艦船柴油機(jī)自主發(fā)展歷程

李向陽(yáng)，張 博，黃 馳

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

0 引言

船舶發(fā)動(dòng)機(jī)是一種將缸內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的內(nèi)燃機(jī)[1-2]。根據(jù)燃料的不同，可將船舶發(fā)動(dòng)機(jī)分為柴油機(jī)、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、氣體機(jī)和燃用其他燃料的內(nèi)燃機(jī)；根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同，可將船舶發(fā)動(dòng)機(jī)分為低速機(jī)、中速機(jī)和高速機(jī)[3-4]。船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的功率范圍大、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好、故障率低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各類船舶。

相較于燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池等動(dòng)力形式，柴油機(jī)具有效率高、壽命長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性好等顯著優(yōu)勢(shì)。柴油機(jī)可通過(guò)機(jī)內(nèi)凈化和排放后處理等措施實(shí)現(xiàn)污染物近零排放，還可與電機(jī)、電池組合成為混合動(dòng)力系統(tǒng)，進(jìn)一步提高船舶動(dòng)力系統(tǒng)的綜合效率[5-6]。

本文對(duì)我國(guó)艦船柴油機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，對(duì)當(dāng)前不足之處及技術(shù)需求進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，提出未來(lái)發(fā)展方向與重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)方向。

1 我國(guó)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程

我國(guó)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程可分為4 個(gè)階段：新中國(guó)成立前、新中國(guó)成立至改革開(kāi)放、改革開(kāi)放至黨的十八大、黨的十八大以來(lái)。

1）新中國(guó)成立前

該階段只能仿制國(guó)外產(chǎn)品，生產(chǎn)小功率柴油機(jī)。

2）新中國(guó)成立至改革開(kāi)放

該階段從蘇聯(lián)引進(jìn)了M50 型高速機(jī)、D39 型中速機(jī)、40D 型中速機(jī)、9DM 型中速機(jī)等，并自主研制了390 型、6ESD43/82 型、6ESDZ60/106 型發(fā)動(dòng)機(jī)。

3）改革開(kāi)放至黨的十八大

該階段主要引進(jìn)了MAN、W?rtsil?、Mitsubishi、DAIHATSU、MTU、Pielstick 等公司的產(chǎn)品，而在自主研制方面幾乎毫無(wú)建樹(shù)。

4）黨的十八大以來(lái)

該階段主要引進(jìn)了MAN 和W?rtsil? 公司的新一代雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，包括MAN23/30DF、28/32DF、35/44DF、W20DF、W34DF 等型號(hào)，自主研制了EX340、CX40DF、CS21/32、8M23G、12MV390、CHD622、6L270 等型號(hào)。

改革開(kāi)放以前，市場(chǎng)環(huán)境相對(duì)封閉，我國(guó)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)在引進(jìn)仿制蘇聯(lián)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上自主研制了一批產(chǎn)品。改革開(kāi)放以后，為盡快滿足船舶工業(yè)進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的迫切需求，我國(guó)引進(jìn)了一批專利機(jī)型，快速提升了船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的制造能力，但在一定程度上限制了自主創(chuàng)新的發(fā)展與進(jìn)步。黨的十八大以來(lái)，我國(guó)加強(qiáng)了核心技術(shù)的自主研發(fā)，船舶發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的水平穩(wěn)步提高。

2 我國(guó)艦船柴油機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與不足之處

艦船柴油機(jī)是海軍裝備的重要?jiǎng)恿?lái)源，我國(guó)艦船柴油機(jī)的發(fā)展歷程主要可分為以下3 個(gè)階段。

1）20 世紀(jì)50 年代至70 年代

該階段的艦船柴油機(jī)部分從蘇聯(lián)引進(jìn)，部分由我國(guó)自主研制，主要包括39 系列、輕12-180、42-160、12VE230 和390 等典型機(jī)型。這一時(shí)期的艦船柴油機(jī)為第一代柴油機(jī)，滿足了我國(guó)海軍第一代艦船及其后續(xù)艦艇的需求，有力推動(dòng)了海軍裝備建設(shè)。第一代柴油機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，前期多采用機(jī)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(shù)，噴射壓力一般在80 MPa左右，強(qiáng)化指標(biāo)為5.2～11.2。第一代柴油機(jī)的大修期較短，一般不超過(guò)5 000 h。

