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船用柴油機百年發展簡史 霹靂貝貝 鳴謝 超大LADON兄 2011年9月 一．柴油機的誕生 自從18世紀末瓦特改良蒸汽機以來，蒸汽機成為推動世界發展的動力。1805年，富爾頓發明了實用的蒸汽機船，從此以后很多船舶開始用上了蒸汽機。不過早期的蒸汽機工作壓力很低，結構極其笨重，效率不到5%。19世紀初，改進蒸汽機，提高熱效率就成為許多科學家和工程師畢生追求的目標。法國人薩迪.卡諾（Sadi Carnot，1796-1832）就是其中杰出的代表。卡諾認為，要想改進熱機，只有從理論上找出依據。因此他從熱力學理論的高度著手研究熱機效率，提出了著名的“卡諾循環”。  圖1.1 熱力學大師薩迪.卡諾 圖1.2 “卡諾循環”P-V（壓力-體積）圖 “卡諾循環”是一個理想的過程，分四個階段。1-2，可逆等溫膨脹過程。2-3， 等熵膨脹過程。3-4，可逆等溫壓縮過程：4-1，等熵壓縮過程。工質經過這四個過程循環后，吸收能量，對外做功，隨后又回到原來的狀態。卡諾循環只是一個理想狀態的熱機，現實中沒有任何熱機的效率可以達到卡諾熱機的效率，但它卻為分析熱機效率提供了基礎的方法。從卡諾循環的分析可以看出，增大工質循環的初始溫度與循環終了溫度之間的差值，是提高熱機效率最為簡便的途徑。迄今為止，熱機效率所有重大的提升和改進都是在這個準則指導下進行的。 有了理論指導后，蒸汽機功率和效率都得以提高，這種提高主要取決于蒸汽參數的提高。初期蒸汽機的蒸汽壓力僅為0.11～0.13兆帕（一標準大氣壓=0.101325兆帕，僅相當于大氣壓）。19世紀初蒸汽壓力達到0.35～0.7兆帕，到1840年，最好的凝汽式蒸汽機總效率已經能達到8%。隨著蒸汽參數和功率的提高，蒸汽已不可能只在一個汽缸中膨脹，必須在相連的汽缸中繼續膨脹，于是出現了多級膨脹的蒸汽機。由于蒸汽機受到潤滑油閃點的限制，所用蒸汽的最高溫度一般都不超過400℃。機車，輪船等移動式蒸汽機的工作溫度還要略低一些，多數不高于350℃。考慮到膨脹的可能性和結構的經濟性，常用蒸汽壓力在2.5兆帕以下。由于蒸汽參數受到限制，從而也限制了蒸汽機功率和效率的進一步提高。 為了避免蒸汽機粗大笨重、結構復雜、難以小型化的缺點，歐洲的發明家們紛紛開始研究新型熱機。德國工程師奧托（N.A Otto 1832~1891）通過效仿卡諾循環的研究方法，提出了“奧托循環”，即定容加熱循環原理。“奧托循環”的基本工作原理為，將可燃氣體在氣缸中壓縮，再點燃壓縮可燃氣體，產生很強的推力，從而提高熱效率和輸出功率。奧托創建的內燃機工作原理一直在現代汽車發動機（汽油機）上沿用至今。1876奧托的第一臺內燃機為單缸臥式，功率3.2千瓦（4.4馬力），四沖程，轉速為156轉/分，壓縮比為2.66，熱效率達到14%，大大超過了蒸汽機。不過當時石油工業還處于襁褓時期，更談不上汽油（第一臺汽油機還要等到1883年才問世），因此這臺發動機采用的燃料是煤氣。由于煤氣存儲不便，存在安全性較差的缺點。同時由于奧托的內燃機采用的是點燃方式，當時完善的電點火裝置還沒有發明，點火裝置可靠性也不佳。  圖1.3 內燃機的發明人-奧托  圖1.4 柴油機的發明人魯道夫.狄塞爾 為了實現他的想法，他找到德國奧格斯堡機器制造廠，也就是今天大名鼎鼎的曼恩（M.A.N）公司的前身。1897年，他成功制造了一臺能安全運轉的熱機。在奧格斯堡他親自啟動了發動機，那一瞬間，熱機領域一次新的科技革命誕生了。雖然這臺單缸引擎的功率僅為14瓦，但效率已經遠遠超過當時的蒸汽機和已經發明的奧托式內燃機，達到了前所未有的26%。現在，這臺機器的復制品（原件已經不幸在二戰中損毀）被收藏在慕尼黑德意志科技博物館里，狄賽爾也永遠被人們銘記。今天英文的柴油機一詞“Diesel Engine”就是以他的姓氏來命名的。不過當時柴油機并沒有使用柴油，使用的是植物油。實際上，“Diesel Engine”更準確的中文翻譯應該是“壓燃式發動機”，不過“柴油機”的名稱已經深入人心，也不必苛求了。  圖1.5 世界上第一臺柴油機 狄塞爾柴油機為單缸四沖程柴油機，雖然柴油機經過了100多年的發展，但其基本原理都是基于狄塞爾提出的定壓膨脹原理。柴油機主要由氣缸、活塞、連桿、曲軸、進氣門、排氣門、噴油嘴等部件組成。4沖程柴油機的工作循環經歷進氣、壓縮、做功和排氣四個沖程。柴油機在進氣沖程吸人的是純空氣，在壓縮沖程接近結束時，由噴油泵將高壓柴油通過噴油器以霧狀噴人氣缸，在短時間內與壓縮后的高溫、高壓空氣混合，形成可燃混合氣。混合氣溫度大大超過柴油的自燃點，柴油噴人氣缸后，在很短的時間內即自行著火燃燒，燃氣壓力急劇上升，溫度急劇升高，在高壓氣體推動下，活塞向下運動并帶動曲軸旋轉作功。廢氣則經排氣門、排氣管等處排人大氣。  圖1.6 四沖程柴油機的工作原理 四沖柴油機在一個工作循環中，只有一個沖程做功，其余三個沖程都是為做功沖程創造條件的輔助行程。因此，單缸發動機工作不平穩，需要通過飛輪等保證其圓周運動。現代柴油機大多采用多缸結構，在多缸發動機中，所有氣缸的做功行程并不同時進行，而盡可能有一個均勻的做功間隔。例如六缸發動機，在完成一個工作循環中，曲軸旋轉兩周即720度，曲軸轉角每隔120度就有一個氣缸做功。因而多缸發動機曲軸運轉均勻，工作平穩，并可獲得足夠大的功率。 雖然柴油和汽油同為內燃機燃料，但柴油屬于石油分餾中較重的餾分，餾出溫度高，粘度比汽油大，不易蒸發，然而其自燃點卻低于汽油，故柴油機內可燃混合氣的形成和燃燒方式與汽油機不同。 柴油機 汽油機 基本原理 定壓加熱循環 定容加熱循環 燃料混合方式 柴油直接噴入汽缸，在汽缸內實現油氣混合 向汽缸噴入已經混合好的汽油、空氣混合；一般使用化油器（現代汽油機使用電子噴射方式）產生混合氣體 點火方式 壓燃、依靠汽缸的高溫、高壓使用柴油自燃 點燃方式，一般使用電火花塞發火 壓縮比 最高可達20以上 一般為10以內 柴油機和汽油機的差異 汽油機與柴油機比較各有特點；汽油機轉速高，質量小，噪音小，起動容易，制造成本低，多用于汽車等小功率的場合；柴油機壓縮比大，熱效率高，輸出功率大，經濟性能和排放性能都比汽油機好。一般來說，柴油機的氣缸數越多、缸徑越大、活塞行程越長、汽缸壓力越大，輸出功率也就越大。當今，柴油機在重型汽車、重型機械、火車和船舶推進、電站等方面均有廣泛應用。 二．柴油機應用于船舶推進 狄塞爾本想將柴油機用于汽車，但是直到他去世，這個夢想也沒有實現。不過隨著石油的開發，柴油卻率先在船舶推進中得到應用。1903年，俄國的“萬達爾” 號（Vandal）油輪和法國的“佩迪特.皮埃爾” 號（Petite-Pierre）成為最早裝備柴油機的船舶，她們幾乎同時建成服役，至于誰更早一些，不同的資料有不同的看法。 “萬達爾”號由卡爾.哈格林（Karl Hagelin）為俄國的石油巨頭-諾貝爾兄弟公司（Branobel）設計（該公司是諾貝爾家族在俄國投資的石油公司，偉大的發明家阿爾弗雷德.諾貝爾就是出自該家族）。哈格林十分具有遠見，他設計了一艘內河油輪，這艘船可以將里海的石油從伏爾加河下游經內陸河道直接運到圣彼得堡或芬蘭，距離超過1800英里！