李向陽，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)動機是一種將缸內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為機械能的內(nèi)燃機[1-2]。根據(jù)燃料的不同，可將船舶發(fā)動機分為柴油機、雙燃料發(fā)動機、氣體機和燃用其他燃料的內(nèi)燃機；根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同，可將船舶發(fā)動機分為低速機、中速機和高速機[3-4]。船舶發(fā)動機的功率范圍大、可靠性高、經(jīng)濟性好、故障率低、環(huán)境適應(yīng)性強，廣泛應(yīng)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(jīng)濟性好等顯著優(yōu)勢。柴油機可通過機內(nèi)凈化和排放后處理等措施實現(xiàn)污染物近零排放，還可與電機、電池組合成為混合動力系統(tǒng)，進一步提高船舶動力系統(tǒng)的綜合效率[5-6]。

本文對我國艦船柴油機的發(fā)展現(xiàn)狀進行梳理，對當(dāng)前不足之處及技術(shù)需求進行分析。在此基礎(chǔ)上，提出未來發(fā)展方向與重點技術(shù)攻關(guān)方向。

1 我國船舶發(fā)動機的發(fā)展歷程

我國船舶發(fā)動機的發(fā)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(chǎn)品，生產(chǎn)小功率柴油機。

2）新中國成立至改革開放

該階段從蘇聯(lián)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(fā)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(chǎn)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(fā)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(huán)境相對封閉，我國船舶發(fā)動機產(chǎn)業(yè)在引進仿制蘇聯(lián)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上自主研制了一批產(chǎn)品。改革開放以后，為盡快滿足船舶工業(yè)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(fā)動機的制造能力，但在一定程度上限制了自主創(chuàng)新的發(fā)展與進步。黨的十八大以來，我國加強了核心技術(shù)的自主研發(fā)，船舶發(fā)動機行業(yè)的水平穩(wěn)步提高。

2 我國艦船柴油機的發(fā)展現(xiàn)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(fā)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(lián)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(xù)艦艇的需求，有力推動了海軍裝備建設(shè)。第一代柴油機結(jié)構(gòu)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(shù)，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(chǎn)許可證并進行國產(chǎn)化生產(chǎn)，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(jīng)過三輪國產(chǎn)化，第二代柴油機的國產(chǎn)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(shù)，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(shù)的進步，國外艦船柴油機技術(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(shù)還存在較大差距，柴油機功率無法滿足艦船的發(fā)展需求?，F(xiàn)役柴油機的質(zhì)量及可靠性有待進一步提高，柴油機自主研發(fā)技術(shù)積累不足，部分關(guān)鍵件的國產(chǎn)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(fā)展以下重點技術(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。

提高柴油機功率的首選方法是提高柴油機的強化指標。在柴油機轉(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，提高柴油機平均有效壓力，增加發(fā)動機做功。

1）高壓燃油噴射技術(shù)

柴油機的燃油經(jīng)燃油系統(tǒng)噴射進入燃燒室，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)。燃油的噴射過程是否適當(dāng)對柴油機的燃燒效果、經(jīng)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(tǒng)是柴油機的核心系統(tǒng)，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(shù)領(lǐng)域起步較晚，目前雖然建立了高壓共軌系統(tǒng)設(shè)計體系的框架，但尚未形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成熟產(chǎn)品。國際方面：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)動機，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功率的最主要方法。隨著高壓比、高效率渦輪增壓器的開發(fā)與應(yīng)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(zhuǎn)運動、柴油機進行往復(fù)運動，當(dāng)其聯(lián)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(tǒng)等新型系統(tǒng)被相繼開發(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的功率。在高轉(zhuǎn)速時，2 臺增壓器一起工作；在低轉(zhuǎn)速時，一臺增壓器停轉(zhuǎn)，各缸排氣集中推動另一臺的渦輪以提高低轉(zhuǎn)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(shù)

