN Diesel&Tubo（SEMT

Pielstick皮爾斯蒂克已經并入MAN）在中速機方面同樣走在世界最前沿。根據最新的報告顯示，世界中速柴油機市場規模為每年750萬馬力。據 Wartsila公司2012年年度報告， Wartsila

公司的中速機市場份額為47%， MAN Diesel& Turbo公司為23%， Caterpillar公司為5%，其他公司的總和為25%中、低速船用柴油機一直以來都大量運用于船舶電站，為船上的各類設備提供電力，并開始在日漸繁榮的船舶電力推進中得到廣泛應用。

我國的船用中速柴油機的生產在近年內也有較大的發展。通過自主研發和技術引進，缸徑為150～350 mm的船用中速機從單缸強化程度到整機功率都有很大的提高。我國目前生產的中速機的機型中，引進的機型很多，主要包括洋馬、大發、 Sulzer、MANB&W和MTU等多家公司的產品。這些產品的引進縮小了國產柴油機與國外的產品的差距，基本滿足了國內造船業對中速機的要求。但也要看到，某些引進產品已趨于老化，市場競爭力逐步減弱。

3 船用柴油機的技術發展趨勢

3.1 總體概述

21世紀是一個挑戰與機遇并存的世紀，其中能源與環境則是人類面臨的最嚴峻的問題。能源資源儲量有限，而能源消耗量卻逐年增加，資源耗竭的危險正逐步逼近，這種危機感已成人們的共識；環境污染日趨惡化，嚴重地制約了經濟的發展，已危及人類自身的生存。人類面臨的能源與環境問題同樣是船用柴油機面臨的挑戰，石油產品是船用柴油機的主要燃料，而柴油機的排放則是大氣污染的重要污染源。1997年，國際海事組織《MARPOL（73/78）公約》的新增附則VI：防止船舶造成大氣污染規則，對船舶主機排放提出更嚴格的限制。特別是硫氧化物排放控制區（SECA）設立：波羅的海、北海、北美、美國加勒比海四個區域（2006年5月強制實施）、氮氧化物排放控區的設立：北美和加勒比海兩個氮氧化物排放控區（2016年1月1日強制實施）、波羅的海和北海兩個氮氧化物排放控區（2021年1月1日強制實施）；以及2017年1月1日在中國珠三角、長三角、環渤海（京津冀）水域設立的排放控制區相關實施方案的生效。在這個大環境下，排放控制和節能成了當前船用柴油機發展的主要影響因素。

船用柴油機經過了一百多年的發展，盡管現代船用柴油機已經發展到一個很高的技術水平，柴油機的技術已趨完善，但隨著生產力的發展，特別是在能源與環境問題的雙重壓力之下，將會對船用柴油機提出更高的要求，船用柴油機將得到繼續發展和改進。從目前的情況看，柴油機動力裝置在民用船舶上占統治地位這一狀況不會發生變化。大型低速二沖程柴油機仍將是散貨船、油船和集裝箱船的主要動力裝置。世界主要的柴油機生產商都已形成了普通行程、長行程和超長行程等不同系列的機型，如 Wartsil公司的RTA和 RT-flex的U、T和C系列柴油機和新開發的X系列柴油機， MAN Diesel&Tubo公司的MC和ME的K、L、S和G系列柴油機。各種機型氣缸尺寸大中小完備，功率范圍齊全，足以滿足不同類型船舶對動力裝置的需求。電子控制技術在柴油機上的成功應用，使電控柴油機逐步取代機械控制成為當前的主流機型。柴油機控制和管理的電子化、信息化和智能化，也促使柴油機性能全面提高。而大型客船、客滾船和滾裝船發展及柴油機電力推進技術的推廣應用，促進了大功率中速柴油機的開發。

