艦船柴油機技術現狀及發展趨勢分析

李志磊

摘 要：艦船柴油機經歷了較長時間的發展，已經擁有一套屬于自己的設計規范、支撐研發的數據庫、設計開發流程等，但是其在低油耗、低排放以及一些影響柴油機性能的關鍵因素上仍存在一定的缺陷。本文對艦船柴油機技術現狀及發展趨勢進行了分析，以期促進艦船柴油機的發展。

關鍵詞：艦船柴油機 技術現狀 發展趨勢

中圖分類號：U664 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（c）-0094-02

近年來，艦船柴油機的技術發展迅速，主要表現在以下幾方面：（1）功率密度高。柴油機強化指標（Pe·Cm）由發展之初的20提高到24，之后又經過進一步提升，指標達到如今的32，技術上了3個臺階。（2）可靠性高、大修期長。艦船柴油機的綜合評價指標可以用可靠性和耐久性兩個方面作參考。目前各國的艦船柴油機在研發技術上，除了注重提高柴油機的功率、減少整機零件的數量，還注重提高工作可靠性和使用壽命。（3）經濟性好、自動化程度高。艦船柴油機一般采用電子控制、監測、管理系統，實現了現代技術與柴油機的融合以及智能控制，促進了柴油機全工況高效率運行，降低柴油機全壽命周期費用。

1 當前國外艦船柴油機技術研發現狀

國內外市場的競爭日益激烈，為了滿足市場上越來越多樣化的需求，國內外廠商在對柴油機的研發上都投入了較大的精力。主要表現在如下方面。

（1）聯合研發柴油機新技術，促進柴油機的技術改進。比如，AVL和奧地利格拉茲工業技術大學聯合建立柔性單缸實驗室，專門研發對柴油機中單缸機的氣缸直徑和活塞行程進行調整或改善，促進單缸各項性能的改善。并且這種聯合研發的模式，可以有效降低整機研發的風險，縮短了研發周期。再比如，MAN、KS等公司共同建立了極限中速單缸機研究實驗室。新研發單缸機燃燒壓力可達40MPa，氣閥、驅動系統、燃油噴射系統等都采用最先進的電控或電柔液控制，實現了單缸機各項性能的綜合提高。

（2）運用CAE、工程數據庫等，逐步形成以數字化樣機為標志的新型開發流程。國外著名的柴油機發動機研發公司，基本都有屬于自己研發系統的一套完整的數據庫，這些數據庫收集了近幾年發動機工程實際驗證過的大部分數據，為公司的研發提供了科學的數據支撐。而CAE技術的使用已經不單單是針對柴油機某項技術、某個部件的研發分析，它是與開發設計流程進行融合之后，形成了一種全新的柴油機技術、零件的設計開發流程。因此，在進行柴油機設計開發的早期，可以參考CAE的客觀數據，實現對柴油機原有功能的優化。

另外，影響柴油機整體性能的關鍵技術，通過單杠機驗證之后，能夠快速獲得設計目標的數字化樣機，這就幫助省去了許多技術或零件探索過程中的性能、結構試驗，使得整個柴油機的研發設計平均周期縮短，從而節約了研發成本。

（3）很多國外公司建立了完善的技術交流分析平臺，實現了柴油機技術的集約化。平臺集產品開發中的流程、設計、分析優化、測試等過程為一體，融合了最新的計算機輔助設計、計算機輔助工程分析、知識工程以及管理、工程數據管理和計算機輔助試驗等電腦分析技術，實現產品開發技術的集約化。

2 國內外艦船柴油機技術差距

我國艦船柴油機發展較為滯后，從最開始研發之初，多為借鑒國外的先進技術，但是經過多年的技術投入，我國的艦船技術產化率得到了大幅度提升，據近期的統計，產化率達85%，性能可與國外的柴油機比肩，達到了引進水平。并且我國在引進的基礎上做了一定的改進，使其性能得到了一定提高。但是，我國艦船柴油機整體性能與國外先進技術相比，仍然存在一定的差距，筆者根據自己的從業經歷，對國內外柴油機技術做了一定的對比。

