内河船舶用柴油机技术发展趋势研究

2020-02-18伍赛特

机电产品开发与创新 2020年6期

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司，上海200438）

0 引言

近年来，现代船舶柴油机技术和管理发展迅速，柴油机各项技术趋于完善。各船用柴油机生产厂家经过激烈竞争、淘汰和重组，尤其是国外专利和技术的引进，使得各机型得到不断的调整、改造和升级。

各类柴油机均采用各种节能措施降低油耗，努力提高柴油机的有效热效率，以提高整个动力装置的热效率；在柴油机结构、材料上及加工工艺上不断改进，努力提高柴油机的工作可靠性；利用先进的电子技术对柴油机进行监测与控制，特别是近年来电子计算机的运用，更将柴油机的管理技术提高至一个崭新的水平[1-4]。

1 四行程柴油机得到普遍应用

由于内河航道的特殊性，在船舶主机中，普遍采用四行程柴油机。由于四行程中速柴油机有着质量轻、尺寸小，通过合适的减速装置可选用最佳螺旋桨转速，经济性好、工作可靠性高，使用寿命长及对劣质燃油的适应性好等突出优点，在近年新建的船舶中，得到了广泛应用。

2 提高最高爆发压力及提高最高爆发压力和平均有效压力的比值

适当提高最高爆发压力可以降低燃油消耗率、提高柴油机的热效率。各生产厂家均把提高最高爆发压力作为降低油耗的一种重要措施，现在各种机型的最高爆发压力值均有较大提高。但是过高的最高爆发压力会使受力部件应力增加、螺栓预紧力加大，使结构尺寸相应增大；机器的振动和噪声也随之增加，还容易破坏油膜使磨损加剧[5]，这些不利影响随着科技进步、柴油机结构设计的改进、材料性能及加工工艺的提高均已有所改善。

3 提高行程缸径比，降低柴油机转速

提高行程缸径比能有效改善柴油机的换气效果，配合适当的燃烧室形状对良好的燃烧大有裨益，并能充分利用燃烧的膨胀功。现在各种机型均有提高行程缸径比的倾向。同时，通过降低柴油机转速，以此可使柴油机直接驱动螺旋桨，从而提高螺旋桨的推进效率，使动力装置具有更高的经济性。

4 增大压缩比

增大压缩比有利于燃烧过程，并能提高柴油机的经济性。特别是在燃用低品质燃油，以及在部分负荷使用条件下，能使压缩行程终点获得较高的气体温度。现代新型柴油机，特别是增压度较高的柴油机不仅不降低压缩比，反而采取措施加大压缩比。这样做由理论循环研究可知能提高经济性，实际使用结果也证实了这一点，这也是近年来柴油机在结构上采取的节能措施之一[6-7]。

5 增压技术和增压系统的改进与发展

5.1 向高压比、高效率及宽广运行范围发展

四行程柴油机通常要求增压器的压比不低于4，才能满足正常运转要求。数年前，部分机型曾采用两级涡轮和两级压气机串联组成的两级增压方式来大幅度提高其压比（如第一级压比为2.5，第二级压比为2，两级总压比即为5），使柴油机的工作范围、加速性能及排气污染等方面均有改善。但由于尺寸、质量加大，成本增加，管道布置及维护管理困难等不利因素的影响，使两级增压发展较慢。

目前单级高压比涡轮增压器得以快速发展，现在涡轮、喷嘴、涡轮叶片及压气机的空气流道，导风轮和扩压器叶片等均经过应力分析、计算机设计比较和优化，其工作性能已得以充分提升。如部分机型的涡轮采用优质镍合金材料制作轮盘，涡轮叶片根部采用新的形状，并在叶片间用特殊设计的机械减振套圈取得了良好的减振效果。

