當(dāng)代船用柴油機

當(dāng)代船用柴油機

二戰(zhàn)結(jié)束后，船用柴油機經(jīng)歷了新一輪的發(fā)展，性能不斷提高。從上世紀(jì)40年代--70年代，大功率低速船用柴油機繼續(xù)向大缸徑、大功率方向發(fā)展，同時進(jìn)一步提高進(jìn)氣壓力和氣缸工作壓力，加大氣缸排氣量。在柴油機結(jié)構(gòu)上廣泛使用了焊接結(jié)構(gòu)，降低結(jié)構(gòu)重量，普及渦輪增壓，使用劣質(zhì)燃油，提高經(jīng)濟(jì)性，這些都使柴油機技術(shù)有了飛躍發(fā)展。在缸徑方面，1956年只有740--760毫米，單缸功率只有1200-1400馬力；1960年達(dá)到840--900毫米，單缸功率達(dá)2100-2300馬力；1965年缸徑達(dá)930毫米，單缸功率2750馬力，1970年，缸徑超過1米（達(dá)1060毫米），單缸功率超過4000馬力，1977年達(dá)到4600馬力。船用柴油機進(jìn)入了黃金年代，在民船上完全取代了蒸汽動力。

1970年代以后，爆發(fā)了兩次石油危機，原油價格急劇上漲，運輸成本不斷提高，對燃油經(jīng)濟(jì)性的要求日顯突出，柴油機主要以提高單機功率、降低比重量以及提高可靠性和經(jīng)濟(jì)性為主要改進(jìn)方向。
1980年后，世界柴油機市場向巨頭集中。1980年，德國曼公司收購丹麥B&W公司，1997年芬蘭瓦錫蘭公司與瑞士蘇爾壽公司合并，實現(xiàn)了強強聯(lián)合。各大柴油機公司經(jīng)過了一輪新的整合，優(yōu)勝劣汰之后，技術(shù)水平不斷提高，機型有所減少。在技術(shù)方面，除繼續(xù)增大單缸功率外，電子控制技術(shù)也在柴油機上得到廣泛應(yīng)用，燃油噴射、排氣閥驅(qū)動、增壓、氣缸潤滑等都可由全電子驅(qū)動，柴油機的電子化、信息化和智能水平不斷提高，熱效率進(jìn)一步提高，并不斷滿足更高的排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

1） 低速船用柴油機

低速船用柴油機的特點是轉(zhuǎn)速低（低于350轉(zhuǎn)/分）、缸徑大、沖程長、輸出功率大，多用于1萬馬力以上的柴油機。低速柴油機結(jié)構(gòu)上一般采用直列氣缸、二沖程、多缸并聯(lián)、十字頭結(jié)構(gòu)，具有大氣缸，長行程，高壓縮等特點。現(xiàn)代低速柴油機的平均工作壓力可達(dá)1.90-1.95兆帕，油耗為170克/千瓦小時以下，效率最高可達(dá)55%，壓縮/缸徑比最大可達(dá)4.2。低速機一般可直接驅(qū)動大直徑螺旋槳，能實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，省去了齒輪減速箱等傳動要求，降低了成本，加之可以使用低質(zhì)燃料油，運營成本遠(yuǎn)低于其它種類發(fā)動機。在大型商船上，低速柴油機裝量占絕對統(tǒng)治地位。目前幾乎世界上所有的大型商船都使用柴油機驅(qū)動。

根據(jù)預(yù)測，最近幾年世界低速船用柴油機市場每年有4250萬馬力的需求。MAN B&W的MC系列和瓦錫蘭的Sulzer RTA系列兩大機型在低速船用柴油機方面占據(jù)絕對壟斷地位，其中MC系列占有率在80%以上，RTA系列10%左右，而其它廠商很少。兩大公司多采用專利授權(quán)生產(chǎn)方式，提供技術(shù)和圖紙，由柴油機公司或船廠進(jìn)行生產(chǎn)，包括我國在內(nèi)的眾多生產(chǎn)廠都需要向兩大公司繳納高昂的專利費。

曼公司在1980年收購B&W公司后，將低速船用柴油機的研發(fā)工作從德國的奧克斯堡全部搬到丹麥哥本哈根，開始研發(fā)MC系列柴油機。MAN B&W于1982年生產(chǎn)出第一臺L35MC樣機，1983年9月開始測試。MAN公司看準(zhǔn)了船用柴油機的發(fā)展勢頭，陸續(xù)形成了缸徑260毫米，420毫米，460毫米和980毫米等不同等級MC系列，沖程-缸徑比達(dá)到2.44-4.2:1，汽缸數(shù)量從4缸-14缸，最大單缸功率6000千瓦（8000馬力以上）。MC系列柴油機可滿足各類大型船舶推進(jìn)的要求。MAN B&W公司的柴油機型號如6K80MC-C、6S70MC，其中的字母和數(shù)字的含義為：

