船用柴油机发展史.doc

船用柴油机百年发展简史 王华堂一 柴油机的诞生鲁道夫狄塞尔（Rudolf Diesel，1858-1913）。狄塞尔1856年出生于法国巴黎，父母是德国移民。1870年普发战争爆发后，他移居到德国奥格斯堡的叔叔家，在那里他就读职业学校。1875年，他进入慕尼黑科技大学学习，5年后以第一名的成绩毕业并返回巴黎从事制冷专业。在工作中，他深感蒸汽机的效率低下，于是萌发了设计新型发动机的念头。1890年他回到柏林，不久后他建造了一台以氨气为动力的发动机并进行研究，但不幸的是，发动机的爆炸差点要了他的命。出院后他继续研究工作，并在1893年发表了著名的论文Theory and Construction of a Rational Heat-engine to Replace the Steam Engine and Combustion Engines Known Today（取代现有蒸气发动机和内燃发动机的合理的热发动机理论和设计），在论文中他提出了定压加热循环原理（即“狄塞尔”循环），并申请了专利。图1.1 柴油机的发明人鲁道夫.狄塞尔为了实现他的想法，他找到德国奥格斯堡机器制造厂，也就是今天大名鼎鼎的曼（M.A.N）公司的前身。1897年，他成功制造了一台能安全运转的热机。在奥格斯堡他亲自启动了发动机，那一瞬间，热机领域一次新的科技革命诞生了。虽然这台单缸引擎的功率仅为14瓦，但效率已经远远超过当时的蒸汽机和已经发明的奥托式内燃机，达到了前所未有的26%。现在，这台机器的复制品（原件已经不幸在二战中损毁）被收藏在慕尼黑德意志科技博物馆里，狄赛尔也永远被人们铭记。今天英文的柴油机一词“Diesel Engine”就是以他的姓氏来命名的。不过当时柴油机并没有使用柴油，使用的是植物油。图1.2 世界上第一台柴油机狄塞尔柴油机为单缸四冲程柴油机，虽然柴油机经过了100多年的发展，但其基本原理都是基于狄塞尔提出的定压膨胀原理。柴油机主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、喷油嘴等部件组成。4冲程柴油机的工作循环经历进气、压缩、做功和排气四个冲程。柴油机在进气冲程吸人的是纯空气，在压缩冲程接近结束时，由喷油泵将高压柴油通过喷油器以雾状喷人气缸，在短时间内与压缩后的高温、高压空气混合，形成可燃混合气。混合气温度大大超过柴油的自燃点，柴油喷人气缸后，在很短的时间内即自行着火燃烧，燃气压力急剧上升，温度急剧升高，在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转作功。废气则经排气门、排气管等处排人大气。图1.3 四冲程柴油机的工作原理四冲柴油机在一个工作循环中，只有一个冲程做功，其余三个冲程都是为做功冲程创造条件的辅助行程。因此，单缸发动机工作不平稳，需要通过飞轮等保证其圆周运动。现代柴油机大多采用多缸结构，在多缸发动机中，所有气缸的做功行程并不同时进行，而尽可能有一个均匀的做功间隔。例如六缸发动机，在完成一个工作循环中，曲轴旋转两周即720度，曲轴转角每隔120度就有一个气缸做功。因而多缸发动机曲轴运转均匀，工作平稳，并可获得足够大的功率。虽然柴油和汽油同为内燃机燃料，但柴油属于石油分馏中较重的馏分，馏出温度高，粘度比汽油大，不易蒸发，然而其自燃点却低于汽油，故柴油机内可燃混合气的形成和燃烧方式与汽油机不同。汽油机与柴油机比较各有特点；汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成本低，多用于汽车等小功率的场合；柴油机压缩比大，热效率高，输出功率大，经济性能和排放性能都比汽油机好。一般来说，柴油机的气缸数越多、缸径越大、活塞行程越长、汽缸压力越大，输出功率也就越大。当今，柴油机在重型汽车、重型机械、火车和船舶推进、电站等方面均有广泛应用。二 柴油机应用于船舶推进狄塞尔本想将柴油机用于汽车，但是直到他去世，这个梦想也没有实现。不过随着石油的开发，柴油却率先在船舶推进中得到应用。1903年，俄国的“万达尔” 号（Vandal）油轮和法国的“佩迪特皮埃尔” 号（Petite-Pierre）成为最早装备柴油机的船舶，她们几乎同时建成服役，至于谁更早一些，不同的资料有不同的看法。“万达尔”号由卡尔哈格林（Karl Hagelin）为俄国的石油巨头诺贝尔兄弟公司（Branobel）设计（该公司是诺贝尔家族在俄国投资的石油公司，伟大的发明家阿尔弗雷德.诺贝尔就是出自该家族）。哈格林十分具有远见，他设计了一艘内河油轮，这艘船可以将里海的石油从伏尔加河下游经内陆河道直接运到圣彼得堡或芬兰，距离超过1800英里！以前这条路线上主要是通过内河驳船进行运输，采用蒸汽拖船拖曳，长距离的经济性不是很好。哈格林觉得新兴的柴油机可以用来一试。他考虑到内河船舶操作的灵活性，调速和倒车等因素，决定采用柴油机电力驱动方式。他聘请了船舶设计师约翰尼约翰逊（Johny Johnson）进行整体设计，并由索莫夫船厂（Sormovo shipyard）建造。