艦用柴油機技術特點及未來發展趨勢研究

作者簡介：伍賽特（1990-），男，工學碩士，工程師，經濟師，信息系統項目管理師，知識產權師。研究方向為內燃機與動力裝置。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.019

摘? 要：介紹柴油機的技術特點及其在艦船中的應用，詳細闡述其優勢、劣勢與動力型式。重點闡述不同艦船對柴油機的技術特點要求，重點對其艦用柴油機未來發展趨勢及當前動向進行展望。隨著技術的逐步完善，柴油機將在軍用艦船上發揮更重要的作用。

關鍵詞：水面艦船；潛艇；柴油機；內燃機；燃氣輪機；汽輪機；聯合動力裝置

中圖分類號：U664.121? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）12-0081-09

Abstract： The technical characteristics of diesel engine and its application in warship are introduced， and its advantages， disadvantages and power types are described in detail. This paper focuses on the technical requirements of diesel engines for different warships， and looks forward to the future development trend and current trend of marine diesel engines. With the gradual improvement of technology， diesel engines will play a more important role in military ships.

Keywords： surface ship; submarine; diesel engine; internal combustion engine; gas turbine; steam turbine; combined power plant

柴油機是內燃機的一種，產生于十九世紀末，發展已有百余年的歷史。當時，引起產業革命的蒸汽機經歷了兩百多年的改進，已處于發展后期，社會生產力更進一步的發展需要有比往復蒸汽機效能更高的原動機。因此，內燃機及汽輪機等熱力發動機就應運而生。

早在1892年，德國人魯道夫·狄賽爾（Rudolf Diesel）研究出了柴油機工作原理，由于受到資本主義社會制度和當時科學技術水平的限制，并沒有成功試制出樣機。1898年，由德國曼恩（MAN）公司根據該發明制成了第一臺四行程柴油機。這種熱機與當時的其他熱機相比，最突出的優點是經濟性好，其熱效率是當時蒸汽機的兩倍。直到現在，該特點仍是柴油機被廣泛使用的主要原因之一。

除此之外，柴油機與早期的蒸汽機相比，還具有起動容易、操縱簡便、機動性好、維修管理人員少、能使用安全廉價又便于儲存和搬運的燃料，以及功率范圍、重量、體積對船舶設計具有較好的適應性等優點，因此很快就被用作艦船動力。到20世紀50年代，幾乎在新型船舶中完全取代了往復蒸汽機。第二次世界大戰期間及戰后，柴油機在艦船上的應用更為廣泛。但在近年來，由于燃氣輪機的發展，大型水面艦船出現了以燃氣輪機為主要動力的趨向，但目前在中小型水面艦船、常規潛艇及民用船舶中，柴油機仍是主要動力[1]。

1? 柴油機的技術特點及在艦船中的應用

1.1? 柴油機的技術特點

柴油機與汽輪機和燃氣輪機比較，燃油消耗率低，經濟性好，這是柴油機最突出的優點。對于汽輪機而言，由于整個裝置的效率較低，所以油耗較高，特別是中小功率范圍內油耗更高。柴油機的耗油率是最低的，也就是說，柴油機的經濟性是最好的。主要原因是柴油機的燃料是直接在氣缸中燃燒，其燃燒產物立即推動活塞膨脹作功，熱損失少。

在起動前和停車后，柴油機不需要消耗燃料。同時，由于柴油機能燃用重油，降低了燃料費用，增大了艦船的續航力，又進一步提升了全艦的經濟性。柴油機動力裝置的機動性能好。柴油機起動方便，起動所需時間短，而且從起動到帶全負荷的過渡工況時間也很短。

此外，柴油機動力裝置的尺寸較小，重量輕。柴油機的工質直接在氣缸里燃燒作功，無需鍋爐、冷凝器等大型設備和部件，減少了機艙設備所占的容積，減少了動力裝置的重量，有利于艦船機艙的布置。不僅如此，柴油機可以設計成直接反轉的型式，倒車性能好，裝置結構簡單、工作可靠。

由于上述優點，柴油機在中小型軍用和民用艦船中得到了廣泛應用。當前在排水量3 000 t以下的中、小型水面艦船（如護衛艦、登陸艦、掃雷艦、獵潛艇、導彈艇和其他的輔助艦艇）和常規潛艇中，都普遍采用柴油機作為主動力裝置[2]。

1.2? 柴油機的動力型式

柴油機在艦船上主要用作驅動螺旋槳的主機和驅動發電機的副機。就作為主機而言，柴油機在各類艦船中有不同的主動力裝置結構形式，主要有下列幾種型式。

1.2.1? 單機單軸動力裝置

用一臺柴油機通過傳動軸系直接驅動螺旋槳的動力裝置。柴油機如果可實現反轉，則離合器只起離合作用，使柴油機能與軸系自由地結合和脫開；如果柴油機不能反轉，則離合器為減速反轉離合器，通過它的作用，在柴油機轉向不變的情況下，使螺旋槳實現正、反轉；如果采用變距槳，則離合器可以直接省去。螺旋槳在柴油機的驅動下旋轉，產生的推力經軸承傳給艦體，使艦船前進或后退。這種動力裝置的特點是結構簡單，推進效率高，操縱管理簡便，易于實現操縱自動化。但其弱點在于生命力較弱，如果動力裝置一旦發生故障或戰斗損壞，艦船將完全失去動力，進退不得。因此，該系統在民用船舶上應用最多。

