中国船用柴油机技术发展历程

中国船用柴油机技术发展历程案例简介本案例以科技含量高、技术复杂的船用柴油机为例，通过分析我国船用柴油机从主要依赖进口到技术引进再到部分自主研发的历程来阐述国际技术贸易对我国科技发展的影响。从我国船用柴油机依赖进口，在船用柴油机领域没有话语权完全任人宰割，到合理的利用技术贸易引进技术依靠自身的劳动力优势产生微弱的利益再到自己开发拥有自主知识产权的产品以在国际船用柴油机领域有一左的地位，我们将在这样的历程中看到国际技术贸易对我国的科技进步、国防建设以及在我国强国之路上的作用。船用柴油机发展概述I.船舶柴油机的发展1876年，德国人奥托（NAOtto）第一次提出了四冲程循环（即进气、压缩、膨胀、排气）原理，并发明了电点火的四冲程煤气机。之后，在1880年一些工程师，如英国的D.CIerk和J.Robson,以及德国人K.Benz等成功地开发了二冲程内燃机。1892年德国工程师RudolfDiesel中请了压缩发火内燃机专利，并于1897年在MAN公司制成第一台实际使用的柴油机（压燃式、空气喷射、泄压燃烧），其效率因可采用较大的压缩比而比煤气机有显著提高。2904年柴油机首次用于船舶推进装置（29.4kW,260r/min）.从此在船舶领域里开始了与蒸汽推进装垃的竞争局面。在此后40多年中，柴油机在自身逐步完善中有了很大发展。1926年瑞士人AlfredBuechi设计了一台废气涡轮增压柴油机，当时由于增压器制造水平的限制，此项技术未能迅速推广。但总的来看在与蒸汽推进装置竞争中无突破性进展，在船舶使用中，蒸汽推进装置仍占据领先地位。从第二次世界大战到50年代中后期，由于社会生产力的迅速发展，对船舶推进装置提出了新的要求。柴油机在此期间完成了大缸径、焊接结构、废气涡轮增压以及使用劣质燃油等四项重大技术成果，并逐步发展了船用低速柴油机系列。此期间在国外大致有八种船用低速柴油机型号（由八大船用柴油机制造厂生产）。在这些技术成就中，废气涡轮增压技术在船用二冲程柴油机上的成功使用是船用低速柴油机发展中的重要里程碑。国外称这一时期是船用低速柴油机的第一次飞跃，英技术特征是废气涡轮增压技术的普及。至此，在与蒸汽动力装卷的竞争中柴油机逐渐取得了领先地位。从60年代到70年代船用低速柴油机进入了黄金时代，它在船舶动力装置中取得了明显的压倒优势。各船用柴油机厂之间开始进行调整、合并、淘汰。柴油机技术趋于完善。此期间内船用低速柴油机发展的特点按顺序大致为增大机组功率，提高可靠性，提高经济性。70年代的两次石油危机诱发了世界X围内的能源危机。石油产品价格大幅度上涨使船舶柴油机的爆油费用支出一跃占总营运成本的40%?50%。由此，改变了人们长期以来的传统观念，降低柴油机的燃油支出费用，提高柴油机经济性已成为第一要求。70年代末到80年代，各类节能型柴油机大量出现，机型更新周期大大缩短（甚至仅为2年？3年），各类柴油机均采用各种肖能措施降低油耗率，努力提高柴油机的有效热效率：同时，由于供给船用柴油机的燃油质量日益低劣，使得船用柴油机在使用劣质燃油的技术上又有了新的发展。目前，现代船用低速柴油机的油耗率已降低到0.155kg/kWh?0.160kg/kWh,有效热效率可高达55%。国外把这一时期船用柴油机的发展称为第二次飞跃。现代船用柴油机发展中的第三个特点是控制与操纵自动化，即对船用柴油机及苴附属设备进行自动控制及自动监视。60年代初曾进行在控制室内对主机集中控制与集中监视，70年代电子技术开始在柴油机上使用。80年代柴油机的电子控制技术已有了很大发展，除可监视柴油机的运行工况外，还可保持柴油机各运行参数的最佳值，以求得柴油机功率、燃油消耗率和在它有关性能的最佳平衡，弁由此发展了对柴油机的故障诊断、未来趋势预报等技术，把柴油机的管理技术提高到一个崭新的水平。2000年，Wartsila公司成功地推出了SULZERRT-fle企电子控制的智能型柴油机，弁开始装船使用。在船用低速二冲程柴油机发展的同时，大功率四冲程中速柴油机自50年代开始也得到了稳步发展，至今已经历了四代机型。它的最大优点是重量轻，尺寸小，可选用最佳的螺旋桨转速。在工作可靠性、使用寿命、经济性及对劣质燃油的适应性方而均有明显改进，基本上达到与低速机相近的水平。近年建造的2000总吨以上船舶中，使用中速机做主机者占25%左右。