“万达尔”号吨位为800吨，长74.5米，宽9.55米，吃水2.4米，船上采用3台瑞典柴油机公司（Swedish Diesel）和ASEA公司合作生产的柴油机，缸径290毫米，行程为430毫米，转速240转/分，单台输出功率120马力。该船的柴油机和发电机放在船的中部，推进电机在船尾部，可直接驱动三个螺旋桨，航速可达8.3节。图2.1 “万达尔”号次年，诺贝尔兄弟公司又投资建造了一艘更大油船“萨玛特” 号（Sarmat）。这艘船排水量1150吨，载重750吨。她采用了2台路德维格.诺贝尔（Ludwig Nobel）公司的180马力柴油机（缸径320毫米，行程为420毫米）。她摒弃了电力传动，由柴油机直接驱动螺旋桨，籍此降低了15%的传动损失，航速达8.6节。由于俄罗斯北方寒冷，河流封冻，两艘油船仅在夏天使用，“万达尔”号运行了10年时间，而“萨玛特”号则一直使用到1923年。 法国的“佩迪特皮埃尔”号则是一艘柴油机动力平底驳船，该船装一台25马力的柴油机，1903年9月，她开始在马尔纳-里昂的运河上开行。柴油机的发明人狄塞尔还曾受邀上船参观过，并签名留念。图2.2 “佩迪特.皮埃尔”号的照片，上有狄塞尔签名第一艘柴油机动力军舰是1904年法国建造的“埃吉瑞特” 号（Aigrette）潜艇，同型艇共两艘。该艇水面排水量202吨，水下排水量222吨，长/宽/吃水分别为41.3/3.0/2.8米，武器为两具450毫米鱼雷发射管，船员16人。她装有一台4缸4冲程柴油机。潜艇水上航行时采用柴油机直接推进螺旋桨，并为蓄电池充电。水下航行切换到蓄电池-电机，水上航速9节，水下航速7.1节，续航力500海里/5节，水下为45海里/4节。 与原先潜艇上普遍使用的汽油机相比，柴油机在发火时不需要复杂的点火装置，无汽油挥发爆燃的危险，产生的废气中有毒气体相对较少，具有热效率高、安全可靠等优点。随后，英国也开始装备柴油机动力的D1级潜艇，柴油机逐渐成为常规潜艇的标准水面动力配置，直至今日。图2.3 英国D1型潜艇模型三 柴油机迈向远洋早期柴油机主要应用于内河船舶和近岸潜艇，在经历了最初的发展阶段后，柴油机技术日益成熟，单机功率和可靠性都有大幅提高，为柴油机航向大海和远洋创造了基础。 1910年，意大利坎蒂里公司（Cantieri Navali Riuniti）建造了一艘678吨的海轮，命名为“罗马格那” 号（Romagna），双桨推进。该船采用了两台瑞士苏尔寿（Sulzer）公司的4缸二冲程柴油机，缸径310毫米，行程460毫米，单台输出功率为280千瓦（370马力）。同年，盎格鲁萨克森（Anglo-Saxo）石油公司（荷兰皇家壳牌的子公司）订造了一艘1216载重吨（排水量2047吨）的单螺旋桨油轮“瓦卡纳斯” 号（Vulcanus）。该船采用了一台370马力6缸4冲程柴油机（缸径400毫米，行程600毫米）。这艘船也是有史以来第一艘入籍劳氏船籍社的柴油机动力船舶。她被用于在新不列颠岛和新加坡之间运输石油。在运营过程中，柴油机的节能效果得到充分体现，日均消耗燃油为2吨，而同类型的蒸汽机船每天需要耗煤11吨。船上轮机部门的工作人员也减少了一半，该船一直服役到1932年。图3.1 “瓦卡纳斯” 号油轮1912年，是人类航海史上重要的一年。这一年，第一艘真正意义上的大型远洋轮船“锡兰迪亚”号（MS Selandia，MS为Moter Ship）建成，该船由丹麦远东公司（East Asiatic Company）公司投资。远东公司成立于1897年，公司的主要是业务是经营从丹麦首都哥本哈根到泰国首都曼谷和远东地区的航线，从事货物和人员运输。这是一条极其漫长的航路，出北海、经英吉利海峡南下，穿过直布罗陀入地中海，经苏伊士运河进入红海，再横渡印度洋，航程超过1万海里，以平均速度12节计算，海船需要连续航行约一个多月的时间。图3.2 世界上第一艘远洋柴油机轮船，“锡兰迪亚”号图3.3 “锡兰迪亚”号的绘画“锡兰迪亚”号由丹麦哥本哈根的伯梅斯特和韦恩船厂（Burmeister & Wain，简称B&W）建造。B&W创立于1846年，由伯梅斯特和韦恩两人创立，早期主要从事蒸汽机和蒸汽机轮船的生产。1898年B&W公司从狄塞尔那里获得了柴油机在丹麦的生产特许权，并于1903年制造出第一台柴油机。“锡兰迪亚”号为一艘客货轮，她于1911年11月下水，1912年2月交付使用。长112.8米 ，宽16.8米，总吨位4964吨，载重量为6800吨。她采用了两台B&W自产的DM8150X型柴油机（8缸4冲程、缸径530毫米、行程750毫米，单机功率1250马力），双桨推进，航速可达12节以上。图3.4 B&W DM8150X型柴油机“锡兰迪亚”号采用三岛型布局，有艏楼、中楼和尾楼。艏楼后部、中楼和尾楼之间是货舱，船上没有烟囱，而是通过前桅进行排烟。除了载货外，船上还有20间一等单人客房，每两间房间共享淋浴和卫生设施。完工后，她直航远东，并顺利返回，全程2.18万海里。“锡兰迪亚”号远航的成功，证明柴油机完全适应远洋轮船的需要。1936年，她被出售给巴拿马的一家公司。二战爆发后，她被日本征用，1942年1月，在日本御前崎市外海触礁沉没。“锡兰迪亚”号同型船一共建了三艘，另外两艘分别为“费奥尼亚”（Fionia）号和“日德兰蒂亚”（Jutlandia）号。