最前面的數(shù)字表示的是柴油機的氣缸數(shù)，如“6”表示此柴油機共有6個氣缸；

氣缸數(shù)后面的S,L,K表示的是沖程與缸徑的比值。S表示超長沖程，L表示長沖程， K表示一般沖程；

S、L、K后面的數(shù)值80，70表示柴油機的缸徑為80，70厘米； 

M表示的是柴油機的系列號；

M后面的C表示柴油機是機械控制式的，E表示柴油機是電子控制式的； 

“－”后面的C表示的是整裝式柴油機。

14K98ME-C為該公司的龍頭產(chǎn)品，輸出功率84280千瓦（11.5萬馬力），是世界上已知輸出功率最大的船用低速柴油機，但未見其裝船的報道。2010年后，MAN B&W更名為曼·丹麥公司，完成了去B&W化的工作。

芬蘭瓦錫蘭公司從1938年起開始生產(chǎn)柴油機，是世界上著名的中速船用柴油機生產(chǎn)廠商。瓦錫蘭收購瑞士蘇爾壽公司后，在低速船用柴油機領(lǐng)域也取得了成果，該公司柴油機也有自己的命名規(guī)則，以7RT-flex84為例：

7是缸數(shù)；

RT是船用柴油機；

flex是電控共軌系列機；

84是氣缸直徑，單位為厘米。

從上世紀(jì)60年代到今天，集裝箱船載箱量更以驚人的速度增加。集裝箱船裝卸速度高，停港時間短，大多采用高航速，對主機的要求很高。目前世界上在用功率最大的船用柴油機由瓦錫蘭公司制造，為14RT-flex96C型低速船用柴油機，已用于丹麥馬士基公司的“艾瑪·馬士基”號集裝箱船（同型船共8艘）。該級船也是迄今為止最大的集裝船，于2006年在丹麥的歐登塞船廠建造，總噸位為170974噸，長397米，寬56米，吃水15.5米，型深30米，可載14770個20英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱。

14RT-flex96C船用柴油機代表了當(dāng)今低速船用柴油機的水平，這是世界上首臺14缸柴油機，采用了完善的 RT-flex共軌技術(shù)，通過增大行程/缸徑比，提高了推進(jìn)效率；通過采用新材料降低了結(jié)構(gòu)應(yīng)力，具有良好的可靠性、安全性和耐久性，且具有比同類機型維護(hù)更方便等優(yōu)點。該機持續(xù)輸出最大功率80080 千瓦（109000馬力），轉(zhuǎn)速102轉(zhuǎn)/分，汽缸容積2.5立方米，缸徑960毫米，沖程2.5米，汽缸速度8.5米/秒，燃油消耗為160克/千瓦小時。該機長27.3米，高13.5米，重達(dá)2300噸，僅曲軸就重達(dá)300噸。依靠柴油機提供的強大動力推動1具9.6米直徑的6葉螺旋槳，船速可達(dá)25.5節(jié)。

2011年2月，馬士基又一口氣向韓國大宇訂購了10艘更為大型的集裝箱船，可載1.8萬個標(biāo)準(zhǔn)箱，計劃將用2臺MAN柴油機（總功率8萬千瓦），航速也降低為23節(jié)，但更為經(jīng)濟(jì)，預(yù)計2014年交船。
隨著國際油價格的高起，原油價格突破100美元/桶，又由于受到國際金融危機的影響，國際航運和造船業(yè)近幾年處于調(diào)整狀態(tài)。增強輸出功率已經(jīng)不是低速柴油機的首要目標(biāo)，更環(huán)保、更高效已經(jīng)成為低速機研發(fā)的方向。
柴油機廠商正在研究多燃料發(fā)動機，使用液化天然氣LNG作為燃料的柴油機在排放指標(biāo)上明顯優(yōu)于普通柴油機。LNG船是多燃料柴油機的主要應(yīng)用對象，LNG船用在運輸過程中微量蒸發(fā)的天然氣作燃料，過去一直采用蒸汽輪機作為動力。目前多燃料柴油機已經(jīng)逐步在LNG船上使用，從而攻占蒸汽輪機在民船領(lǐng)域的最后堡壘。卡塔爾石油公司擁有的世界最大265000m3Q-Max級LNG船（長度345米，寬34.7米）已經(jīng)采用2臺MAN 7S70ME-C柴油機驅(qū)動，總功率達(dá)5.9萬馬力，該級船已經(jīng)完成14艘。

LNG大規(guī)模應(yīng)用于其它類型船舶還需要走很長的路，一是要解決續(xù)航力的問題，而現(xiàn)在一般只有20多天；二是LNG燃料補給不方便，港口尚未建立起配套體系；三是LNG存儲設(shè)備的成本較高，系統(tǒng)復(fù)雜，安裝困難；這些因素都從較大程度上限制了LNG作為船用燃料的應(yīng)用。

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