船用柴油机发展趋势分析

张 晗，闫大海，钱治强

(中国舰船研究院，北京 100101)

0 引 言

在各类动力机械中，柴油机以其热效率高、扭矩大、经济性好、功率范围广、起动迅速、维修简单、运行安全、使用寿命长等优点而得到广泛应用，主要用于重型汽车、大型客车、工程机械、坦克、船舶、发电机组等，在国民经济和国防建设中处于重要地位[1]。我国船用柴油机的研制经历了引进、消化吸收、自行研制、全面国产化等过程。借鉴世界先进柴油机研制规律与经验，梳理柴油机关键技术，对研制具有自主知识产权的世界先进水平船用柴油机意义重大。

1 柴油机装备简述

柴油机通过在密闭汽缸内燃烧柴油，使气体膨胀并推动活塞做功。德国发明家鲁道夫·狄塞尔在1892年发明了柴油机。柴油机每个工作循环经历进气、压缩、做功、排气4个行程。进气行程空气进入气缸，气缸中的空气压缩到终点时，温度可达500 ℃～700 ℃，压力可达40～50个大气压。活塞接近上止点时，发动机高压泵以高压向气缸喷射柴油，形成细微油粒，与高压高温的空气混合后，自行燃烧膨胀，推动活塞下行做功，此时的温度可达1 900 ℃～2 000 ℃，压力可达60～100个大气压，产生很大的扭矩。

通过100多年的持续改进与提高，不断应用先进技术，柴油机发展得越来越完善，应用范围十分广泛。但仍然存在机体比较笨重、振动噪声和排放较高等缺点。柴油机的主要发展趋势是节能减排、降低振动噪声，提高经济性和可靠性。

柴油机按工作循环分为四冲程和二冲程，按冷却方式分为水冷和风冷，按进气方式分增压和非增压（自然吸气），按转速分高速、中速和低速，按气缸数分单缸和多缸。

船用柴油机在民用船舶和中小型舰艇推进装置中占据主导地位，占据了船舶动力系统市场大概95%的份额。同时船舶柴油机排放带来的环境污染也很严重，2008年全球海运船舶排放的SOx和NOx分别占世界SOx和NOx排放总量的9%和18%～30%[2]。表1为船用柴油机类型及应用。

表1 船用柴油机类型及应用Tab. 1 Type and utility of marine diesel

船舶柴油机面临着降低排放的挑战。由于船舶航行特点，还要求柴油机具备承受一定的纵横摇能力，起动、变速迅速可靠，运转可靠、耐久性好，具备停缸运行、停增压器运行等应急情况下的运行能力，以及振动噪声小，可遥控或自动控制等。发展趋势是不断提高可靠性、耐久性、经济性、环境友好性和强化程度[1]。

2 船用柴油机主要系统组成和技术发展趋势

柴油机系统复杂，功率范围广，应用领域多，技术发展方向是可靠性高，经济性好和低排放。柴油机主要机构组件包括：机体、曲柄连杆机构、配气机构、燃油系统、润滑系统、冷却系统和电器系统等。新技术、新材料、新工艺不断应用到柴油机的设计制造，柴油机的整体技术水平不断提高。

2.1 机 体

柴油机机体主要包括缸体、缸套、缸盖、油底壳等，是柴油机的骨架，既用来支撑和安装其他部件，同时又是曲柄连杆机构，配气机构，供给系、冷却系和润滑系等的组成部分，承受高温、高压，以及周期性变化的燃气作用力、惯性力和力矩的作用，工作条件苛刻。为了保证活塞、连杆、曲轴、凸轮轴等高速运动件工作可靠、耐久，机体必须有足够的刚度和强度，对这些零件提供位置精确的支撑和导向[3]。机体的技术发展方向是在保证刚度和强度的同时，简单可靠、轻型化和减振降噪。

