我国船用柴油机发展趋势探析

2019-02-16田海涛

柴油机设计与制造 2019年1期

田海涛

（武警海警学院，宁波315801）

0 引言

船用柴油机具有功率范围大、热效率高、经济性能好、起动容易、使用和维修方便等优点。至20世纪中期，世界上运行的各类船舶普遍采用柴油机作为动力源。随着我国海洋强国战略的全面实施和高新技术的快速发展，船用柴油机与船舶工业及军事舰艇装备发展的联系越来越紧密，正逐渐受到政府、企业和科研机构的高度关注。本文对国内船用柴油机研究现状以及我国船舶柴油机发展优势进行分析，并探析我国船用柴油机发展趋势。

1 国内船用柴油机研究现状

我国船用柴油机技术起步晚，但发展速度较快。通过与国际上知名的柴油机制造商、科研机构和院所的交流合作，引进国外先进的专利技术，借鉴国际上成熟的制造工艺流程，国内的柴油机产业得到了长足的发展，性能更加可靠、种类更加丰富、规格更加齐全，积累了大量的柴油机设计研发和生产制造经验，专业技术人才队伍得到了扩充。然而我国船用柴油机技术离国际一流水准还有一定的差距，仍然存在着一些缺陷。首先，国内船用柴油机企业养成了依靠国外技术的习惯，自主化程度低，高端科研人才缺乏；科研院所相对分散，与企业之间缺乏有效的信息交流平台，很多科研成果和技术专利因种种原因没有得到有效转化，仅仅停留在纸面上、停留在证书中，难以形成核心竞争力，造成了巨大的科技资源浪费。其次，国内柴油机企业维修服务能力还有待加强。当柴油机设备出现故障时，不能及时诊断问题、消除隐患、减少故障停机时间，保证柴油机设备的安全、高效运行。

目前国内船用柴油机研发的重点普遍集中在制造工艺方面，对自主研发和产品设计的重视程度还远远不够，自主研发和创新能力较弱。如果不改变现状，国内船用柴油机的发展会继续受外国企业牵制，这样会阻碍我国造船业的快速发展。

2 我国船用柴油机发展优势分析

我国船用柴油机经过多年的发展，实现了从无到有的历史性跨域，取得了不俗的业绩，涌现了大量的科研院所和高等院校的科研机构，形成了国有企业、民营企业及合资企业共同发展的产业格局，行业标准逐渐完善，产业结构更加合理，市场经营秩序得到了进一步规范。同时，随着我国制造业的迅速发展，船用柴油机关键零部件制造技艺和制造水平达到了较高水准。如大连重工控股企业大连华锐船用曲轴有限公司，已经成功研制了全球首支、世界最大22 000标箱集装箱船用曲轴，打破了国外大型低速船用曲轴对我国制造业的长期垄断，让“船等机、机等轴”制约国家造船业发展的瓶颈成为了历史[1]。柴油机主体结构设计不断优化，整机装配与调试水平得到了大幅提升，配套产业也得到了协同发展，形成了良好的产业基础。

我国现在处于大力发展海洋经济的高速阶段。船舶作为海上重要的交通工具，无论在商用还是军用领域都发挥着不可替代的作用。船舶工业拥有巨大的发展空间，也为船用柴油机的发展提供了千载难逢的战略机遇。目前，国家投入了大量的人力、物力，扶持海洋船舶类项目的自主研发。国内船用柴油机科学研究院和企业研究所也加大了科研力度，根据船舶市场所需和未来发展趋势，不断创新实践，研发新的船用柴油机机型，国内船用柴油机企业展现了巨大的活力。

随着全球航运业呈现回暖迹象，以及我国海军舰艇装备的加快发展，特别是新型作战舰艇的更新换代都对船用柴油机有较大需求；并且国内船用柴油机市场直接与国际接轨，呈现了较强的市场竞争力，国内船用柴油机企业有能力抢占更大的市场空间和市场份额，这些都会促进中国船用柴油机的快速发展。中国船用柴油机要快速发展，首先要更好地满足市场对船用柴油机的要求。这些要求主要体现在船用柴油机的技术特点上。