柴油机在大型远洋轮船上的应用，标志着柴油已经日渐成熟。虽然在绝对数量上柴油机船舶还很少，但柴油机的前景已经被人们所认识。1912年，瑞士苏尔寿公司为了展示柴油机的潜力，投资建造了一台缸径为1000毫米，冲程1100毫米的1S100型单缸巨型柴油机。这台柴油机在150转时可发出1470千瓦（2000马力）的功率，它创造的柴油机缸径记录直到1960年代才被打破。该机研制成功也对船用柴油机向大型化发展产生了深远的影响。苏尔寿公司在1S100型柴油机采用了二冲程横流扫气结构，这种设计也成为苏尔寿柴油机的标志型结构，并一直沿用了70年。图3.5 苏尔寿1S100型柴油机1913年初，德国的汉堡-美洲公司6500吨级客货轮“蒙特佩内多”号（Monte Penedo）是第一艘使用二冲程柴油机的大型远洋轮。长/宽/深分别为350/50/27英尺（1英尺= 30.48 厘米），载重4000吨，总吨位6500吨。她安装有两台瑞士苏尔寿公司制造的4S47型二冲程柴油机，缸径470毫米、行程680毫米、160转时可输出功率860马力。同时她也是德国第一艘大型柴油机远洋轮。图3.6 “蒙特佩内多”号图3.7 苏尔寿4S47型二冲程柴油机1914年，第一次世界大战爆发，德国建造了300多艘潜艇，除了早期的U1U18煤油动力内燃机潜艇外，从U19后全部采用柴油机动力。这些潜艇分别由日耳曼尼亚、皇家、布洛姆福斯等多家船厂承建。德国潜艇分为中型潜艇、大型/巡洋/运输潜艇、UB近海潜艇、UC型近海布雷潜艇、UE型远洋布雷潜艇等不同种类。战争中，U型潜艇以其卓越的水下机动性和作战能力在海上出尽了风头，给协约国商船和战舰以重大打击，共击沉协约国商船6000艘，注册吨位1200万吨，击沉军舰150艘，德国自身也损失潜艇178艘。超强的续航能力和可靠性充分体现了柴油机动力的优势，曼恩公司也开始在柴油机领域树立起不可动摇的地位。在未来的几十年内，曼恩与丹麦B&W、瑞士苏尔寿等公司相互竞争，并发展为船用大功率船用柴油机的巨头。图3.8 一战时潜艇的柴油机机舱四 船用柴油机的普及第一次世界大战后，柴油机性能有了新的提高，柴油机的装船数量开始上升，1921左右柴油机已经开始在客轮上使用。 1922年，新西兰联合航运公司（Union Steamship Co of New Zealand）向英国的菲尔费尔德（Fairfield）船厂订购了一艘大型柴油机动力客轮“阿朗伊” 号（Aorangi）。该船全长600英尺，宽72.2英尺，吃水29.9英尺，17491总吨，安装4台苏尔寿ST70型6缸2冲程柴油机（缸径700毫米，行程990毫米），单台输出功率3177马力，4轴，航速17节。船上有440个一等、300个二等和230个三等铺位。经过2年的建造，“阿朗伊” 号建成，开始在温哥华-悉尼航线上服务。二战爆发后她先后被改造为运兵船，医院船等。战争期间她一共运输了3.6万名士兵和5千多名难民，战后她恢复运营，并于1953年拆毁。图4.1 “阿朗伊” 号客轮柴油机装船后的良好表现改变了人们原先认为柴油机不适合大型船舶使用的偏见。1925年，瑞典-美洲航运公司（Swedish America Line）向英国阿姆特朗威斯沃斯（Armstrong Whitworth）公司订购的“格里普斯霍姆”号（Gripsholm）交付。该船18134总吨，采用2台B&W公司建造的B&W840D型4冲程柴油机（缸径为840毫米，双动），总功率达9930千瓦（13240马力）。她也是第一艘采用柴油机动力的跨大西洋定期班轮。图4.2 “格里普斯霍姆”号客轮图4.3 B&W 840D型4冲程双动柴油机不久后英国的哈兰德沃尔夫船厂为联合城堡航运公司（Union Castle Line）建造了超过2万吨的“卡那封城堡”号。该船上安装有哈兰德沃尔夫船厂购买B&W公司专利生产的4冲程双动柴油机，双机总功率为1.1万千瓦（1.5万马力）。1920年代末，英国约翰布朗公司采用苏尔寿专利技术制造了5缸S90型柴油机，具有900毫米缸径，是当时世界上最大缸径的柴油机，单机功率为4650马力。这些机器被装到两艘“兰基提奇”级（Rangitiki）客轮船上，每船装机两台。图4.4 “兰基提奇”号客轮1926年12月，总吨位超过32650吨的“奥古斯塔斯”号（Augustus）客轮在意大利安萨尔多船厂建成下水，她属于意大利Navigazione Generale Italiana公司。她的姊妹船“罗马”号（SS ROMA）是一艘传统的蒸汽轮机客轮，而“奥古斯塔斯”号则装备了4台曼公司建造的6缸双动二冲程柴油机（缸径700毫米，行程1200毫米，总功率2.8万马力）。该船长219米，宽25米，4轴，航速22节，载客2210人，内部装饰豪华。1927年6月她完成首航，是当时世界上最大和最豪华的柴油机动力客轮。 1929年经济危机后，跨大西洋的运输明显萎缩。意大利人主要将该船作为游船使用。1932年，独裁者墨索里尼强迫Navigazione Generale Italiana与意大利国有的意大利航运公司（Italia Line）合并，因此“奥古斯塔斯”号重新采用了意大利航运公司的涂装。