船舶柴油机发展趋势

【摘要】从船用柴油机的市场、产品、技术等方面介绍了柴油机的现状及发展动向。论述当前国外气缸直径160mm以上，单机功率大于1000kW的大功率低速、中速、高速柴油机的总体技术水平、技术发展概况，特别是在提高可靠性、改善其低工况特性、降低其排放和智能柴油机等方面进行阐述，并预测今后的发展趋势。0引言柴油机因其功率范围大、效率高、能耗低、使用维修方便而优于蒸汽机、燃气轮机等，在民用船舶和中小型舰艇推进装置中确立了主导地位。船用柴油机的整体结构及其零部件结构不断改进，特别是电子技术、自动控制技术在柴油机上的应用，使其各项技术指标不断创新，市场上已有一批性能好、油耗低、功率范围大、废气排放符合法定标准、可靠性高的产品。柴油机相对汽油机的最大优点在于高压缩比。这使最大功率、热效率提高，油耗降低；发动机坚固、耐用，寿命变长。但柴油机缺点在于比功率低于汽油机，对空气利用率低，摩擦损失大。1低速柴油机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的喷射系统等措施。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。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。2001年至2004年，该公司已生产的或已订货的低速柴油机已达到1080台，其中日本制造的占44％，韩国占43％，中国占13％。2中速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国际造船业受整个世界政治、经济形势的左右，常常并不按人们的意志转移。船用柴油机在市场运作、生产、技术等多方面的发展具有以下趋势。4．1船用柴油机的市场发展从市场需求来看，大型船舶发展得快，主机的单机功率都在逐年提高，自20世纪90年代以来，低速机的单机功率平均增加了20％，而中速机单机功率平均增加了40％。现在的低速机单机功率可达75000kW，中速机达26500kW，而高速机达6500kW。从各主要柴油机公司的市场占有率看，对于低速机而言，这几年大的格局一直没有改变，总功率的前3位依次是MANB&W、Wartsila—NewSulzer和日本三菱重工。几年来它们的产量之和平均都在总功率的85％以上。中速机的情况每年都有些波动，但MANB&W、Wartsila-NewSulzer、Mark、Pielstick以及日本大发一直是前五强，产量平均占中速机产量的80％，并有上升的趋势。(1)低速柴油机。大功率低速柴油机广泛应用于散货船、油船、集装箱船等大型远洋船舶上。由于船舶日趋大型化、巨型化与自动化以及对船舶主机的经济性、可靠性的要求日益提高，大功率二冲程低速柴油机的技术发展呈现出整体优化的趋势，具体表现在以下几个方面：①单机、单缸功率越来越大，如K98MC的单缸功率最大可达5719kW。②进一步降低燃油消耗率，二冲程低速柴油机的燃油消耗率已降低到164．6g／(kw·h)。③平均有效压力已达1．90～1．95MPa，爆发压力在15．0～15．5MPa之间。④采用高压比、高效的新型增压器，如ABB公司研制的4P型增压器，压比高达5：1。⑤采用电子调速器系统、电控燃油喷射系统、高压共轨燃油喷射系统、智能化电子控制系统，进一步提高低速柴油机的可靠性，改善低负荷性能，降低油耗，控制NOx排放，以及安全保护控制等。(2)中速柴油机。由于船舶的快速性要求的提高，以及日益提高的环保要求，国外大功率中速柴油机的发展很快，高性能标准、高可靠性、低油耗、低排放是其发展的主要趋势。目前，国外大功率中速机的平均有效压力已达2．4～3．0MPa，爆发压力达16～23MPa，喷油压力高达180MPa，燃油消耗率则降至171～180g／(kW·h)。中速柴油机的最新发展特点是模块化、人性化、经济、环保，其科技创新的发展趋势是智能化。这方面的发展，欧洲MANB&W和Wartsila-NewSulzer公司走在全球的最前沿，尤其是MANB&W公司更以第二代模块化产品在中速柴油机发展中领先一筹。这两家公司目前正致力于智能化技术的开发。同时，由于MANB&W和Wartsila-NewSulzer公司在柴油机设计方面的领先地位，国际海事组织专门拨出资金资助其从事环保技术的先期研究。这一举措，无疑更加大其在世界上的领先地位。4．2产品发展动向船用柴油机在机型发展方面总体看相对稳定，前几年，主要集中在提高机型可靠性方面。这是因为增压技术的发展，柴油机强化度提高很快，尤其是石油危机后，反映在降低燃油消耗率和燃用劣质燃料油为目标的经济性的强烈追求上。然而近年来，各国环境政策对柴油机的排放限制日趋严酷，而NOx、SOx等有害排放物的增加正是高强度与燃用劣质燃料油的副产品，而且这几种有害排放气体成分的含量，船用柴油机比汽车柴油机更甚。各柴油机厂商正在致力于下列共同追求的新型柴油机：(1)连续服役中的可靠性。(2)高度强化，即大幅度提高其最高燃烧压力和燃油喷射压力。(3)废气排放符合日趋严厉的排放法规要求。1997年船舶开始执行国际海事组织(IMO)制定的排放限值，各柴油机厂商采取工况控制或采取废气后处理，甚至重新设计以符合法规要求。(4)综合经济性好。不仅仅追求燃油消耗率与劣质燃料的使用，而是包括价格、运行成本、省力、少维修、推进效率等。(5)总体结构趋于相同。气缸排列以直列和V形两种为主，既是技术目标，也是经济目标的要求。(6)规范化的接口。尽量满足用户的要求，适合不同配套辅助装置以及监控系统的应用。