以前這條路線上主要是通過內河駁船進行運輸，采用蒸汽拖船拖曳，長距離的經濟性不是很好。哈格林覺得新興的柴油機可以用來一試。他考慮到內河船舶操作的靈活性，調速和倒車等因素，決定采用柴油機電力驅動方式。他聘請了船舶設計師約翰尼.約翰遜（Johny Johnson）進行整體設計，并由索莫夫船廠（Sormovo shipyard）建造。 “萬達爾”號噸位為800噸，長74.5米，寬9.55米，吃水2.4米，船上采用3臺瑞典柴油機公司（Swedish Diesel）和ASEA公司合作生產的柴油機，缸徑290毫米，行程為430毫米，轉速240轉/分，單臺輸出功率120馬力。該船的柴油機和發電機放在船的中部，推進電機在船尾部，可直接驅動三個螺旋槳，航速可達8.3節。  圖2.1 “萬達爾”號 次年，諾貝爾兄弟公司又投資建造了一艘更大油船“薩瑪特” 號（Sarmat）。這艘船排水量1,150噸，載重750噸。她采用了2臺路德維格.諾貝爾（Ludwig Nobel）公司的180馬力柴油機（缸徑320毫米，行程為420毫米）。她摒棄了電力傳動，由柴油機直接驅動螺旋槳，籍此降低了15%的傳動損失，航速達8.6節。由于俄羅斯北方寒冷，河流封凍，兩艘油船僅在夏天使用，“萬達爾”號運行了10年時間，而“薩瑪特”號則一直使用到1923年。 法國的“佩迪特.皮埃爾”號則是一艘柴油機動力平底駁船，該船裝一臺25馬力的柴油機，1903年9月，她開始在馬爾納-里昂的運河上開行。柴油機的發明人狄塞爾還曾受邀上船參觀過，并簽名留念。  圖2.2 “佩迪特.皮埃爾”號的照片，上有狄塞爾簽名 第一艘柴油機動力軍艦是1904年法國建造的“埃吉瑞特” 號（Aigrette）潛艇，同型艇共兩艘。該艇水面排水量202噸，水下排水量222噸，長/寬/吃水分別為41.3/3.0/2.8米，武器為兩具450毫米魚雷發射管，船員16人。她裝有一臺4缸4沖程柴油機。潛艇水上航行時采用柴油機直接推進螺旋槳，并為蓄電池充電。水下航行切換到蓄電池-電機，水上航速9節，水下航速7.1節，續航力500海里/5節，水下為45海里/4節。 與原先潛艇上普遍使用的汽油機相比，柴油機在發火時不需要復雜的點火裝置，無汽油揮發爆燃的危險，產生的廢氣中有毒氣體相對較少，具有熱效率高、安全可靠等優點。隨后，英國也開始裝備柴油機動力的D1級潛艇，柴油機逐漸成為常規潛艇的標準動力配置，直至今日。  圖2.3 英國D1型潛艇模型 三．柴油機邁向遠洋 早期柴油機主要應用于內河船舶和近岸潛艇，在經歷了最初的發展階段后，柴油機技術日益成熟，單機功率和可靠性都有大幅提高，為柴油機航向大海和遠洋創造了基礎。 1910年，意大利坎蒂里公司（Cantieri Navali Riuniti）建造了一艘678噸的海輪，命名為“羅馬格那” 號（Romagna），雙槳推進。該船采用了兩臺瑞士蘇爾壽（Sulzer）公司的4缸二沖程柴油機，缸徑310毫米，行程460毫米，單臺輸出功率為280千瓦（370馬力）。同年，盎格魯.薩克森（Anglo-Saxo）石油公司（荷蘭皇家殼牌的子公司）訂造了一艘1,216載重噸（排水量2,047噸）的單螺旋槳油輪“瓦卡納斯” 號（Vulcanus）。該船采用了一臺370馬力6缸4沖程柴油機（缸徑400毫米，行程600毫米）。這艘船也是有史以來第一艘入籍勞氏船籍社的柴油機動力船舶。她被用于在新不列顛島和新加坡之間運輸石油。在運營過程中，柴油機的節能效果得到充分體現，日均消耗燃油為2噸，而同類型的蒸汽機船每天需要耗煤11噸。船上輪機部門的工作人員也減少了一半，該船一直服役到1932年。  圖3.1 “瓦卡納斯” 號油輪 1912年，是人類航海史上重要的一年。這一年，第一艘真正意義上的大型遠洋輪船-“錫蘭迪亞”號（MS Selandia，MS為Moter Ship）建成，該船由丹麥遠東公司（East Asiatic Company）公司投資。遠東公司成立于1897年，公司的主要是業務是經營從丹麥首都哥本哈根到泰國首都曼谷和遠東地區的航線，從事貨物和人員運輸。這是一條極其漫長的航路，出北海、經英吉利海峽南下，穿過直布羅陀入地中海，經蘇伊士運河進入紅海，再橫渡印度洋，航程超過1萬海里，以平均速度12節計算，海船需要連續航行約一個多月的時間。  圖3.2 世界上第一艘遠洋柴油機輪船，“錫蘭迪亞”號  圖3.3 “錫蘭迪亞”號的繪畫 “錫蘭迪亞”號由丹麥哥本哈根的伯梅斯特和韋恩船廠（Burmeister & Wain，簡稱B&W）建造。B&W創立于1846年，由伯梅斯特和韋恩兩人創立，早期主要從事蒸汽機和蒸汽機輪船的生產。1898年B&W公司從狄塞爾那里獲得了柴油機在丹麥的生產特許權，并于1903年制造出第一臺柴油機。 “錫蘭迪亞”號為一艘客貨輪，她于1911年11月下水，1912年2月交付使用。長112.8米 ，寬16.8米，總噸位4,964噸，載重量為6,800噸。她采用了兩臺B&W自產的DM8150X型柴油機（8缸4沖程、缸徑530毫米、行程750毫米，單機功率1,250馬力），雙槳推進，航速可達12節以上。 圖3.4 B&W DM8150X型柴油機 “錫蘭迪亞”號采用三島型布局，有艏樓、中樓和尾樓。艏樓后部、中樓和尾樓之間是貨艙，船上沒有的煙囪，而是通過前桅進行排煙。除了載貨外，船上還有20間一等單人客房，每兩間房間共享淋浴和衛生設施。完工后，她直航遠東，并順利返回，全程2.18萬海里。“錫蘭迪亞”號遠航的成功，證明柴油機完全適應遠洋輪船的需要。1936年，她被出售給巴拿馬的一家公司。二戰爆發后，她被日本征用，1942年1月，在日本御前崎市外海觸礁沉沒。“錫蘭迪亞”號同型船一共建了三艘，另外兩艘分別為“費奧尼亞”（Fionia）號和“日德蘭蒂亞”（Jutlandia）號。柴油機在大型遠洋輪船上的應用，標志著柴油已經日漸成熟。雖然在絕對數量上柴油機船舶還很少，但柴油機的前景已經被人們所認識。 1912年，瑞士蘇爾壽公司為了展示柴油機的潛力，投資建造了一臺缸徑為1,000毫米，沖程1,100毫米的1S100型單缸巨型柴油機。這臺柴油機在150轉時可發出1,470千瓦（2,000馬力）的功率，它創造的柴油機缸徑記錄直到1960年代才被打破。該機研制成功也對船用柴油機向大型化發展產生了深遠的影響。蘇爾壽公司在1S100型柴油機采用了二沖程橫流掃氣結構，這種設計也成為蘇爾壽柴油機的標志型結構，并一直沿用了70年。 圖3.5 蘇爾壽1S100型柴油機 1913年初，德國的漢堡-美洲公司6,500噸級客貨輪“蒙特.佩內多”號（Monte Penedo）是第一艘使用二沖程柴油機的大型遠洋輪。長/寬/深分別為350/50/27英尺（1英尺= 30.48 厘米），載重4,000噸，總噸位6,500噸。她安裝有兩臺瑞士蘇爾壽公司制造的4S47型二沖程柴油機，缸徑470毫米、行程680毫米、160轉時可輸出功率860馬力。同時她也是德國第一艘大型柴油機遠洋輪。 圖3.6 “蒙特.佩內多”號 圖3.7 蘇爾壽4S47型二沖程柴油機 1914年，第一次世界大戰爆發，德國建造了300多艘潛艇，除了早期的U1-U18煤油動力內燃機潛艇外，從U19后全部采用柴油機動力。