1.2.2? 雙機單軸或多機單軸動力裝置

用2臺或2臺以上柴油機通過減速并車裝置共同驅動一個螺旋槳。這種裝置常用在中、高速柴油機作主機的艦船上，以獲得功率大、重量輕、體積小而且有較強生命力的動力裝置上。該系統的最突出特點主要如下，多臺柴油機中只要還有一臺柴油機能正常工作，在軸系工作正常的條件下，艦艇就不會失去動力，因此其生命力明顯強于單機單軸動力裝置。

1.2.3? 雙機雙軸或多機多軸動力裝置

雙機單軸和多機單軸雖然比單機單軸的生命力更高，但是軸系的生命力是個薄弱環節，一旦軸系機械（如支點軸承、推力軸承、離合器等）中任何一個部件出了故障，不能正常工作，都會造成艦船失去動力。因為這種狀況出現時，雖然柴油機能發出功率，但螺旋槳得不到功率，就無法產生推力，于是艦船就失去了動力。為了提高軸系的生命力，設計了雙機雙軸或多機多軸的動力裝置。這種系統由于生命力高，所以常為軍艦所采用。因該種軸系多裝了一套以上的軸系，造價也有所提高，故民用船舶很少采用。

1.2.4? 間接傳動動力裝置

這種動力裝置，柴油機不直接傳動螺旋槳，其主要功用是驅動發電機發電，向驅動螺旋槳的主電動機供電，或向蓄電池充電[3]。螺旋槳由主電動機來驅動（該電動機可以是交流電動機，也可以是直流電動機或交直流電動機串聯），電動機可以由柴油發電機組直接供電，也可以由蓄電池組供電，也可以兩者同時供電。

該傳動系統的最大特點是柴油機只以一個轉速、一種工況工作，從而可以充分發揮柴油機的效率，按最佳工作狀態設計配置。而螺旋槳也可以按特性曲線選擇最高效率區工作，采用低轉速、大螺距螺旋槳，減小空泡噪聲，達到提高艦艇隱蔽性的目的，特別適合于潛艇動力裝置。

2? 軍用艦艇對柴油機的要求

由于戰斗活動的需要，對各類艦艇用的柴油機均有特殊要求。一般水面艦船對柴油機的主要要求大致相同，而快艇、潛艇與特種艦艇（如登陸艦、掃雷艦等）則有其特殊之處。

2.1? 一般水面艦船對柴油機的要求

2.1.1? 較強的生命力

生命力即為抵御戰斗破損和事故破損保持其戰斗性能與運轉的能力。艦艇要求柴油機具有較強的生命力。柴油機的生命力由以下幾方面組成。

1）抗沖擊能力。軍艦在作戰中，當遭受魚水雷、炸彈、導彈等襲擊時，會受到水下沖擊波的沖擊，這時艦艇將產生很高的瞬時加速度。經驗表明，在船殼嚴重破損之前，艦艇內的機械設備往往受到很大損傷。所以重要的艦用機械設備，如主柴油機等，必須具有一定的抗沖擊性能?？箾_擊性能是多方面的綜合：首先是材料方面，由于鑄鐵等材料在受到沖擊時往往會發生斷裂，所以在沖擊敏感的部位，如基座、懸臂梁等，不應使用該類材料；其次，在結構上應使主要零部件能承受一定的沖擊加速度。對不同重量的機械設備，所要求能承受的沖擊加速度值是不同的，隨設備重量增加而減小。

根據近年來的研究，機械設備的破壞情況不僅與沖擊波的加速度有關，而且還與其持續工作時間有關，與機械設備本身的彈性有關。所以近年來抗沖擊能力不單純用加速度值來代表，而是由有關部門制訂專門標準（沖擊譜）來評定。對一些特別重要的機械設備，設計時應規定進行沖擊試驗，試驗條件與程序由有關部門提出。

2）能在受核武器襲擊的條件下工作。在受到核武器襲擊時，首先要求柴油機及其系統具有一定的抗沖擊能力。此外，為了能迅速地脫離（或穿過）核襲擊區，柴油機必須在核沾染區繼續運轉，這時機艙完全封閉，通過輸氣道與過濾裝置將空氣輸入，而且主機要隔艙操縱。

3）有一定的抗破損能力。在戰斗中，由于受到敵人的攻擊或由于柴油機工作的超負荷，有時會造成某些零部件、裝置或系統設備的損壞。此時仍必須保證艦艇的運行狀態。因此，在設計中，應盡量提高柴油機在部分破損情況下的工作能力與適應性。例如，考慮一些輸油泵的相互代用，將幾個渦輪增壓器的儲氣室隔開等。

2.1.2? 較高的功率

為了保證艦艇能達到越來越高的航速，主柴油機必須具有足夠大的功率。由于戰術上的需要，某些軍艦在戰斗中要以盡可能大的航速搶占有利陣位，或者要迅速脫離敵艦，為此要求主柴油機能在短期內超負荷工作，一般不超過1 h。艦用柴油機常以這種一小時內的最大功率作為其標定功率。目前，由于自動武器、電子通信和航海設備的迅速發展，艦艇需要的電力日益增大，同時也要求柴油輔機的功率不斷提高。

2.1.3? 較輕的重量

艦艇動力裝置的重量，很大程度上決定于主柴油機的重量。對軍艦來說， 由于要求的航速較高，動力裝置的重量占艦艇排水量的比重較大，一般約占20%～40%。所以，柴油機的重量在很大程度上影響了艦船能攜帶武器裝備、消耗品，戰斗人員的數量，也會影響其戰斗力。衡量柴油機的重量指標是比重量。減輕柴油機的比重量，往往對其壽命有一定的影響。因此，在減輕比重量的同時，應考慮柴油機的工作可靠性和壽命，綜合分析，兩者兼顧。

