船用柴油機(jī)百年發(fā)展簡(jiǎn)史

1、船用柴油機(jī)百年發(fā)展簡(jiǎn)史引自霹靂貝貝一柴油機(jī)的誕生自從18世紀(jì)末瓦特改良蒸汽機(jī)以來(lái)，蒸汽機(jī)成為推動(dòng)世界發(fā)展的動(dòng)力。1805年，富爾頓發(fā)明了實(shí)用的蒸汽機(jī)船，從此以后很多船舶開(kāi)始用上了蒸汽機(jī)。不過(guò)早期的蒸汽機(jī)工作壓力很低，結(jié)構(gòu)極其笨重，效率不到5%。19世紀(jì)初，改進(jìn)蒸汽機(jī)，提高熱效率就成為許多科學(xué)家和工程師畢生追求的目標(biāo)。法國(guó)人薩迪.卡諾（Sadi Carnot，1796-1832）就是其中杰出的代表?？ㄖZ認(rèn)為，要想改進(jìn)熱機(jī)，只有從理論上找出依據(jù)。因此他從熱力學(xué)理論的高度著手研究熱機(jī)效率，提出了著名的“卡諾循環(huán)”。 圖1.1 熱力學(xué)大師薩迪.卡諾圖1.2 “卡諾循環(huán)”P(pán)-V（壓力-體積）圖

2、“卡諾循環(huán)”是一個(gè)理想的過(guò)程，分四個(gè)階段。1-2，可逆等溫膨脹過(guò)程。2-3， 等熵膨脹過(guò)程。3-4，可逆等溫壓縮過(guò)程：4-1，等熵壓縮過(guò)程。工質(zhì)經(jīng)過(guò)這四個(gè)過(guò)程循環(huán)后，吸收能量，對(duì)外做功，隨后又回到原來(lái)的狀態(tài)?？ㄖZ循環(huán)只是一個(gè)理想狀態(tài)的熱機(jī)，現(xiàn)實(shí)中沒(méi)有任何熱機(jī)的效率可以達(dá)到卡諾熱機(jī)的效率，但它卻為分析熱機(jī)效率提供了基礎(chǔ)的方法。從卡諾循環(huán)的分析可以看出，增大工質(zhì)循環(huán)的初始溫度與循環(huán)終了溫度之間的差值，是提高熱機(jī)效率最為簡(jiǎn)便的途徑。迄今為止，熱機(jī)效率所有重大的提升和改進(jìn)都是在這個(gè)準(zhǔn)則指導(dǎo)下進(jìn)行的。        有了理論指導(dǎo)后，蒸汽機(jī)功率和效率都得以提高，這種

3、提高主要取決于蒸汽參數(shù)的提高。初期蒸汽機(jī)的蒸汽壓力僅為0.110.13兆帕（一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=0.101325兆帕，僅相當(dāng)于大氣壓）。19世紀(jì)初蒸汽壓力達(dá)到0.350.7兆帕，到1840年，最好的凝汽式蒸汽機(jī)總效率已經(jīng)能達(dá)到8%。隨著蒸汽參數(shù)和功率的提高，蒸汽已不可能只在一個(gè)汽缸中膨脹，必須在相連的汽缸中繼續(xù)膨脹，于是出現(xiàn)了多級(jí)膨脹的蒸汽機(jī)。由于蒸汽機(jī)受到潤(rùn)滑油閃點(diǎn)的限制，所用蒸汽的最高溫度一般都不超過(guò)400。機(jī)車(chē)，輪船等移動(dòng)式蒸汽機(jī)的工作溫度還要略低一些，多數(shù)不高于350?？紤]到膨脹的可能性和結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，常用蒸汽壓力在2.5兆帕以下。由于蒸汽參數(shù)受到限制，從而也限制了蒸汽機(jī)功率和效率的進(jìn)一步提

4、高。        為了避免蒸汽機(jī)粗大笨重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以小型化的缺點(diǎn)，歐洲的發(fā)明家們紛紛開(kāi)始研究新型熱機(jī)。德國(guó)工程師奧托（N.A Otto 18321891）通過(guò)效仿卡諾循環(huán)的研究方法，提出了“奧托循環(huán)”，即定容加熱循環(huán)原理。“奧托循環(huán)”的基本工作原理為，將可燃?xì)怏w在氣缸中壓縮，再點(diǎn)燃?jí)嚎s可燃?xì)怏w，產(chǎn)生很強(qiáng)的推力，從而提高熱效率和輸出功率。奧托創(chuàng)建的內(nèi)燃機(jī)工作原理一直在現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)（汽油機(jī)）上沿用至今。1876奧托的第一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)為單缸臥式，功率3.2千瓦（4.4馬力），四沖程，轉(zhuǎn)速為156轉(zhuǎn)/分，壓縮比為2.66，熱效率達(dá)到14%，大大超過(guò)了蒸汽機(jī)。

