內河船舶用柴油機技術發展趨勢研究

伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司， 上海200438）

0 引言

近年來，現代船舶柴油機技術和管理發展迅速，柴油機各項技術趨于完善。 各船用柴油機生產廠家經過激烈競爭、淘汰和重組，尤其是國外專利和技術的引進，使得各機型得到不斷的調整、改造和升級。

各類柴油機均采用各種節能措施降低油耗， 努力提高柴油機的有效熱效率，以提高整個動力裝置的熱效率；在柴油機結構、材料上及加工工藝上不斷改進，努力提高柴油機的工作可靠性； 利用先進的電子技術對柴油機進行監測與控制，特別是近年來電子計算機的運用，更將柴油機的管理技術提高至一個嶄新的水平[1-4]。

1 四行程柴油機得到普遍應用

由于內河航道的特殊性，在船舶主機中，普遍采用四行程柴油機。 由于四行程中速柴油機有著質量輕、 尺寸小，通過合適的減速裝置可選用最佳螺旋槳轉速，經濟性好、工作可靠性高， 使用壽命長及對劣質燃油的適應性好等突出優點，在近年新建的船舶中，得到了廣泛應用。

2 提高最高爆發壓力及提高最高爆發壓力和平均有效壓力的比值

適當提高最高爆發壓力可以降低燃油消耗率、 提高柴油機的熱效率。 各生產廠家均把提高最高爆發壓力作為降低油耗的一種重要措施， 現在各種機型的最高爆發壓力值均有較大提高。 但是過高的最高爆發壓力會使受力部件應力增加、 螺栓預緊力加大， 使結構尺寸相應增大；機器的振動和噪聲也隨之增加，還容易破壞油膜使磨損加劇[5]，這些不利影響隨著科技進步、柴油機結構設計的改進、材料性能及加工工藝的提高均已有所改善。

3 提高行程缸徑比，降低柴油機轉速

提高行程缸徑比能有效改善柴油機的換氣效果，配合適當的燃燒室形狀對良好的燃燒大有裨益， 并能充分利用燃燒的膨脹功。 現在各種機型均有提高行程缸徑比的傾向。 同時，通過降低柴油機轉速，以此可使柴油機直接驅動螺旋槳，從而提高螺旋槳的推進效率，使動力裝置具有更高的經濟性。

4 增大壓縮比

增大壓縮比有利于燃燒過程， 并能提高柴油機的經濟性。特別是在燃用低品質燃油，以及在部分負荷使用條件下，能使壓縮行程終點獲得較高的氣體溫度。現代新型柴油機，特別是增壓度較高的柴油機不僅不降低壓縮比，反而采取措施加大壓縮比。 這樣做由理論循環研究可知能提高經濟性，實際使用結果也證實了這一點，這也是近年來柴油機在結構上采取的節能措施之一[6-7]。

5 增壓技術和增壓系統的改進與發展

5.1 向高壓比、高效率及寬廣運行范圍發展

四行程柴油機通常要求增壓器的壓比不低于4，才能滿足正常運轉要求。數年前，部分機型曾采用兩級渦輪和兩級壓氣機串聯組成的兩級增壓方式來大幅度提高其壓比（如第一級壓比為2.5，第二級壓比為2，兩級總壓比即為5），使柴油機的工作范圍、加速性能及排氣污染等方面均有改善。但由于尺寸、質量加大，成本增加，管道布置及維護管理困難等不利因素的影響， 使兩級增壓發展較慢。

目前單級高壓比渦輪增壓器得以快速發展， 現在渦輪、噴嘴、渦輪葉片及壓氣機的空氣流道，導風輪和擴壓器葉片等均經過應力分析、計算機設計比較和優化，其工作性能已得以充分提升。如部分機型的渦輪采用優質鎳合金材料制作輪盤，渦輪葉片根部采用新的形狀，并在葉片間用特殊設計的機械減振套圈取得了良好的減振效果。

部分壓氣機采用后彎式主葉片和導風輪葉片整體式的葉輪，并用輕巧的鋁合金代替昂貴的鈦合金；同時采用最新設計的推力軸承和復合式彈性軸承， 使其具有極佳的減振特性；所有零件經過特殊的精密加工，并采用專用的合成機油進行潤滑。 使最新型的增壓器在高壓比和高廢氣溫度的條件下具有良好的效率和可靠性。

