船舶动力系统

世界船舶柴油机市场综述船舶141姚良川1305080224船用柴油机被誉为船舶的动力“心脏”，可分为低速、中速、高速柴油机。目前，MAN和Wärtsilä(瓦锡兰)是全球船用柴油机两大品牌，其中MAN是船用低速机龙头，瓦锡兰是船用中速机龙头。1低速柴油机工作原理：通过活塞的两个冲程完成一个工作循环的柴油机称为二冲程柴油机，油机完成一个工作循环曲轴只转一圈，与四冲程柴油机相比，它提高了作功能力，在具体结构及工作原理方面也存在较大差异。低速柴油机由于性能优良、可靠性好、使用维护方便、能燃用劣质燃油等优点，已成为大型油船、大型干散货船、大型集装箱船的主要动力。最新型低速柴油机在许多方面趋于一致。即结构方面，采用非冷却式喷油器、可变喷油定时油泵、长尺寸连杆、液压驱动式排气门、单气门直流扫气、定压增压、高效涡轮增压器；性能方面，平均有效压力不断提高，增加活塞平均速度，改进零部件结构，增加强度，保持原有的低燃油消耗水平，使单缸功率不断增大，使用寿命延长。电子液压控制系统取代传统的机械式的凸轮驱动机构，简化柴油机设计，降低成本，优化运行控制。近年来，其爆发压力从8MPa上升到16MPa，燃油消耗率从208g/(kw·h)降至155g/(kw·h)左右。目前世界船用低速柴油机市场仍被MANB&W、Wartsila-NewSulzer和日本三菱重工三大公司垄断，以生产总功率来说，分别约占57％、33％和10％。MANB&W公司通过提高气缸平均有效压力和活塞平均速度来提高单缸功率。为使MC系列柴油机的NOx排放量降低，采用提高压缩比和可导致平稳燃烧。为了在减少NOx排放时不影响燃油消耗率，在设计时应考虑采用增加喷射压力、压缩比、燃烧压力、增压器效率等措施。MANB&W6L60MC型柴油机是世界上第一台正式投入使用的“智能化”主机，其燃油喷射和排气阀控制均通过电子计算机完成，达到了低油耗、NOx低排放的目标。Wartsila-NewSulzer公司通过重组后，在开发、设计和制造能力方面骤然大增。RTA系列低速柴油机为该公司20世纪80年代开发，至今近20年来该公司通过提高平均有效压力、增加活塞平均速度，探索达到更大功率的可能性。通过增大行程／缸径比，探索提高推进效率的方法；通过提高最大燃烧压力和可变燃油正时、排气正时，挖掘柴油机热效率潜力；采用新材料，改进零部件的设计，随负荷控制气缸冷却水和气缸润滑油，以求提高零部件的工作可靠性，增加柴油机的使用寿命；通过电子控制技术，达到柴油机运行的智能化。该公司研制的12RTA96C柴油机是目前世界上实际输出功率最大的柴油机。随着世界造船重心转向日本和韩国，近年来日、韩两国的低速柴油机产量已超过世界产量的2／3，其中韩国低速柴油机年产量为735万kW，并呈进一步上升的趋势。从产品市场占有率来看，在以低速柴油机为推进动力的2000t以上的船舶上，MANB&W公司和Wartsila-NewSulzer公司的低速柴油机产品占世界份额的90％以上，缸径260～960mm，功率1600～75800kW。日本三菱重工(UEC)的份额近10％，但主要装备在本国船舶上。MANB&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厘米和70厘米；研制的12RTA96C柴油机是目前世界上实际输出功率最大的柴油机。M表示的是柴油机的序列号：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。近年来，MANB&W公司通过向日本、韩国、中国的柴油机生产厂转让生产许可证，得到迅速发展。其中日本制造的占44％，韩国占43％，中国占13%。一般船用柴油机要经过船级社检验认可才可以允许使用，世界主要船级社有：AmericanBureauofShipping美国船级社。缩写为A.B.S.BureauVeritas法国船级社。缩写为B.V.DetNorskeVeritas挪威船级社。缩写为D.N.V.GermanischerLloyd德国船级社。缩写为G.L.Lloyd’sRegisterofShipping劳埃德船级社。英国船级社。英国劳氏协会缩写：LR.NipponKaijiKyokai日本船级社。缩写为N.K.K.RegistroItalianoNavale意大利船级社。缩写为R.I.N.A.KoreanRegisterofShipping韩国船级社。缩写为：KR.ChinaClassificationSociety中国船级社。缩写为C.C.S。2中速柴油机工作原理：柴油机的工作是由吸气、压缩、做功和排气这四个过程来完成的，这四个过程构成了一个工作循环。活塞走四个过程才能完成一个工作循环的柴油机称为四冲程柴油机。中速柴油机大多为四冲程，其体积小，重量轻，制动快，比低速机更适合船舶使用。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。世界上生产中速机的知名大公司有MANB&W、Wartsila-NewSulzer、Mark、Pielstick以及日本大发等。