當前船用柴油機發展的基本目標仍然是低排放、低能耗、可靠、強化和大功率，也可以概括為：在滿足排放法規的前提下，兼顧節能與可靠性的要求，全面提高柴油機性能。根據此發展目標，今后船用柴油機的研究和發展趨勢仍然表現在下列幾個方面。

（1）降低船用柴油機排放的研究。排放控制是船用柴油機在21世紀面臨的最嚴峻挑戰，也是船用柴油機發展要解決的中心任務。隨著對船用柴油機排放控制法規日益嚴格，如何來滿足排放法規的要求，將是船用柴油機發展中的新課題。

（2）進一步提高船用柴油機的經濟性。

（3）船用柴油機電子控制技術的不斷完善。柴油機電子控制技術是計算機技術成功地應用于傳統機械產品的又一范例，通過對調節和控制精度的提高，使柴油機從動力性、經濟性、可靠性以及排放等綜合性能方面得以全面提高，給柴油機帶來了革命性的變化。電控柴油機正逐步取代傳統的機械控制柴油機。

（4）LNG燃料在船舶上的應用。

（5）進一步提高船用柴油機的強化程度及柴油機的單缸和單機功率。

（6）改進船用柴油機的結構，提高可靠性與耐久性的研究。

3.2降低船用柴油機排放的研究

大量礦物燃料的使用已經造成了臭氧層空洞、酸雨以及全球氣候變暖等局部和全球性的環境污染問題。盡管海運是能源效率最高的運輸方式，但由于船用柴油機個體龐大，排放總量巨大，使得船用柴油機排放成為大氣污染的重要污染源。控制船用柴油機的排放是柴油機在21世紀面臨的最嚴峻挑戰。隨著船用柴油機排放控制法規的日益嚴格，在提高柴油機的動力性、經濟性的同時如何滿足排放法規的要求，成為船用柴油機發展中的新課題。對船用柴油機排放的控制主要是對柴油機排放中的氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）、溫室氣體（CO2）和微粒物質（PM）的控制。

溫室氣體（CO2）的控制方面。2011年7月，在國際海事局組織（MO）海洋環境保護委員會（MEPC）第62次會議上，通過了對 MARPOL公約附則Ⅵ新的修正案。這是個強制性的國際航行船舶溫室氣體（GHCs）減排法規，已于2013年1月1日強制實施。該修正案新增了“船舶能效規則”，要求新造船舶應滿足“船舶能效設計指數（EED I）”和“船舶能效管理計劃（SEEMP）”的要求，并獲得主管機關簽發的“國際能效證書”（EC）。國際海事組織設立能效指標是試圖在2010～2018年期間逐步降低船舶動力裝置平均CO2排放值，達到目前排放值的70%。此外，歐盟、美國等也頒布了自己的一系列環保法規。這些法規的頒布和實施，對船用柴油機的發展產生了重大影響。這使控制船用柴油機排放，滿足排放法規要求并獲得相應的證書，成為當前船用柴油機發展的中心任務。圍繞如何滿足各種排放法規的要求將在船舶設計、新能源技術、配套設備應用等方面進行一系列的研究工作，使得船用柴油機在機器結構、運轉工況、燃料使用、燃燒方式、噴油設備等方面發生相應的變化。目前采用的主要措施有：

（1）廢氣再循環（EGR）技術；

（2）進氣加濕和噴水技術；

（3）燃油噴射的控制和改進；

（4）米勒循環

（5）廢氣催化轉化（SCR）技術；

（6）使用低硫燃油和廢氣水洗技術；

（7）控制主機轉速和船舶航速

（8）使用LNG燃料

上述各項措施中，有些技術只針對某種有害排放的，有些則可以全面改善柴油機的排放。

3.3 提高船用柴油機經濟性的策略

提高船用柴油機的經濟性和控制船用柴油機的CO2排放是基本一致的。提高船用柴油機的經濟性就是柴油機發出同樣的功率可以使用更少的燃油，這也意味著CO2排放的降低。由于降低CO2排放相當于降低燃油消耗率，這就意味著對于未來船舶，每航次要減少30%的燃油消耗量。提高船用柴油機的經濟性是實現降低能效設計指標的主要手段之一。提高船用柴油機的經濟性的研究主要包括燃燒、增壓、低摩擦、低磨損等方面。現代船用大型低速柴油機近十多年在提高經濟性方面取得的成效超過了過去幾十年，各種節能措施相繼出現并日趨完善。這些措施主要如下所示。