部分压气机采用后弯式主叶片和导风轮叶片整体式的叶轮，并用轻巧的铝合金代替昂贵的钛合金；同时采用最新设计的推力轴承和复合式弹性轴承，使其具有极佳的减振特性；所有零件经过特殊的精密加工，并采用专用的合成机油进行润滑。使最新型的增压器在高压比和高废气温度的条件下具有良好的效率和可靠性。

5.2 增压系统的改进和发展

为了更有效地利用废气能量，在脉冲增压的排气支管和废气涡轮增压器之间增设“脉冲转换器”和“多脉冲转换器”，以此既能有效地利用废气的脉冲动能，又能使涡轮有稳定的进气压力和连续的气流，使涡轮效率提高。

该类方法兼顾了脉冲和定压两种涡轮增压的优点，使增压效果明显提高，尤其适合于气缸数并非3 的整数倍的柴油机，因这些柴油机排气管的不合理分组会使废气供应断续进行，增大涡轮的压气损失，使涡轮效率明显下降，同时叶片急剧交变受力会造成疲劳裂纹。

近年来，随着中速柴油机功率的不断提高，又发展了“单管脉冲转换增压系统”，该系统除了兼顾脉冲和定压优点外，也不受柴油机缸数限制并使排气管的布置更为简化，其工作性能也进一步得到提高。

5.3 开发动力涡轮，提高动力装置效率

随着废气涡轮增压技术的改进，柴油机增压度以提升，柴油机排气能量除供应给废气涡轮增压器外，尚有相当的余能[8]。利用一种尺寸小、经济性好的动力涡轮接受部分废气能量将其转为涡轮功，再通过机械方法反馈给发动机输出。

目前，设计运用较好的一套动力涡轮装置利用废气能量中的15%转换为柴油机输出功率。由于该系统投资较大，在3600 kW 以上的柴油机上使用才能显示出经济效果。当输出功率小于50%时，则停止使用动力涡轮。

5.4 采用高效的增压空气中间冷却器，降低进入气缸的新气温度

因为在空气被增压的过程中，温度也有所上升，从而可使空气密度提高的幅度相应减小，影响增压效果。采用中间冷却以提高空气密度的作用较为明显。

采用高效的中冷器已成为提高增压技术的重要措施，采用合理的散热片材料和形状，通过冷却效果更好的气流和液流流动形式，经过冷却器的各种改型设计，使新型中冷器体积更小，效率更高。在中冷过程后由于进气温度的降低使循环平均温度降低，使冷却水带走的热量相对减少，使经济性有所提高。

6 部件结构和使用材料的改进

近年来，柴油机在基本结构不变的前提下，各种机型从不同的角度考虑，对部分机件的构造进行了改进。随着新机型的出现，各种部件的结构形式和材料的应用还会得以进一步优化。燃烧室部件中的气缸盖、气缸套和活塞采用高强度结构并在离燃烧室较近处通过钻孔冷却，使较高的结构强度和高效冷却相结合，形成“薄壁厚背”的结构。这种使热负荷和机械负荷都得以降低的结构型式，目前已在大功率中、低速机中被广泛地采用[9]。

气缸套可通过形状的优化来适应工作压力的持续提高，经合理设计的缸套肩部结构能避免热应力和机械应力过于集中。随着最高爆发压力的不断增大，单一材料制成的铸铁气缸套已达使用极限，可采用双层材料制成的缸套并将其用于低速柴油机，其内层为薄的片状石墨铸铁、具有良好的抗磨性，外层则为厚壁铸钢，增加强度，两层金属之间约有2mm 厚的结合层，日本三菱公司在这方面的研究获得了成功。

缸套采用上、下两排注油孔，进行多级润滑并自动控制供油率以适应长行程活塞的润滑需要。采用组合式活塞以适应越来越恶劣的工作条件，其活塞顶部用耐热合金钢制成，活塞裙部则用耐磨合金铸铁或铝合金制成，部分机型在两者之间加隔热环，使裙部受热甚微，热变形也相应减少，可以不必制成椭圆形并可适当缩小与缸套之间的间隙，这无疑对其工作过程大有裨益。