1933年1月4日，她满载富豪从纽约出发，完成了为期129天的环球巡游，途经全球数十个港口，其中就包括中国香港和上海。二战爆发后，两艘姊妹船一度闲置。 图4.5 “奥古斯塔斯”号豪华邮轮1941年，意大利法西斯开始将“罗马”号客轮改装为航母“天鹰” 号（Aquila），该舰主要参数为，排水量：标准23350吨/满载27800吨，总长232.5米，宽29.4米，吃水7.31米。武备：单管135毫米炮8座，单管65毫米高炮12座，六管20毫米炮22座，载机26架。动力：蒸汽轮机2台，4轴，14.2万马力，航速30节，续航力4150海里/18节。舰员1165名，另加航空人员243名。直到纳粹投降时，“天鹰”号的改装工作都没完成。 1942年9月意大利人又开始将超过3万吨的“奥古斯塔斯”号客轮改装为“鹞鹰”号（Falco）航母，基本布局与“天鹰”号号类似。“鹞鹰”号同样命途多舛，意大利投降时，改装工作还没完成，之后她被德军凿沉在热那亚港以阻碍盟军船只进入。这两艘航母最终都在上世纪40年代末期被拆解。图4.6 “天鹰”级航空母舰1928年，著名的英国白星轮船公司（White Star Line，“泰坦尼克”号即属于该公司所有）看到柴油机的优越性后，向其长期的合作伙伴哈兰德沃尔夫公司订购了一艘巨型柴油机客轮“海洋”（Oceanic）号。这艘船长度超过300米，总吨位超过6万吨，有3个巨大的烟囱。船上计划安装40台柴油机，并通过齿轮减速箱驱动4个螺旋桨。随着1929年经济危机的爆发，这艘巨轮最终只能停留在绘图板上。船舶史专家们评论说如果她建成的话，规模将不亚于“玛丽王后”号和“诺曼底”号。经济危机过后，各国经济开始恢复。1930年代末，荷兰的“奥兰治”号（ORANJE）成为动力最强劲的柴油机动力船舶。船上安装有3台苏尔寿12缸SDT76式二冲程柴油机，该机有12个760毫米缸径的气缸，总功率达到27600千瓦（37551马力，转速为145转/分时，单机功率超过了1万马力），是二战前船用柴油机的最高水平。“奥兰治”号也是一艘外形极其现代化的客轮，她由荷兰航运公司（Netherland Line）出资建造，1938年在阿姆斯特丹下水。荷兰女王威廉.明娜亲自主持下水典礼并为其命名。“奥兰治”号总吨位为20117吨，长200米，宽25.5米，3轴，最大速度可达26节，可载客760人。她是当时最快的柴油机船，外观也颇具美感。她主要用于荷兰和和荷属东印度群岛的旅客运输，1939年9月初期，她从阿姆斯特丹启程航向爪哇，由于战争爆发，未能返回荷兰。1942年，日军进占荷属东印度群岛后，她不得不退往澳大利亚，并在那里改装成医院船，战后她恢复运营。1960年，她还进行了环球航行。1964年她被出售给一家意大利公司，并接受彻底的翻新。她的船首被延长了4.9米，总吨位也上升到24377吨，载客量增加到1230人。1972年起，她又被改装成一艘游轮，巡游于百慕大海域。1979年3月30日，船上燃起大火，幸亏大多数旅客已经上岸，船上也无人员伤亡。4天后大火扑灭，船也坐沉海底。一支德国打捞队将其浮起，船东准备将其卖给中国台湾的拆船厂拆毁，她被成功的拖过巴拿马运河，但最终没有熬到目的地，由于大火将船板破坏严重，造成漏水，她还是沉没于太平洋的万顷波涛之中。图4.7“奥兰治”号邮轮到二战前，营运的内燃机船舶的总吨位占远洋船舶总吨位的比重不断上升，柴油机船队的规模已经达到世界商船规模的20%以上，而1920年，这个比例仅4%。而新建船舶中，柴油机装船比例已经超过50%。五 柴油机的技术进步1920年1930年末，是柴油机技术发展的黄金时代，柴油机越造越大，功率越来越高。新技术的出现促进了柴油机的发展，主要技术革新来自于燃油喷射的改进和增压技术的采用。 在狄塞尔的柴油机设计中，使用的是气动式燃料喷射系统。这套系统利用压缩空气将柴油喷入气缸中，并达成良好的雾化，与空气混合形成可燃混合气，自动着火燃烧。由于柴油机的压缩比较高，气缸内的压力很大，要把柴油喷入气缸并雾化，空气喷射压力必须远大于气缸压力。因此需要一整套专用的压缩空气生产、储存设备，还需要一套冷却设备降低压缩空气的温度。这些附属装置庞大笨重，不仅增加了系统的复杂性，也使得故障发生的可能性增加了。空气压缩机本身也由柴油机驱动，会消耗掉大约15%的输出功率，从而使柴油机的可用轴功率下降，经济性受到了一定的影响。图5.1 狄塞尔的空气燃料喷射系统，当时使用的燃料为煤粉工程师们一直在思考如何摒弃笨重、复杂又不太可靠的空气压缩机、高压储气罐等设备。1910年，英国维克斯（Vickers）公司的工程师詹姆斯麦克里基（James McKechnie）提出了机械喷射的方案，并申请了专利。此举大大提高了喷射效率，喷油压力大为提高（机械喷射可使喷油压力可以超过140bar（1bar=0.1兆帕，140bar约140个大气压，而采用空气喷射，仅仅能达到7兆帕），喷油压力的提高使燃料的雾化程度提高，和空气能更均匀的混合，燃烧更充分，从而发出更大的功率。图5.2 McKechnie的机械式喷油系统1922年，德国的博世公司（Borsh）进一步改进了机械喷射结构，采用了紧凑且适用于高压的柱塞泵结构，并投入批量生产。