舰船柴油机自主发展历程

李向阳，张 博，黄 驰

（1. 海军装备部驻上海地区军事代表局，上海 201206；2. 沪东重机有限公司，上海 200129；3. 海军装备部驻上海地区第十一军事代表室，上海 200129）

0 引言

船舶发动机是一种将缸内燃料燃烧产生的内能直接转化为机械能的内燃机[1-2]。根据燃料的不同，可将船舶发动机分为柴油机、双燃料发动机、气体机和燃用其他燃料的内燃机；根据转速的不同，可将船舶发动机分为低速机、中速机和高速机[3-4]。船舶发动机的功率范围大、可靠性高、经济性好、故障率低、环境适应性强，广泛应用于各类船舶。

相较于燃气轮机、燃料电池等动力形式，柴油机具有效率高、寿命长、经济性好等显著优势。柴油机可通过机内净化和排放后处理等措施实现污染物近零排放，还可与电机、电池组合成为混合动力系统，进一步提高船舶动力系统的综合效率[5-6]。

本文对我国舰船柴油机的发展现状进行梳理，对当前不足之处及技术需求进行分析。在此基础上，提出未来发展方向与重点技术攻关方向。

1 我国船舶发动机的发展历程

我国船舶发动机的发展历程可分为4 个阶段：新中国成立前、新中国成立至改革开放、改革开放至党的十八大、党的十八大以来。

1）新中国成立前

该阶段只能仿制国外产品，生产小功率柴油机。

2）新中国成立至改革开放

该阶段从苏联引进了M50 型高速机、D39 型中速机、40D 型中速机、9DM 型中速机等，并自主研制了390 型、6ESD43/82 型、6ESDZ60/106 型发动机。

3）改革开放至党的十八大

该阶段主要引进了MAN、Wärtsilä、Mitsubishi、DAIHATSU、MTU、Pielstick 等公司的产品，而在自主研制方面几乎毫无建树。

4）党的十八大以来

该阶段主要引进了MAN 和Wärtsilä 公司的新一代双燃料发动机，包括MAN23/30DF、28/32DF、35/44DF、W20DF、W34DF 等型号，自主研制了EX340、CX40DF、CS21/32、8M23G、12MV390、CHD622、6L270 等型号。

改革开放以前，市场环境相对封闭，我国船舶发动机产业在引进仿制苏联产品的基础上自主研制了一批产品。改革开放以后，为尽快满足船舶工业进入国际市场的迫切需求，我国引进了一批专利机型，快速提升了船舶发动机的制造能力，但在一定程度上限制了自主创新的发展与进步。党的十八大以来，我国加强了核心技术的自主研发，船舶发动机行业的水平稳步提高。

2 我国舰船柴油机的发展现状与不足之处

舰船柴油机是海军装备的重要动力来源，我国舰船柴油机的发展历程主要可分为以下3 个阶段。

1）20 世纪50 年代至70 年代

该阶段的舰船柴油机部分从苏联引进，部分由我国自主研制，主要包括39 系列、轻12-180、42-160、12VE230 和390 等典型机型。这一时期的舰船柴油机为第一代柴油机，满足了我国海军第一代舰船及其后续舰艇的需求，有力推动了海军装备建设。第一代柴油机结构紧凑，前期多采用机械式增压，后期主要采用废气涡轮增压和高压燃油喷射技术，喷射压力一般在80 MPa左右，强化指标为5.2～11.2。第一代柴油机的大修期较短，一般不超过5 000 h。

2）20 世纪70 年代至21 世纪初

我国在该阶段从德国、法国等国家引进生产许可证并进行国产化生产，主要机型包括PA6、MTU956、MTU396、TBD620 等。这一时期的舰船柴油机为第二代柴油机，经过三轮国产化，第二代柴油机的国产化达到98%。第二代柴油机主要采用废气涡轮增压和机械式高压燃油喷射技术，压比约为2.5～3.5，喷射压力约为100～120 MPa，强化指标为19～24，大修期约为9 000～24 000 h。

3）21 世纪以来

进入21 世纪后，随着高增压、高压共轨、高效燃烧等新技术的进步，国外舰船柴油机技术发展迅猛：（1）增压器效率从58%提高到65%，压比从2.5提高到5.0；2）燃油喷射压力从100 MPa 提高到 180 MPa，燃油喷射控制方式由机械控制转变为电子控制；3）最高燃烧压力从15 MPa 提高到24 MPa；强化指标由20 提高到32。这一时期舰船柴油机的代表机型主要包括 MTU4000、MTU8000、MAN28/33D 等。