這些潛艇分別由日耳曼尼亞、皇家、布洛姆福斯等多家船廠承建。德國潛艇分為中型潛艇、大型/巡洋/運輸潛艇、UB近海潛艇、UC型近海布雷潛艇、UE型遠洋布雷潛艇等不同種類。戰爭中，U型潛艇以其卓越的水下機動性和作戰能力在海上出盡了風頭，給協約國商船和戰艦以重大打擊，共擊沉協約國商船6,000艘，注冊噸位1,200萬噸，擊沉軍艦150艘，德國自身也損失潛艇178艘。超強的續航能力和可靠性充分體現了柴油機動力的優勢，曼恩公司也開始在柴油機領域樹立起不可動搖的地位。在未來的幾十年內，曼恩與丹麥B&W、瑞士蘇爾壽等公司相互競爭，并發展為船用大功率船用柴油機的巨頭。 圖3.8 一戰時潛艇的柴油機機艙 四．船用柴油機的普及 第一次世界大戰后，柴油機性能有了新的提高，柴油機的裝船數量開始上升，1921年左右柴油機已經開始在客輪上使用。 1922年，新西蘭聯合航運公司（Union Steamship Co of New Zealand）向英國的菲爾費爾德（Fairfield）船廠訂購了一艘大型柴油機動力客輪“阿朗伊” 號（Aorangi）。該船全長600英尺，寬72.2英尺，吃水29.9英尺，17,491總噸，安裝4臺蘇爾壽ST70型6缸2沖程柴油機（缸徑700毫米，行程990毫米），單臺輸出功率3,177馬力，4軸，航速17節。船上有440個一等、300個二等和230個三等鋪位。經過2年的建造，“阿朗伊” 號建成，開始在溫哥華-悉尼航線上服務。二戰爆發后她先后被改造為運兵船，醫院船等。戰爭期間她一共運輸了3.6萬名士兵和5千多名難民，戰后她恢復運營，并于1953年拆毀。 圖4.1 “阿朗伊” 號客輪 柴油機裝船后的良好表現改變了人們原先認為柴油機不適合大型船舶使用的偏見。1925年，瑞典-美洲航運公司（Swedish America Line）向英國阿姆特朗.威斯沃斯（Armstrong Whitworth）公司訂購的“格里普斯霍姆”號（Gripsholm）交付。該船18,134總噸，采用2臺B&W公司建造的B&W840D型4沖程柴油機（缸徑為840毫米，雙動），總功率達9,930千瓦（13,240馬力）。她也是第一艘采用柴油機動力的跨大西洋定期班輪。不久后英國的哈蘭德.沃爾夫船廠為聯合城堡航運公司（Union Castle Line）建造了超過2萬噸的“卡那封城堡”號。該船上安裝有哈蘭德.沃爾夫船廠購買B&W公司專利生產的4沖程雙動柴油機，雙機，總功率為1.1萬千瓦（1.5萬馬力）。 圖4.2 “格里普斯霍姆”號客輪 圖4.3 B&W 840D型4沖程雙動柴油機 1920年代末，英國約翰.布朗公司采用蘇爾壽專利技術制造了5缸S90型柴油機，具有900毫米缸徑，是當時世界上最大缸徑的柴油機，單機功率為4,650馬力。這些機器被裝到兩艘“蘭基提奇”級（Rangitiki）客輪船上，每船裝機兩臺。 圖4.4 “蘭基提奇”號客輪 1926年12月，總噸位超過32,650噸的“奧古斯塔斯”號（Augustus）客輪在意大利安薩爾多船廠建成下水，她屬于意大利Navigazione Generale Italiana公司。她的姊妹船“羅馬”號（SS ROMA）是一艘傳統的蒸汽輪機客輪，而“奧古斯塔斯”號則裝備了4臺曼恩公司建造的6缸雙動二沖程柴油機（缸徑700毫米，行程1,200毫米，總功率2.8萬馬力）。該船長219米，寬25米，4軸，航速22節，載客2,210人，內部裝飾豪華。1927年6月她完成首航，是當時世界上最大和最豪華的柴油機動力客輪。 1929年經濟危機后，跨大西洋的運輸明顯萎縮。意大利人主要將該船作為游船使用。1932年，獨裁者墨索里尼強迫Navigazione Generale Italiana與意大利國有的意大利航運公司（Italia Line）合并，因此“奧古斯塔斯”號重新采用了意大利航運公司的涂裝。1933年1月4日，她滿載富豪從紐約出發，完成了為期129天的環球巡游，途經全球數十個港口，其中就包括中國香港和上海。二戰爆發后，兩艘姊妹船一度閑置。 1941年，意大利法西斯開始將“羅馬”號客輪改裝為航母“天鷹” 號（Aquila），該艦主要參數為，排水量：標準23,350噸/滿載27,800噸，總長232.5米，寬29.4米，吃水7.31米。武備：單管135毫米炮8座，單管65毫米高炮12座，六管20毫米炮22座，載機26架。動力：蒸汽輪機2臺，4軸，14.2萬馬力，航速30節，續航力4,150海里/18節。艦員1,165名，另加航空人員243名。直到納粹投降時，“天鷹”號的改裝工作都沒完成。 1942年9月意大利人又開始將超過3萬噸的“奧古斯塔斯”號客輪改裝為“鷂鷹”號（Falco）航母，基本布局與“天鷹”號號類似。“鷂鷹”號同樣命途多舛，意大利投降時，改裝工作還沒完成，之后她被德軍鑿沉在熱那亞港以阻礙盟軍船只進入。這兩艘航母最終都在上世紀40年代末期被拆解。 圖4.5 “奧古斯塔斯”號豪華郵輪 圖4.6 “天鷹”級航空母艦 1928年，著名的英國白星輪船公司（White Star Line，“泰坦尼克”號即屬于該公司所有）看到柴油機的優越性后，向其長期的合作伙伴哈蘭德.沃爾夫公司訂購了一艘巨型柴油機客輪“海洋”（Oceanic）號。這艘船長度超過300米，總噸位超過6萬噸，有3個巨大的煙囪。船上計劃安裝40臺柴油機，并通過齒輪減速箱驅動4個螺旋槳。隨著1929年經濟危機的爆發，這艘巨輪最終只能停留在繪圖板上。船舶史專家們評論說如果她建成的話，規模將不亞于“瑪麗王后”號和“諾曼底”號。 圖4.7 想象中巨輪“海洋”號 經濟危機過后，各國經濟開始恢復。1930年代末，荷蘭的“奧蘭治”號（ORANJE）成為動力最強勁的柴油機動力船舶。船上安裝有3臺蘇爾壽12缸SDT76式二沖程柴油機，該機有12個760毫米缸徑的氣缸，總功率達到27,600千瓦（37,551馬力，轉速為145轉/分時，單機功率超過了1萬馬力），是二戰前船用柴油機的最高水平。 “奧蘭治”號也是一艘外形極其現代化的客輪，她由荷蘭航運公司（Netherland Line）出資建造，1938年在阿姆斯特丹下水。荷蘭女王威廉.明娜親自主持下水典禮并為其命名。“奧蘭治”號總噸位為20,117噸，長200米，寬25.5米，3軸，最大速度可達26節，可載客760人。她是當時最快的柴油機船，外觀也頗具美感。她主要用于荷蘭和和荷屬東印度群島的旅客運輸，1939年9月初期，她從阿姆斯特丹啟程航向爪哇，由于戰爭爆發，未能返回荷蘭。1942年，日軍進占荷屬東印度群島后，她不得不退往澳大利亞，并在那里改裝成醫院船，戰后她恢復運營。1960年，她還進行了環球航行。1964年她被出售給一家意大利公司，并接受徹底的翻新。她的船首被延長了4.9米，總噸位也上升到24,377噸，載客量增加到1,230人。1972年起，她又被改裝成一艘游輪，巡游于百慕大海域。1979年3月30日，船上燃起大火，幸虧大多數旅客已經上岸，船上也無人員傷亡。4天后大火撲滅，船也坐沉海底。一支德國打撈隊將其浮起，船東準備將其賣給中國臺灣的拆船廠拆毀，她被成功的拖過巴拿馬運河，但最終沒有熬到目的地，由于大火將船板破壞嚴重，造成漏水，她還是沉沒于太平洋的萬頃波濤之中。 