从此柴油机部件生产向专业化分工发展，最终形成了产业化的规模。博世公司也逐步发展成为专业化的内燃机燃油喷射控制系统和汽车零部件供应商和技术领导者。 1930年代后，船用柴油机向大功率方向发展，二冲程的使用日趋普遍。对于两台气缸直径、活塞行程及转速等相同的柴油机，二冲程柴油机在一个循环中有1/2的冲程在作用，而4冲程柴油机仅有1/4时间做功，因此二冲程的输出功率要明显优于四冲程。实际上由于考虑到二冲程柴油机气缸上开有气口而使工作容积有所减少，机械传动的扫气泵也要消耗一定功率等因素，二冲程柴油机的功率只能增大6080。 二冲程柴油机与四冲程柴油机基本结构相同，主要差异在配气机构方面。二冲程柴油机没有进气阀，有的连排气阀也没有，而是在气缸下部开设扫气口及排气口；或设扫气口与排气阀机构。二冲程柴油机还专门设置一个由运动件带动的扫气泵及贮存压力空气的扫气箱，利用活塞与气口的配合完成配气，从而简化了柴油机结构。图5.3 二冲程柴油机工作原理二冲程柴油机的工作与原理为：第一冲程，活塞从下止点向上止点运动。当活塞处于下止点时，排气阀和进气孔已打开，扫气室中的压缩空气便进入气缸内，并冲向排气阀，这产生清除废气的作用，同时也使气缸内充满新空气。当活塞由下止点向上止点运动时，进气孔首先由活塞关闭，然后排气阀也关闭，空气在气缸内受到压缩。第二冲程，活塞从上止点向下止点运动。活塞行至上止点前，喷油器将燃油喷入燃烧室中，压缩空气所产生的高温，立刻点燃雾化的燃油，燃烧所产生的压力，推动活塞下行，直到排气阀再打开时为止。燃烧后的废气在内外压力差的作用下，自行从排气阀排出。当进气孔被活塞打开后，气缸内又进行扫气过程。 二冲程内燃机换气后，气缸内残余多少废气，或者说气缸内能充入多少新鲜充量，直接影响内燃机性能。二冲程内燃机没有单独的排气冲程和进气冲程，不能利用活塞的推挤作用清除废气，要使气缸清扫干净比较困难，难以得到高的扫气质量。因此，改进二冲程内燃机的扫气作用是一项重要的工作。二冲程内燃机主要有横流、回流和直流3种扫气方式。横流扫气回流扫气直流扫气结构形式扫、排气口分别布置在气缸下部的两侧 扫、排气口分别布置在气缸下部的同侧 有气口-气门式和气口-气口式（即对置活塞式）之分工作原理新鲜空气横越气缸径直流向排气口扫气流充入气缸后先向上流动，再折转流向排气口，在气缸内形成扫气回流扫气流由扫气口进入气缸，沿气缸轴线单向流动，同时绕气缸轴线旋转，将废气从气缸顶端排气门排出特点结构简单，废气清除得不干净，现已很少采用 扫气质量较高，结构也简单，获得广泛应用扫气质量最好，应用广泛，尤其适用于长行程船用柴油机表5.1二冲程柴油机扫气形式对比表在二战前，双动式的二冲程柴油机比较流行。这种柴油机在活塞的上下两边都设有燃烧室，可以推动活塞在两个方向都做功，因此称为双动。双动比单动能输出更大的功率，双动柴油机的设计与蒸汽机的结构颇为相似。不过双动柴油机的结构比较复杂，而且活塞杆穿透气缸，因此对气密要求很高，现代柴油机已经不再采用这种双动的方式了。图5.4 双动式柴油机采用增压技术在柴油机的发展中是一个里程碑，增压技术显著提高了进气压力，空气的压缩比进一步提高，在同等条件下，增压显著减少了柴油机的尺寸和重量，提升了输出功率。1920年代，二冲程柴油机的兴起后，在排气过程中就必须用高压空气扫除气缸中的废气，并吹入新鲜空气，因此增压器的作用就更为重要了。 早期的机械增压器直接用发动机曲轴带动往复式增压泵向扫气箱中充气，机械结构比较复杂。1905年，瑞士工程师布奇（Alfred Bchi）提出了采用柴油机废气驱动涡轮增压器进行增压的原理，也就是废气涡轮增压，并申请了专利。废气涡轮增压器是利用发动机排出的具有较高能量（通常可占燃烧能量的50%）的废气进入涡轮并膨胀作功，废气涡轮的全部功率用于驱动与涡轮机同轴旋转的压气机工作叶轮，在压气机中将新鲜空气压缩后再送入气缸。废气涡轮增压器结构简单，工作可靠，无需占用柴油机的轴端输出功率，不但可以增大循环喷油量、大大提高输出功率，而且热效率也得到了极大的提高，有利于改善整机动力性能、经济性能及排放品质。图5.5 废气涡轮增压器1915年，布奇在苏尔寿的柴油机上进行了废气增压的试验。1927年，曼公司成功的在其生产的10缸4冲程柴油机上安装了废气增压装置，对功率提升非常明显，输出功率从1250千瓦提升到1765千瓦，提升幅度超过40%。曼增压柴油机成功安装到Preussen和Hansestadt Danzig两艘船上，到1929年，废气增压器已经安装到79台柴油机上。图5.6 Hansestadt Danzig号从总体来说，在二战前废气增压技术在柴油机上的应用还不是非常普遍。这与当时旋转式的涡轮和压气机研究尚处于入门阶段有关，同时钢铁工业也不能提供足够的能经受长时间高温工况考验、可用于生产涡轮的耐热钢。大规模使用废气涡轮增压技术还是1950年代后的事情。今天，除了一些小功率柴油机之外，废气涡轮增压器几乎已经成为了柴油机的必备部件之一。六 二战中船用柴油机的应用二战前，柴油机还很少装备大型军舰。但有一个特例，那就是德国。德国作为第一次世界大战中的战败国，其海军受到凡尔赛和约的严格限制，被禁止建造排水量超过一万吨，主炮口径超过280毫米的军舰。