2）20 世紀(jì)70 年代至21 世紀(jì)初

我國(guó)在該階段從德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家引進(jìn)生產(chǎn)許可證并進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)，主要機(jī)型包括PA6、MTU956、MTU396、TBD620 等。這一時(shí)期的艦船柴油機(jī)為第二代柴油機(jī)，經(jīng)過(guò)三輪國(guó)產(chǎn)化，第二代柴油機(jī)的國(guó)產(chǎn)化達(dá)到98%。第二代柴油機(jī)主要采用廢氣渦輪增壓和機(jī)械式高壓燃油噴射技術(shù)，壓比約為2.5～3.5，噴射壓力約為100～120 MPa，強(qiáng)化指標(biāo)為19～24，大修期約為9 000～24 000 h。

3）21 世紀(jì)以來(lái)

進(jìn)入21 世紀(jì)后，隨著高增壓、高壓共軌、高效燃燒等新技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)外艦船柴油機(jī)技術(shù)發(fā)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(jī)械控制轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮涌刂疲?）最高燃燒壓力從15 MPa 提高到24 MPa；強(qiáng)化指標(biāo)由20 提高到32。這一時(shí)期艦船柴油機(jī)的代表機(jī)型主要包括 MTU4000、MTU8000、MAN28/33D 等。

與國(guó)際先進(jìn)水平相比，我國(guó)目前艦船柴油機(jī)總體技術(shù)還存在較大差距，柴油機(jī)功率無(wú)法滿足艦船的發(fā)展需求?，F(xiàn)役柴油機(jī)的質(zhì)量及可靠性有待進(jìn)一步提高，柴油機(jī)自主研發(fā)技術(shù)積累不足，部分關(guān)鍵件的國(guó)產(chǎn)配套研制能力偏弱。

3 需求分析

為滿足我國(guó)艦船對(duì)動(dòng)力的使用需求，提升我國(guó)艦船柴油機(jī)的使用效能，我國(guó)艦船柴油機(jī)需要著力發(fā)展以下重點(diǎn)技術(shù)：高功率密度技術(shù)、模塊化集成技術(shù)、健康管理技術(shù)等。

3.1 高功率密度技術(shù)

高功率密度技術(shù)主要包括性能優(yōu)化技術(shù)、高增壓技術(shù)、高壓燃油噴射技術(shù)等。

提高柴油機(jī)功率的首選方法是提高柴油機(jī)的強(qiáng)化指標(biāo)。在柴油機(jī)轉(zhuǎn)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(yōu)化油、氣混合質(zhì)量，提高柴油機(jī)平均有效壓力，增加發(fā)動(dòng)機(jī)做功。

1）高壓燃油噴射技術(shù)

柴油機(jī)的燃油經(jīng)燃油系統(tǒng)噴射進(jìn)入燃燒室，為保證柴油高效燃燒，要提高噴油系統(tǒng)的噴油壓力，以使燃燒室內(nèi)的燃油具有良好的霧化狀態(tài)。燃油的噴射過(guò)程是否適當(dāng)對(duì)柴油機(jī)的燃燒效果、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、排放特性、熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷均有顯著 影響。

高壓燃油噴射系統(tǒng)是柴油機(jī)的核心系統(tǒng)，其性能直接了決定了柴油機(jī)的性能。我國(guó)在船舶柴油機(jī)高壓共軌技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，目前雖然建立了高壓共軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)體系的框架，但尚未形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成熟產(chǎn)品。國(guó)際方面：MTU 公司研發(fā)了180 MPa 的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)；Bosch 公司已將最新一代模塊化高壓共軌系統(tǒng)應(yīng)用于船用發(fā)動(dòng)機(jī)，該系統(tǒng)的最高噴射壓力為220 MPa，單缸的功率覆蓋區(qū)間為100～350 kW。

2）高壓比大流量增壓技術(shù)

增大壓力是提高柴油機(jī)功率的最主要方法。隨著高壓比、高效率渦輪增壓器的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，渦輪增壓柴油機(jī)的增壓程度越來(lái)越高，四沖程大功率柴油機(jī)的壓力已達(dá)到2.5～3.0 MPa，高速大功率艦船柴油機(jī)的壓力已達(dá)到2.8～3.2 MPa。

由于渦輪增壓器進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、柴油機(jī)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，難以同時(shí)滿足柴油機(jī)在不同工況下運(yùn)行的要求，且增壓程度越高，矛盾就越突出。為解決這一問(wèn)題，變截面渦輪增壓系統(tǒng)等新型系統(tǒng)被相繼開(kāi)發(fā)。