圖4.8 “奧蘭治”號郵輪 到二戰前，營運的內燃機船舶的總噸位占遠洋船舶總噸位的比重不斷上升，柴油機船隊的規模已經達到世界商船規模的20%以上，而1920年，這個比例僅4%。而新建船舶中，柴油機裝船比例已經超過50%。 五．柴油機的技術進步 1920年~1930年末，是柴油機技術發展的黃金時代，柴油機越造越大，功率越來越高。新技術的出現促進了柴油機的發展，主要技術革新來自于燃油噴射的改進和增壓技術的采用。 在狄塞爾的柴油機設計中，使用的是氣動式燃料噴射系統。這套系統利用壓縮空氣將柴油噴入氣缸中，并達成良好的霧化，與空氣混合形成可燃混合氣，自動著火燃燒。由于柴油機的壓縮比較高，氣缸內的壓力很大，要把柴油噴入氣缸并霧化，空氣噴射壓力必須遠大于氣缸壓力。因此需要一整套專用的壓縮空氣生產、儲存設備，還需要一套冷卻設備降低壓縮空氣的溫度。這些附屬裝置龐大笨重，不僅增加了系統的復雜性，也使得故障發生的可能性增加了。空氣壓縮機本身也由柴油機驅動，會消耗掉大約15%的輸出功率，從而使柴油機的可用軸功率下降，經濟性受到了一定的影響。 圖5.1 狄塞爾的空氣燃料噴射系統，當時使用的燃料為煤粉 工程師們一直在思考如何摒棄笨重、復雜又不太可靠的空氣壓縮機、高壓儲氣罐等設備。1910年，英國維克斯（Vickers）公司的工程師詹姆斯.麥克里基（James McKechnie）提出了機械噴射的方案，并申請了專利。此舉大大提高了噴射效率，噴油壓力大為提高（機械噴射可使噴油壓力可以超過140bar（1bar=0.1兆帕，140bar約140個大氣壓，而采用空氣噴射，僅僅能達到7兆帕），噴油壓力的提高使燃料的霧化程度提高，和空氣能更均勻的混合，燃燒更充分，從而發出更大的功率。 圖5.2 McKechnie的機械式噴油系統 1922年，德國的博世公司（Borsh）進一步改進了機械噴射結構，采用了緊湊且適用于高壓的柱塞泵結構，并投入批量生產。從此柴油機部件生產向專業化分工發展，最終形成了產業化的規模。博世公司也逐步發展成為專業化的內燃機燃油噴射控制系統和汽車零部件供應商和技術領導者。 1930年代后，船用柴油機向大功率方向發展，二沖程的使用日趨普遍。對于兩臺氣缸直徑、活塞行程及轉速等相同的柴油機，二沖程柴油機在一個循環中有1/2的沖程在作用，而4沖程柴油機僅有1/4時間做功，因此二沖程的輸出功率要明顯優于四沖程。實際上由于考慮到二沖程柴油機氣缸上開有氣口而使工作容積有所減少，機械傳動的掃氣泵也要消耗一定功率等因素，二沖程柴油機的功率只能增大60～80％。 二沖程柴油機與四沖程柴油機基本結構相同，主要差異在配氣機構方面。二沖程柴油機沒有進氣閥，有的連排氣閥也沒有，而是在氣缸下部開設掃氣口及排氣口；或設掃氣口與排氣閥機構。二沖程柴油機還專門設置一個由運動件帶動的掃氣泵及貯存壓力空氣的掃氣箱，利用活塞與氣口的配合完成配氣，從而簡化了柴油機結構。 圖5.3 二沖程柴油機工作原理 二沖程柴油機的工作與原理為：第一沖程-活塞從下止點向上止點運動。當活塞處于下止點時，排氣閥和進氣孔已打開，掃氣室中的壓縮空氣便進入氣缸內，并沖向排氣閥，這動產生清除廢氣的作用，同時也使氣缸內充滿新空氣。當活塞由下止點向上止點運動時，進氣孔首先由活塞關閉，然后排氣閥也關閉；空氣在氣缸內受到壓縮。第二沖程-活塞從上止點向下止點運動。活塞行至上止點前，噴油器將燃油噴入燃燒室中，壓縮空氣所產生的高溫，立刻點燃霧化的燃油，燃燒所產生的壓力，推動活塞下行，直到排氣閥再打開時為止。燃燒后的廢氣在內外壓力差的作用下，自行從排氣閥排出。當進氣孔被活塞打開后，氣缸內又進行掃氣過程。 二沖程內燃機換氣后，氣缸內殘余多少廢氣，或者說氣缸內能充入多少新鮮充量，直接影響內燃機性能。二沖程內燃機沒有單獨的排氣沖程和進氣沖程，不能利用活塞的推擠作用清除廢氣，要使氣缸清掃干凈比較困難，難以得到高的掃氣質量。因此，改進二沖程內燃機的掃氣作用是一項重要的工作。二沖程內燃機主要有橫流、回流和直流3種掃氣方式。 橫流掃氣 回流掃氣 直流掃氣 結構形式 掃、排氣口分別布置在氣缸下部的兩側 掃氣口和排氣口分別布置在氣缸下部的同一側 有氣口~氣門式和氣口~氣口式（即對置活塞式）之分 工作原理 新鮮空氣橫越氣缸徑直流向排氣口 掃氣流充入氣缸后先向上流動，再折轉流向排氣口，在氣缸內形成掃氣回流 掃氣流由掃氣口進入氣缸，沿氣缸軸線單向流動，同時繞氣缸軸線旋轉，將廢氣從氣缸頂端排氣門排出 特點 結構簡單，廢氣清除得不干凈，現已很少采用 掃氣質量較高，結構也簡單，獲得廣泛應用 掃氣質量最好，應用廣泛，尤其適用于長行程船用柴油機 原理圖 二沖程柴油機掃氣形式對比表 在二戰前，雙動式的二沖程柴油機比較流行。這種柴油機在活塞的上下兩邊都設有燃燒室，可以推動活塞在兩個方向都做功，因此稱為雙動。雙動比單動能輸出更大的功率，雙動柴油機的設計與蒸汽機的結構頗為相似。不過雙動柴油機的結構比較復雜，而且活塞桿穿透氣缸，因此對氣密要求很高，現代柴油機已經不再采用這種雙動的方式了。 圖5.4 雙動式柴油機 采用增壓技術在柴油機的發展中是一個里程碑，增壓技術顯著提高了進氣壓力，空氣的壓縮比進一步提高，在同等條件下，增壓顯著減少了柴油機的尺寸和重量，提升了輸出功率。1920年代，二沖程柴油機的興起后，在排氣過程中就必須用高壓空氣掃除氣缸中的廢氣，并吹入新鮮空氣，因此增壓器的作用就更為重要了。 早期的機械增壓器直接用發動機曲軸帶動往復式增壓泵向掃氣箱中充氣，機械結構比較復雜。1905年，瑞士工程師布奇（Alfred Büchi）提出了采用柴油機廢氣驅動渦輪增壓器進行增壓的原理，也就是廢氣渦輪增壓，并申請了專利。廢氣渦輪增壓器是利用發動機排出的具有較高能量（通常可占燃燒能量的50%）的廢氣進入渦輪并膨脹作功，廢氣渦輪的全部功率用于驅動與渦輪機同軸旋轉的壓氣機工作葉輪，在壓氣機中將新鮮空氣壓縮后再送入氣缸。廢氣渦輪增壓器結構簡單，工作可靠，無需占用柴油機的軸端輸出功率，不但可以增大循環噴油量、大大提高輸出功率，而且熱效率也得到了極大的提高，有利于改善整機動力性能、經濟性能及排放品質。 圖5.5 現代廢氣增壓器 1915年，布奇在蘇爾壽的柴油機上進行了廢氣增壓的試驗。1927年，曼恩公司成功的在其生產的10缸4沖程柴油機上安裝了廢氣增壓裝置，對功率提升非常明顯，輸出功率從1,250千瓦提升到1,765千瓦，提升幅度超過40%。曼恩增壓柴油機成功安裝到Preussen和Hansestadt Danzig兩艘船上，到1929年，廢氣增壓器已經安裝到79臺柴油機上。 圖5.6 Hansestadt Danzig號 從總體來說，在二戰前廢氣增壓技術在柴油機上的應用還不是非常普遍。這與當時旋轉式的渦輪和壓氣機研究尚處于入門階段有關，同時鋼鐵工業也不能提供足夠的能經受長時間高溫工況考驗、可用于生產渦輪的耐熱鋼。大規模使用廢氣渦輪增壓技術還是1950年代后的事情。今天，除了一些小功率柴油機之外，廢氣渦輪增壓器幾乎已經成為了柴油機的必備部件之一。 六．二戰中船用柴油機在軍事領域的應用 二戰前，柴油機還很少裝備大型軍艦。