2.1.4? 較小的外形尺寸

艦艇的體積一般小于民用船舶，且裝備的武器彈藥、消耗品及其他設備需占用一定的容積，因此要求柴油機的外形尺寸盡可能小。但必須注意，外形尺寸不僅與壽命有關，且影響柴油機的發展潛力。在選型、確定主要尺寸和總體布置時必須綜合考慮。

2.1.5? 較好的隱蔽性

軍艦的隱蔽性是指防止軍艦暴露，以及防止受各種利用物理場的武器（如魚雷等）襲擊的能力。影響柴油機隱蔽性的主要因素如下。

①振動與噪音。柴油機的振動與噪音主要會在兩方面破壞軍艦的隱蔽性：一個是噪音在海面上的傳播，主要是排氣噪音。為了減少排氣噪音，可裝消音器，或將廢氣排入水下，這就要增加排氣背壓。所以在設計時，應考慮柴油機在較高背壓下工作的特點。第二是柴油機的振動傳到基座引起艦體振動，使艦體向四周散射噪音。所以在設計時，必須盡量使柴油機有良好的平衡性和扭振特性，必要時應采取隔振措施。②排氣中的熱量。柴油機的廢氣中含有大量熱量。在目前使用導彈的情況下，為了避免紅外線制導的導彈跟蹤，應設法降低廢氣中的熱量，一般可采用水下排氣的方法。

2.1.6? 多機并車以及與燃氣輪機組成聯合裝置的可能性

隨著軍艦速度的不斷提高，排水量的不斷增大，對主動力裝置功率的要求也越來越高，單軸所需的功率隨之上升，使現代柴油機的單機功率不能滿足需要。因而出現多臺柴油機并車，共同驅動一個螺旋槳的方案，或者柴油機與燃氣輪機聯合使用。后一種情況又有2種裝置：一種是交替使用柴油機與燃氣輪機，即巡航時用柴油機，最大航速時用燃氣輪機，習慣上稱為柴燃交替動力裝置（CODOG）。另一種是在最大航速時，柴油機與燃氣輪機聯合使用，稱為柴燃聯合動力裝置（CODAG）[4]。第二種方案實際上也是并車裝置。

2.2? 潛艇對柴油機的特殊要求

2.2.1? 能在一定真空度與高背壓和變背壓狀態下穩定地運轉并發出要求的功率

為了提高潛艇活動時的隱蔽性，現代柴油機動力裝置經常在通氣管狀態下運轉。在這種狀態下工作時，柴油機運轉的特點主要如下。潛艇用柴油機會在有一定真空度的機艙中工作，當海面有風浪時，吸氣閥有時突然關閉，中斷進氣，艙室內的真空度會進一步提高。其次，為了減少煙跡、油跡，保證潛艇的隱蔽性，要求柴油機的廢氣從水面以下500～2 000 mm處排出，加上管道的阻力，排氣背壓會進一步提高。同時，由于風浪的關系，背壓會處于變化狀態，所以柴油機不僅需要在高背壓下，而且需要在變背壓狀態下運轉。此外，在通氣管狀態下啟動柴油機時，有很大一部分排氣管內都充滿著海水。所以，啟動時要克服更高的背壓。潛艇由半潛狀態上浮時，由于要節約高壓空氣，往往用柴油機的廢氣去排出主水柜中的水，這時也要求柴油機在高背壓狀態下工作，并連續工作15～20 min左右。為使柴油機適應上述特點，設計時一般采取如下措施：①采用四行程柴油機，因為四行程柴油機有專門的排氣行程。有的柴油機還用2套凸輪機構，當柴油機在水面工作時，氣閥重疊角較大，而在通氣管情況工作時，換用另一套凸輪軸，使氣閥重疊角減??；②當采用二行程柴油機時，應裝有機械傳動的羅茨或螺桿式掃氣泵；③采用廢氣渦輪增壓柴油機時，應采取措施使柴油機能適應高背壓與變背壓工況，但目前在潛艇上采用廢氣渦輪增壓柴油機者極少。在高背壓下還應確保不會向機艙泄漏有害氣體。

2.2.2? 能適應航行、充電等多種工作制

潛艇柴油機的工況是十分復雜的。在水面航行時既有單獨驅動螺旋槳的工作狀態，也有單獨驅動發電機的工作狀態，還有既驅動螺旋槳又利用余功驅動發電機的工作狀態。在通氣管狀態航行時，可既驅動螺旋槳又驅動發電機進行充電，同樣也可以單獨驅動發電機。為了適應多種工況的需要，要求柴油機有較寬的允許工作功率范圍。

2.2.3? 噪音與振動要求小

潛艇主要靠隱蔽性來接近與攻擊敵人，所以消音與減震的重要意義比一般水面艦船更突出。經驗證明，如一艘潛艇的噪音級大于敵方潛艇的噪音級時，艇上的聲納裝置很難搜索到對方，而自身易被發現并受到攻擊。影響潛艇隱蔽性的主要因素是船殼振動向水中散射的噪音，所以一定要減少從柴油機傳到艇殼的振動。一般采用隔振裝置。對于柴油機本身而言，在設計過程中，應盡量降低其噪音和振動。