隨著徑流式增壓器向高效、高壓比、大流量方向發(fā)展，其應(yīng)用范圍愈發(fā)廣泛。相繼增壓技術(shù)的應(yīng)用有效提高了柴油機(jī)的功率。在高轉(zhuǎn)速時(shí)，2 臺(tái)增壓器一起工作；在低轉(zhuǎn)速時(shí)，一臺(tái)增壓器停轉(zhuǎn)，各缸排氣集中推動(dòng)另一臺(tái)的渦輪以提高低轉(zhuǎn)速時(shí)的柴油機(jī)功率，進(jìn)而改善低負(fù)荷情況下的性能。

3.2 模塊化集成技術(shù)

在柴油機(jī)總體優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過(guò)集成零部件功能實(shí)現(xiàn)高度集成的模塊化設(shè)計(jì)，主要包括動(dòng)力模塊、增壓模塊、冷卻潤(rùn)滑模塊、附件模塊、電控元件模塊等。艦船柴油機(jī)動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)化、安全可靠、維修方便，可適應(yīng)現(xiàn)代作戰(zhàn)的要求。

1）模塊化動(dòng)力單元設(shè)計(jì)

模塊化動(dòng)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(gè)整體模塊，有利于解決曲軸銷徑增大所帶來(lái)的拆裝問(wèn)題。此外，模塊化動(dòng)力單元可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的剛度和可靠性，拆裝方便，利于維修保養(yǎng)，有利于提高柴油機(jī)的綜合保障水平。

2）暗管路設(shè)計(jì)

在進(jìn)行高指標(biāo)柴油機(jī)機(jī)體設(shè)計(jì)時(shí)，大都采用無(wú)冷卻水道、進(jìn)氣箱與機(jī)油道鑄在機(jī)體中的結(jié)構(gòu)形式。MTU8000 系列柴油機(jī)的曲軸箱體鑄有進(jìn)氣箱、活塞冷卻油通道、輪軸潤(rùn)滑油道，可有效提高曲軸箱體的剛度和強(qiáng)度。SEMT Pielstick 公司的PA6B.STC型柴油機(jī)采用組合式冷卻器總成技術(shù)，柴油機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明。

3）輔助系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

對(duì)柴油機(jī)輔助系統(tǒng)中的冷卻水系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、機(jī)油系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)等進(jìn)行模塊化集成設(shè)計(jì)。MTU8000 系列柴油機(jī)將所有發(fā)動(dòng)機(jī)輔助系統(tǒng)集成為一個(gè)模塊，整體安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)前端。

3.3 健康管理技術(shù)

為保證柴油機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)及生活中的正常運(yùn)行，有必要研究基于運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)分析的柴油機(jī)故障監(jiān)測(cè)、故障診斷、故障預(yù)測(cè)、智能維護(hù)等健康管理 技術(shù)。

健康管理技術(shù)是指利用各類先進(jìn)傳感器對(duì)裝備運(yùn)行的各類狀態(tài)參數(shù)及特征信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的技術(shù)，其借助各種智能推理算法和模型來(lái)評(píng)估裝備的健康狀態(tài)，在故障發(fā)生前進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合各種可利用的信息提供一系列的維修保障決策，以實(shí)現(xiàn)裝備的健康管理。

柴油機(jī)的工作運(yùn)行狀態(tài)通常由工作時(shí)所釋放的特征信號(hào)進(jìn)行表示，監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并分析運(yùn)行時(shí)發(fā)出的信號(hào)特征，能夠使工作人員及時(shí)了解柴油機(jī)當(dāng)前所處的狀態(tài)。多缸柴油機(jī)的振動(dòng)數(shù)據(jù)較易采集，且發(fā)生故障時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)相對(duì)正常值差異明顯，故采用振動(dòng)信號(hào)分析法對(duì)其健康狀態(tài)進(jìn)行分析。通過(guò)高速信號(hào)采集、振動(dòng)信號(hào)的快速特征提取，可實(shí)現(xiàn)基于振動(dòng)信號(hào)的故障預(yù)兆監(jiān)測(cè)，結(jié)果準(zhǔn)確率較高。

為便于監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油品質(zhì)狀態(tài)以及機(jī)械件的磨損情況，柴油機(jī)通常會(huì)加裝油質(zhì)傳感器和磨粒傳感器。油質(zhì)傳感器可對(duì)溫度、黏度、介電常數(shù)、密度等油質(zhì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；磨粒傳感器可通過(guò)潤(rùn)滑油鐵磁和非鐵磁的磨粒信息對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)械件的磨損情況進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警，可支撐動(dòng)力傳動(dòng)裝置的故障診斷和在線健康狀態(tài)評(píng)估。