但有一個特例，那就是德國。德國作為第一次世界大戰中的戰敗國，其海軍受到《凡爾賽和約》的嚴格限制，被禁止建造排水量超過一萬噸，主炮口徑超過280毫米的軍艦。 德國海軍針對條約限制，開始積極探索柴油機在軍艦上的應用，并于1928年在“萊比錫”級輕巡洋艦上試驗柴油機動力。該級巡洋艦共建成兩艘，分別是“萊比錫”號（Leipzig）和“紐倫堡”號（Nürnberg）。艦長177米，寬16.3米，吃水5.65米，排水量8,380噸（“紐倫堡”號有所增加，布局有所變化）。兩艦采用蒸汽輪機和柴油機混合動力，動力布置非常獨特，其中中間一軸采用4臺曼恩公司2沖程7缸柴油機驅動，總功率為12,400馬力；外側兩軸仍采用蒸汽輪機驅動，總功率66,000馬力。這種動力配置并不成功，兩種動力裝置必須同時使用，軍艦的續航力也并不高，為5,700海里/19節。該級艦主要武器為9門150毫米炮和6門88毫米炮，4座3聯533毫米魚雷發射管，若干輕型高炮，還載有2架水上飛機。 圖6.1 “萊比錫”號輕巡洋艦 德國人于1929年開始動工建造德意志級艦，德國人稱之為裝甲艦（Panzerschiff）。由于主炮口徑超出當時《華盛頓海軍條約》對巡洋艦的定義，其他國家海軍稱其為袖珍戰列艦（Pocket Battleship）。 “德意志”級突出的優勢是其6門280毫米主炮，安裝在2座3聯裝主炮塔內，以期在盡可能小尺度上集中最大的火力。德意志級在受到排水量限制與追求重火力的情況下，廣泛使用焊接技術，從而節省艦體重量。“德意志”級裝甲防護基本與當時的重巡洋艦相當，裝甲總重量只占標準排水量20％左右。“德意志”級的作戰目的非常明確：火力比當時只有輕裝甲防護的重巡洋艦強，而26-28節的航速比當時的戰列艦快，使其能避免與之交火。 “德意志”級設計的首要問題就是如何盡可能地將排水量限制在一萬噸內，但又要滿足襲擊艦所要求的大航程和高速度。解決之道就是使用柴油機作為動力源，在動力上她選用了8臺9缸曼恩M9 ZU 42/58柴油機，采用齒輪減速箱并機驅動2部螺旋槳，輸出總功率達到52,050 馬力。這表明了德國海軍對柴油機動力和曼恩公司的信心。雖然柴油機在重量上并不比蒸汽輪機更輕，但是油耗卻遠低于使用鍋爐的蒸汽輪機，可使其達到超長的航程，達8,000海里/20節，遠高于英美的巡洋艦。 圖6.2 曼恩M9 ZU 42/58柴油機 “德意志”級同型艦三艘：“德意志”號（Deutschland）、“舍爾海軍上將”號（Admiral Scheer）、“格拉夫.斯佩”號（Admiral Graf Spee）。二戰中，三艦以其優良的性能與皇家海軍周旋，給英國的補給線以沉重打擊。不過柴油機也暴露出高速時震動大的缺點，同時德意志級的速度也不是很高，如被敵方發現，很難擺脫，這成為“格拉夫.斯佩”號在拉普拉塔河口海戰中覆滅的重要原因之一。盡管德國有將柴油機裝到更大型軍艦上的計劃，但從實際情況出發，以后制造的“沙恩霍斯特”級戰列巡洋艦和“俾斯麥”級戰列艦均未再采用柴油機動力。 圖6.3 德意志級的動力結構 二戰前，各參戰國海軍戰前共有潛艇660多艘，戰爭期間共建成潛艇1,800多艘，絕大多數都是柴油機動力潛艇。二戰中，潛艇取得了驕人的戰績，共擊沉運輸艦船4,820多艘、計2,180多萬噸；擊沉大型、中型戰艦500多艘，其中包括航空母艦18艘、戰列艦5艘、巡洋艦34艘、驅逐艦和護衛艦372艘、潛艇76艘。德國的“海狼”給幾乎給英國致命的打擊，美國的“鯊魚”則絞殺了日本的生命線。 早期潛艇在水面行駛時一般都用柴油機直接驅動螺旋槳，在水下則切換到電機。美國1928年在S3號潛艇上試驗了全電推進，用柴油機驅動發電機，可同時為電池充電并通過電機推動潛艇。戰前美國海軍已經完成了潛艇全電化推進的工作。 戰爭中美國海軍主要戰場是太平洋的廣袤海域，主力潛艇“小鯊魚”級（GATO）和“白魚”級（Balao）的噸位均較大，超過2,000噸。她們采用全電動推進，這些潛艇裝備有4臺柴油機，在水面航行時帶動4個發電機，通過配電屏控制，輸出的電流可驅動推進電機并給蓄電池充電。這種全電布局使動力輸出更加靈活。以戰爭后期“白魚”級使用的通用GM 16-278A柴油機為例，4臺并聯可提供5,400馬力，使水下排水量2,400噸的“白魚”級達到水上20節、水下8.5節的航速，續航力達到11,000海里/10節。全電潛艇雖然先進，不過要到二戰后才普及。 圖6.4 二戰美國潛艇主要動力之一 GM 16-278A柴油機 德國人在二戰中制造了大量的潛艇。與美國人不同的是，德國潛艇主要采用柴油機和電機共軸推進方式。在水面上柴油機工作，柴油機直接推動主軸和螺旋槳，并帶動共軸的發電機為蓄電池充電，下潛時，由蓄電池供電，帶動共軸的推進電機。因此德國潛艇一般都只裝兩臺柴油機。以TYPE VII型艇（分A/B/C/D若干子型號）為例，長50.5米，寬6.2米，吃水4.7米，水面排水量769噸，水下排水量885噸，艇員44-52人，有5座533毫米魚雷發射管（艏4尾1）和1門88毫米炮。該艇裝有2臺曼恩M6V 40/46柴油機，6缸4沖程，渦輪增壓，轉速470-490轉，總功率2,800-3,200馬力，水面航速可達20.4節，電機推力為750馬力，水下航速為7.6節，續航力8,190海里/10節。 圖6.5 TYPE VII C型潛艇的柴油機和電機共軸結構 圖6.6 曼恩M6V 40/46柴油機 戰爭中德國人通過對繳獲荷蘭潛艇的研究后發明了通氣管，不過戰爭初期并沒有大規模使用。后來英美雷達技術的發展，使潛艇在水面航行越來越困難。德國U58號潛艇在1943夏天安裝了通氣管，潛艇不需要上浮就可以通過柴油機航行并充電了。潛艇在通氣管狀態航行時，由液壓動作筒把活動進氣筒升出水面一定高度，空氣進入進氣筒內，并沿進氣管路通向機艙供給柴油機正常工作，廢氣則沿排氣管路經由排氣筒排入水中。活動進氣筒上部裝有浮閥，當涌浪將使海水進入進氣筒時，浮閥即自動關閉，阻止海水經進氣筒進入艙內。在導向筒上裝有制動器，以防止通氣管升起后自動下降。第二次世界大戰后期，德國潛艇廣泛使用了通氣管裝置，大大增強了潛艇的隱蔽性，戰后建造的潛艇普遍裝備有這種裝置。 圖6.7 潛艇通氣管 二戰中，美國建造了成千上萬艘各型登陸艦（艇），除少數裝備汽油機外，大多數都以柴油機為主要動力。以戰爭期間美國建造的1,000多艘LST為例，標準排水量1,800噸，滿載排水量3,900噸，長99米，寬15米，吃水艏部2.29米，尾部4.29米（輕載為1.02和2.24米），采用兩臺GM 12-567柴油機，總功率2,000馬力。該機原本為內燃機車動力，在戰爭期間不得不拿上登陸艦使用，不過也可使登陸艦達到11節航速。LST人員編制111-144人，可運載人員800-1,000人，或中型坦克17輛，或卡車32輛，還攜帶有2艘登陸艇，并裝備76毫米炮等自衛武器。無論從北非、西西里到諾曼底戰役，還是在太平洋戰場，以柴油機為動力的登陸艦艇均發揮了巨大的作用，為打敗德意日法西斯做出了重要貢獻。 圖6.8 二戰美國主要的登陸艦艇 二戰中，還有無數的小型艦艇使用柴油機動力，如德國S型魚雷艇就裝備有3臺曼恩或戴姆勒.