2.2 曲柄连杆机构

曲柄连杆机构包括活塞、连杆、曲轴、飞轮等，是柴油机的核心运动部件，将燃烧能转化为机械能。其力学性能的优劣直接影响柴油机的性能指标和可靠性。活塞作为能量转换的首个环节，直接承受高压气体周期性压力、往复惯性力、侧推力，以及高温燃气周期性的加热作用，在满足强度、刚度要求的情况下，应尽量减轻活塞重量以减小惯性力的作用。连杆连接曲轴和活塞，将活塞受到的力传给曲轴，实现能量转化和输出功率。连杆主要承受大小和方向不断变化的压力、往复循环惯性力和摆动惯性力，容易发生疲劳破坏。曲轴通过旋转的形式输出功率，受力情况复杂，主要承受压力、旋转惯性力和离心力。曲轴是细长轴，形状复杂，旋转速度快，润滑困难，容易发生变形、磨损和应力集中[4]。

2.3 配气机构

配气机构包括正时齿轮、凸轮轴、进排气门、增压器等。配气机构对柴油机的燃烧特性和动力性能影响显著，其技术发展方向是不断提高柴油机充气效率，降低残余废气系数，运行平稳可靠噪声低[5]。高负荷发动机排气门一般采用高温镍基合金，在配气机构中作用重要[6]。通过增压器提高进气压力，是提升柴油机机性能指标的重要途径之一。如果使用单一增压器，柴油机在中低负荷工况下会出现热负荷增加、扭矩不足等问题，难以满足柴油机在全工况范围内对于进气量的要求。进排气旁通增压技术、可变几何涡轮增压技术、相继增压技术等多种新型增压技术，可提高柴油机在部分负荷工况时的性能指标。目前相继增压技术是改善柴油机性能比较成熟有效的手段。相继增压由2台以上增压器并联组成增压系统，根据柴油机运行时对于进气量的需求来确定投入使用的增压器数量。在大负荷工况运行时，增压器全部投入使用并在高效率区运行；在部分负荷工况运行时，适当减少所使用增压器的数量，以此显著改善柴油机中低负荷工况运行时的排放特性和燃油经济性[7]。

2.4 燃油供给系统

燃油供给系包括油箱、输油管、喷射泵、喷油器、调速器等。根据不同工况，供给系定时、定量把柴油供给燃烧室燃烧。燃油供给系是柴油机的核心系统，其性能状况决定整机的工作性能。据统计，因燃油供给系统发生故障导致柴油机无法正常运行的故障数约占柴油机故障总数的20%～30%，因此，燃油供给系的可靠性十分重要[8]。随着国际上日益严格的排放法规要求，以及电控技术的不断发展，高压共轨燃油喷射系统减排降噪效果明显，已经成为柴油机技术的发展趋势之一[9]。

2.5 润滑系统

润滑系包括机油泵、机油滤清器、调压阀、机油冷却器等，把润滑油供给各运动摩擦副，在摩擦表面形成油膜，降低零件之间的摩擦系数和摩擦损失，具有润滑、冷却、密封、防锈、清洗等功能，能显著提高柴油机工作效率和使用寿命，对柴油机的经济性、可靠性和排放有重要影响[10]。

2.6 冷却系统

柴油机冷却系统主要包括水箱、水泵、风扇等，把发动机产生的热量及时散发到大气等周边环境中，保持柴油机各个零部件的温度在正常工作许可范围内。柴油机缸套、活塞、活塞环、缸盖和气门等零部件直接与瞬间温度达2 000 ℃的燃烧气体接触，必须进行适当冷却，才能避免因温度过高导致发动机进气不足，燃烧不完全，机油变质和烧损，运动件磨损加剧，甚至卡死，严重变形或损坏等问题，确保柴油机长时间可靠正常工作[11]。

2.7 电子控制系统

电子控制系统是通过计算机控制柴油机的喷油量、喷油定时、启动、暖机、怠速、废气再循环、进气压力、巡航等，改善柴油机在各种工况下的排放、油耗、功率等性能指标[12]。目前发达国家柴油机电子控制技术的应用率达到60%以上。随着电子、传感器、光纤、计算机、信息处理等技术不断进步，柴油机将越来越广泛地使用电子控制技术，不断提高柴油机的可控性、稳定性、安全性、可靠性和排放性等技术指标[13]。