5.2 增壓系統的改進和發展

為了更有效地利用廢氣能量， 在脈沖增壓的排氣支管和廢氣渦輪增壓器之間增設“脈沖轉換器”和“多脈沖轉換器”，以此既能有效地利用廢氣的脈沖動能，又能使渦輪有穩定的進氣壓力和連續的氣流，使渦輪效率提高。

該類方法兼顧了脈沖和定壓兩種渦輪增壓的優點，使增壓效果明顯提高， 尤其適合于氣缸數并非3 的整數倍的柴油機， 因這些柴油機排氣管的不合理分組會使廢氣供應斷續進行，增大渦輪的壓氣損失，使渦輪效率明顯下降，同時葉片急劇交變受力會造成疲勞裂紋。

近年來，隨著中速柴油機功率的不斷提高，又發展了“單管脈沖轉換增壓系統”， 該系統除了兼顧脈沖和定壓優點外， 也不受柴油機缸數限制并使排氣管的布置更為簡化，其工作性能也進一步得到提高。

5.3 開發動力渦輪，提高動力裝置效率

隨著廢氣渦輪增壓技術的改進， 柴油機增壓度以提升，柴油機排氣能量除供應給廢氣渦輪增壓器外，尚有相當的余能[8]。 利用一種尺寸小、經濟性好的動力渦輪接受部分廢氣能量將其轉為渦輪功， 再通過機械方法反饋給發動機輸出。

目前， 設計運用較好的一套動力渦輪裝置利用廢氣能量中的15%轉換為柴油機輸出功率。 由于該系統投資較大， 在3600 kW 以上的柴油機上使用才能顯示出經濟效果。 當輸出功率小于50%時，則停止使用動力渦輪。

5.4 采用高效的增壓空氣中間冷卻器，降低進入氣缸的新氣溫度

因為在空氣被增壓的過程中，溫度也有所上升，從而可使空氣密度提高的幅度相應減小，影響增壓效果。采用中間冷卻以提高空氣密度的作用較為明顯。

采用高效的中冷器已成為提高增壓技術的重要措施，采用合理的散熱片材料和形狀，通過冷卻效果更好的氣流和液流流動形式，經過冷卻器的各種改型設計，使新型中冷器體積更小，效率更高。在中冷過程后由于進氣溫度的降低使循環平均溫度降低， 使冷卻水帶走的熱量相對減少，使經濟性有所提高。

6 部件結構和使用材料的改進

近年來，柴油機在基本結構不變的前提下，各種機型從不同的角度考慮，對部分機件的構造進行了改進。隨著新機型的出現， 各種部件的結構形式和材料的應用還會得以進一步優化。燃燒室部件中的氣缸蓋、氣缸套和活塞采用高強度結構并在離燃燒室較近處通過鉆孔冷卻，使較高的結構強度和高效冷卻相結合，形成“薄壁厚背”的結構。這種使熱負荷和機械負荷都得以降低的結構型式，目前已在大功率中、低速機中被廣泛地采用[9]。

氣缸套可通過形狀的優化來適應工作壓力的持續提高， 經合理設計的缸套肩部結構能避免熱應力和機械應力過于集中。隨著最高爆發壓力的不斷增大，單一材料制成的鑄鐵氣缸套已達使用極限， 可采用雙層材料制成的缸套并將其用于低速柴油機， 其內層為薄的片狀石墨鑄鐵、具有良好的抗磨性，外層則為厚壁鑄鋼，增加強度，兩層金屬之間約有2mm 厚的結合層，日本三菱公司在這方面的研究獲得了成功。

缸套采用上、下兩排注油孔，進行多級潤滑并自動控制供油率以適應長行程活塞的潤滑需要。 采用組合式活塞以適應越來越惡劣的工作條件， 其活塞頂部用耐熱合金鋼制成，活塞裙部則用耐磨合金鑄鐵或鋁合金制成，部分機型在兩者之間加隔熱環，使裙部受熱甚微，熱變形也相應減少， 可以不必制成橢圓形并可適當縮小與缸套之間的間隙，這無疑對其工作過程大有裨益。