奔馳的柴油機，總功率近4,000馬力，使這些近百噸，裝備2具魚雷發射管的小艇以40節以上的速度飛馳。 七．當代船用柴油機 二戰結束后，船用柴油機經歷了新一輪的發展，性能不斷提高。從上世紀40年代-70年代，大功率低速船用柴油機繼續向大缸徑、大功率方向發展，同時進一步提高進氣壓力和氣缸工作壓力，加大氣缸排氣量。在柴油機結構上廣泛使用了焊接結構，降低結構重量，普及渦輪增壓，使用劣質燃油，提高經濟性，這些都使柴油機技術有了飛躍發展。在缸徑方面，1956年只有740-760毫米，單缸功率只有1,200-1,400馬力；1960年達到840-900毫米，單缸功率達2,100-2,300馬力；1965年缸徑達930毫米，單缸功率2,750馬力，1970年，缸徑超過1米（達1,060毫米），單缸功率超過4,000馬力，1977年達到4,600馬力。船用柴油機進入了黃金年代，在民船上完全取代了蒸汽動力。 圖7.1 低速船用柴油機的平均工作壓力上升趨勢圖（1Bar=0.1兆帕） 1970年代以后，爆發了兩次石油危機，原油價格急劇上漲，運輸成本不斷提高，對燃油經濟性的要求日顯突出，柴油機主要以提高單機功率、降低比重量以及提高可靠性和經濟性為主要改進方向。 1980年后，世界柴油機市場向巨頭集中。1980年，德國曼恩公司收購丹麥B&W公司，1997年芬蘭瓦錫蘭公司與瑞士蘇爾壽公司合并，實現了強強聯合。各大柴油機公司經過了一輪新的整合，優勝劣汰之后，技術水平不斷提高，機型有所減少。在技術方面，除繼續增大單缸功率外，電子控制技術也在柴油機上得到廣泛應用，燃油噴射、排氣閥驅動、增壓、氣缸潤滑等都可由全電子驅動，柴油機的電子化、信息化和智能水平不斷提高，熱效率進一步提高，并不斷滿足更高的排放標準要求。 1）低速船用柴油機 低速船用柴油機的特點是轉速低（低于350轉/分）、缸徑大、沖程長、輸出功率大，多用于1萬馬力以上的柴油機。低速柴油機結構上一般采用直列氣缸、二沖程、多缸并聯、十字頭結構，具有大氣缸，長行程，高壓縮等特點。現代低速柴油機的平均工作壓力可達1.90-1.95兆帕，油耗為170克/千瓦小時以下，效率最高可達55%，壓縮/缸徑比最大可達4.2。低速機一般可直接驅動大直徑螺旋槳，能實現反轉，省去了齒輪減速箱等傳動要求，降低了成本，加之可以使用低質燃料油，運營成本遠低于其它種類發動機。在大型商船上，低速柴油機裝量占絕對統治地位。目前幾乎世界上所有的大型商船都使用柴油機驅動。 船舶類型 箱數/載重噸位 裝機功率要求 集裝箱船 4000-15000TEU 5-10萬馬力 3000-4000TEU 5萬馬力左右 2000-3000TEU 3萬馬力左右 2000TEU以下 2萬馬力左右 VLCC型油船 20-30萬噸 3萬馬力 蘇伊士、好望角級散貨船 15萬噸 1.5-2萬馬力 阿芙拉、巴拿馬、大型靈便型油船、散貨輪等 6萬噸 1-1.5萬馬力 靈便型散貨船、成品油船 4萬噸 1萬馬力以下 LPG和化學品船 2萬噸左右（中小型） 1-2萬馬力 民用商船裝機要求 根據預測，最近幾年世界低速船用柴油機市場每年有4,250萬馬力的需求。MAN B&W的MC系列和瓦錫蘭的Sulzer RTA系列兩大機型在低速船用柴油機方面占據絕對壟斷地位，其中MC系列占有率在80%以上，RTA系列10%左右，而其它廠商很少。兩大公司多采用專利授權生產方式，提供技術和圖紙，由柴油機公司或船廠進行生產，包括我國在內的眾多生產廠都需要向兩大公司繳納高昂的專利費。 曼恩公司在1980年收購B&W公司后，將低速船用柴油機的研發工作從德國的奧克斯堡全部搬到丹麥哥本哈根，開始研發MC系列柴油機。MAN B&W于1982年生產出第一臺L35MC樣機，1983年9月開始測試。MAN公司看準了船用柴油機的發展勢頭，陸續形成了缸徑260毫米，420毫米，460毫米和980毫米等不同等級MC系列，沖程-缸徑比達到2.44-4.2:1，汽缸數量從4缸-14缸，最大單缸功率6,000千瓦（8,000馬力以上）。MC系列柴油機可滿足各類大型船舶推進的要求。 MAN B&W公司的柴油機型號如6K80MC-C、6S70MC，其中的字母和數字的含義為： 最前面的數字表示的是柴油機的氣缸數，如“6”表示此柴油機共有6個氣缸； 氣缸數后面的S,L,K表示的是沖程與缸徑的比值。S表示超長沖程，L表示長沖程， K表示一般沖程； S、L、K后面的數值80，70表示柴油機的缸徑為80，70厘米； M表示的是柴油機的系列號； M后面的C表示柴油機是機械控制式的，E表示柴油機是電子控制式的； “－”后面的C表示的是整裝式柴油機。 14K98ME-C為該公司的龍頭產品，輸出功率84,280千瓦（11.5萬馬力），是世界上已知輸出功率最大的船用低速柴油機，但未見其裝船的報道。2010年后，MAN B&W更名為曼恩.丹麥公司，完成了去B&W化的工作。 圖7.2 14K98ME-C柴油機是曼恩公司的拳頭產品 芬蘭瓦錫蘭公司從1938年起開始生產柴油機，是世界上著名的中速船用柴油機生產廠商。瓦錫蘭收購瑞士蘇爾壽公司后，在低速船用柴油機領域也取得了成果，該公司柴油機也有自己的命名規則，以7RT-flex84為例： 7是缸數； RT是船用柴油機； flex是電控共軌系列機； 84是氣缸直徑，單位為厘米。 從上世紀60年代到今天，集裝箱船載箱量更以驚人的速度增加。集裝箱船裝卸速度高，停港時間短，大多采用高航速，對主機的要求很高。目前世界上在用功率最大的船用柴油機由瓦錫蘭公司制造，為14RT-flex96C型低速船用柴油機，已用于丹麥馬士基公司的“艾瑪.馬士基”號（Emma Mærsk）集裝箱船（同型船共8艘）。該級船也是迄今為止最大的集裝船，于2006年在丹麥的歐登塞船廠建造，總噸位為170,974噸，長397米，寬56米，吃水15.5米，型深30米，可載14,770個20英尺標準集裝箱。 圖7.3 滿載集裝箱的ELLY Mærsk號（Emma Mærsk同型船） 14RT-flex96C船用柴油機代表了當今低速船用柴油機的水平，這是世界上首臺14缸柴油機，采用了完善的 RT-flex共軌技術，通過增大行程/缸徑比，提高了推進效率；通過采用新材料降低了結構應力，具有良好的可靠性、安全性和耐久性，且具有比同類機型維護更方便等優點。該機持續輸出最大功率80,080 千瓦（109,000馬力），轉速102轉/分，汽缸容積2.5立方米，缸徑960毫米，沖程2.5米，汽缸速度8.5米/秒，燃油消耗為160克/千瓦小時。該機長27.3米，高13.5米，重達2,300噸，僅曲軸就重達300噸。依靠柴油機提供的強大動力推動1具9.6米直徑的6葉螺旋槳，船速可達25.5節。 圖7.4 瓦錫蘭公司授權韓國生產的14RT-flex96C柴油機 2011年2月，馬士基又一口氣向韓國大宇訂購了10艘更為大型的集裝箱船，可載1.8萬個標準箱，計劃將用2臺MAN柴油機（總功率8萬千瓦），航速也降低為23節，但更為經濟，預計2014年交船。 隨著國際油價格的高起，原油價格突破100美元/桶，又由于受到國際金融危機的影響，國際航運和造船業近幾年處于調整狀態。增強輸出功率已經不是低速柴油機的首要目標，更環保、更高效已經成為低速機研發的方向。 