与国际先进水平相比，我国目前舰船柴油机总体技术还存在较大差距，柴油机功率无法满足舰船的发展需求。现役柴油机的质量及可靠性有待进一步提高，柴油机自主研发技术积累不足，部分关键件的国产配套研制能力偏弱。

3 需求分析

为满足我国舰船对动力的使用需求，提升我国舰船柴油机的使用效能，我国舰船柴油机需要着力发展以下重点技术：高功率密度技术、模块化集成技术、健康管理技术等。

3.1 高功率密度技术

高功率密度技术主要包括性能优化技术、高增压技术、高压燃油喷射技术等。

提高柴油机功率的首选方法是提高柴油机的强化指标。在柴油机转速和活塞平均速度受限的情况下，增加燃油和空气的有效密度，优化油、气混合质量，提高柴油机平均有效压力，增加发动机做功。

1）高压燃油喷射技术

柴油机的燃油经燃油系统喷射进入燃烧室，为保证柴油高效燃烧，要提高喷油系统的喷油压力，以使燃烧室内的燃油具有良好的雾化状态。燃油的喷射过程是否适当对柴油机的燃烧效果、经济性、动力性、排放特性、热负荷和机械负荷均有显著 影响。

高压燃油喷射系统是柴油机的核心系统，其性能直接了决定了柴油机的性能。我国在船舶柴油机高压共轨技术领域起步较晚，目前虽然建立了高压共轨系统设计体系的框架，但尚未形成具有自主知识产权的成熟产品。国际方面：MTU 公司研发了180 MPa 的高压共轨燃油喷射系统；Bosch 公司已将最新一代模块化高压共轨系统应用于船用发动机，该系统的最高喷射压力为220 MPa，单缸的功率覆盖区间为100～350 kW。

2）高压比大流量增压技术

增大压力是提高柴油机功率的最主要方法。随着高压比、高效率涡轮增压器的开发与应用，涡轮增压柴油机的增压程度越来越高，四冲程大功率柴油机的压力已达到2.5～3.0 MPa，高速大功率舰船柴油机的压力已达到2.8～3.2 MPa。

由于涡轮增压器进行回转运动、柴油机进行往复运动，当其联合运行时，难以同时满足柴油机在不同工况下运行的要求，且增压程度越高，矛盾就越突出。为解决这一问题，变截面涡轮增压系统等新型系统被相继开发。

随着径流式增压器向高效、高压比、大流量方向发展，其应用范围愈发广泛。相继增压技术的应用有效提高了柴油机的功率。在高转速时，2 台增压器一起工作；在低转速时，一台增压器停转，各缸排气集中推动另一台的涡轮以提高低转速时的柴油机功率，进而改善低负荷情况下的性能。

3.2 模块化集成技术

在柴油机总体优化的基础上，通过集成零部件功能实现高度集成的模块化设计，主要包括动力模块、增压模块、冷却润滑模块、附件模块、电控元件模块等。舰船柴油机动力装置结构简单、性能优化、安全可靠、维修方便，可适应现代作战的要求。

1）模块化动力单元设计

模块化动力单元将气缸盖、中间冷却水套、气缸套、活塞连杆等作为一个整体模块，有利于解决曲轴销径增大所带来的拆装问题。此外，模块化动力单元可提高发动机的刚度和可靠性，拆装方便，利于维修保养，有利于提高柴油机的综合保障水平。

2）暗管路设计

在进行高指标柴油机机体设计时，大都采用无冷却水道、进气箱与机油道铸在机体中的结构形式。MTU8000 系列柴油机的曲轴箱体铸有进气箱、活塞冷却油通道、轮轴润滑油道，可有效提高曲轴箱体的刚度和强度。SEMT Pielstick 公司的PA6B.STC型柴油机采用组合式冷却器总成技术，柴油机结构紧凑、设计简明。

3）辅助系统模块设计

对柴油机辅助系统中的冷却水系统、充气系统、机油系统和发动机燃油系统等进行模块化集成设计。MTU8000 系列柴油机将所有发动机辅助系统集成为一个模块，整体安装在发动机前端。