3.3.1增大行程缸徑比S/D和降低柴油機的轉速

增大行程缸徑比S/D的主要目的是在保持活塞平均速度不變的情況下大幅度降低柴油機的轉速，以提高螺旋槳的推進效率，從而提高動力裝置的總功率。如果選用較大直徑的螺旋槳，則可以在維持船舶航速不變的情況下降低主機功率。S/D的增加，也使得柴油機的壓縮比增加，根據理論循環的結論，壓縮比的提高會使柴油機本身的經濟性有所提高。同時，由于氣缸行程的增加，也使得柴油機的單缸功率隨之提高。提高柴油機的S/D值，是自石油危機以來提高船用柴油機動力裝置經濟性的重要措施。

20世紀70年代末期，二沖程低速柴油機的S/D值一般在2左右，但自70年代末期開始，S/D的增大速度很快，并逐步開發了低速柴油機的長行程和超長行程柴油機系列。目前，Wartsila公司最新開發的X系列柴油機的S/D值已達到了443，而 MAN Diesel& Turbo公司最新研制的GME系列柴油機的S/D值甚至達到465。S/D的增加，使柴油機的轉速大大降低，超長行程的柴油機轉速一般為7 080 r/min，配槳轉速最低達到57r/min。然而，增大S/D使柴油機結構復雜，造價增加，因而S/D的增加是有限度的。

3.3.2提高最高爆發壓力Pz與平均有效壓力Pe之比Pz/Pe

柴油機的理論循環研究與實踐證實，提高Pz/Pe可顯著降低燃油消耗率。當Pz/Pe從7.8提升到12，油耗率可降低達12g/（kW·h）因而，現代船用柴油機均采用這種措施降低油耗。但是，大幅度提高Pz是十分困難的，它受到了柴油機負荷的限制，必須同時采取相應措施保證柴油機的可靠性。因而從20世紀60年代到70年代中期，船用柴油機的Pz雖然逐步增加，但增加幅度不大（在近20年內Pz僅提高約2.5 MPa）。從70年代中期到80年代中期，柴油機的Pz值有了大幅度增長（增加約5 MPa）。目前有些低速柴油機的Pz已達16 MPa，甚至18 MPa，而船用中速油機Pz則達到23 MPa。在保持Pz不變時降低Pe值同樣可降低油耗率，這也是目前廣泛采用的節能措施。

3.3.3采用定壓渦輪增壓系統和高效率廢氣渦輪增壓器

在高增壓柴油機上采用定壓渦輪增壓系統代替脈沖渦輪增壓系統是現代柴油機的一大顯著特點，同時也有利于提高增壓器的效率和功率。新型高效渦輪增壓器的發展和使用，使增壓器效率由20世紀60年代的50%～60%提高到70%～76%，由此顯著降低了柴油機的燃油消耗率。

為了使柴油機在全部負荷和速度范圍內都能處于最優狀態，新型高效渦輪增壓系統中還設置了渦輪增壓器切斷裝置或變噴嘴環增壓器，當柴油機在低負荷下工作的時候，對裝有多個渦輪增壓器的大型柴油機，可自動中止其中一個增壓器的工作，從而提升其他增壓器的性能，對只裝有一個增壓器的柴油機，則可以通過可變噴嘴環（VTA）的技術，保證增壓器的高效工作。