柴油機廠商正在研究多燃料發動機，使用液化天然氣LNG作為燃料的柴油機在排放指標上明顯優于普通柴油機。LNG船是多燃料柴油機的主要應用對象，LNG船用在運輸過程中微量蒸發的天然氣作燃料，過去一直采用蒸汽輪機作為動力。目前多燃料柴油機已經逐步在LNG船上使用，從而攻占蒸汽輪機在民船領域的最后堡壘。卡塔爾石油公司擁有的世界最大265,000m3 Q-Max級LNG船（長度345米，寬34.7米）已經采用2臺MAN 7S70ME-C柴油機驅動，總功率達5.9萬馬力，該級船已經完成14艘。 圖7.5 Q-Max型LNG船 LNG大規模應用于其它類型船舶還需要走很長的路，一是要解決續航力的問題，而現在一般只有20多天；二是LNG燃料補給不方便，港口尚未建立起配套體系；三是LNG存儲設備的成本較高，系統復雜，安裝困難；這些因素都從較大程度上限制了LNG作為船用燃料的應用。 2）中/高速船用柴油機 中速柴油機轉速在350-1,200轉/分之間，大多為四沖程V型氣缸布局，其體積較小，重量比輕，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。瓦錫蘭、曼恩公司（SEMT Pielstick皮爾斯蒂克已經并入曼恩）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，瓦錫蘭是市場領頭羊，市場占有率為42%。 中/高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。豪華游輪一直以其高附加值成為船舶制造業皇冠上的珍珠，中速柴油機已經大量應用于游輪動力。皇家加勒比游輪公司擁有的世界排名前五的大型游輪中，無一例外都采用柴油機-電力推進方式。其中最大最豪華的是“海上綠洲”（MS Oasis of the Sea）級游輪（兩艘）。她們船長361.8米，水線寬度47米，最大寬度60.5米，型深22.55米，吃水9.3米，總噸位225,282噸，從龍骨到最高處達72米，擁有16層甲板。船的內部設有電影院、餐廳、健身俱樂部、溜冰場，生活和娛樂設施一應俱全，儼然是一座海上的超五星級酒店。 “海上綠洲”采用了瓦錫蘭公司的V46D系列柴油機作為主機，缸徑460毫米，行程580毫米，轉速為500轉/分。其中三臺為12V46D 12缸機型（單臺功率13,860 千瓦/18,590馬力），另三臺為16V46D 16缸機型（單臺功率18,480千瓦/24,780馬力）。這些柴油機帶動發電機發電，產生的電流用于驅動3臺ABB公司生產20,000千瓦吊艙式電力全向推進裝置。此外船艏還有4臺5,500千瓦的輔助動力裝置，這令船舶操作更加可靠、靈活，運行更安靜。全電推進裝置也可以滿足游輪對電力的巨大需求，免除額外的柴油發電機等設備，從而節省了內部空間，同時還降低了機械傳動的噪聲、得到廣泛青睞。 圖7.6 MS Oasis of the Seas 圖7.7 瓦錫蘭12V46D中速柴油機和ABB全向吊艙推進裝置 中速柴油機不僅在民船領域得到應用，在軍船領域的登陸艦、補給船、輔助艦船等艦艇上也被作為主要動力來源。“西北風”級（Mistral）兩棲攻擊艦是法國為適應北約組織增強戰略海上輸送能力要求建造的新一代艦船，她采用商業標準。該艦全長199米，寬32米，吃水6.3米，滿載排水量21,300噸。飛行甲板面積為5,200平方米，設有6個直升機停機點，其中5個可停放16噸的直升機。塢艙能夠容納4艘通用登陸艇或2艘LCAC氣墊登陸艇。飛行甲板下是面積達1,800平方米的直升機庫，可停放16架直升機。艦上設有面積1,000平方米的車輛庫，可裝載60輛裝甲車或12輛“勒克萊爾”主戰坦克。艦上還設有69張病床的醫院，保障45天生活需要的生活用品艙。她們既可遂行兩棲作戰任務，也可擔當多國部隊聯合作戰指揮艦任務，還能承擔各種支援任務，是一種整體性能優良的新型多功能兩棲攻擊艦。 “西北風”級的推進系統采用了3臺瓦錫蘭16 V32中速柴油機（缸徑320毫米，沖程400毫米，轉速750轉/分，單機功率6,200千瓦）以及一臺瓦錫蘭18V200中速柴油機（3,000 千瓦），采用電力傳動推進，裝有2臺吊艙式電力全向推進裝置及1臺首部側推器，航速21節，續航力10,000海里/15節。最近老牌軍事強國俄羅斯也購買了4艘“西北風”級，足見全電推進系統的先進性。 圖7.8 “西北風”級兩棲攻擊艦 船用高速柴油機生產廠商很多，其產品均為V型、四沖程，缸數12-20、轉速1,200-1,800轉/分、平均有效壓力2.0-3.2兆帕、活塞速度10.5-13米/秒、最大爆發壓力15-18兆帕、燃油消耗率198-210克/千瓦小時。 二戰以后，蒸汽動力船舶主機逐步被淘汰，原先多采用往復式蒸汽機或蒸汽輪機的商船大多安裝低速船用柴油機，但對驅護艦等主戰艦艇的動力而言，柴油機與燃氣輪機相比還有一定的差距。 燃氣輪機第一個優勢是功率密度極大。同等情況下，同等功率的燃機體積是柴油機的1/3到1/5，是蒸汽輪機的1/5到1/10（計算鍋爐等）。燃氣輪機的第二個優勢是啟動速度快，在1~2分鐘就可以從靜止達到滿功率。而柴油機由于活塞的往復運動，受熱應力和機械應力的限制，加速比燃氣輪機慢；蒸汽動力系統鍋爐從啟動達到滿功率輸出，則需要長達一小時的時間。而啟動速度，對于軍艦的戰時應急出動性能有著直接的影響。燃氣輪機第三個優勢是噪聲低頻分量很低。由于燃氣輪機本身處于高速穩定轉動當中，產生的噪聲更多是高頻噪聲，傳播不遠。而柴油機的往復運動產生了大量低頻噪聲，在水中傳播就離遠，導致軍艦容易被敵方聲納探測。 由于燃氣輪機先天優勢與軍艦動力系統性能要求更為吻合，燃氣輪機成為了各國軍艦動力系統發展的主力。海軍強國美國和英國依靠強大的實力，研制了以GE LM 2500和羅.羅斯貝SM-1C、WR-21為代表的燃氣輪機，主力水面作戰艦完成了動力燃氣輪機化。不過燃氣輪機也存在一定的缺點，首先其燃料經濟型與柴油機存在明顯差距，在低速輕負荷下的油耗較高，同等條件下，燃氣輪機船舶的經濟性不如柴油機。現在，通過對柴油機采用降噪減振措施，如用雙彈性減振機座和隔聲罩，明顯降低了柴油機噪聲。采用齒輪減速裝置，在高速時使用燃氣輪機，在巡航時使用中/高速柴油機，可謂各展所長，相得益彰。 中/高速大馬力柴油機不僅可與燃氣輪機組合成柴燃交替動力裝置CODOG，滿足5,000噸以下艦艇的需要，兩者還組成還可組成聯合動力裝置CODAG，滿足6,000噸級艦艇功率要求。此外全柴油機聯合動力裝置CODAD也可以滿足3,000-4,000噸艦艇的要求。 歐洲在柴油機設計和制造方面具有領先水平，歐洲制造的艦艇大多會使用柴油機作為動力之一。MTU和皮爾斯蒂克的柴油機也隨著德、法兩國軍艦遠銷海外，其性能和可靠性廣受贊譽。皮爾斯蒂克（現已經并入MAN）生產的PA6系列中速柴油功率從1,630 千瓦到8,100千瓦（2,220 馬力到 11,000馬力），轉速從750-1,050轉/分。MTU的V956/1163、V4000和V8000系列高速柴油機采用直接噴射，廢氣渦輪增壓，中間空氣冷卻等技術，具有耐久可靠、操作方便、體積小、功率大等特點。 