艦船柴油機自主發展歷程

李向陽，張 博，黃 馳

（1. 海軍裝備部駐上海地區軍事代表局，上海 201206；2. 滬東重機有限公司，上海 200129；3. 海軍裝備部駐上海地區第十一軍事代表室，上海 200129）

0 引言

船舶發動機是一種將缸內燃料燃燒產生的內能直接轉化為機械能的內燃機[1-2]。根據燃料的不同，可將船舶發動機分為柴油機、雙燃料發動機、氣體機和燃用其他燃料的內燃機；根據轉速的不同，可將船舶發動機分為低速機、中速機和高速機[3-4]。船舶發動機的功率范圍大、可靠性高、經濟性好、故障率低、環境適應性強，廣泛應用于各類船舶。

相較于燃氣輪機、燃料電池等動力形式，柴油機具有效率高、壽命長、經濟性好等顯著優勢。柴油機可通過機內凈化和排放后處理等措施實現污染物近零排放，還可與電機、電池組合成為混合動力系統，進一步提高船舶動力系統的綜合效率[5-6]。

本文對我國艦船柴油機的發展現狀進行梳理，對當前不足之處及技術需求進行分析。在此基礎上，提出未來發展方向與重點技術攻關方向。

1 我國船舶發動機的發展歷程

我國船舶發動機的發展歷程可分為4 個階段：新中國成立前、新中國成立至改革開放、改革開放至黨的十八大、黨的十八大以來。

1）新中國成立前

該階段只能仿制國外產品，生產小功率柴油機。

2）新中國成立至改革開放

該階段從蘇聯引進了M50 型高速機、D39 型中速機、40D 型中速機、9DM 型中速機等，并自主研制了390 型、6ESD43/82 型、6ESDZ60/106 型發動機。

3）改革開放至黨的十八大

該階段主要引進了MAN、W?rtsil?、Mitsubishi、DAIHATSU、MTU、Pielstick 等公司的產品，而在自主研制方面幾乎毫無建樹。

4）黨的十八大以來

該階段主要引進了MAN 和W?rtsil? 公司的新一代雙燃料發動機，包括MAN23/30DF、28/32DF、35/44DF、W20DF、W34DF 等型號，自主研制了EX340、CX40DF、CS21/32、8M23G、12MV390、CHD622、6L270 等型號。

改革開放以前，市場環境相對封閉，我國船舶發動機產業在引進仿制蘇聯產品的基礎上自主研制了一批產品。改革開放以后，為盡快滿足船舶工業進入國際市場的迫切需求，我國引進了一批專利機型，快速提升了船舶發動機的制造能力，但在一定程度上限制了自主創新的發展與進步。黨的十八大以來，我國加強了核心技術的自主研發，船舶發動機行業的水平穩步提高。

2 我國艦船柴油機的發展現狀與不足之處

艦船柴油機是海軍裝備的重要動力來源，我國艦船柴油機的發展歷程主要可分為以下3 個階段。

1）20 世紀50 年代至70 年代

該階段的艦船柴油機部分從蘇聯引進，部分由我國自主研制，主要包括39 系列、輕12-180、42-160、12VE230 和390 等典型機型。這一時期的艦船柴油機為第一代柴油機，滿足了我國海軍第一代艦船及其后續艦艇的需求，有力推動了海軍裝備建設。第一代柴油機結構緊湊，前期多采用機械式增壓，后期主要采用廢氣渦輪增壓和高壓燃油噴射技術，噴射壓力一般在80 MPa左右，強化指標為5.2～11.2。第一代柴油機的大修期較短，一般不超過5 000 h。

2）20 世紀70 年代至21 世紀初

我國在該階段從德國、法國等國家引進生產許可證并進行國產化生產，主要機型包括PA6、MTU956、MTU396、TBD620 等。這一時期的艦船柴油機為第二代柴油機，經過三輪國產化，第二代柴油機的國產化達到98%。第二代柴油機主要采用廢氣渦輪增壓和機械式高壓燃油噴射技術，壓比約為2.5～3.5，噴射壓力約為100～120 MPa，強化指標為19～24，大修期約為9 000～24 000 h。

3）21 世紀以來

進入21 世紀后，隨著高增壓、高壓共軌、高效燃燒等新技術的進步，國外艦船柴油機技術發展迅猛：（1）增壓器效率從58%提高到65%，壓比從2.5提高到5.0；2）燃油噴射壓力從100 MPa 提高到 180 MPa，燃油噴射控制方式由機械控制轉變為電子控制；3）最高燃燒壓力從15 MPa 提高到24 MPa；強化指標由20 提高到32。這一時期艦船柴油機的代表機型主要包括 MTU4000、MTU8000、MAN28/33D 等。