2.2.4? 可靠性好

首先要抗沖擊能力強，潛艇在水下活動，遭受水中沖擊波襲擊的機會很多。因此，潛艇用柴油機的抗沖擊能力極為重要。但與水面艦船柴油機的要求有所不同。由于潛艇在水下航行時，一旦受到外界非接觸水下爆炸的襲擊，垂向與橫向可能都會受到沖擊波的作用。所以，要求潛艇柴油機在垂向和橫向都能承受15 g的沖擊，艏艉方向能承受6 g的沖擊。柴油機的重要部件及各種裝置設備的結構形式應比較可靠，其材料和加工質量應嚴格檢查，因為潛艇不僅自給能力強、在海上逗留時間長，而且柴油機發生故障后帶來的后果特別嚴重。同時，各油水系統應有必要的轉換閥門。

2.2.5? 檢修方便，壽命長

潛艇要遠離基地活動，應當考慮在艇上進行一些修理的可能。因此，要求把易發生故障，或經常需要調整的零部件安裝在便于檢查調整和更換修理的地方。當潛艇采用中速柴油機時，必需割開艇體才能吊出曲軸等龐大配件來進行大修，這樣會嚴重影響艇體的壽命甚至影響潛艇的性能（如減少下潛深度）。所以要求大修間隔時間長，目前一般為6 000～7 000 h左右。如采用高速柴油機時，由于其尺寸小，主要部件都能從艙口吊出，則可以考慮適當減少其對壽命的要求。但如考慮潛艇活動時的續航力和自給力較長的特點，潛艇柴油機第一次拆修的壽命不應小于2 000～2 500 h。

2.2.6? 耗氣量要求低

為了在同樣通氣管直徑情況下安裝具有較大功率的柴油機，為了改善真空度和降低排氣背壓，以有利于改善柴油機的工作條件，要求潛艇柴油機的耗氣量盡量低。減少耗氣量的途徑一般如下：①采用四行程柴油機，一般四行程柴油機比二行程柴油機耗氣量小50%左右。②采用過量空氣系數較低的混合氣形成方法，可選用分開式燃燒室，如預燃室等。

2.2.7? 柴油機及其裝置系統能在大縱傾情況下正常運轉

因為潛艇在進行各種戰術機動時，縱傾特別大，有時長期處于20°縱傾的狀態下，短期可高達45°。所以柴油機應能在縱傾20°狀態下長期運轉，而當艇作更大傾斜機動時一般處于深海狀態，此時柴油機是停止工作的。

2.3? 快艇對柴油機的特殊要求

魚雷快艇和導彈快艇是海上的重要突擊力量。根據快艇的作戰特點，它對柴油主機的特殊要求主要有以下幾點。

2.3.1? 較高的功率大、較輕的重量、較小的體積

為了充分發揮快艇的突擊作用，必須盡量提高快艇的航速，所以要求主機功率大、重量輕、體積小。

①導彈快艇。對導彈快艇而言，要求航速能超過高速水面艦船最高航速的15%以上。為了提高續航力及耐波力，導彈快艇的排水量越來越大。②魚雷快艇。魚雷快艇主要用來在近距離突擊大、中型艦艇，其排水量較小，大部分用來在近海作戰（耐波力與續航力較?。?，因此對主機的功率、重量和外形尺寸的要求與導彈快艇基本相同。③護衛艇。護衛艇用來在近海護漁護航。雖然其排水量不大，航速也較低，但任務頻繁。主機功率一般較小，對比功率的要求也較低。

2.3.2? 可靠性與耐用性

上述關于功率、重量和體積的要求是與可靠性與壽命相矛盾的。但對快艇來說，決不能犧牲可靠性來達到重量和尺寸的要求。因為快艇防御能力較差，而作戰對象又往往是大、中型艦艇，航速的減低（主機故障引起）會帶來嚴重的后果。而且滑行艇與水翼艇的推進特性往往有一個“滑行過渡”或“起飛”的階段，幾部主機中只要有一部主機的功率因故減小，則艇速會大幅降低。所以艇的可靠性必須得到充分保證。與其他水面艦船相比，快艇用主機的耐用性或壽命要求較低，但近年來也有延長壽命的趨勢。

2.3.3? 柴油機的功率特性應能適應滑行艇或水翼艇的推進特性要求

主柴油機的特性應與螺旋槳特性相適應。在低速時，柴油機能發出的功率與螺旋槳所需功率相差不大，而航行一段時期后，艇體阻力可能增大，這樣有時會造成柴油機在低速時的超負荷或艇加速性能變差。所以在低負荷時，快艇用柴油機應有足夠大的扭矩。

2.3.4? 便于進行遙控

為了使柴油機重量輕、尺寸小，柴油機的轉速和增壓度一般都很高，所以其噪音較大。同時快艇的機艙中布置得十分擁擠，因此有進行遙控的必要。對于導彈快艇，在發射導彈時將產生很大沖擊力，機艙壁上將產生較高的溫度，機艙人員必須轉移至有專門防護設備的操縱室來繼續工作，所以遙控更有必要。為了便于遠距離操縱，除了應具備安裝遙控裝置的可能性外，柴油機還必須備有各種信號裝置與警報或自動保護裝置，如自動停車裝置與水溫過高警報裝置等。