5、不過(guò)當(dāng)時(shí)石油工業(yè)還處于襁褓時(shí)期，更談不上汽油（第一臺(tái)汽油機(jī)還要等到1883年才問(wèn)世），因此這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)采用的燃料是煤氣。由于煤氣存儲(chǔ)不便，存在安全性較差的缺點(diǎn)。同時(shí)由于奧托的內(nèi)燃機(jī)采用的是點(diǎn)燃方式，當(dāng)時(shí)完善的電點(diǎn)火裝置還沒(méi)有發(fā)明，點(diǎn)火裝置可靠性也不佳。 圖1.3 內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明人-奧托一名德國(guó)裔的法國(guó)工程師決定改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)，他就是魯?shù)婪?狄塞爾（Rudolf Diesel，1858-1913）。狄塞爾1856年出生于法國(guó)巴黎，父母是德國(guó)移民。1870年普發(fā)戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)后，他移居到德國(guó)奧格斯堡的叔叔家，在那里他就讀職業(yè)學(xué)校。1875年，他進(jìn)入慕尼黑科技大學(xué)學(xué)習(xí)，5年后以第一名的成績(jī)畢業(yè)并返回巴黎

6、從事制冷專(zhuān)業(yè)。在工作中，他深感蒸汽機(jī)的效率低下，于是萌發(fā)了設(shè)計(jì)新型發(fā)動(dòng)機(jī)的念頭。1890年他回到柏林，不久后他建造了一臺(tái)以氨氣為動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)并進(jìn)行研究，但不幸的是，發(fā)動(dòng)機(jī)的爆炸差點(diǎn)要了他的命。出院后他繼續(xù)研究工作，并在1893年發(fā)表了著名的論文Theory and Construction of a Rational Heat-engine to Replace the Steam Engine and Combustion Engines Known Today（取代現(xiàn)有蒸氣發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的合理的熱發(fā)動(dòng)機(jī)理論和設(shè)計(jì)），在論文中他提出了定壓加熱循環(huán)原理（即“狄塞爾”循環(huán)），并申請(qǐng)了專(zhuān)利。&

7、#160;圖1.4 柴油機(jī)的發(fā)明人魯?shù)婪?狄塞爾為了實(shí)現(xiàn)他的想法，他找到德國(guó)奧格斯堡機(jī)器制造廠，也就是今天大名鼎鼎的曼恩（M.A.N）公司的前身。1897年，他成功制造了一臺(tái)能安全運(yùn)轉(zhuǎn)的熱機(jī)。在奧格斯堡他親自啟動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)，那一瞬間，熱機(jī)領(lǐng)域一次新的科技革命誕生了。雖然這臺(tái)單缸引擎的功率僅為14瓦，但效率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)時(shí)的蒸汽機(jī)和已經(jīng)發(fā)明的奧托式內(nèi)燃機(jī)，達(dá)到了前所未有的26%。現(xiàn)在，這臺(tái)機(jī)器的復(fù)制品（原件已經(jīng)不幸在二戰(zhàn)中損毀）被收藏在慕尼黑德意志科技博物館里，狄賽爾也永遠(yuǎn)被人們銘記。今天英文的柴油機(jī)一詞“Diesel Engine”就是以他的姓氏來(lái)命名的。不過(guò)當(dāng)時(shí)柴油機(jī)并沒(méi)有使用柴油，使用的是植