3.3 健康管理技术

为保证柴油机在工业生产及生活中的正常运行，有必要研究基于运行状态信号分析的柴油机故障监测、故障诊断、故障预测、智能维护等健康管理 技术。

健康管理技术是指利用各类先进传感器对装备运行的各类状态参数及特征信号进行实时监测的技术，其借助各种智能推理算法和模型来评估装备的健康状态，在故障发生前进行预测，并结合各种可利用的信息提供一系列的维修保障决策，以实现装备的健康管理。

柴油机的工作运行状态通常由工作时所释放的特征信号进行表示，监测设备的运行状态并分析运行时发出的信号特征，能够使工作人员及时了解柴油机当前所处的状态。多缸柴油机的振动数据较易采集，且发生故障时振动数据相对正常值差异明显，故采用振动信号分析法对其健康状态进行分析。通过高速信号采集、振动信号的快速特征提取，可实现基于振动信号的故障预兆监测，结果准确率较高。

为便于监测润滑油品质状态以及机械件的磨损情况，柴油机通常会加装油质传感器和磨粒传感器。油质传感器可对温度、黏度、介电常数、密度等油质参数进行监测；磨粒传感器可通过润滑油铁磁和非铁磁的磨粒信息对动力传动机械件的磨损情况进行预警和报警，可支撑动力传动装置的故障诊断和在线健康状态评估。

故障诊断是柴油机健康管理的核心技术。在故障诊断过程中，可通过特征信号判断柴油机此时的运行状态。随着计算机技术的进步，柴油机故障信号采集与处理等技术已相对成熟，但柴油机故障诊断技术仍有一定的不足之处，部分柴油机故障发生机理仍不够清晰，需要进一步研究。

4 未来发展方向与重点技术攻关方向

1）借鉴并总结国际先进经验，不断探索和完善具有中国特色的柴油机许可证管理模式

加大对未来舰船柴油机的自主研制力度，保证生产有序、质量稳定，促进行业健康持续发展。加强产业融合，进一步强化零部件竞优管理，实行零部件名录制和退出、引入机制，加强对供应商的管理、考核和验证。学习、借鉴国际先进柴油机企业的许可证管理经验，结合国内实际情况，探索国内开展自主研发舰船柴油机的许可证管理机制和模式，加强对安装、使用过程中的技术指导和培训，形成良好的反馈机制，为顾客提供稳定可靠的舰船柴油机装备。

2）提前识别风险，重点保障生产和交付

必须加强对供应商、主机厂、船厂的相关人员在各个阶段、各个环节风险的识别，制定相应措施，确保柴油机的可靠性。对供应商加强管控，对主机厂重点支持，为船厂提供全方位服务，对船员进行全面培训。

3）长期持续地开展自主可控攻关，不断提升装备可靠性

自主研制的柴油机在个别零部件的可靠性和寿命、电子元器件性能等方面相较国际先进水平仍存在一定差距。为缩小差距、弥补不足，应从以下方面开展工作：1）优化设计，进行新材料、新工艺的应用研究，进一步提高主要零部件的可靠性和寿命；2）提高主要零部件的质量一致性和稳定性；3）开展电子元器件全国产化替代工作，提升性能和可靠性，实现100%自主可控。

4）开展柴油机系列化研制，形成舰船中高速柴油机系列化型谱

开展多缸柴油机系列化自主研制；通过结构和材料优化，减小柴油机的体积和质量，提升功率密度；提高柴油机的环境适用性和可靠性；提升国产化率，并进行样机研制和性能验证。

5）加强前沿技术和基础研究，实现跨越式发展

加强前沿技术和基础研究，提前谋划产品的升级换代。开展极限柴油机以及自适应控制等关键技术研究，为研制更高功率密度的柴油机打好基础；加强柴油机主要零部件磨损机理、柴油机数字孪生模型等基础技术研究，为将来实现智能维修和运维奠定基础；主动谋划第四代舰船柴油机发展规划和型谱研究，明确第四代舰船柴油机的技术特征和发展路线。

5 结论

本文梳理了我国舰船柴油机的发展现状，详细分析了当前不足之处及技术需求，并提出了未来发展方向与重点技术攻关方向。希望可以为我国舰船柴油机的研制提供一定参考。