2.8 材料和工艺

材料和工艺是实现高性能柴油机设计理念的基础和手段。柴油机不断向高强度、高功率密度、低排放方向发展，要求不断提高材料强度和结构刚度，要求更高的零部件表面粗糙度、加工精度和装配精度。柴油机铸、锻、焊件重量占整机重量65%～70%。随着材料和工艺技术不断进步，机身材料由灰铁改为球铁，缸盖由灰铁改为球铁或蠕墨铸铁，缸套普遍采用高磷合金铸铁，曲轴由碳素结构钢表面淬火改为中碳合金钢调质处理，连杆由传统碳素结构钢改为中碳合金钢+离子氮化和喷丸强化处理，凸轮轴由传统渗碳材料淬火处理改为低碳合金钢渗碳淬火处理。传统工艺流程不断进步，比如机身工艺由专用机床转为通用机床加专用工装，再转变为龙门镗铣床加专用工装，机身加工向高效、柔性发展。外部型线加工是柴油机关键工艺技术之一，活塞表面型线经历圆柱、锥圆、锥椭圆、锥变椭圆、中凸变椭圆及与偏心圆的组合，以及非圆曲面的演变，确保精确补偿活塞在热力状态下质量分布不均的变形。柴油机制造不断向专业化、柔性化和规模化方向发展[14]。

2.9 排 放

研究表明柴油机排放的物质有200多种，有害物质主要包括一氧化碳、氢氧化物、碳氢化合物、氮氧化物和PM颗粒物等，其中NOx和PM对人体危害最大，是柴油机排放控制的主要对象[15]。

NOx由高温燃烧条件下空气中的氮气和氧气反应生成，主要成份是NO。柴油机颗粒物是气相燃油分子在高温缺氧的条件下发生部分氧化和热裂解，生成各种不饱和烃类，逐渐聚合形成PM颗粒[16]。

NOx 减排措施主要有3种途径：通过改变燃料性质等的燃料预处理方法；通过优化喷雾燃烧过程等的机内净化方法；通过选择性催化还原（SCR）等技术处理NOx排放的后处理方法[17]。柴油机减排主要技术途径见表2。

表2 柴油机减排主要技术途径Tab. 2 Main technical approaches of diesel engine emission reduction

选择性催化还原（SCR）技术是目前解决NOx排放最有效的方法之一，已经在很多欧美船舶上得到应用[17]。该技术NOx转化效率高，可靠性好，对柴油机性能影响小，柴油机改装工作量少[18]。其基本原理见图1。

图1 SCR系统基本化学反应过程Fig. 1 Basic chemical reaction process of SCR system

3 船用柴油机发展趋势分析

船用柴油机的发展趋势主要是提高可靠性，降低排放，满足日益苛刻的环保要求。

3.1 提高可靠性

由于船舶长期在海洋中航行，要求船用柴油机能承受摇摆，起动、变速、运转可靠，耐久性维修性好。影响柴油机可靠性水平的主要因素包括设计、制造和管理使用等。船用柴油机的结构设计应合理，方便检修维护和保养，减少拆卸工作量。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。维修策略与维修方法科学合理，实施状态智能监测和远程管理等措施。

3.2 降低排放

国际海事组织（IMO）统计，船用柴油机每年向全球排放NOx约1 000万吨，约占全球排放的20%；排放SOx约850万吨，约占全球排放的10%[19]。世界通用的强制性排放限制法规MARPOL73/78国际公约附则VI《防止船舶造成大气污染规则》，对船用柴油机排气中NOx和SOx等主要有害物质进行了限定，限值及实施时间分别见表3和表4。IMO设置的SOx排放

表3 船用柴油机NOx排放物限值及实施时间Tab. 3 NOx emission limits and implementation time of marine disel engine

表4 船用燃油硫含量限值及实施时间Tab. 4 Sulfur content limit and implementation time of marine fuel

控制区（NECA）和SOx排放控制区（SECA）包括：北美区域、美国加勒比区域、波罗的海区域和北海区域。

控制SOx排放最有效的方法是降低船用重质燃料油（HFO）的含硫量，但燃油价格会因此显著提高。目前研究最多的技术是利用呈碱性的海水对烟气进行洗涤后排入海中。试验证明该技术脱硫效果可达90%以上，但昂贵复杂。控制NOx排放一般采用燃油预处理、优化燃烧过程、排气后处理等方法[20]。

4 结 语

船用柴油机的发展趋势是提高经济性、可靠性的同时，满足日益苛刻的环保要求。不断提高柴油机的动力性和可靠性，降低油耗和控制排放，研制具有自主知识产权的世界先进水平的船用柴油机，我国面临重要发展机遇和严峻挑战。