故障診斷是柴油機(jī)健康管理的核心技術(shù)。在故障診斷過(guò)程中，可通過(guò)特征信號(hào)判斷柴油機(jī)此時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，柴油機(jī)故障信號(hào)采集與處理等技術(shù)已相對(duì)成熟，但柴油機(jī)故障診斷技術(shù)仍有一定的不足之處，部分柴油機(jī)故障發(fā)生機(jī)理仍不夠清晰，需要進(jìn)一步研究。

4 未來(lái)發(fā)展方向與重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)方向

1）借鑒并總結(jié)國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，不斷探索和完善具有中國(guó)特色的柴油機(jī)許可證管理模式

加大對(duì)未來(lái)艦船柴油機(jī)的自主研制力度，保證生產(chǎn)有序、質(zhì)量穩(wěn)定，促進(jìn)行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)融合，進(jìn)一步強(qiáng)化零部件競(jìng)優(yōu)管理，實(shí)行零部件名錄制和退出、引入機(jī)制，加強(qiáng)對(duì)供應(yīng)商的管理、考核和驗(yàn)證。學(xué)習(xí)、借鑒國(guó)際先進(jìn)柴油機(jī)企業(yè)的許可證管理經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，探索國(guó)內(nèi)開(kāi)展自主研發(fā)艦船柴油機(jī)的許可證管理機(jī)制和模式，加強(qiáng)對(duì)安裝、使用過(guò)程中的技術(shù)指導(dǎo)和培訓(xùn)，形成良好的反饋機(jī)制，為顧客提供穩(wěn)定可靠的艦船柴油機(jī)裝備。

2）提前識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，重點(diǎn)保障生產(chǎn)和交付

必須加強(qiáng)對(duì)供應(yīng)商、主機(jī)廠、船廠的相關(guān)人員在各個(gè)階段、各個(gè)環(huán)節(jié)風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別，制定相應(yīng)措施，確保柴油機(jī)的可靠性。對(duì)供應(yīng)商加強(qiáng)管控，對(duì)主機(jī)廠重點(diǎn)支持，為船廠提供全方位服務(wù)，對(duì)船員進(jìn)行全面培訓(xùn)。

3）長(zhǎng)期持續(xù)地開(kāi)展自主可控攻關(guān)，不斷提升裝備可靠性

自主研制的柴油機(jī)在個(gè)別零部件的可靠性和壽命、電子元器件性能等方面相較國(guó)際先進(jìn)水平仍存在一定差距。為縮小差距、彌補(bǔ)不足，應(yīng)從以下方面開(kāi)展工作：1）優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行新材料、新工藝的應(yīng)用研究，進(jìn)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(zhì)量一致性和穩(wěn)定性；3）開(kāi)展電子元器件全國(guó)產(chǎn)化替代工作，提升性能和可靠性，實(shí)現(xiàn)100%自主可控。

4）開(kāi)展柴油機(jī)系列化研制，形成艦船中高速柴油機(jī)系列化型譜

開(kāi)展多缸柴油機(jī)系列化自主研制；通過(guò)結(jié)構(gòu)和材料優(yōu)化，減小柴油機(jī)的體積和質(zhì)量，提升功率密度；提高柴油機(jī)的環(huán)境適用性和可靠性；提升國(guó)產(chǎn)化率，并進(jìn)行樣機(jī)研制和性能驗(yàn)證。

5）加強(qiáng)前沿技術(shù)和基礎(chǔ)研究，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展

加強(qiáng)前沿技術(shù)和基礎(chǔ)研究，提前謀劃產(chǎn)品的升級(jí)換代。開(kāi)展極限柴油機(jī)以及自適應(yīng)控制等關(guān)鍵技術(shù)研究，為研制更高功率密度的柴油機(jī)打好基礎(chǔ)；加強(qiáng)柴油機(jī)主要零部件磨損機(jī)理、柴油機(jī)數(shù)字孿生模型等基礎(chǔ)技術(shù)研究，為將來(lái)實(shí)現(xiàn)智能維修和運(yùn)維奠定基礎(chǔ)；主動(dòng)謀劃第四代艦船柴油機(jī)發(fā)展規(guī)劃和型譜研究，明確第四代艦船柴油機(jī)的技術(shù)特征和發(fā)展路線。

5 結(jié)論

本文梳理了我國(guó)艦船柴油機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)分析了當(dāng)前不足之處及技術(shù)需求，并提出了未來(lái)發(fā)展方向與重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)方向。希望可以為我國(guó)艦船柴油機(jī)的研制提供一定參考。