3.3.4改進噴射與燃燒技術

改進噴射與燃燒技術一直是船用柴油機的重大研究課題之一。對于這一技術的研究主要有如下幾個方面：

一是提高噴油壓力。其主要目的是縮短噴射持續期，改善霧化質量，提高燃燒效率。這需要采取措施，優化噴射系統結構以提高霧化質量。目前高壓噴射系統的嘖射壓力已達到100～180 MPa。

二是優化噴油定時。前文提到，提高最高爆發壓力Pz與平均有效壓力Pe之比Pz/Pe可以提高柴油機的經濟性。當柴油機在部分負荷運轉時，如能使最高爆發壓力Pz保持在標定值不變，就會使Pz與Pe的比值變大，燃油消耗減少。這需要在柴油機負荷變化時自動調整其噴油提前角，在機械控制的條件下，通過VIT機構實現，電控柴油機對噴油定時的控制會更加精確。

三是對噴油設備的改造。如在MAN柴油機上使用的滑閥式噴油器可以大幅度提高低負荷下的經濟性。

3.3.5 降低摩擦損失功提高機械效率η

柴油機的摩擦損失約占機械損失的40%，因而降低摩擦損失是提高η的主要途徑。降低摩擦損失需在潤滑和摩擦學方面對柴油機各處摩擦損失進行深入研究，找到最具有節能潛質的地方，以增加柴油機的效率和減少發動機內部摩擦損失。如現代船用低速柴油機采用短裙和超短裙活塞，減少活塞環數量（如由5道減為4道）及改善活塞環的工作條件等措施都在降低摩擦損失、提高機械效率方面起到了一定的作用。改進材料摩擦性能并減少摩擦損失的研究將會開發出新的材料，用于氣缸、活塞和軸承。

3.3.6 軸帶發電機（PTO）

在主柴油機正常運轉期間（通常要求主機轉速>70%標定轉速），通過專設的恒速傳動裝置驅動發電機，可發出滿足船舶航行所需要的電力。在主機轉速變動或波動時通過恒速傳動裝置可保證發電機轉速恒定，或可通過變頻裝置保證發出的電壓與頻率不變。采用軸帶發電機在航行期間可停止柴油發電機運轉。此裝置并不直接降低主推進柴油機油耗率，但提高了船舶動力裝置的經濟性。這種裝置的優點主要有：可使用油耗率較低的主柴油機提供電力，節省了柴油發電機運轉時的滑油消耗，減少了柴油發電機的數量與維修費用。

3.3.7柴油機廢熱再利用

柴油機的廢氣和冷卻介質帶走了燃料總發熱量中50%左右的熱量。充分利用這一部分廢熱的能量，對提高整個動力裝置的經濟性有重要意義。在20世紀80年代后期，由于增壓器效率的提高，使用部分廢氣就可以保證柴油機所需的增壓壓力和空氣質量，為提高柴油機總的熱效率，設計了動力渦輪，使部分廢氣在單設的動力渦輪中膨脹做功，并經減速機構傳給曲軸，組成渦輪復合系統（TCS）。但由于渦輪復合系統比較復雜，并造成廢氣鍋爐可用能量下降，這一系統在出現幾年后也不再使用。當前比較流行的節能設計是熱效率系統（TES），其設計思想是兼顧增壓器、動力渦輪和廢氣鍋爐的能量平衡。在確保增壓器有效工作的前提下，使用部分廢氣驅動力渦輪，并帶動發電機組；然后利用在增壓器和動力渦輪膨脹做功后的廢氣余熱產生蒸汽，驅動一臺小型的蒸汽輪機，與動力渦輪聯合驅動一臺發電機向船舶供電。目前這方面的問題仍在研究與探索之中。

上述這些措施不僅是以往提高柴油機經濟性的主要手段，也將是今后繼續提高柴油機經濟性的研究內容。

3.4 船用柴油機電子控制技術的研究

柴油機電子控制技術是將電子設備及其軟件應用于船用柴油機并成為船用柴油機的基本組成部分。柴油機電子控制的主要功能有燃油噴射、排氣閥啟閉、氣缸潤滑以及柴油機的操縱、控制和維護管理。