8、物油。實(shí)際上，“Diesel Engine”更準(zhǔn)確的中文翻譯應(yīng)該是“壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)”，不過(guò)“柴油機(jī)”的名稱(chēng)已經(jīng)深入人心，也不必苛求了。 圖1.5 世界上第一臺(tái)柴油機(jī)狄塞爾柴油機(jī)為單缸四沖程柴油機(jī)，雖然柴油機(jī)經(jīng)過(guò)了100多年的發(fā)展，但其基本原理都是基于狄塞爾提出的定壓膨脹原理。柴油機(jī)主要由氣缸、活塞、連桿、曲軸、進(jìn)氣門(mén)、排氣門(mén)、噴油嘴等部件組成。4沖程柴油機(jī)的工作循環(huán)經(jīng)歷進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣四個(gè)沖程。柴油機(jī)在進(jìn)氣沖程吸人的是純空氣，在壓縮沖程接近結(jié)束時(shí)，由噴油泵將高壓柴油通過(guò)噴油器以霧狀噴人氣缸，在短時(shí)間內(nèi)與壓縮后的高溫、高壓空氣混合，形成可燃混合氣。混合氣溫度大大超過(guò)柴油的自燃點(diǎn)，柴

9、油噴人氣缸后，在很短的時(shí)間內(nèi)即自行著火燃燒，燃?xì)鈮毫眲∩仙?，溫度急劇升高，在高壓氣體推動(dòng)下，活塞向下運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)作功。廢氣則經(jīng)排氣門(mén)、排氣管等處排人大氣。 圖1.6 四沖程柴油機(jī)的工作原理四沖柴油機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)中，只有一個(gè)沖程做功，其余三個(gè)沖程都是為做功沖程創(chuàng)造條件的輔助行程。因此，單缸發(fā)動(dòng)機(jī)工作不平穩(wěn)，需要通過(guò)飛輪等保證其圓周運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)代柴油機(jī)大多采用多缸結(jié)構(gòu)，在多缸發(fā)動(dòng)機(jī)中，所有氣缸的做功行程并不同時(shí)進(jìn)行，而盡可能有一個(gè)均勻的做功間隔。例如六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，在完成一個(gè)工作循環(huán)中，曲軸旋轉(zhuǎn)兩周即720度，曲軸轉(zhuǎn)角每隔120度就有一個(gè)氣缸做功。因而多缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)均勻，工作平穩(wěn)，

10、并可獲得足夠大的功率。 雖然柴油和汽油同為內(nèi)燃機(jī)燃料，但柴油屬于石油分餾中較重的餾分，餾出溫度高，粘度比汽油大，不易蒸發(fā)，然而其自燃點(diǎn)卻低于汽油，故柴油機(jī)內(nèi)可燃混合氣的形成和燃燒方式與汽油機(jī)不同。        柴油機(jī)        汽油機(jī)基本原理        定壓加熱循環(huán)        定容加熱循環(huán)燃料混合方式        柴油直接噴入汽缸，在汽缸內(nèi)實(shí)現(xiàn)油氣混合 

11、60;     向汽缸噴入已經(jīng)混合好的汽油、空氣混合；一般使用化油器（現(xiàn)代汽油機(jī)使用電子噴射方式）產(chǎn)生混合氣體點(diǎn)火方式        壓燃、依靠汽缸的高溫、高壓使用柴油自燃        點(diǎn)燃方式，一般使用電火花塞發(fā)火壓縮比        最高可達(dá)20以上        一般為10以?xún)?nèi)柴油機(jī)和汽油機(jī)的差異汽油機(jī)與柴油機(jī)比較各有特點(diǎn)；汽油機(jī)轉(zhuǎn)速高，質(zhì)量小，噪音小，起動(dòng)容易，制造成本低，多用于汽車(chē)等小功率的場(chǎng)合；柴油機(jī)壓

12、縮比大，熱效率高，輸出功率大，經(jīng)濟(jì)性能和排放性能都比汽油機(jī)好。一般來(lái)說(shuō)，柴油機(jī)的氣缸數(shù)越多、缸徑越大、活塞行程越長(zhǎng)、汽缸壓力越大，輸出功率也就越大。當(dāng)今，柴油機(jī)在重型汽車(chē)、重型機(jī)械、火車(chē)和船舶推進(jìn)、電站等方面均有廣泛應(yīng)用。?二柴油機(jī)應(yīng)用于船舶推進(jìn)        狄塞爾本想將柴油機(jī)用于汽車(chē)，但是直到他去世，這個(gè)夢(mèng)想也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。不過(guò)隨著石油的開(kāi)發(fā)，柴油卻率先在船舶推進(jìn)中得到應(yīng)用。1903年，俄國(guó)的“萬(wàn)達(dá)爾” 號(hào)（Vandal）油輪和法國(guó)的“佩迪特.皮埃爾” 號(hào)（Petite-Pierre）成為最早裝備柴油機(jī)的船舶，她們幾乎同時(shí)建成服役，至于誰(shuí)更早一些，不同的

