舰船柴油机技术现状及发展趋势分析

李志磊

摘 要：舰船柴油机经历了较长时间的发展，已经拥有一套属于自己的设计规范、支撑研发的数据库、设计开发流程等，但是其在低油耗、低排放以及一些影响柴油机性能的关键因素上仍存在一定的缺陷。本文对舰船柴油机技术现状及发展趋势进行了分析，以期促进舰船柴油机的发展。

关键词：舰船柴油机 技术现状 发展趋势

中图分类号：U664 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（c）-0094-02

近年来，舰船柴油机的技术发展迅速，主要表现在以下几方面：（1）功率密度高。柴油机强化指标（Pe·Cm）由发展之初的20提高到24，之后又经过进一步提升，指标达到如今的32，技术上了3个台阶。（2）可靠性高、大修期长。舰船柴油机的综合评价指标可以用可靠性和耐久性两个方面作参考。目前各国的舰船柴油机在研发技术上，除了注重提高柴油机的功率、减少整机零件的数量，还注重提高工作可靠性和使用寿命。（3）经济性好、自动化程度高。舰船柴油机一般采用电子控制、监测、管理系统，实现了现代技术与柴油机的融合以及智能控制，促进了柴油机全工况高效率运行，降低柴油机全寿命周期费用。

1 当前国外舰船柴油机技术研发现状

国内外市场的竞争日益激烈，为了满足市场上越来越多样化的需求，国内外厂商在对柴油机的研发上都投入了较大的精力。主要表现在如下方面。

（1）联合研发柴油机新技术，促进柴油机的技术改进。比如，AVL和奥地利格拉兹工业技术大学联合建立柔性单缸实验室，专门研发对柴油机中单缸机的气缸直径和活塞行程进行调整或改善，促进单缸各项性能的改善。并且这种联合研发的模式，可以有效降低整机研发的风险，缩短了研发周期。再比如，MAN、KS等公司共同建立了极限中速单缸机研究实验室。新研发单缸机燃烧压力可达40MPa，气阀、驱动系统、燃油喷射系统等都采用最先进的电控或电柔液控制，实现了单缸机各项性能的综合提高。

（2）运用CAE、工程数据库等，逐步形成以数字化样机为标志的新型开发流程。国外著名的柴油机发动机研发公司，基本都有属于自己研发系统的一套完整的数据库，这些数据库收集了近几年发动机工程实际验证过的大部分数据，为公司的研发提供了科学的数据支撑。而CAE技术的使用已经不单单是针对柴油机某项技术、某个部件的研发分析，它是与开发设计流程进行融合之后，形成了一种全新的柴油机技术、零件的设计开发流程。因此，在进行柴油机设计开发的早期，可以参考CAE的客观数据，实现对柴油机原有功能的优化。

另外，影响柴油机整体性能的关键技术，通过单杠机验证之后，能够快速获得设计目标的数字化样机，这就帮助省去了许多技术或零件探索过程中的性能、结构试验，使得整个柴油机的研发设计平均周期缩短，从而节约了研发成本。

（3）很多国外公司建立了完善的技术交流分析平台，实现了柴油机技术的集约化。平台集产品开发中的流程、设计、分析优化、测试等过程为一体，融合了最新的计算机辅助设计、计算机辅助工程分析、知识工程以及管理、工程数据管理和计算机辅助试验等电脑分析技术，实现产品开发技术的集约化。

2 国内外舰船柴油机技术差距

我国舰船柴油机发展较为滞后，从最开始研发之初，多为借鉴国外的先进技术，但是经过多年的技术投入，我国的舰船技术产化率得到了大幅度提升，据近期的统计，产化率达85%，性能可与国外的柴油机比肩，达到了引进水平。并且我国在引进的基础上做了一定的改进，使其性能得到了一定提高。但是，我国舰船柴油机整体性能与国外先进技术相比，仍然存在一定的差距，笔者根据自己的从业经历，对国内外柴油机技术做了一定的对比。

（1）我国现有的柴油机零部件技术水平较为落后，并且我国自主研发技术相对比较落后，与国外的先进技术存在差距，可靠性仍有待提高。改革开放以来，我国进行了一定的自主研发，例如，船用中速机，但是由于关键技术以及主要零部件标准的限制，该船用中速机多用于内河航行，并没有进入国际市场。