德国海军针对条约限制，开始积极探索柴油机在军舰上的应用，并于1928年在“莱比锡”级轻巡洋舰上试验柴油机动力。该级巡洋舰共建成两艘，分别是“莱比锡”号（Leipzig）和“纽伦堡”号（Nrnberg）。舰长177米，宽16.3米，吃水5.65米，排水量8380吨（“纽伦堡”号有所增加，布局有所变化）。两舰采用蒸汽轮机和柴油机混合动力，动力布置非常独特，其中中间一轴采用4台曼公司2冲程7缸柴油机驱动，总功率为12400马力；外侧两轴仍采用蒸汽轮机驱动，总功率66000马力。这种动力配置并不成功，两种动力装置必须同时使用，军舰的续航力也并不高，为5700海里/19节。该级舰主要武器为9门150毫米炮和6门88毫米炮，4座3联533毫米鱼雷发射管，若干轻型高炮，还载有2架水上飞机。图6.1 “莱比锡”号轻巡洋舰德国人于1929年开始动工建造德意志级舰，德国人称之为装甲舰（Panzerschiff）。由于主炮口径超出当时华盛顿海军条约对巡洋舰的定义，其他国家海军称其为袖珍战列舰（Pocket Battleship）。“德意志”级突出的优势是其6门280毫米主炮，安装在2座3联装主炮塔内，以期在尽可能小尺度上集中最大的火力。德意志级在受到排水量限制与追求重火力的情况下，广泛使用焊接技术，从而节省舰体重量。“德意志”级装甲防护基本与当时的重巡洋舰相当，装甲总重量只占标准排水量20左右。“德意志”级的作战目的非常明确：火力比当时只有轻装甲防护的重巡洋舰强，而26-28节的航速比当时的战列舰快，使其能避免与之交火。 “德意志”级设计的首要问题就是如何尽可能地将排水量限制在一万吨内，但又要满足袭击舰所要求的大航程和高速度。解决之道就是使用柴油机作为动力源，在动力上她选用了8台9缸曼M9 ZU 42/58柴油机，采用齿轮减速箱并机驱动2部螺旋桨，输出总功率达到52050 马力。这表明了德国海军对柴油机动力和曼恩公司的信心。虽然柴油机在重量上并不比蒸汽轮机更轻，但是油耗却远低于使用锅炉的蒸汽轮机，可使其达到超长的航程，达8000海里/20节，远高于英美的巡洋舰。图6.2 曼M9 ZU 42/58柴油机“德意志”级同型舰三艘：“德意志”号（Deutschland）、“舍尔海军上将”号（Admiral Scheer）、“格拉夫斯佩”号（Admiral Graf Spee）。二战中，三舰以其优良的性能与皇家海军周旋，给英国的补给线以沉重打击。不过柴油机也暴露出高速时震动大的缺点，同时德意志级的速度也不是很高，如被敌方发现，很难摆脱，这成为“格拉夫斯佩”号在拉普拉塔河口海战中覆灭的重要原因之一。尽管德国有将柴油机装到更大型军舰上的计划，但从实际情况出发，以后制造的“沙恩霍斯特”级战列巡洋舰和“俾斯麦”级战列舰均未再采用柴油机动力。图6.3 德意志级的动力结构二战前，各参战国海军战前共有潜艇660多艘，战争期间共建成潜艇1800多艘，绝大多数都是柴油机动力潜艇。二战中，潜艇取得了骄人的战绩，共击沉运输舰船4820多艘、计2180多万吨；击沉大型、中型战舰500多艘，其中包括航空母舰18艘、战列舰5艘、巡洋舰34艘、驱逐舰和护卫舰372艘、潜艇76艘。德国的“海狼”给几乎给英国致命的打击，美国的“鲨鱼”则绞杀了日本的生命线。 早期潜艇在水面行驶时一般都用柴油机直接驱动螺旋桨，在水下则切换到电机。美国1928年在S3号潜艇上试验了全电推进，用柴油机驱动发电机，可同时为电池充电并通过电机推动潜艇。战前美国海军已经完成了潜艇全电化推进的工作。战争中美国海军主要战场是太平洋的广袤海域，主力潜艇“小鲨鱼”级（GATO）和“白鱼”级（Balao）的吨位均较大，超过2000吨。她们采用全电动推进，这些潜艇装备有4台柴油机，在水面航行时带动4个发电机，通过配电屏控制，输出的电流可驱动推进电机并给蓄电池充电。这种全电布局使动力输出更加灵活。以战争后期“白鱼”级使用的通用GM 16-278A柴油机为例，4台并联可提供5400马力，使水下排水量2400吨的“白鱼”级达到水上20节、水下8.5节的航速，续航力达到11000海里/10节。全电潜艇虽然先进，不过要二战后才普及。图6.4 二战美国潜艇主要动力之一 GM 16-278A柴油机德国人在二战中制造了大量的潜艇。与美国人不同的是，德国潜艇主要采用柴油机和电机共轴推进方式。在水面上柴油机工作，柴油机直接推动主轴和螺旋桨，并带动共轴的发电机为蓄电池充电，下潜时，由蓄电池供电，带动共轴的推进电机。因此德国潜艇一般都只装两台柴油机。以TYPE VII型艇（分A/B/C/D若干子型号）为例，长50.5米，宽6.2米，吃水4.7米，水面排水量769吨，水下排水量885吨，艇员44-52人，有5座533毫米鱼雷发射管（艏4尾1）和1门88毫米炮。该艇装有2台曼M6V 40/46柴油机，6缸4冲程，涡轮增压，转速470-490转，总功率2800-3200马力，水面航速可达20.4节，电机推力为750马力，水下航速为7.6节，续航力8190海里/10节。图6.5 TYPE VII C型潜艇的柴油机和电机共轴结构图6.6 曼M6V 40/46柴油机战争中德国人通过对缴获荷兰潜艇的研究后发明了通气管，不过战争初期并没有大规模使用。