3 船用柴油机的技术特点

根据航区和任务的不同，船舶对排水量、适航性、操纵性有不同的定位和取向。因此，船舶对柴油机的要求也存在一定的差异，但为满足船舶的正常航行，我国船用柴油机基本上应满足以下要求[2]。

（1）安全可靠。由于船舶长时间航行在海上，且船用柴油机有较长的运转周期，全球范围内运输物资时，海上航行的时间有时会多达数月。一旦柴油机发生故障，尤其在恶劣海况下，造成船舶主机长时间停机，致使船舶丧失航行能力，后果将不堪设想。因此，安全可靠是船用柴油机的首要技术特点。船用柴油机的结构设计应合理，选择合适的材料、正确的加工工艺，使零部件具有较高的可靠性，不仅能保证柴油机正常、高效地运转，而且具有较长的使用寿命。

（2）工作平稳。船舶在航行过程中必然会受到风、浪、流的影响，致使船舶出现纵摇和横摇的现象。在海况恶劣时，船舶会遭受大风浪持续的砰击、拍底（在激烈的纵摇与垂荡中，船舶升起后下落与波浪向上运动相撞）和艉淹（顺浪航行中，船舶陷入波速比船速更快的波谷时，浪打船艉甲板），进一步加大了船舶横摇和纵摇的程度。同时，在大的风浪中螺旋桨转动阻力增加，增大了船舶柴油机的负荷，导致柴油机热负荷加大，容易造成船用柴油机出现轴系断裂等事故。由于在海上难以获得外界援助，船用柴油机发生故障停机导致船舶搁浅、沉没等事故时有发生。因此，船用柴油机应当具备一定的工作平稳性，即使在大风浪天气里，在纵摇、横摇程度严重的情况下，船舶仍能正常工作，维持船舶的正常航行。

（3）检修方便。船用柴油机在长期使用过程中，由于受到结构设计、使用材料等内在因素，运转负荷、维护保养质量等外界条件的影响，柴油机零部件的材料结构、尺寸精度、相关零部件的配合间隙容易发生变化，造成柴油机机体产生腐蚀、裂纹等破坏，需要维修。另外，船舶在停航期间需要定期对船用柴油机进行安全检修，及时清洗中冷器、呼吸器、燃油粗滤器和空气滤清器等部件，或者更换润滑油，防止润滑系统被污染，以备船舶随时出航所需。此外，船用机舱空间比较狭小，船舶航行过程中，船体晃动，非常不利于维修工作的开展。因此，船用柴油机的结构设计应能方便工作人员进行检修、及时更换失效零件、故障排除、做好日常和定期的维护管理工作。

（4）易于变速换向。船舶在航行期间，随时都可能遇到各种情况，有时需要根据不同的水文环境进行变速换向。例如在狭水道航行或离靠码头时船舶需要减速；在开阔海域，为了缩短海上运输时间，提高航运效益，船舶往往需要加速航行；在海面上避让来往船只以及深水浮标和礁石时，或者军舰在避免鱼雷、水雷和飞机的攻击时，需要船用柴油机具有一定的机动性。无论柴油机处于什么状态，曲轴在什么位置上，都能在最大转速与最低转速之间进行任意切换，迅速从一种工况过渡到另一种工况；并且在整个过程中，船用柴油机的运转速度要保持平稳，不能出现速度骤增或者骤降的不稳定现象。

（5）应急性能好。船舶在海上航行时，柴油机由于润滑油管路或燃油管路破裂、曲轴箱爆炸、冷却水缺失、曲轴裂断等各种因素都会引发故障。由于船上条件有限，很难在较短时间内及时修复好。为了确保船舶正常航行和船员人身安全，船用柴油机应具有良好的应急性能。例如，润滑油失压时，柴油机应能够立即发出警报，第一时间通知驾驶台和机舱值班人员，进行减速运行，并利用多种途径加强对柴油机的润滑或者立即停机，查明润滑油失压的原因，排除故障，及时恢复柴油机的正常运转。

我国船用柴油机不仅需要很好地满足使用要求，还需要把握船用柴油机的发展趋势，走自主创新之路，这样得以加快发展。

4 船用柴油机发展趋势

自1897年，德国人鲁道夫·狄塞尔成功研制出第1台柴油机，柴油机的发展已经走过了上百年的历程。近年来，基于世界造船行业技术的日趋成熟，现代船用柴油机已经发展到一个较高的技术水平。伴随着科技技术的不断进步和生产力水平的持续提高，造船行业将会对船用柴油机提出更高的技术要求，主要集中在以下几个方面。