最新资料表明，其发展趋势为：不断开发新机型，拓宽功率范围，提高市场竞争力；调整燃油喷射、雾化过程，采用高压喷射的燃油系统；改进增压系统；改进排气阀的驱动方式，调节排气正时；增装空气中间冷却器，加强水冷却系统的冷却能力，降低零部件的热负荷，提高柴油机的性能，提高工作可靠性，增加零部件的使用寿命；使用电子技术，控制排气和燃油喷射、燃烧过程；采用新概念设计，减少整机的零部件等。在各类内河航运船舶、近海航运船舶、工程船舶及舰船上，基本采用中速柴油机及中高速柴油机作为主动力。国外中速柴油机生产厂家有Wartsila-NewSulzer、Mark、MANB&W、SEMT、Deutz、MWM、MTU、洋马、大发等公司。3高速柴油机船用高速柴油机一直被MTU、Deutz、MWM、SACM、Pielstick、Ruston和Paxman等几大公司占有，其产品均为v型、四冲程，缸数12～20、转速1200～1800r／min、平均有效压力2．0～3．2MPa、活塞速度10．5～13rn／s、最大爆发压力15～18MPa、燃油消耗率198～210g／(kW·h)。目前，各制造商在材料选择、设计结构、优化系统、试验研究和加工制造等方面做了许多工作，并取得了显著进步，其发展趋势大致为：采用系列化设计，并通过变型满足多用途需要；不断开发新型的大功率高速柴油机，适应船舶市场的供需变化；严格整机的耐久试验，提高工作的可靠性；提高强化系数，提高柴油机使用的经济性；采用各种不同的喷射装置或喷射方式，完善燃烧过程，降低NOx的排放量，适应日益严格的环保要求。特别是德国MTU公司开发的595系列、2000系列、4000系列以及最新的8000系列，代表着高速柴油机的发展方向。4船用柴油机发展趋势2012年，受经济低迷、航运市场暴跌、新造船订单收缩及其它因素影响，全球船用柴油机市场与2011年相比下降了12.9%至6727万马力。预计2013年全球航运市场继续面临困境，船用柴油机市场规模将继续下降至6591万马力。MAN和瓦锡兰这两大全球船用柴油机巨头，占全球船用低速机市场98%市场份额，占全球船用中速机市场70%份额。目前尽管中国成为了全球最大造船国家，但研发船用柴油机的步伐相对缓慢，中国的船用柴油机生产主要通过MAN和瓦锡兰等公司的技术许可生产。截止2012年底，MAN在中国授权超过19家公司，瓦锡兰授权9家公司（含合资企业）。2012-2013全球及中国船用柴油机行业报告分析了当前全球及中国船用柴油机市场现状，涵盖低速和中速船用发动机，涉及4家国际公司和16家中国企业。沪东重机是中国最大的船用低速柴油机制造商，年产145台155.1万千瓦船用柴油机，其中125台141.8万千瓦为低速机。2012年该公司产量下降至140台144.6万千瓦。镇江中柴是中国主要的船用中速柴油机制造商，近年来产量不断创新高。2009年产量超过400台，2010年为600台，2011年为700台，2012年才下降至410台。受造船市场低迷的影响，中国船用柴油机企业，尤其是民营企业，如合肥熔安动力、中高柴油机重工和江苏安泰动力，新接订单下降明显，产量低于产能，遭遇发展压力。这些企业开始制定长期发展计划。合肥熔安动力自2011年底开始实行“船机领导、多种业务共发展”的转型战略。目前除了加强与船厂的合作外，该公司还研发中速柴油机和发电机组用于船舶业，并积极研发双燃料主机和纯LNG主机。中高柴油机重工除了船用柴油机业务，还涉足天然气动力发电。今年，该公司与三菱重工达成KU型气体机技术共识，在今年4月10日签署了许可生产协议。5，参考文献1]向红，梁正文．船用发动机的发展前景[J].交通标准化,2002,(12):141-145.[2]杨寿藏．产品设计和经济分析[J]．6260ZCD船用柴油机试制总结，1983,(2):4．[3]陈因达.发展我国船用发动机的战略思考[J].[4]周龙保，刘巽俊，高宗英.内然机学M.北京:机械工业出版社，1996.[5]BahramKhalighi，DanielCHaworth,MarkSHuebler.Multi-dimensionalPort-and-In-CylinderFlowCalculationsandFlowVisualizationStudyinanInternalCombustionEnginewithDifferentIntakeConfigurations[J].SAE941871,1994.[6]ShigekiSugimm.NumericalAnalysisofFlowintheInductionSystemofInternalCombustionEngine[J].SAE900255,1990.[7]PischingerF．Verbernnungsmotoern(Band1)．Aachen：Rheinische-WestfalischeTechnischeHochschuleAachen，1993，333～382．[8]吴兆汉汪长民林桐藩方球．内燃机设计．北京：北京理工大学出版社，1990，331～378，402～423．．[9]L.R.C.Lilly．DieselEngineReferenceBook．London：BostonDurbanSingapore，1984,320～