中国船用柴油机技术发展历程

我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一、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定的地位，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。二、船用柴油机发展概述1.船舶柴油机的发展1876年，德国人奥托(N.A.Otto)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.Clerk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申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、定压燃烧)，其效率因可采用较大的压缩比而比煤气机有显著提高。1904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置的竞争局面。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，其技术特征是废气涡轮增压技术的普及。至此，在与蒸汽动力装置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范围内的能源危机。石油产品价格大幅度上涨使船舶柴油机的燃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我国船用柴油机技术发展历程统观念，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节能措施降低油耗率，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，即对船用柴油机及其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、燃油消耗率和其它有关性能的最佳平衡，并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，Wärtsilä公司成功地推出了SULZERRT-flex全电子控制的智能型柴油机，并开始装船使用。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面均有明显改进，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。据此，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其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)因其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、高速四冲程筒形活塞式柴油机。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，排放是现代柴油机面临的严重挑战，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1）船用低速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MANB&W、Wärtsilä瑞士公司和日本三菱三家公司生产，据1998年世界各国造船造机结果统计，MANB&W公司占市场份额的64.54%，Wärtsilä瑞士公司占市场份额的27.6%,日本三菱不足8%。MANB&W和Wärtsilär瑞士公司近年主要机型的工作参数如下：表1-1船用低速油机的主要参数机型RTA48TRTA58TRTA68TS46MC-CS50MC-CS60MC-C我国船用柴油机技术发展历程缸径(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平均有效压力bar18.218.218.2191919最大燃烧压力bar142142142145150单缸功率kW136020002750131015802255燃油消耗率g/kWh171170169174171170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，Wärtsilä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%。其余公司占26.4%。Wärtsilä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平均有效压力(bar)23.523.325.5最大燃烧压力(bar)200190200燃油消耗率(g/kWh)185.3182171燃油喷射压力(bar)16002000使用燃油质量(cSt/50C)700730730功率范围（kW）2040~30602700~828010050~18090三、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、舰船面临停航，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上海组织了一些中、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西方国家的技术封锁，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，大型舰船和我国船用柴油机技术发展历程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面取得了长足的进步。与此同时，通过积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，并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%和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、鉴定和定型，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。我国船用柴油机技术发展历程我国船用柴油机仍在执行的有效许可证项目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Suizer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，例如大连川用柴油机厂的MANB&W7S60MC-C，沪东重机的MANB&W6K80MC-C和宜昌船舶柴油机厂的sulzer