在柴油機總體優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過集成零部件功能實現(xiàn)高度集成的模塊化設(shè)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(jié)構(gòu)簡單、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）模塊化動力單元設(shè)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(fā)動機的剛度和可靠性，拆裝方便，利于維修保養(yǎng)，有利于提高柴油機的綜合保障水平。

2）暗管路設(shè)計

在進行高指標柴油機機體設(shè)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(jié)構(gòu)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(shù)，柴油機結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計簡明。

3）輔助系統(tǒng)模塊設(shè)計

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

3.3 健康管理技術(shù)

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

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

柴油機的工作運行狀態(tài)通常由工作時所釋放的特征信號進行表示，監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)并分析運行時發(fā)出的信號特征，能夠使工作人員及時了解柴油機當(dāng)前所處的狀態(tài)。多缸柴油機的振動數(shù)據(jù)較易采集，且發(fā)生故障時振動數(shù)據(jù)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(tài)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(xiàn)基于振動信號的故障預(yù)兆監(jiān)測，結(jié)果準確率較高。

為便于監(jiān)測潤滑油品質(zhì)狀態(tài)以及機械件的磨損情況，柴油機通常會加裝油質(zhì)傳感器和磨粒傳感器。油質(zhì)傳感器可對溫度、黏度、介電常數(shù)、密度等油質(zhì)參數(shù)進行監(jiān)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(yù)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(tài)評估。

故障診斷是柴油機健康管理的核心技術(shù)。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(tài)。隨著計算機技術(shù)的進步，柴油機故障信號采集與處理等技術(shù)已相對成熟，但柴油機故障診斷技術(shù)仍有一定的不足之處，部分柴油機故障發(fā)生機理仍不夠清晰，需要進一步研究。

4 未來發(fā)展方向與重點技術(shù)攻關(guān)方向

1）借鑒并總結(jié)國際先進經(jīng)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(chǎn)有序、質(zhì)量穩(wěn)定，促進行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。加強產(chǎn)業(yè)融合，進一步強化零部件競優(yōu)管理，實行零部件名錄制和退出、引入機制，加強對供應(yīng)商的管理、考核和驗證。學(xué)習(xí)、借鑒國際先進柴油機企業(yè)的許可證管理經(jīng)驗，結(jié)合國內(nèi)實際情況，探索國內(nèi)開展自主研發(fā)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(shù)指導(dǎo)和培訓(xùn)，形成良好的反饋機制，為顧客提供穩(wěn)定可靠的艦船柴油機裝備。

2）提前識別風(fēng)險，重點保障生產(chǎn)和交付

必須加強對供應(yīng)商、主機廠、船廠的相關(guān)人員在各個階段、各個環(huán)節(jié)風(fēng)險的識別，制定相應(yīng)措施，確保柴油機的可靠性。對供應(yīng)商加強管控，對主機廠重點支持，為船廠提供全方位服務(wù)，對船員進行全面培訓(xùn)。

3）長期持續(xù)地開展自主可控攻關(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(yīng)從以下方面開展工作：1）優(yōu)化設(shè)計，進行新材料、新工藝的應(yīng)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(zhì)量一致性和穩(wěn)定性；3）開展電子元器件全國產(chǎn)化替代工作，提升性能和可靠性，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)和材料優(yōu)化，減小柴油機的體積和質(zhì)量，提升功率密度；提高柴油機的環(huán)境適用性和可靠性；提升國產(chǎn)化率，并進行樣機研制和性能驗證。

5）加強前沿技術(shù)和基礎(chǔ)研究，實現(xiàn)跨越式發(fā)展

加強前沿技術(shù)和基礎(chǔ)研究，提前謀劃產(chǎn)品的升級換代。開展極限柴油機以及自適應(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打好基礎(chǔ)；加強柴油機主要零部件磨損機理、柴油機數(shù)字孿生模型等基礎(chǔ)技術(shù)研究，為將來實現(xiàn)智能維修和運維奠定基礎(chǔ)；主動謀劃第四代艦船柴油機發(fā)展規(guī)劃和型譜研究，明確第四代艦船柴油機的技術(shù)特征和發(fā)展路線。

5 結(jié)論

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