13、資料有不同的看法。        “萬(wàn)達(dá)爾”號(hào)由卡爾.哈格林（Karl Hagelin）為俄國(guó)的石油巨頭-諾貝爾兄弟公司（Branobel）設(shè)計(jì)（該公司是諾貝爾家族在俄國(guó)投資的石油公司，偉大的發(fā)明家阿爾弗雷德.諾貝爾就是出自該家族）。哈格林十分具有遠(yuǎn)見(jiàn)，他設(shè)計(jì)了一艘內(nèi)河油輪，這艘船可以將里海的石油從伏爾加河下游經(jīng)內(nèi)陸河道直接運(yùn)到圣彼得堡或芬蘭，距離超過(guò)1800英里！以前這條路線(xiàn)上主要是通過(guò)內(nèi)河駁船進(jìn)行運(yùn)輸，采用蒸汽拖船拖曳，長(zhǎng)距離的經(jīng)濟(jì)性不是很好。哈格林覺(jué)得新興的柴油機(jī)可以用來(lái)一試。他考慮到內(nèi)河船舶操作的靈活性，調(diào)速和倒車(chē)等因素，決定采用柴油機(jī)電力驅(qū)動(dòng)方

14、式。他聘請(qǐng)了船舶設(shè)計(jì)師約翰尼.約翰遜（Johny Johnson）進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，并由索莫夫船廠（Sormovo shipyard）建造?！叭f(wàn)達(dá)爾”號(hào)噸位為800噸，長(zhǎng)74.5米，寬9.55米，吃水2.4米，船上采用3臺(tái)瑞典柴油機(jī)公司（Swedish Diesel）和ASEA公司合作生產(chǎn)的柴油機(jī)，缸徑290毫米，行程為430毫米，轉(zhuǎn)速240轉(zhuǎn)/分，單臺(tái)輸出功率120馬力。該船的柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)放在船的中部，推進(jìn)電機(jī)在船尾部，可直接驅(qū)動(dòng)三個(gè)螺旋槳，航速可達(dá)8.3節(jié)。 圖2.1 “萬(wàn)達(dá)爾”號(hào)        次年，諾貝爾兄弟公司又投資建造了一艘更大油船“

15、薩瑪特” 號(hào)（Sarmat）。這艘船排水量1,150噸，載重750噸。她采用了2臺(tái)路德維格.諾貝爾（Ludwig Nobel）公司的180馬力柴油機(jī)（缸徑320毫米，行程為420毫米）。她摒棄了電力傳動(dòng)，由柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，籍此降低了15%的傳動(dòng)損失，航速達(dá)8.6節(jié)。由于俄羅斯北方寒冷，河流封凍，兩艘油船僅在夏天使用，“萬(wàn)達(dá)爾”號(hào)運(yùn)行了10年時(shí)間，而“薩瑪特”號(hào)則一直使用到1923年。        法國(guó)的“佩迪特.皮埃爾”號(hào)則是一艘柴油機(jī)動(dòng)力平底駁船，該船裝一臺(tái)25馬力的柴油機(jī)，1903年9月，她開(kāi)始在馬爾納-里昂的運(yùn)河上開(kāi)行。柴油機(jī)的發(fā)明人狄塞爾

16、還曾受邀上船參觀過(guò)，并簽名留念。 圖2.2 “佩迪特.皮埃爾”號(hào)的照片，上有狄塞爾簽名        第一艘柴油機(jī)動(dòng)力軍艦是1904年法國(guó)建造的“埃吉瑞特” 號(hào)（Aigrette）潛艇，同型艇共兩艘。該艇水面排水量202噸，水下排水量222噸，長(zhǎng)/寬/吃水分別為41.3/3.0/2.8米，武器為兩具450毫米魚(yú)雷發(fā)射管，船員16人。她裝有一臺(tái)4缸4沖程柴油機(jī)。潛艇水上航行時(shí)采用柴油機(jī)直接推進(jìn)螺旋槳，并為蓄電池充電。水下航行切換到蓄電池-電機(jī)，水上航速9節(jié)，水下航速7.1節(jié)，續(xù)航力500海里/5節(jié)，水下為45海里/4節(jié)。   