2.4? 特種艦艇對柴油機的要求

有些艦艇由于擔負著特殊的戰斗任務，因而相應地對柴油機有一些特殊要求。

2.4.1? 登陸艦對柴油機的特殊要求

①最低穩定轉速要小。登陸艦在作戰時要進行登灘，以便將兵員物資直接送上敵岸。在登灘時，根據敵岸灘頭土質情況有時需要微速沖灘，否則容易將艦彈回與碰傷。②反轉功率大。登陸艦把兵員裝備送上敵岸后應退出灘頭以便進行下次登灘。在退灘時一般先用主機倒車將艦體拉動后再用尾錨拖，以防止尾錨脫出。在用主機反轉拉動艦體時要求柴油機有較大的反轉功率，以發出拉動艦體所需要的拉力。③經濟性高。登陸艦在戰時需要把兵員裝備經過較長時間的航渡送上敵岸，在平時也擔負著繁重的運輸任務，所以提高其柴油機的經濟性增加其續航力具有重要意義。尤其在目前登陸艦的航速已高達20 kn左右，柴油機的功率相應有了顯著提升，所以降低柴油機的耗油率更顯得十分重要。

2.4.2? 掃雷艦對柴油機的特殊要求

①在低轉速與低負荷時能穩定工作。在收放掃雷具時，要求掃雷艦以很小的速度航行，這要求柴油機能在低負荷低轉速下穩定工作。一般柴油機的最低穩定轉速約為額定轉速的1/3，所以在主動力裝置中應安裝其他裝置（如變距螺旋槳），才能滿足要求。即使裝變距螺旋槳，也還要求柴油機在很低負荷時能穩定地運轉。②柴油機的磁場強度應盡量小。為減少掃雷艦本身引爆磁性水雷的可能性，要求柴油機有盡量小的磁場強度?，F代掃雷艦艦體一般用非磁性材料（如木材、玻璃鋼）制造，減少柴油機的磁性更為重要。柴油機的非磁性是以非磁性率來評定的，即柴油機用無磁及貧磁材料制造的零件重量占柴油機總重的百分比。目前非磁性柴油機的非磁性率已達到88%。在非磁性柴油機上主要磁性零件是曲軸、主軸瓦、活塞銷、噴油泵及其傳動裝置、起動裝置等。如曲軸改用非磁性材料，則非磁性率可達95%。③超負荷能力大。掃雷艦在掃雷時需要拖帶各種掃雷具。在掃雷時還要割斷錨雷的鐵索，所以掃雷艦的拖力可能在瞬時增加得很多。這要求掃雷艦主機能夠有較大的超負荷能力。④噪音振動小。為了防止掃雷艦本身引爆水雷，要求柴油機的噪音與振動盡量小。近年來在掃雷艦設計中，提出了艇具合一的概念，就是掃雷艦與掃雷具合在一起，把非觸發的感應水雷引爆，而掃雷艇本身卻靠迅速駛離爆炸區來避免破損。在這種情況下，掃雷艇的柴油機應具有較好的抗震性能和操縱靈活性。而且還要求柴油機能在強磁場情況下正常運轉（因掃雷艇本身發出強磁場以引爆磁性水雷）。為此，要求調速器的有關部件（如飛鐵塊等）以及一些有相對運動的部件（如曲軸與主軸承）具有較小的磁性，以免影響調速性能或吸附鐵屑而增大磨損。

2.5? 艦用發電機對柴油機的特殊要求

對于帶發電機的艦船輔助柴油機，除了要求其能適應海上情況外，還有以下一些要求。

①為了保證發電機電壓與頻率穩定，柴油機曲軸回轉不均勻性要求小。對于帶直流發電機的柴油機，不均勻性應在1/150～1/100左右；對于帶交流發電機的柴油機，則應在1/250～1/150左右。②為了在電力網路中負荷改變時能保持電壓與頻率穩定，要求帶發電機的柴油機有較好的調速率，一般調整時間應小于2～3 s，具體數字參考有關規范。③艦船發電機一般都要進行并車，為了使負荷分配均勻并穩定，對柴油機的調速性能有一些特殊要求。④柴油機工作時所必需的輔助設備都應裝在柴油機上。由柴油機帶動的發電機，應與柴油機安裝在同一機座上，以便于安裝與減震。⑤柴油機能從配電板上進行遠距離操縱，以便于管理。

3? 艦用柴油機總體技術發展趨勢

總體而言，艦用柴油機的發展趨勢主要包括以下幾個方面。

3.1? 提高單機功率

近二十年來，為了適應船舶大型化和高速化發展的需要，為了同近年來飛速發展的燃氣輪機，和長期在大型船舶中占主要地位的汽輪機相競爭，各種類型艦用柴油機不斷向提高單機功率方向發展。在軍用艦船方面，雖然大型水面艦船有優先采用燃氣輪機的趨勢，但在中、小型艦艇上，柴油機仍是主要的動力裝置之一。這些艦艇的航速要求日益提高[5]，也要求柴油機的單機功率不斷提高。目前，提高柴油機單機功率的途徑主要如下。

3.1.1? 提高轉速

同行轉速重在提高活塞平均速度。由于受到柴油機結構材料的限制，近年來提高幅度較低，僅1.2倍左右。今后進一步提高的趨勢也不明顯。

3.1.2? 增加排量

在同樣增壓度的條件下，增加氣缸排量是增加單機功率的有效途徑。增加排量通常包括增加缸數和加大缸徑或行程。增加缸數的方法，曾在高速快艇（魚雷艇、水翼艇、氣墊艇）用的輕型高速機上采用過。因為這種艇的機艙容積較小，對柴油機的重量尺寸要求嚴格，為了增大單機功率，不得不限制缸徑，增大缸數。當時，缸徑在130～160 mm左右的柴油機，缸數增加至18、24、32、42、48、56，并出現W、H、V、X、星型等較復雜的結構型式。但缸數過多，帶來結構復雜、維修保養不便、影響柴油機的可靠性。由于氣缸的熱應力和機械應力得到進一步優化，近年來很少采用這種方法來增加單機功率。加大缸徑和行程是目前增加柴油機排量的新動向，也是在同樣增壓度的條件下，提高單機功率的有效途徑。