與國際先進水平相比，我國目前艦船柴油機總體技術還存在較大差距，柴油機功率無法滿足艦船的發展需求?，F役柴油機的質量及可靠性有待進一步提高，柴油機自主研發技術積累不足，部分關鍵件的國產配套研制能力偏弱。

3 需求分析

為滿足我國艦船對動力的使用需求，提升我國艦船柴油機的使用效能，我國艦船柴油機需要著力發展以下重點技術：高功率密度技術、模塊化集成技術、健康管理技術等。

3.1 高功率密度技術

高功率密度技術主要包括性能優化技術、高增壓技術、高壓燃油噴射技術等。

提高柴油機功率的首選方法是提高柴油機的強化指標。在柴油機轉速和活塞平均速度受限的情況下，增加燃油和空氣的有效密度，優化油、氣混合質量，提高柴油機平均有效壓力，增加發動機做功。

1）高壓燃油噴射技術

柴油機的燃油經燃油系統噴射進入燃燒室，為保證柴油高效燃燒，要提高噴油系統的噴油壓力，以使燃燒室內的燃油具有良好的霧化狀態。燃油的噴射過程是否適當對柴油機的燃燒效果、經濟性、動力性、排放特性、熱負荷和機械負荷均有顯著 影響。

高壓燃油噴射系統是柴油機的核心系統，其性能直接了決定了柴油機的性能。我國在船舶柴油機高壓共軌技術領域起步較晚，目前雖然建立了高壓共軌系統設計體系的框架，但尚未形成具有自主知識產權的成熟產品。國際方面：MTU 公司研發了180 MPa 的高壓共軌燃油噴射系統；Bosch 公司已將最新一代模塊化高壓共軌系統應用于船用發動機，該系統的最高噴射壓力為220 MPa，單缸的功率覆蓋區間為100～350 kW。

2）高壓比大流量增壓技術

增大壓力是提高柴油機功率的最主要方法。隨著高壓比、高效率渦輪增壓器的開發與應用，渦輪增壓柴油機的增壓程度越來越高，四沖程大功率柴油機的壓力已達到2.5～3.0 MPa，高速大功率艦船柴油機的壓力已達到2.8～3.2 MPa。

由于渦輪增壓器進行回轉運動、柴油機進行往復運動，當其聯合運行時，難以同時滿足柴油機在不同工況下運行的要求，且增壓程度越高，矛盾就越突出。為解決這一問題，變截面渦輪增壓系統等新型系統被相繼開發。

隨著徑流式增壓器向高效、高壓比、大流量方向發展，其應用范圍愈發廣泛。相繼增壓技術的應用有效提高了柴油機的功率。在高轉速時，2 臺增壓器一起工作；在低轉速時，一臺增壓器停轉，各缸排氣集中推動另一臺的渦輪以提高低轉速時的柴油機功率，進而改善低負荷情況下的性能。

3.2 模塊化集成技術

在柴油機總體優化的基礎上，通過集成零部件功能實現高度集成的模塊化設計，主要包括動力模塊、增壓模塊、冷卻潤滑模塊、附件模塊、電控元件模塊等。艦船柴油機動力裝置結構簡單、性能優化、安全可靠、維修方便，可適應現代作戰的要求。

1）模塊化動力單元設計

模塊化動力單元將氣缸蓋、中間冷卻水套、氣缸套、活塞連桿等作為一個整體模塊，有利于解決曲軸銷徑增大所帶來的拆裝問題。此外，模塊化動力單元可提高發動機的剛度和可靠性，拆裝方便，利于維修保養，有利于提高柴油機的綜合保障水平。

2）暗管路設計

在進行高指標柴油機機體設計時，大都采用無冷卻水道、進氣箱與機油道鑄在機體中的結構形式。MTU8000 系列柴油機的曲軸箱體鑄有進氣箱、活塞冷卻油通道、輪軸潤滑油道，可有效提高曲軸箱體的剛度和強度。SEMT Pielstick 公司的PA6B.STC型柴油機采用組合式冷卻器總成技術，柴油機結構緊湊、設計簡明。

3）輔助系統模塊設計

對柴油機輔助系統中的冷卻水系統、充氣系統、機油系統和發動機燃油系統等進行模塊化集成設計。MTU8000 系列柴油機將所有發動機輔助系統集成為一個模塊，整體安裝在發動機前端。