后来英美雷达技术的发展，使潜艇在水面航行越来越困难。德国U58号潜艇在1943夏天安装了通气管，潜艇不需要上浮就可以通过柴油机航行并充电了。潜艇在通气管状态航行时，由液压动作筒把活动进气筒升出水面一定高度，空气进入进气筒内，并沿进气管路通向机舱供给柴油机正常工作，废气则沿排气管路经由排气筒排入水中。活动进气筒上部装有浮阀，当涌浪将使海水进入进气筒时，浮阀即自动关闭，阻止海水经进气筒进入舱内。在导向筒上装有制动器，以防止通气管升起后自动下降。第二次世界大战后期，德国潜艇广泛使用了通气管装置，大大增强了潜艇的隐蔽性，战后建造的潜艇普遍装备有这种装置。从此之后，潜艇用柴油机成为船用柴油机中的一个专门种类。因为当通气管升起时管内有积水，使得要求潜艇用柴油机能适应较高的排气背压。另外对潜艇用柴油机的噪声振动等指标要求更为苛刻。图6.7 潜艇通气管二战中，美国建造了成千上万艘各型登陆舰（艇），除少数装备汽油机外，大多数都以柴油机为主要动力。以战争期间美国建造的1000多艘LST（Landing Ship, Tank大型坦克登陆舰)为例，标准排水量1800吨，满载排水量3900吨，长99米，宽15米，吃水艏部2.29米，尾部4.29米（轻载为1.02和2.24米），采用两台GM 12-567柴油机，总功率2000马力。该机原本为内燃机车动力，在战争期间不得不拿上登陆舰使用，不过也可使登陆舰达到11节航速。LST人员编制111-144人，可运载人员800-1000人，或中型坦克17辆，或卡车32辆，还携带有2艘登陆艇，并装备76毫米炮等自卫武器。无论从北非、西西里到诺曼底战役，还是在太平洋战场，以柴油机为动力的登陆舰艇均发挥了巨大的作用，为打败德意日法西斯做出了重要贡献。图6.8 二战美国主要的登陆舰艇种类二战中，还有无数的小型舰艇使用柴油机动力，如德国S型鱼雷艇就装备有3台曼或戴姆勒奔驰的柴油机，总功率近4000马力，使这些近百吨，装备2具鱼雷发射管的小艇以40节以上的速度飞驰。七 当代船用柴油机二战结束后，船用柴油机经历了新一轮的发展，性能不断提高。从上世纪40年代-70年代，大功率低速船用柴油机继续向大缸径、大功率方向发展，同时进一步提高进气压力和气缸工作压力，加大气缸排气量。在柴油机结构上广泛使用了焊接结构，降低结构重量，普及涡轮增压，使用劣质燃油，提高经济性，这些都使柴油机技术有了飞跃发展。在缸径方面，1956年只有740-760毫米，单缸功率只有1200-1400马力；1960年达到840-900毫米，单缸功率达2100-2300马力；1965年缸径达930毫米，单缸功率2750马力，1970年，缸径超过1米（达1060毫米），单缸功率超过4000马力，1977年达到4600马力。船用柴油机进入了黄金年代，在民船上完全取代了蒸汽动力。图7.1 低速船用柴油机的平均工作压力上升趋势图（1Bar=0.1兆帕）1970年代以后，爆发了两次石油危机，原油价格急剧上涨，运输成本不断提高，对燃油经济性的要求日显突出，柴油机主要以提高单机功率、降低比重量以及提高可靠性和经济性为主要改进方向。 1980年后，世界柴油机市场向巨头集中。1980年，德国曼公司收购丹麦B&W公司，1997年芬兰瓦锡兰公司与瑞士苏尔寿公司合并，实现了强强联合。各大柴油机公司经过了一轮新的整合，优胜劣汰之后，技术水平不断提高，机型有所减少。在技术方面，除继续增大单缸功率外，电子控制技术也在柴油机上得到广泛应用，燃油喷射、排气阀驱动、增压、气缸润滑等都可由全电子驱动，柴油机的电子化、信息化和智能水平不断提高，热效率进一步提高，并不断满足更高的排放标准要求。1） 低速船用柴油机低速船用柴油机的特点是转速低（低于350转/分）、缸径大、冲程长、输出功率大，多用于1万马力以上的柴油机。低速柴油机结构上一般采用直列气缸、二冲程、多缸并联、十字头结构，具有大气缸，长行程，高压缩等特点。现代低速柴油机的平均工作压力可达1.90-1.95兆帕，油耗为170克/千瓦小时以下，效率最高可达55%，压缩/缸径比最大可达4.2。低速机一般可直接驱动大直径螺旋桨，能实现反转，省去了齿轮减速箱等传动要求，降低了成本，加之可以使用低质燃料油，运营成本远低于其它种类发动机。在大型商船上，低速柴油机装量占绝对统治地位。目前几乎世界上所有的大型商船都使用柴油机驱动。箱数/载重吨位装机功率要求集装箱船400015000TEU510万马力30004000TEU5万马力左右20003000TEU3万马力左右2000TEU以下2万马力左右VLCC型油船2030万吨3万马力苏伊士、好望角级散货船15万吨1.52万马力阿芙拉、巴拿马、大型灵便型油船、散货轮等6万吨11.5万马力灵便型散货船、成品油船4万吨1万马力以下LPG和化学品船2万吨左右（中小型）12万马力表7.1民用商船装机要求根据预测，最近几年世界低速船用柴油机市场每年有4250万马力的需求。MAN B&W的MC系列和瓦锡兰的Sulzer RTA系列两大机型在低速船用柴油机方面占据绝对垄断地位，其中MC系列占有率在80%以上，RTA系列10%左右，而其它厂商很少。