同時，可利用鑄鋼代替鍛鋼制造曲軸，可使曲柄尺寸形狀不受限制，毛坯加工余量小，精細的鑄造工藝可使曲柄臂免去加工過程。目前對曲軸的鑄造工藝要求極為嚴格，采用此類結構的曲軸已在部分大型采用機中得以使用。

7 電子技術在內河船舶用柴油機中的運用

（1）隨著電子技術的迅速發展，特別是近年來電子計算機的普及應用， 內河船舶用柴油機中的電子控制技術運用得更為廣泛。使用“噴油器自動調節系統”，柴油機在運行中能根據工況的不同及負荷的差異， 自動改變噴油定時和噴油壓力， 使燃油的霧化和燃燒始終能在最佳的狀態下工作。采用“可變壓縮比活塞”，在不同的工況下能自動選用不同的壓縮比， 以期獲得較佳的燃燒效果和較高的熱效率。

渦輪增壓器采用可變噴嘴，并通過電子控制，能在不同的工況條件下選擇最佳的噴嘴角度， 使廢氣渦輪增壓器能在不同工況運行中，提供相應的增壓空氣，滿足主機的要求。采用電子調速器，能更迅速地獲得工況變化的瞬時信息，再通過信號的轉換，利用電子噴射系統，使燃油的噴射過程始終處于良好的狀態。

通過電子控制 “液力驅動可調式正時配氣系統”對進、排氣定時進行調節，以適應不同工況對配氣定時的不同要求。 氣缸潤滑油利用電子控制，能按起動、負荷變化和氣缸過熱狀態進行設定， 隨不同的工況自動控制供油率以獲得相適應的正常潤滑。此外，起動系統和冷卻水系統均能通過電子控制， 以便在不同條件下均能獲得最佳的起動效果和冷卻效果。

（2）采用自動遙測監控系統。近年制造的大型低速柴油機大多以電子計算機為核心， 并以此構成自動遙測監控系統。 通過在柴油機的各個測量點上安裝各種不同的傳感器，對壓力值、溫度值、位移值獲得信號，經過不同的轉換方式轉換為微機能識別的代碼，利用通道輸入微機。再按照計算機事先所存儲的各種程序和數學模式， 對輸入的各種檢測數據自動進行分析和綜合， 并將其結果顯示出來以供管理人員分析及應用。

可通過各種特設的傳感器， 對柴油機各主要部件及系統的運行情況進行監控。 部分船用柴油機上裝有約200 個傳感器，能隨時提供各種想了解的數據和情況。 如通過氣缸套內表面的傳感器來遙測各道活塞環的狀況（如磨損量及部件折斷等情況）。 通過氣缸套表面的熱電偶來遙測、分析氣缸潤滑和磨損情況。通過測取缸內壓力變化，經微機運算自動輸出平均指示壓力、指示功率等表征燃燒品質的重要數據。 通過噴射系統上的各種傳感器得到的信號， 經計算機處理后能直觀顯示出噴射過程中各種有關壓力和壓力波，用于分析噴射過程。通過裝置在廢氣渦輪增壓器上的些傳感器能從壓力變化、 溫度變化及轉子振動情況等信息經計算機處理后對增壓器的工作性能作出評估。

利用監控系統自動工作的特點， 持續或定期對柴油機各參數進行監測和修正。同時，能對各個測量值預定報警值，一旦達到此值即能發出聲光信號自動報警，有些還能使相應備用裝置或系統自動投入使用， 通過監測后在各種不同工況下通過自動調節或人工調節使柴油機始終處于最佳工作狀態， 使柴油機的經濟性、 可靠性大大提高，并能防止突發性事故的發生[10]，為無人機艙的進一步推廣創造了條件。

由于計算機控制的柴油機能使燃油達到最佳的燃燒效果，滿足節能省油的要求，同時也能簡化駕駛臺至機艙的操縱設施，易于實現駕機合一，并減少管理人員。 可以預料，今后將有越來越多的柴油機采用計算機控制技術，使內河船用柴油機的管理進入一個嶄新的時代。

8 結束語

考慮到柴油機的技術特點， 其在未來較長的一段時間內仍會在內河船舶上得以廣泛應用，在此背景下，針對船用柴油機而開展的技術研究有著重要而深遠的意義。