3.3 健康管理技術

為保證柴油機在工業生產及生活中的正常運行，有必要研究基于運行狀態信號分析的柴油機故障監測、故障診斷、故障預測、智能維護等健康管理 技術。

健康管理技術是指利用各類先進傳感器對裝備運行的各類狀態參數及特征信號進行實時監測的技術，其借助各種智能推理算法和模型來評估裝備的健康狀態，在故障發生前進行預測，并結合各種可利用的信息提供一系列的維修保障決策，以實現裝備的健康管理。

柴油機的工作運行狀態通常由工作時所釋放的特征信號進行表示，監測設備的運行狀態并分析運行時發出的信號特征，能夠使工作人員及時了解柴油機當前所處的狀態。多缸柴油機的振動數據較易采集，且發生故障時振動數據相對正常值差異明顯，故采用振動信號分析法對其健康狀態進行分析。通過高速信號采集、振動信號的快速特征提取，可實現基于振動信號的故障預兆監測，結果準確率較高。

為便于監測潤滑油品質狀態以及機械件的磨損情況，柴油機通常會加裝油質傳感器和磨粒傳感器。油質傳感器可對溫度、黏度、介電常數、密度等油質參數進行監測；磨粒傳感器可通過潤滑油鐵磁和非鐵磁的磨粒信息對動力傳動機械件的磨損情況進行預警和報警，可支撐動力傳動裝置的故障診斷和在線健康狀態評估。

故障診斷是柴油機健康管理的核心技術。在故障診斷過程中，可通過特征信號判斷柴油機此時的運行狀態。隨著計算機技術的進步，柴油機故障信號采集與處理等技術已相對成熟，但柴油機故障診斷技術仍有一定的不足之處，部分柴油機故障發生機理仍不夠清晰，需要進一步研究。

4 未來發展方向與重點技術攻關方向

1）借鑒并總結國際先進經驗，不斷探索和完善具有中國特色的柴油機許可證管理模式

加大對未來艦船柴油機的自主研制力度，保證生產有序、質量穩定，促進行業健康持續發展。加強產業融合，進一步強化零部件競優管理，實行零部件名錄制和退出、引入機制，加強對供應商的管理、考核和驗證。學習、借鑒國際先進柴油機企業的許可證管理經驗，結合國內實際情況，探索國內開展自主研發艦船柴油機的許可證管理機制和模式，加強對安裝、使用過程中的技術指導和培訓，形成良好的反饋機制，為顧客提供穩定可靠的艦船柴油機裝備。

2）提前識別風險，重點保障生產和交付

必須加強對供應商、主機廠、船廠的相關人員在各個階段、各個環節風險的識別，制定相應措施，確保柴油機的可靠性。對供應商加強管控，對主機廠重點支持，為船廠提供全方位服務，對船員進行全面培訓。

3）長期持續地開展自主可控攻關，不斷提升裝備可靠性

自主研制的柴油機在個別零部件的可靠性和壽命、電子元器件性能等方面相較國際先進水平仍存在一定差距。為縮小差距、彌補不足，應從以下方面開展工作：1）優化設計，進行新材料、新工藝的應用研究，進一步提高主要零部件的可靠性和壽命；2）提高主要零部件的質量一致性和穩定性；3）開展電子元器件全國產化替代工作，提升性能和可靠性，實現100%自主可控。

4）開展柴油機系列化研制，形成艦船中高速柴油機系列化型譜

開展多缸柴油機系列化自主研制；通過結構和材料優化，減小柴油機的體積和質量，提升功率密度；提高柴油機的環境適用性和可靠性；提升國產化率，并進行樣機研制和性能驗證。

5）加強前沿技術和基礎研究，實現跨越式發展

加強前沿技術和基礎研究，提前謀劃產品的升級換代。開展極限柴油機以及自適應控制等關鍵技術研究，為研制更高功率密度的柴油機打好基礎；加強柴油機主要零部件磨損機理、柴油機數字孿生模型等基礎技術研究，為將來實現智能維修和運維奠定基礎；主動謀劃第四代艦船柴油機發展規劃和型譜研究，明確第四代艦船柴油機的技術特征和發展路線。

5 結論

本文梳理了我國艦船柴油機的發展現狀，詳細分析了當前不足之處及技術需求，并提出了未來發展方向與重點技術攻關方向。希望可以為我國艦船柴油機的研制提供一定參考。