生產廠商 型號 單機功率（馬力） 應用主要艦艇（動力布局，燃氣輪機+柴油機） MTU 20V8000 M90 12,060 新加坡威武級護衛艦（CODAD，0+4） 20V1163 TB93 9,920 德國F124薩克森級護衛艦（CODAG，1+2） 土耳其MEKO 200TN級護衛艦（CODAD，0+4） 16V1163 TB93 7,900 南非MEKO A-200級護衛艦（CODAG，1+2） 土耳其MEKO 200TN-II級護衛艦（CODAG，2+2） 12V1163 TB83 4,820 澳大利亞/新西蘭安扎克級護衛艦（CODOG） 20V956 TB92 6,570 德國F122不萊梅級護衛艦（CODOG，2+2） 德國F123勃蘭登堡級護衛艦（CODOG，2+2） 葡萄牙MEKO 200PN級護衛艦（CODOG，2+2） 希臘MEKO 200HN級護衛艦（CODOG，2+2） Pielstick 皮爾斯蒂克 20PA6V280 8,800 加拿大哈利法克斯級護衛艦（CODOG，2+1） 16PA6STC 7,600 印度什瓦里克級護衛艦（CODOG，2+2） 沙特阿拉伯利雅得級護衛艦（CODAD，0+4） 12PA6STC 5,800 法國拉斐特級護衛艦（CODAD，0+4） 中國臺灣康定級護衛艦（CODAD，0+4） 意大利和法國地平線級護衛艦（CODOG，0+4） 卡特比勒 Caterpillar 3600 6,000 西班牙F-100級護衛艦（CODAG，2+2） 瓦錫蘭 Wärtsilä 16V6ST 11,420 荷蘭德澤芬省級護衛艦（CODOG，2+2） 中/高速柴油機在各國海軍主要水面艦艇的裝備情況 潛艇用柴油機與普通柴油機有所不同，要求在通氣管狀態，即進氣高真空、排氣高背壓以及波動背壓下穩定運行。通氣管工作條件下，渦輪作功能力下降，壓氣機耗功增加，潛艇柴油機要通過特殊的結構設計、參數調整來保證渦輪增壓系統的正常工作和整機可靠性。長久以來德國和法國在國際常規潛艇市場占據了大部分的份額，而德國MTU和法國皮爾斯蒂克兩家公司也是潛艇柴油機的主要提供商。 戰后，德國開始復興，德國人傳承了豐富的潛艇設計經驗，很快在潛艇的設計和制造方面顯示出優勢，當然其性能卓越的柴油功不可沒。MTU潛艇動力柴油機經過12V493型和12/16V652型，現在已經發展到第三代V396型。據不完全統計，V396型已經裝備了80多艘常規潛艇。該機有8、12、16缸等不同配置，轉速1,800轉/分，輸出功率分別為600、1,000和1,350kW，重量分別為5,400、7,800和8,800千克，結構緊湊，滿足不同大小潛艇的需求。裝備的艇型主要有209型、212型、214型，瑞典哥特蘭型、西班牙/法國合作的天蝎座型、德國/挪威合作的210型等。 以德國的209型為例、該型潛艇無疑是最受國際市場歡迎的艇型之一。從60年代末開始設計，經過不斷改進，目前已經形成包括1100/1200/1300/1400/1500等不同的型號在內的系列，排水量不等。這些潛艇中大多數由德國生產，但某些國家也獲得了特許生產權。209型潛艇采用常規柴電動力潛艇設計，以單一殼體為基礎，雙壓載水艙。聲納和武器系統在不同變形上的區別很大。以209/1400為例，動力裝置4臺采用MTU 12V396柴油機，總功率為4,000千瓦（5,440馬力），4臺發電機，1臺德國西門子公司的電機，功率3,380千瓦（4,600馬力），單軸低轉速大側傾螺旋槳。209型潛艇水面航速10節，水下航速22節，續航力8,200海里/8節。該型潛艇自動化程度很高，艇員只需30人，包括8名軍官，水下自持力為21天，最大潛深為400米。 圖7.9 209/1400型潛艇和動力之源MTU V396型柴油機 現代的AIP潛艇與普通的常規潛艇相比，水下潛航能力更強，但受到AIP動力系統較低的裝機功率限制，仍然必須裝備柴油機，作為水面高速航行和快速充電的動力。而在核動力潛艇上，應急發電機組仍然要用柴油機來驅動。經歷百年考驗之后，柴油機在現代潛艇上仍然保持著強大的生命力。 3）船用柴油機的發展趨勢 國際海事組織（IMO）決定從2011年1月1日起實施IMO Tier II排放法規。與IMO Tie I相比，IMO Tier II排放法規氮氧化合物（NOX）必須降低20%，IMO Tier III排放法規則規定降低80%。未來5～10年間，“京都議定書”及最近的’哥本哈根協議”也將生效，這些協議要求減少CO2的排放量。因此，未來船舶柴油機面臨著既要降低排放，又要降低耗油率的雙重挑戰。調節噴油規律是減少NOX排放主要手段之一。NOX排放量越低，對噴油量的控制精度要求越高。 傳統柴油機使用的是機械控制系統，其響應特性、控制精度等均不能滿足柴油機控制最優化的要求；同時，傳統柴油機的設計指標是為額定工況優化的，而船舶行駛機動過程中，要求的柴油機運行區域很廣，很多時候是偏離了額定工況的，此時柴油機的運行效率就會明顯下降；再次，傳統柴油機的燃料噴射系統是按照燃燒熱效率最高來設計的，對燃燒過程中排放的大氣污染物重視不夠，在越來越重視污染控制的今天，也是不能滿足要求的。 隨著電子技術和計算機技術的迅速發展，柴油機控制向機電一體化方向發展，從而邁出了柴油機發展史上第三次革命-電控發動機的步伐。由于電子技術的發展，柴油機運行信息的實時獲取能力有了極大的提高，而微型計算機的出現，使得信息處理的能力有了質的飛躍。利用電子控制技術，柴油機可以將原來相當一部分機械傳動的控制機構改為由電磁閥及相應的控制機構取代，可以實現高精度的實時精確控制，從而能夠在廣泛的運行區域內實現對柴油機運行工況的最優化控制，使得柴油機性能得到大幅度的提高。 由于柴油機的工作主要依賴燃料噴射燃燒來實現，電控噴油系統也就順理成章的成為了電控柴油機的重點發展方向。第一代電控噴油系統是在傳統的高壓油泵-噴油器的組合中，結合了高速電磁閥進行噴射控制，其實現較為簡單，但噴射壓力和噴油量調節范圍仍然受到了傳統油泵的工況限制，尚未達到最優化控制的要求。為了進一步改進燃料噴射燃燒的控制效果，出現了第二代電控噴油系統-高壓共軌式電控噴油系統，該系統使用了一個具有較大容量的高壓燃油蓄壓器（油軌）取代傳統的高壓油泵，另外設置專用的補油高壓泵向油軌供油。由于蓄壓器內的燃油壓力遠大于常見傳統高壓油泵的最大噴射壓力，燃油噴射時的霧化程度更高，燃燒更完全，同時電磁閥可以在整個噴射過程中進行精確的噴射控制，無需顧慮傳統噴射系統中燃油噴射壓力下降的問題（由于油軌容積遠大于單次最大噴油量，油軌內壓力可視為基本上保持不變），不僅可以保證低工況時燃油的良好燃燒，改善低速時的轉矩，還可以降低廢氣中污染物質的排放。由于循環供油量和噴油狀態之間的差異變化很小，柴油機的動力性能也得到了顯著的改善。 目前，世界上主要的柴油機研發企業都已經在新一代柴油機上普及了共軌式燃油噴射系統。隨著柴油機電控技術的進一步發展，未來具有更強控制能力和更好控制效果的“智能型”柴油機將會是發展的主要方向。 霹靂貝貝 |
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