两大公司多采用专利授权生产方式，提供技术和图纸，由柴油机公司或船厂进行生产，包括我国在内的众多生产厂都需要向两大公司缴纳高昂的专利费。曼公司在1980年收购B&W公司后，将低速船用柴油机的研发工作从德国的奥克斯堡全部搬到丹麦哥本哈根，开始研发MC系列柴油机。MAN B&W于1982年生产出第一台L35MC样机，1983年9月开始测试。MAN公司看准了船用柴油机的发展势头，陆续形成了缸径260毫米，420毫米，460毫米和980毫米等不同等级MC系列，冲程-缸径比达到2.44-4.2:1，汽缸数量从4缸-14缸，最大单缸功率6000千瓦（8000马力以上）。MC系列柴油机可满足各类大型船舶推进的要求。MAN B&W公司的柴油机型号如6K80MC-C、6S70MC，其中的字母和数字的含义为：最前面的数字表示的是柴油机的气缸数，如“6”表示此柴油机共有6个气缸； 气缸数后面的S,L,K表示的是冲程与缸径的比值。S表示超长冲程，L表示长冲程， K表示一般冲程； S、L、K后面的数值80，70表示柴油机的缸径为80，70厘米；M表示的是柴油机的系列号； M后面的C表示柴油机是机械控制式的，E表示柴油机是电子控制式的；“”后面的C表示的是整装式柴油机。14K98ME-C为该公司的龙头产品，输出功率84280千瓦（11.5万马力），是世界上已知输出功率最大的船用低速柴油机，但未见其装船的报道。2010年后，MAN B&W更名为曼丹麦公司，完成了去B&W化的工作。图7.2 14K98ME-C柴油机是曼公司的拳头产品芬兰瓦锡兰公司从1938年起开始生产柴油机，是世界上著名的中速船用柴油机生产厂商。瓦锡兰收购瑞士苏尔寿公司后，在低速船用柴油机领域也取得了成果，该公司柴油机也有自己的命名规则，以7RT-flex84为例：7是缸数；RT是船用柴油机；flex是电控共轨系列机；84是气缸直径，单位为厘米。从上世纪60年代到今天，集装箱船载箱量更以惊人的速度增加。集装箱船装卸速度高，停港时间短，大多采用高航速，对主机的要求很高。目前世界上在用功率最大的船用柴油机由瓦锡兰公司制造，为14RT-flex96C型低速船用柴油机，已用于丹麦马士基公司的“艾玛马士基”号（Emma Mærsk）集装箱船（同型船共8艘）。该级船也是迄今为止最大的集装船，于2006年在丹麦的欧登塞船厂建造，总吨位为170974吨，长397米，宽56米，吃水15.5米，型深30米，可载14770个20英尺标准集装箱。图7.3 满载集装箱的ELLY Mærsk号（Emma Mærsk同型船）14RT-flex96C船用柴油机代表了当今低速船用柴油机的水平，这是世界上首台14缸柴油机，采用了完善的 RT-flex共轨技术，通过增大行程/缸径比，提高了推进效率；通过采用新材料降低了结构应力，具有良好的可靠性、安全性和耐久性，且具有比同类机型维护更方便等优点。该机持续输出最大功率80080 千瓦（109000马力），转速102转/分，汽缸容积2.5立方米，缸径960毫米，冲程2.5米，汽缸速度8.5米/秒，燃油消耗为160克/千瓦小时。该机长27.3米，高13.5米，重达2300吨，仅曲轴就重达300吨。依靠柴油机提供的强大动力推动1具9.6米直径的6叶螺旋桨，船速可达25.5节。图7.4 瓦锡兰公司授权韩国生产的14RT-flex96C柴油机2011年2月，马士基又一口气向韩国大宇订购了10艘更为大型的集装箱船，可载1.8万个标准箱，计划将用2台MAN柴油机（总功率8万千瓦），航速也降低为23节，但更为经济，预计2014年交船。 随着国际油价格的高起，原油价格突破100美元/桶，又由于受到国际金融危机的影响，国际航运和造船业近几年处于调整状态。增强输出功率已经不是低速柴油机的首要目标，更环保、更高效已经成为低速机研发的方向。 柴油机厂商正在研究多燃料发动机，使用液化天然气LNG作为燃料的柴油机在排放指标上明显优于普通柴油机。LNG船是多燃料柴油机的主要应用对象，LNG船用在运输过程中微量蒸发的天然气作燃料，过去一直采用蒸汽轮机作为动力。目前多燃料柴油机已经逐步在LNG船上使用，从而攻占蒸汽轮机在民船领域的最后堡垒。卡塔尔石油公司拥有的世界最大265000m3Q-Max级LNG船（长度345米，宽34.7米）已经采用2台MAN 7S70ME-C柴油机驱动，总功率达5.9万马力，该级船已经完成14艘。图7.5 Q-Max型LNG船LNG大规模应用于其它类型船舶还需要走很长的路，一是要解决续航力的问题，而现在一般只有20多天；二是LNG燃料补给不方便，港口尚未建立起配套体系；三是LNG存储设备的成本较高，系统复杂，安装困难；这些因素都从较大程度上限制了LNG作为船用燃料的应用。2） 中/高速船用柴油机中速柴油机转速在350-1200转/分之间，大多为四冲程V型气缸布局，其体积较小，重量比轻，制动速度快。大功率中速机主要用于客运班轮、作业船、滚装船等。近年来，中速机在开发大缸径、提高整机功率方面做了大量工作，并在燃用劣质燃油、降低油耗、提高零部件的可靠性、提高使用寿命及高增压等方面取得显著成效。瓦锡兰、曼公司（SEMT Pielstick皮尔斯蒂克已经并入曼）在中速机方面同样走在世界最前沿。根据最新的报告显示，世界中速