①艦用高速柴油機。該類機型一般缸徑為180～280 mm，轉速為1 000～1 500 r/min，缸數最多為20，多采用V型排列。它是目前內燃機車上應用最廣泛的機型[6]，現在被選用在機艙地位和重量限制較寬的大型導彈艇、大型水翼艇、護衛艇、輕型護衛艦和常規電力推進潛艇上。近年來，由于水翼艇、氣墊艇、半潛艇等特種船型的發展，除排水量較大者可選用燃氣輪機外，中小噸位的這類艦船仍然要求以重量輕、尺寸小的高速柴油機作為主機。因此，在結構上怎樣解決重量輕、尺寸小與壽命短和維修不便的矛盾是高速柴油機發展的新課題。這方面目前已有新的發展，特別是在超高補燃增壓出現后，顯示出新的發展前景。②艦用中速柴油機。近年來擴大缸徑的趨勢明顯。更進一步增大缸徑，目前尚受到熱應力的限制。③艦用低速柴油機。早期，國外曾用加大氣缸直徑的辦法來增加單機功率。隨著后期國際市場發生能源危機，強調船舶運行的經濟性，使大型船舶訂貨減少，加之這些超大缸徑的低速二行程柴油機，轉速在100 r/min以上，不適合大型螺旋槳最佳轉速的要求。相反，由于與中速機競爭，目前低速機缸徑有縮小的趨向。

3.1.3? 提高平均有效壓力

這是近年來提高各類艦用柴油機單機功率最主要的方法。一般是通過增壓，采用高性能增壓器、兩級增壓方式和補燃起高增壓系統來實現的。二行程低速機的平均有效壓力也是不斷在提高，因而使單機功率隨之增加。

3.2? 強化工作過程、提高強化系數、提高單缸功率、減少柴油機的尺寸

這一趨勢在中、低速機的發展中尤為明顯。特別是低速柴油機，如上所述，目前并不強調提高單機功率，而強調提高單缸功率，以便減少同功率柴油機的缸數，縮短機艙長度，提高船的裝載能力。同樣，對艦用中速柴油機和高速柴油機而言，也有用兩級增壓和超高增壓方式提高強化系數和單缸功率的趨勢。

3.3? 提高柴油機的經濟性

3.3.1? 降低燃油和滑油的耗量，對提高柴油機經濟性和提高艦艇續航力具有重大意義

幾十年來，柴油機耗油量有明顯下降。然而最近由于采用超高增壓，單缸功率成倍提高，每循環噴油量成倍增加，使燃燒組織較為困難，又加上為了防止最大爆發壓力過高，壓縮比降低至7～8，使熱效率下降，導致燃油消耗率有所上升。為此，目前正在進行大量的試驗研究工作。此外，降低滑油的消耗量，也是歷年來很重視的問題。因滑油的價格昂貴，降低其消耗對提高柴油機經濟性將起到較大作用。

3.3.2? 燃用低質燃料是提高柴油機經濟性的重要措施

目前在低速柴油機上燒重油的問題已基本解決，正在從事燃用黏度更大的重油和在中速機上燃用重油的研究。

3.3.3? 回收廢熱能量

在船上安裝廢熱鍋爐和造水設備，以便從廢氣和冷卻水中回收熱量，很早已采用。但回收的熱量僅占發動機總功率的50%?，F在正在研究把廢熱作為一種復合式柴油機循環的介質，并從事除水之外的熱介質的選定、高效率熱交換器和熱循環等方面的應用理論研究工作。

3.3.4? 提高艦用柴油機的可靠性、耐久性，大幅度地提高使用壽命

艦用柴油機的可靠性、耐久性是保證艦艇戰術性能、船舶經濟性能的重要條件，因此一直引起人們的特別重視。尤其隨著柴油機增壓壓力的提高，可靠性和耐久性顯得更為重要。這一特性與設計和制造質量密切相關。對于大型低速機正在通過適當地限制單缸功率、降低循環溫度和應力的水平、簡化結構，來提高可靠性和耐久性。在中、高速柴油機的現代設計中，往往將可靠性和耐久性放在第一位，寧愿降低一些對重量和尺寸指標的要求。

3.3.5? 艦用柴油機實現遙控和自動化控制

早期，為了減少船員人數，就開始從事艦用柴油機遙控和自動化研究工作。近年來，國外柴油機遙控和自動化技術發展很快。中、小型柴油機主機駕駛臺遙控在多年前已有應用，而大馬力主柴油機遙控是在1960年以后才開始發展。遙控內容，包括換向、起動和變速。早在1964年，已開始發展“機艙無人操作船”，實現在夜間和節假日機艙無人值班。在柴油機設計中，應充分考慮實現遙控和機艙自動化的條件，如備車聯鎖、換向聯鎖、重復啟動、緊急換向、緊急停車和自動降速等。并應備有測量、報警、監視等儀表。1969年發展了采用電子計算機的所謂超自動化船，使柴油機遙控和自控技術水平進一步提高。目前，除了對柴油機實現運轉、操縱、監督等遙控和自控研究工作之外，還從事對柴油機工況監測的自動調整的研究，以便選擇柴油機運轉最佳參數和及時地發現故障、排除故障。