一般对船用主机来讲，经济性、可靠性和使用寿命是第一位的，重量和尺寸是第二位的。拯此，低速二冲程柴油机因其效率高、功率大、工作可靠、寿命长、可燃用劣质油以及转速低（通常为100r/min左右，最低可达56r/min）等优点适于作船舶主机使用。大功率四冲程中速柴油机因英尺寸与重量小较适于作为滚装船和集装箱船舶主机。船舶发电柴油机（称副机）因英发电机要求功率不大，转速较高以及结构简单，因而均采用中、高速四冲程简形活塞式柴油机。经过近几十年尤其是近十多年的发展，现代船用柴油机已经发展到一个较高的技术水平。今后，随着生产力的发展，将会对船用柴油机提出更高的要求，船舶柴油机也将继续发展改进。当前柴油机的发展可以概括为：以节能为中心，充分兼顾到排放与可靠性的要求，全面提高柴油机性能。根据此发展目标，今后的研究趋势大致为：提高经济性的研究，包括燃烧、增压、低摩擦、低磨损等的研究：降低柴油机排放的研究，排放是现代柴油机而临的严重挑战，随着对船舶柴油机排放控制的限制，使得经济性的提高更加困难，这也是船舶柴油机发展中的新课题：提高可靠性与耐久性的研究；电子控制技术的研究；代用燃料的研究。2.船舶柴油机当前使用情况和技术水平船用低速柴油目前主要由年世界各国造船造机结果统汁，额的27.6%,日本三菱不足船用低速柴油目前主要由年世界各国造船造机结果统汁，额的27.6%,日本三菱不足8%1998MANB&W、Wartsila瑞士公司和日本三菱三家公司生产，据1998MANB&W公司占市场份额的64.54%,Wartsila瑞士公司占市场份MANB&W和Wartsilar瑞士公司近年主要机型的工作参数如下：表1-1船用低速油机的主契参数机型RTA48TRTA58TRTA68TS46MC-CS50MC-CS60MC-C

缸径(mm)480580680460500600行程(mm)200024162720193220002400缸径行程(S/D)4.174.174.04.24.04.0转速(r/min)12410392129127105活塞平均速度(m/s)8.38.38.38.38.58.4平均启效压力bar18.218.218.2191919最大燃烧压力bar142142142145150单缸功率kw136020002750131015802255燃油消耗率g/kWh171170169174171170从上述参数可以看出，目前新型船用低速柴油机的S/D值已达到4.0以上，活塞平均速度在8.3?8.5m/s左右，平均有效压力高达19.0bar,最大燃烧压力在140bar以上，而燃油消耗率则下降到169g/kW-h,其动力性和经济性已经达到了相当高的水平。2)船用中速柴油机当前使用情况和技术水平船用中速柴油机目前虽然生产厂家较多，但主要集中于几家公司，据1998年世界各国造船造机结果统计，Wartsila公司占市场份额的40%,MANB&W公司占市场份额的22.4%,Mak占市场份额的11.2%c其余公司占26.4%cWartsila和MANB&W公司近年主要机型的工作参数如下：表1-2船用中速油机的主要参数机型MANB&WL27/38WARTSILAL32WARTSILAL64缸径(mm)270320640行程(mm)380400900S/D1.4:11.25:11.4:1压缩比16.5:116.0:1活塞平均速度(m/s)10.110.09.8平均后效压力(bar)23.523.325.5最大燃饶压力(bar)200190200燃油消耗率(g/kWh)185.3182171燃油喷射压力(bar)16002000使用燃油质＞(cSt/50C)700730730功率X围(kW)2040八30602700~828010050八18090三、我国船用柴油机主要依赖进口阶段50年代前期解放前遗留下来的各型中、小舰船柴油机备件消耗殆尽、舰船而临停航，而我国当时几乎没有船用柴油机研发生产能力，1951年底成立了海军配件试造委员会主要在XX组织了一些中、小型私营企业，采取承包加工形式、与各船厂协作完成了各中、小型舰用柴油机配件的供应任务，其生产能力仅限于仿制250KW以下高、中速小型船用柴油机：50年代后期到70年代后期，此阶段主要引进苏联舰用柴油机，如M50高速机、D39中速机、40D中速机、gDM中速机等。