柴油機電子控制技術是微電子技術成功地應用于傳統機械產品的又一范例，通過調節和控精度的提高，使柴油機從動力性、經濟性、可靠性以及排放的綜合性能得以全面提高，這也是當前船用柴油機研究和制造的發展方向。目前柴油機電子控制技術的研究已經取得了突破性的進展并進入了實用階段，世界上主要的船用柴油機制造公司都推出了各自的電控柴油機系列，并逐漸成為市場上的主流產品，如 Wartsila公司的RT-flex系列、MAN Diesel & Turbo公司的ME系列以及三菱公司的LSE系列。2012年 Pantsil公司的低速機訂單全部是RT-flex系列，機械控制的RTA機型實際上己被電控柴油機所代替，其新開發的X系列柴油機不再有機械控制的機型。電控柴油機將會在數字化、信息化、智能化等方面繼續完善。

3.5 船用柴油機代用燃料的研究

根據目前己探明的石油儲量和每年的石油消耗量估算，30～50年內石油資源即將枯竭。面對日益嚴峻的能源形勢，柴油杋開發和使用代用燃料勢在必行。代用燃料包括煤制液體燃料、生物燃料、氣體燃料等作為船舶燃料油的代用燃料，要滿足下列幾個基本條件：（1）有豐富的存儲量；（2）在目前高油價時代與燃料油相比在經濟上要有競爭力；（3）含硫量要低。實際上就是既要滿足船舶營運的要求，又要滿足日益嚴格的排放法規的要求。盡管人們對于船舶新能源和代用燃料做了很多研究，但目前比較成熟，可以在船舶上實際使用的只有液化天然氣（LNG）。

3.6改進柴油機的結構和提高可靠性與耐久性的研究

對柴油機及其零部件的結構與性能改進的研究從柴油機產生至今一直都在進行。近年來，這方面的研究主要是借助于計算機，通過有限元計算，研究柴油機結構內部的受力狀況，并根據柴油機及零件的受力狀況進行結構優化設計，這使得柴油機的機座、機架、氣缸體、氣缸蓋等主要零部件結構簡化，受力合理，尺寸和質量降低，可靠性提高。另外，新材料、新工藝的應用，如活塞環外側噴涂的陶瓷材料，用于排氣閥及閥座的耐熱材料等的使用，都使柴油機的可靠性和耐久性得以提高。

3.7提高船用柴油機功率的策略

提高船用柴油機的單缸功率和單機功率是船用柴油機的設計和制造人員的主要課題之。從柴油機問世以來，它的最大功率一直在不斷提高，近30年中，柴油機的單機功率不斷突破，如在1981年最大的柴油機功率為35 520kW，1988年為45 840kW，1993年為48 600kW，20世紀末，世界上兩大著名船用柴油機公司所生產的 Sulzer12RTA96C和MAN B&W 12K98MC型柴油機的功率分別達到了65 800 kW和68 840 kW。現在，Wartsila 14RT-flex96C和MAN 14K98ME7型柴油機的功率分別達到80 080 kW和87 220 kW。

為了降低營運成本，各種運輸船舶一直向大型化方向發展。當前的船用柴油機能夠滿足大型油船和散貨船的推進要求，研發最大缸徑和最大功率的柴油機主要是為了滿足大型集裝箱船對主機功率的要求，這是集裝箱船的大型化和高速化決定的。雖然受2008年爆發的國際金融危機和近年來出臺的一系列排放法規的影響，大型集裝箱船的航速有所降低，所需功率也有所下降，氣缸直徑超過1 m的K108ME柴油機沒有如期開發，但集裝箱船的大型化必須有更大功率的柴油機的推進，這決定了船用柴油機仍然將繼續增大功率。