艦用柴油機自動化程度的不斷提高，不僅大幅減少了操作人員的工作量、改善了船員的工作條件，而且還提高了動力裝置的經濟性、機動性和操縱性，提高了艦艇的戰斗力，從而也提高了艦艇的自持力。因此，逐步實現柴油機遙控和自動化控制，已經成為艦用柴油機必然的發展趨勢。

4? 現代艦用大功率柴油機的發展現狀及未來趨勢

由于海軍艦船的發展和民用航運事業的迅速進步，對大功率柴油機的需求越來越高。以海軍為例，從世界各國對中、小型水面艦船動力裝置的選型來看，柴油機、燃氣輪機及它們的聯合動力裝置在逐年增加，而蒸汽動力裝置卻在逐年減少，在中、小型艦艇動力裝置的選型中，主要是選擇柴油機、燃氣輪機或柴燃聯合動力裝置。

艦用大功率柴油機近年來發展很快，在功率、經濟性、可靠性和壽命等方面都達到了較高水平。低速二行程大功率艦用柴油機是民用運輸船舶的主要推進動力，我國海軍運輸補給船也有使用。

提高功率的主要途徑是靠改變增壓技術。以二級增壓機型為例，在脈沖級之后加裝定壓級，使之在熱負荷和機械負荷不變的情況下充分提升平均有效壓力。由于高增壓的研制成功，顯著提升了整機熱效率。

低速大功率柴油機現在普遍燃用重油，大幅降低了燃料費用。其熱能綜合利用程度是當前最高的，機油消耗率也是最低的。低速大功率柴油機可靠性最高、壽命長，其最高壽命可達80 000～100 000 h。

4.1? 低速大功率柴油機的發展現狀及未來趨勢

①繼續改進增壓技術提高功率。依靠增大缸徑，研制超大缸徑型來提高功率的趨勢已處于停頓狀態。②研制低速長行程的主機。為了進一步提高推進效率，改進主機與螺旋槳的配合而研制了長行程低速主機。③提高經濟性。進一步改進掃氣增壓系統、燃油噴射與燃燒系統；進一步綜合利用熱能，使廢熱充分有效地回收，以便進一步降低燃油消耗率。

4.2? 中速大功率柴油機的發展現狀及未來趨勢

近年來，發展最快的要數中速大功率柴油機，以四行程高增壓柴油機占絕大多數。與低速機相比，中速機的重量輕，相同功率條件下，重量僅是低速機的25%，體積小，僅為低速機的50%；而壽命和經濟性已與低速機很接近，如果選配適當的減速器也可以獲得較高的推進效率，所以是中小型艦艇選擇的主要機型。中速大功率柴油機的壽命也比較長，有些機型的使用壽命已接近低速機。中速大功率柴油機今后發展的趨勢如下。

①主要發展四行程柴油機，因為二行程柴油機的熱負荷較大。②提高功率的途徑主要靠增大缸徑和提高平均有效壓力。目前中速機的最大缸徑已達到650 mm，再繼續增大的可能性較小，主要需解決熱負荷問題。提高平均有效壓力的主要措施是改進增壓技術。③為了延長中速機的工作壽命，活塞的平均速度不能太高。④采用低壓縮比的兩級增壓技術，可以保證在增壓比不變的條件下提高功率，而熱負荷比非兩級增壓還低。⑤采用行星齒輪減速器，使螺旋槳的轉速降低，以得到較高的推進效率。

4.3? 高速大功率柴油機的發展現狀及未來趨勢

高速大功率柴油機一直是我國海軍重點發展的機型，因為中小型艦艇受到體積重量的限制，只能選用高速大功率柴油機作為動力源。由于輕型高速大功率柴油機的缸徑小、缸數多，具有X型星型等排列型式，結構復雜，并且制造、安裝、維修都不方便，且造價昂貴，所以難向民用推廣。但是通用型高速大功率柴油機的開發卻成績斐然。像MTU公司推出的各種高速大功率柴油機，都是壽命長、功率大、經濟性好的機犁?，F代高速大功率柴油機的共同特點如下。

①通用性強。它們不僅可以用于快艇、護衛艦、小型軍艦，而且能用于內燃機車、陸用電站，還可以用于潛艇及核動力艦船的應急推進動力等，具有廣闊的發展前途。②結構簡單。一般采用V型排列結構，為保證機身與曲軸的剛度，其氣缸數不超過20缸。這樣也便于維修保養。③功率大，單位功率重量輕。

其中，高速大功率柴油機今后的發展趨勢主要如下：①主要開發四行程柴油機，其主要原因是二行程柴油機的熱負荷大，熱效率較低。②結構型式上以簡單的V型機為主，未研制星型等復雜結構的機型。③提高功率的途徑多通過適當增加缸徑和行程來實現，而不會過多地增加氣缸數。④提高平均有效壓力的途徑是提高增壓度。⑤注重提高可靠性和使用壽命，而不是速度而求輕的比重量。因為可靠性和壽命直接影響到艦艇的戰斗力和企業廠家的生產，是普遍關注的問題。有的甚至采取降低功率的辦法來提高使用壽命。⑥注意提高經濟性。由于各種措施的綜合應用，采用高增壓技術的高速大功率柴油機的熱效率已超過40%。