同时，可利用铸钢代替锻钢制造曲轴，可使曲柄尺寸形状不受限制，毛坯加工余量小，精细的铸造工艺可使曲柄臂免去加工过程。目前对曲轴的铸造工艺要求极为严格，采用此类结构的曲轴已在部分大型采用机中得以使用。

7 电子技术在内河船舶用柴油机中的运用

（1）随着电子技术的迅速发展，特别是近年来电子计算机的普及应用，内河船舶用柴油机中的电子控制技术运用得更为广泛。使用“喷油器自动调节系统”，柴油机在运行中能根据工况的不同及负荷的差异，自动改变喷油定时和喷油压力，使燃油的雾化和燃烧始终能在最佳的状态下工作。采用“可变压缩比活塞”，在不同的工况下能自动选用不同的压缩比，以期获得较佳的燃烧效果和较高的热效率。

涡轮增压器采用可变喷嘴，并通过电子控制，能在不同的工况条件下选择最佳的喷嘴角度，使废气涡轮增压器能在不同工况运行中，提供相应的增压空气，满足主机的要求。采用电子调速器，能更迅速地获得工况变化的瞬时信息，再通过信号的转换，利用电子喷射系统，使燃油的喷射过程始终处于良好的状态。

通过电子控制 “液力驱动可调式正时配气系统”对进、排气定时进行调节，以适应不同工况对配气定时的不同要求。气缸润滑油利用电子控制，能按起动、负荷变化和气缸过热状态进行设定，随不同的工况自动控制供油率以获得相适应的正常润滑。此外，起动系统和冷却水系统均能通过电子控制，以便在不同条件下均能获得最佳的起动效果和冷却效果。

（2）采用自动遥测监控系统。近年制造的大型低速柴油机大多以电子计算机为核心，并以此构成自动遥测监控系统。通过在柴油机的各个测量点上安装各种不同的传感器，对压力值、温度值、位移值获得信号，经过不同的转换方式转换为微机能识别的代码，利用通道输入微机。再按照计算机事先所存储的各种程序和数学模式，对输入的各种检测数据自动进行分析和综合，并将其结果显示出来以供管理人员分析及应用。

可通过各种特设的传感器，对柴油机各主要部件及系统的运行情况进行监控。部分船用柴油机上装有约200 个传感器，能随时提供各种想了解的数据和情况。如通过气缸套内表面的传感器来遥测各道活塞环的状况（如磨损量及部件折断等情况）。通过气缸套表面的热电偶来遥测、分析气缸润滑和磨损情况。通过测取缸内压力变化，经微机运算自动输出平均指示压力、指示功率等表征燃烧品质的重要数据。通过喷射系统上的各种传感器得到的信号，经计算机处理后能直观显示出喷射过程中各种有关压力和压力波，用于分析喷射过程。通过装置在废气涡轮增压器上的些传感器能从压力变化、温度变化及转子振动情况等信息经计算机处理后对增压器的工作性能作出评估。

利用监控系统自动工作的特点，持续或定期对柴油机各参数进行监测和修正。同时，能对各个测量值预定报警值，一旦达到此值即能发出声光信号自动报警，有些还能使相应备用装置或系统自动投入使用，通过监测后在各种不同工况下通过自动调节或人工调节使柴油机始终处于最佳工作状态，使柴油机的经济性、可靠性大大提高，并能防止突发性事故的发生[10]，为无人机舱的进一步推广创造了条件。

由于计算机控制的柴油机能使燃油达到最佳的燃烧效果，满足节能省油的要求，同时也能简化驾驶台至机舱的操纵设施，易于实现驾机合一，并减少管理人员。可以预料，今后将有越来越多的柴油机采用计算机控制技术，使内河船用柴油机的管理进入一个崭新的时代。