可见，在这一时期，我国的船用柴油机研发生产能力十分微弱，仅能满足一些小型舰船的供应：同时，由于受到国际关系的制约和四方国家的技术封锁，我国在大型民船和军用舰艇的发展上受到了很大的限制。随着各国对海上利益的争夺越演越烈，大型舰船和军用舰艇的发展关系着国家的生命命脉，我们必须寻找新的途径发展船舶事业。四、我国船用柴油机技术引进阶段概述国内船用低速机制造业自1978年起，先后从丹麦MAN、瑞士SULZER（现芬兰WARTSILA法国SEMTpielstick等多家公司引进了先进的大功率船用柴油机专利生产制造技术。30多年来，通过实践和努力，我国在引进、吸收、消化专利生产制造技术方而取得了长足的进步。与此同时，通过枳极地采用国际标准和国外先进的标准，缩短了我国船用低速机标准化技术与国际先进标准化技术的差距。国外引进的各型大功率船用柴油机的标准是较完整的标准化体系，弁且都是国际标准和各工业发达国家的标准及属于专利公司自己的技术标准。对国外大功率柴油机标准化的分析在于学习和掌握国外先进的标准化思想和理念，充分利用宝贵的国际资源，促进自身的技术进步，提高企业标准化水准，推动自主创新，提高产品质量，以取得更好的经济效益和社会效益。我国是船用柴油机许可证技术引进比较多的国家。经统计，25年来，我国引进的船用配套设备专利技术生产许可证项目共54项，其中船用柴油机制造占重要地位。包括两家著名的船用低速柴油机公司的10多个系列、数十种机型：船用中高速柴油机共计有10家公司的17种系列机型。此外，还引进了7家专业配套厂的7种关键配套部件生产技术，形成了较完整的柴油机生产配套能力。以从德国引进的某型柴油机生产许可证技术为例。2000年，对该型柴油机的国产化研制有如下的要求：a.完成50%^口82%（按产值计）两种国产化比例样机的研制及试验：b.研制周期为从转让许可证产品图纸资料到厂后一年内完成；c.研制工作开始半年后即开始小批量生产准备，从工作内容上看两者大体上同步进行。在历时二年内，组织了共计超过1400h的四次可靠性考核，完成该二种机型柴油机的国产化研制工作，使用方按事先约定的认可程序对该型机进行了认可。认可评价通常包括方案论证和样机的试验、鉴立和左型，主要看承制方的科研生产能力是否满足研制产品的要求：图纸、技术文件、资料是否按国家标准编写整理：经过修改的设计图纸和技术文件的手续是否齐全；试验程序是否符合规定：试验结果是否满足技术规格书的要求等。我国船用柴油机仍在执行的有效许可证项目A合同号合同名恋引进单位许可方密约U/有效期it长日.’有栽辨1CDT—S006低娃机许可证沪东里机人连芋浪肌厂宜吕貌加柴油机厂\{ANBiWDi?elA.S1980731门0年198910年1999.723/10A2CSSC—7865(OlCHBAXSTCO???)SULZER低港机诈可证沪东金机大庄柴浊机厂官吕系船柴油机厂WU加silaS'MtxcjlandLtd.1978,7.17/15年1993.7.15/101AMO26M1O年302CHBrr37<5TC0723SL12ERRI-FLZX低湾机许町证护东里机大连竽液肌厂宜吕靛舶柴油机厂W1:WutalaSuicerlandLt士2002.6)A10年4CGT-800妙8-CSTC-003MN中逋机许可证组江烘用%沏机厂新中动力机厂583B&WDieselAG1980.5.13/15年199369/10年5CFC-78326PA.FC中逋机许可证沪东应机tecaSEM.TJW血ck1978.102145A19989.11/10年6CJT-8117A大发中逋机许可证安氏船用柴油朴厂日ADaihatsuDieselXfFG.CoI.td1981.122140A19905.12/10年2(100A.1240年7CJT-S117S大发中逋机许可证泱百柴浊乱厂BADaihatsuDieselWG.Co?±td1981.122140年19903.12/10A20005.14.10A£CJT-9701津马中姓机许可证*汇怕井柴演机厂SxYAXMAR199734/104:90lDEBff37CGT9140皿4建机许町证泱百柴浊乱厂处rsMTU公司199】.11.13/10年20023.1/10A10CGT一8505Deuta-删4建机许町证河南柴独机集团有R?