（1）节能环保。节能环保是船用柴油机在21世纪面临的严峻挑战，也是船用柴油机发展中的新课题。随着排放法规日趋严格，为了使船用柴油机在各类使用环境中都能满足国际海事组织（IMO）的排放规则，需要进一步加大对船用柴油机节能减排的研究[3]。当前，船用柴油机普遍采用提高喷射压力、延迟喷油正时，并采用废气涡轮增压器增大进气密度，提高燃烧效率等来实现柴油机节能环保，取得了良好的效果；但有时仍然无法满足排放要求。因此，船用柴油机已经尝试采用高压共轨燃油系统，根据不同工况确定柴油机所需的最佳喷射压力，柔性控制喷油正时和喷油速率，避免高压油路中出现气泡和残压为零的现象，优化柴油机综合性能，减轻柴油机的振动并降低排放。随着柴油机技术的飞速发展，船用柴油机进入了电子控制技术时代，电子喷射、电子调速等技术日趋成熟完善。另外，也可以根据船舶柴油机的结构特点，设计研发更多新的柴油机机型，自动降解排气杂质和有害气体，降低柴油机的排放，满足船用柴油机的节能环保要求[4]。

（2）智能监控。近段时间以来，随着计算机技术、信息技术的迅猛发展，越来越多的柴油机科研院所开始进行船用柴油机全智能系统的应用研发，使柴油机拥有状态监管、自动分析处理和维修保养于一体的智能监控系统。根据船用柴油机的工作性能指标，全过程地对柴油机的工作动态进行监控；在数据分析的基础上，自动对柴油机运行状态进行分析处理，发现问题及时消除隐患；并将数据传输到数据库，形成大量的基础数据，使数据处理、状态识别、故障分析和维护保养自动完成，提高诊断速度和准确度，使柴油机能够应对海上严苛的工作环境，在任何情况下都可以正常运转，提高船舶航行的安全性。另外，通过集成化技术和开发专用APP，将船用柴油机智能系统装入工作人员手机上，使工作人员可以在集控室、驾驶台甚至船舱休息室都可以进行远程监控，随时掌握柴油机的运行状态，加强状态监测和远程管理，既保障了工作人员的安全，又减少了船用柴油机的管理和维修费用，提高了船舶运输的效益。

（3）代用燃料和多种燃料混合使用。随着全球石油资源的减少及当今世界政治、经济、军事等日益复杂的形势，导致国际市场原油价格不断攀升，正逐渐成为制约柴油机发展的重要因素之一。因此，加强船用柴油机代用燃料以及多种燃料混合使用方面的研究势在必行，使船用柴油机动力燃料按照多元化、可回收化的方向发展。在保障船用柴油机正常运转的情况下，为了更好地提高航运企业的经济效益，减少有害物质排放，通过研发设计，改进柴油机燃烧室结构或柴油机工作过程，使船用柴油机不仅可以使用燃油，也可以使用渣油、重油、各种清洁原料后的废油等多种动力原料，或者将几种不同类型的燃油经科学计算分析按照比例混合使用。增加可再生燃料的使用，提高燃烧效率，开创船用柴油机发展的新局面。

（4）高比功率。随着船舶大型化时代的到来，为了提高经济效益，同一航次的船舶应尽可能多地装载物资[5]。高比功率柴油机体积小，有利于节省机舱空间；也可以通过合理的布置设计，最大限度优化机舱布局，一则可用于多载物资，二则当设备发生故障时，方便轮机员对机舱内部的机器设备进行维护和修理。另外，高比功率柴油机质量轻，可以有效避免船舶由于局部过重而造成的航行事故。在军事舰艇方面，同样需要柴油机具备功率大、质量轻、体积小的特性，以增加舰船的机动性，满足作战需求。在当前研究中可以借助柴油机虚拟模拟技术，通过相关的软件、技术和手段，以船用柴油机预期要求为依据进行研究设计，大力研发功率大、质量轻、体积小的柴油机，增加柴油机的使用寿命，提高柴油机连续服役的能力。