4.4? 有待進一步優化的問題

綜上所述，大功率柴油機的研制與開發已得到了長足發展，將朝著大功率、高經濟性、長壽命方向發展，結構上趨于簡單、緊湊，便于維護保養。但是，還存在許多問題有待進一步研究解決。

4.4.1? 進一步完善增壓技術

從柴油機的增壓技術至今，歷經數年的發展，其技術已日臻完善，柴油機的功率和效率都因增壓技術而獲益匪淺。但是，隨著高增壓和超高增壓技術的使用，許多新的問題又突出起來有待研究解決，其主要方面如下。

①研究控制機械負荷和熱負荷的措施。隨著增壓度的提高，柴油機的機械負荷和熱負荷相應增加，給柴油機的繼續強化設置了障礙。在高增壓柴油機中，最高爆發壓力過高會嚴重影響柴油機的可靠性和壽命，為此應采取適當措施。一是降低壓縮比，雖然可以有效降低熱負荷，但又會引起柴油機的起動困難，因此應在進排氣系統中采取補救措施，以保證柴油機的起動性能。二是采用可變壓縮比活塞，這種活塞的壓縮比可以隨負荷的改變而自動調節。這種活塞有內外2個活塞體，兩者之間有儲油室，室內機油的壓力與柴油機的負荷相對應，負荷越高，壓力就越大，當室內油壓超過規定時就會自動放掉一部分油而使內活塞體向增大燃燒容積方向移動，從而改變壓縮比，使其處于允許的范圍之內。但該裝置制造要求高，其可靠性和耐用性還有待解決。三是采用兩級噴射系統以控制最大爆發壓力，為此可以采用改變凸輪型線、電子控制噴射裝置和變容積、變喉口預燃室等措施，都可有效降低最大爆發壓力。四是還可以采用改變進排氣的正時，例如采用進氣門在下止點前關閉的米勒循環、兩次排氣等措施。這些措施對降低最大爆發壓力都有不同程度的提升效果，但還有許多問題待進一步研究解決。隨著增壓度的提高，燃燒室零部件的熱流強度增大，熱負荷增高。熱負荷是一個非常復雜的問題，要從結構設計、改善增壓掃氣系統、改善燃燒過程、選擇合理的總過量空氣系數等多方面出發，并采取有效措施。②研究適應高增壓需要的高壓比、大流量、高效率的增壓器。③研究在高增壓條件下，能量利用與能量轉換的規律及其裝置。④研究高增壓后，如何改善柴油機的低負荷性能和起動性能。

4.4.2? 改進燃燒及燃燒室的研究

有效的組織燃燒可以改善柴油機的技術性能和經濟牲能，研究適應高增壓燃燒系統對降低熱負荷、機械負荷，減少噪聲與振動，以及減少排氣污染都有著較好效果。

4.4.3? 研究適應高強化要求的結構

重點是對承受機械負荷與熱負荷較大的燃燒室組件和傳遞動力組件的研究，它們對保證柴油機工作的可靠性和耐久性起著決定性的作用。比如當前設計的對受熱部件進行強背式鉆孔冷卻的結構很有效益。

4.4.4? 開發新型熱力發動機

①對絕熱陶瓷發動機的研究，正出現新的熱潮。②對旋轉活塞式發動機的研制與應用正在取得新的成果。③智能型柴油機的研究已經取得重大成果。④斯特林發動機的開發與應用正在取得新的進展。⑤斜盤發動機和其他新型發動機還在不斷涌現[7]。

5? 總結及展望

自德國工程師魯道夫·狄賽爾（Rudolf Diesel）在1892年獲得柴油機的發明專利權以來，發展歷程超過一個世紀，機組性能得到了不斷改進，工作的可靠性和壽命也在不斷提高，現已達到相當完善的程度。因此，柴油機在國民經濟建設和艦船上獲得了廣泛的應用[8-9]。

柴油機在各種類型軍民船舶中應用極為廣泛。中小型運輸船、工程船及漁輪中柴油機的應用更為普遍。在艦艇中，雖然近年來燃氣輪機的發展在一定范圍內取代了柴油機，但在中、小型戰斗艦艇中，柴油機因其經濟性較好以及其他原因，仍被廣泛采用。大量軍用輔助艦船中，柴油機更是主要動力。

因此，大力發展柴油機制造工業和不斷提高艦用柴油機性能和技術水平[10]，是建設強大海軍和開發海洋資源的一項重要措施。隨著技術的逐步完善，柴油機將在軍用艦艇上發揮更重要的作用[11]。

參考文獻：

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[3] 伍賽特.船舶綜合電力推進技術研究及展望[J].傳動技術，2019，33（4）：24-29.

[4] 伍賽特.艦船聯合動力裝置技術特點研究及未來趨勢展望[J].傳動技術，2021，35（2）：40-48.

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[6] 伍賽特.機車電傳動系統技術特點及未來發展趨勢研究[J].傳動技術，2021，35（3）：43-48.

[7] 伍賽特.潛艇AIP系統技術特點及其未來應用前景研究[J].傳動技術，2020，34（4）：40-48.

[8] 常漢寶.艦用大功率柴油機低負荷性能研究[D].武漢：華中科技大學，2004.

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[10] 黃根法，黃晨.現代艦用柴油機的新技術[J].內燃機，2007（5）：22-23.

[11] 陳華清.對自主研發艦船柴油機的幾點思考[J].柴油機，2015，37（5）：1-5+45.