（1）我國現有的柴油機零部件技術水平較為落后，并且我國自主研發技術相對比較落后，與國外的先進技術存在差距，可靠性仍有待提高。改革開放以來，我國進行了一定的自主研發，例如，船用中速機，但是由于關鍵技術以及主要零部件標準的限制，該船用中速機多用于內河航行，并沒有進入國際市場。

（2）關鍵技術落后。艦船柴油機關鍵技術，如高增壓技術、高壓噴射技術、智能化技術等，是影響柴油機性能的主要因素，并且對于一些零部件的生產，如調速器、活塞環的生產研發技術較差，仍然受限制于國外技術的引進，使得我國的柴油機技術發展緩慢，不能形成高性能的產品。

（3）研發模式落后。與國外相比，國內船舶柴油機產品開發創新基礎和能力較差，主要體現在對于艦船開發流程、開發手段以及開發過程中設計準則、規范標準等研發模式上。比如，德國對于艦船柴油機的設計中，開發流程主要采取CAE集成技術，并強調設計開發流程，對于一些零部件的驗證在研發早期就已經實踐，而我國在艦船柴油機的研發流程較為傳統，沒有使用到較為先進的CAE技術。

3 艦船柴油機技術發展趨勢

應當下市場對艦船柴油機的要求，未來艦船柴油機技術發展趨勢應該向著以下幾個方面發展。

3.1 艦船柴油機面臨技術上的變革

未來艦船柴油機的發展方向，應該向著生產的集約化以及低碳排放的方向發展，既要提高柴油機發動機的性能、效率等，又要降低油耗、實現環保低碳。在通常情況下，低碳排放與低油耗之間是一種相互制約的關系。當下，艦船柴油機在低耗、低排放方面主要研發用于應對IMO TierII和IMO TierIII的技術措施。其中，應對IMO TierII的技術措施通常是發動機內部措施或通過加濕空氣的方法進行，但是在一定程度上會增加油耗。應對IMO TierIII排放，必須采取一些附加措施，比如，國際上最常用的是SCR技術，這一技術能夠幫助減少NOx的排放，延長柴油機部件的使用壽命。

3.2 高壓共軌燃油系統

對高壓共軌燃油系統的調節，是降低柴油機排放的主要手段。對高壓共軌燃油的調節是控制NOx排放的主要手段，并且系統調節的精度越高，柴油機發動機對NOx的排放量越少。并且，在實際的應用中，系統中的高壓油泵供油規律一般是不連續性或者按一定的時序供油，因此，這種規律導致共軌內壓力差生波動大，從而對柴油機的各缸噴射的性能產生影響，比如，其一致性或重復性的影響。此后，經過我國技術的改進，高壓共軌燃油系統逐漸由最初的整體式發展為分段式，后經進一步改造形成分布式系統，取代了傳統的共軌系統。

3.3 電控系統

由于高壓共軌燃油系統的復雜性，為與之相適應，國外的MAN公司投入并研發了新一代的電控系統，這一系統由噴射模塊、機旁控制箱和通信接口組成。其中，噴射模塊相較于之前的系統，功能得到優化升級，而機旁控制箱相較于之前的系統，功能得到一定簡化。這一新系統的研發促進了艦船柴油機油耗的大幅度降低，另外向空氣中排放NOx的量大幅度減少。此外，還具有以下優勢：統一了燃油的接口、支持共軌技術、可變正時渦輪、可變氣閥正時、水乳化燃油、空氣加濕裝置以及其他前沿技術。

3.4 降低CO2排放量的措施

多種燃料發動機被用到了艦船柴油機上，因為其具有熱效率高和排放低的優勢，比如，LNG船是使用燃料發動機最多的一種艦船。而氣體發動機的排放物的量要優于柴油機主要排放物，尤其是NOx和SO2的排放。

4 結語

針對艦船柴油機的發展現狀及發展趨勢，如何提升我國艦船柴油機研發能力提出了建議。加強基礎開發平臺的建設，將柴油機研發技術、支撐研發的數據庫、設計開發流程、與設計開發流程對應的設計規范、標準和指南，以及先進的單缸機及專項技術研究驗證平臺與國際接軌，促進艦船柴油機技術的發展。另外，要加強對艦船柴油機關鍵技術的研究，包括緊跟國際形勢的高壓共軌技術、低排放技術等，促進艦船柴油機技術發展的平穩性。

參考文獻

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