當前釆用的技術手段主要是通過提高柴油機的強化程度保證所需的推進功率，增加S/D值降低轉速和提高推進效率。為大型集裝箱船推進新開發G95MEC92型柴油機是 MAN DieselTurbo公司推出的有史以來最大的發動機，其外形尺寸已超過沒有如期開發的K108ME柴油機。盡管G95ME柴油機的氣缸直徑和單缸功率比K108ME稍小，其單缸功率已超過現存的任何一臺柴油機，它的平均有效壓力已達2 MPa，具有更高的強化程度及更低的燃油消耗率。3.46 m長的活塞行程使其轉速只有70～80 mim，配以直徑99 m的六葉螺旋槳，可使其具有更高的推進效率。9～10缸的G9ME柴油機，足以推進13000～14000 TEU的集裝箱船，更大型的18000 TEU的集裝箱船，則可選取雙主機的推進方式。

3.8 船舶混合動力推進系統的應用

船舶混合動力推進系統的應用，包括如下幾方面：

3.8.1 柴油機余熱混合推進系統

該系統主要利用船舶主機、發電機組在輸出動力和電能時，柴油機的廢熱生產蒸汽（或其他熱媒介質）和空調用冷媒水，從而達到有效地利用資源、節省燃料消耗的目的。

3.8.2太陽能電力混合動力推進系統

配備該系統的船舶將采用太陽能、鋰電池及柴油發電機組多種能源混合推進船舶。目前主要應用在小型游船上，智能化混合動力管理系統是其技術關鍵。在不同的日照情況下，船體行駛所使用的動力可通過計算機在太陽能和柴油機組間進行自動調配，節省電力和減少排放均達到30%以上。

3.8.3基于超級電容混合動力推進系統

基于超級電容混合動力的船舶電力推進系統包括混合供電電源、充電系統、駕駛操作控制系統、推進系統、控制系統。此系統中的超級電容相對于蓄電池其充電速度快，可以在短時間內完成，并具有無排放、無污染、利于環保、同時具有噪聲小，可以提高船舶艙內的舒適度。

3.8.4混合型電動船動力系統

混合型電動船動力系統采用柴油一電動配置、船用燃料電池、電池組、太陽板或可縮回的風力發電機和緊湊型的超導電動機等設備。該推進系統在提高船舶整體效率的同時，綜合利用各種可再生能源。性能監控、動力管理和冗余是該類型動力系統的技術關鍵。在未來十年，混合動力的概念將應用于工作船、客船和小型貨船，對于大型貨船，只能用作輔助動力。

參考文獻

[1] 伍賽特.船用柴油機應用前景展望[J].柴油機設計與制造,2018,24(03):1-4.

[2] 伍賽特.柴油機行業技術特點及應用前景分析研究[J].內燃機,2018(05):56-59.

[3] 伍賽特.船用柴油機及輪機系統的節能措施研究[J].上海節能,2019(04):271-274.

[4] 伍賽特.船舶電力推進系統的技術特點及發展趨勢研究[J].機電信息,2019(15):159-160.

[5] 伍賽特.蓄電池電動船舶的應用前景展望[J].機電技術,2018(05):117-120.

[6] 伍賽特.燃料電池應用于船舶動力裝置的可行性及展望[J].內燃機與動力裝置,2018,35(04):87-90+94.

[7] 伍賽特.艦用燃氣輪機動力裝置的前景展望[J].現代制造技術與裝備,2018(12):204-206.

[8] 任傳倜. 船舶動力裝置綠色度評價體系研究[D].大連海事大學,2009.

[9] 劉文科.現代船舶柴油機提高經濟性的主要措施[J].合作經濟與科技,2010(04):66.

[10] 王志遠.淺析船舶柴油機節能途徑[J].科技信息,2013(22):227-228.

[11] 吳培莉. 船舶電控柴油主機建模及仿真研究[D].大連海事大學,2012.

來源: 伍賽特