（2）关键技术落后。舰船柴油机关键技术，如高增压技术、高压喷射技术、智能化技术等，是影响柴油机性能的主要因素，并且对于一些零部件的生产，如调速器、活塞环的生产研发技术较差，仍然受限制于国外技术的引进，使得我国的柴油机技术发展缓慢，不能形成高性能的产品。

（3）研发模式落后。与国外相比，国内船舶柴油机产品开发创新基础和能力较差，主要体现在对于舰船开发流程、开发手段以及开发过程中设计准则、规范标准等研发模式上。比如，德国对于舰船柴油机的设计中，开发流程主要采取CAE集成技术，并强调设计开发流程，对于一些零部件的验证在研发早期就已经实践，而我国在舰船柴油机的研发流程较为传统，没有使用到较为先进的CAE技术。

3 舰船柴油机技术发展趋势

应当下市场对舰船柴油机的要求，未来舰船柴油机技术发展趋势应该向着以下几个方面发展。

3.1 舰船柴油机面临技术上的变革

未来舰船柴油机的发展方向，应该向着生产的集约化以及低碳排放的方向发展，既要提高柴油机发动机的性能、效率等，又要降低油耗、实现环保低碳。在通常情况下，低碳排放与低油耗之间是一种相互制约的关系。当下，舰船柴油机在低耗、低排放方面主要研发用于应对IMO TierII和IMO TierIII的技术措施。其中，应对IMO TierII的技术措施通常是发动机内部措施或通过加湿空气的方法进行，但是在一定程度上会增加油耗。应对IMO TierIII排放，必须采取一些附加措施，比如，国际上最常用的是SCR技术，这一技术能够帮助减少NOx的排放，延长柴油机部件的使用寿命。

3.2 高压共轨燃油系统

对高压共轨燃油系统的调节，是降低柴油机排放的主要手段。对高压共轨燃油的调节是控制NOx排放的主要手段，并且系统调节的精度越高，柴油机发动机对NOx的排放量越少。并且，在实际的应用中，系统中的高压油泵供油规律一般是不连续性或者按一定的时序供油，因此，这种规律导致共轨内压力差生波动大，从而对柴油机的各缸喷射的性能产生影响，比如，其一致性或重复性的影响。此后，经过我国技术的改进，高压共轨燃油系统逐渐由最初的整体式发展为分段式，后经进一步改造形成分布式系统，取代了传统的共轨系统。

3.3 电控系统

由于高压共轨燃油系统的复杂性，为与之相适应，国外的MAN公司投入并研发了新一代的电控系统，这一系统由喷射模块、机旁控制箱和通信接口组成。其中，喷射模块相较于之前的系统，功能得到优化升级，而机旁控制箱相较于之前的系统，功能得到一定简化。这一新系统的研发促进了舰船柴油机油耗的大幅度降低，另外向空气中排放NOx的量大幅度减少。此外，还具有以下优势：统一了燃油的接口、支持共轨技术、可变正时涡轮、可变气阀正时、水乳化燃油、空气加湿装置以及其他前沿技术。

3.4 降低CO2排放量的措施

多种燃料发动机被用到了舰船柴油机上，因为其具有热效率高和排放低的优势，比如，LNG船是使用燃料发动机最多的一种舰船。而气体发动机的排放物的量要优于柴油机主要排放物，尤其是NOx和SO2的排放。

4 结语

针对舰船柴油机的发展现状及发展趋势，如何提升我国舰船柴油机研发能力提出了建議。加强基础开发平台的建设，将柴油机研发技术、支撑研发的数据库、设计开发流程、与设计开发流程对应的设计规范、标准和指南，以及先进的单缸机及专项技术研究验证平台与国际接轨，促进舰船柴油机技术的发展。另外，要加强对舰船柴油机关键技术的研究，包括紧跟国际形势的高压共轨技术、低排放技术等，促进舰船柴油机技术发展的平稳性。

参考文献

[1] 陈华清.对自主研发舰船柴油机的几点思考[J].柴油机，2015（5）：1-5.

[2] 许友林，陈丹丹，熊玲.舰船柴油机缸内工作过程监测系统设计与实现[J].国外电子测量技术，2015（4）：54-59.