费任公司诅国DeutzAG1935223门0年19993.24/10年低速机的引进二十世纪70年代末，为了适应国内外船东的船舶建造的需求，我国先后于1979年从瑞士sulzer公司,1980年从丹麦MANB&W公司引进了低速柴油机许可证制造技术，实现了我国制造机型与世界当代最新技术水平同步，形成了低速机配套设备国内专业化配套生产的格局。90年代以来，我国低速柴油机已经完全由MANB&W的MCIMCC和Suize口的RTA系列所取代,通过这些技术的引进使我国的某些低速机生产水品达到了国际先进水平，例如XX川用柴油机厂的MANB&W7s60MC-C沪东重机的MANB&W6K80MC-C和XX船舶柴油机厂的sulzerRT-flex58T-B等，这些机型技术难度大，质童要求高，说明了我国低速机的生产能力已经达到了很高的水品。中速机的引进我国目前生产的中速机的机型中，引进的品种很多，大多数气缸的直径为200-300内，如日本洋马的S165,M20型，日本大发的DS18,DL20.DK20,DS2等，sulzer的AT20,AT25等，MANB&W的1,16/14,1,20/27,1,23/30,1,28/32等。这些机型中，除了90年代后期引进的新机型与国外的产品的差距在逐步缩小外，大部分引进产品已趋于老化，市场竞争力逐步缩小。技术引进的作用我国的船舶柴油机与国外先进水平还有很大的差距，我们要通过引进生产许可证柴油机技术的消化吸收，突破关键技术，提高生产能力，开发研制具有自主知识产权的产品，努力实现一个以研究所、柴油机整机厂及专业化配套厂组成的船舶柴油机研发、生产体系。五、我国船用柴油机自主研发概况：中国生产专利船用柴油主机始于改革开放初期.近年来呈现出快速发展的势头。我国主要船用低速机企业将由3家增至8家，2010年产能将达到1000万马力以上。2008年世界主要船用低速柴油机企业生产能力排雷情况显示，我国沪东重机、XX船柴、中船三井、XX船柴的排名分别为第5位、第6位、第8位、第12位。虽然通过国外的技术外溢及我国企业的"干中学"，我国的船用柴油机自主研发创新已取得一左成果，但自主之路龙的一直比较缓慢，主要原因是国家资本投入不足：造机企业没有与造船企业同步规划、同步投人：生产模式落后，没有专业化生产厂：加工手段落后，成套能力低；轮机配套能力差，国产化率提高慢：生产能力相对滞后，不能适应大规模、高效率的生产需要。发展思路:2009年中国政府网全文公布了《船舶工业调整和振兴规划》，明确了船舶工业的发展目标:船用低速柴油机产量达到1200万马力。《规划》为我们的船用柴油机行业的发展思路提供了一些发展思路船用低速柴油机：开展低速机关键部套件的开发研制，加紧增压器、燃油系统、轴瓦、曲轴等主要部套件的设计开发和研制生产：加强对低速柴油机的一些特有技术，如经济性、排放、故障诊断、电液控制系统、智能化控制系统等先进技术进行消化吸收和研究。船用中速柴油机：技术上，重点研究和突破船用中速柴油机的总体优化设计技术、重要零部件（如电子调速器、主轴瓦、连杆瓦、高压汕泵、增压器等）的设计制造技术以及高增压、高压共轨燃油喷射、燃烧与排放、模块化和智能化等关键技术。成果：在近些年而自主研发过程中，船用柴油机设备及零部件国产化成绩斐然：XX船用柴油机XX公司制造出世界首台6s50ME-B型电控船用低速机，该机可满足IMO最新的氮氧化物排放标准，被誉为绿色环保型主机：XX重工起重集团首支国产90型船用曲轴成功下线：XX中船设备XX顺利交验首台CME-MAN6s42MC7低速机及首套8L21/31主机左右机，该厂研制的L23/30H型船机在国内首个通过九国船级社的Tie相标准氮氧化物现场排放试验：XX中船现代发电设备XX成功交付首套船用主发电机组，该企业自行研制的具有自主知识产权的高速发电机为机组配套：XX跃进机械厂XX旗下的XX海跃公司实现瓦锡兰公司Flex智葱机供油单元和共轨单元批量生产；XX江增机械XX成功开发出新型TPS增压器的部件TPS52消音器总成：XX市高耐斯热工设备XX的专利产品螺旋式折流板列管式换热器，在中国南海地区市场占有率达到60%。XX柴油机集团XX公司自主研制开发的L250Z系列重油柴油机等产品，通过了中国船级社等的认证，开始应用于船用和陆用发电领域。目前，河柴集团的MWM234系列柴油机装船国