17、     與原先潛艇上普遍使用的汽油機(jī)相比，柴油機(jī)在發(fā)火時(shí)不需要復(fù)雜的點(diǎn)火裝置，無(wú)汽油揮發(fā)爆燃的危險(xiǎn)，產(chǎn)生的廢氣中有毒氣體相對(duì)較少，具有熱效率高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。隨后，英國(guó)也開(kāi)始裝備柴油機(jī)動(dòng)力的D1級(jí)潛艇，柴油機(jī)逐漸成為常規(guī)潛艇的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力配置，直至今日。 圖2.3 英國(guó)D1型潛艇模型?三柴油機(jī)邁向遠(yuǎn)洋早期柴油機(jī)主要應(yīng)用于內(nèi)河船舶和近岸潛艇，在經(jīng)歷了最初的發(fā)展階段后，柴油機(jī)技術(shù)日益成熟，單機(jī)功率和可靠性都有大幅提高，為柴油機(jī)航向大海和遠(yuǎn)洋創(chuàng)造了基礎(chǔ)。1910年，意大利坎蒂里公司（Cantieri Navali Riuniti）建造了一艘678噸的海輪，命名為“羅馬格

18、那” 號(hào)（Romagna），雙槳推進(jìn)。該船采用了兩臺(tái)瑞士蘇爾壽（Sulzer）公司的4缸二沖程柴油機(jī)，缸徑310毫米，行程460毫米，單臺(tái)輸出功率為280千瓦（370馬力）。同年，盎格魯.薩克森（Anglo-Saxo）石油公司（荷蘭皇家殼牌的子公司）訂造了一艘1,216載重噸（排水量2,047噸）的單螺旋槳油輪“瓦卡納斯” 號(hào)（Vulcanus）。該船采用了一臺(tái)370馬力6缸4沖程柴油機(jī)（缸徑400毫米，行程600毫米）。這艘船也是有史以來(lái)第一艘入籍勞氏船籍社的柴油機(jī)動(dòng)力船舶。她被用于在新不列顛島和新加坡之間運(yùn)輸石油。在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，柴油機(jī)的節(jié)能效果得到充分體現(xiàn)，日均消耗燃油為2噸，而同類(lèi)型的蒸

19、汽機(jī)船每天需要耗煤11噸。船上輪機(jī)部門(mén)的工作人員也減少了一半，該船一直服役到1932年。 圖3.1 “瓦卡納斯” 號(hào)油輪1912年，是人類(lèi)航海史上重要的一年。這一年，第一艘真正意義上的大型遠(yuǎn)洋輪船-“錫蘭迪亞”號(hào)（MS Selandia，MS為Moter Ship）建成，該船由丹麥遠(yuǎn)東公司（East Asiatic Company）公司投資。遠(yuǎn)東公司成立于1897年，公司的主要是業(yè)務(wù)是經(jīng)營(yíng)從丹麥?zhǔn)锥几绫竟教﹪?guó)首都曼谷和遠(yuǎn)東地區(qū)的航線(xiàn)，從事貨物和人員運(yùn)輸。這是一條極其漫長(zhǎng)的航路，出北海、經(jīng)英吉利海峽南下，穿過(guò)直布羅陀入地中海，經(jīng)蘇伊士運(yùn)河進(jìn)入紅海，再橫渡印度洋，航程超過(guò)1萬(wàn)海里，以

20、平均速度12節(jié)計(jì)算，海船需要連續(xù)航行約一個(gè)多月的時(shí)間。 圖3.2 世界上第一艘遠(yuǎn)洋柴油機(jī)輪船，“錫蘭迪亞”號(hào) 圖3.3 “錫蘭迪亞”號(hào)的繪畫(huà)        “錫蘭迪亞”號(hào)由丹麥哥本哈根的伯梅斯特和韋恩船廠（Burmeister & Wain，簡(jiǎn)稱(chēng)B&W）建造。B&W創(chuàng)立于1846年，由伯梅斯特和韋恩兩人創(chuàng)立，早期主要從事蒸汽機(jī)和蒸汽機(jī)輪船的生產(chǎn)。1898年B&W公司從狄塞爾那里獲得了柴油機(jī)在丹麥的生產(chǎn)特許權(quán)，并于1903年制造出第一臺(tái)柴油機(jī)。        “錫蘭

21、迪亞”號(hào)為一艘客貨輪，她于1911年11月下水，1912年2月交付使用。長(zhǎng)112.8米 ，寬16.8米，總噸位4,964噸，載重量為6,800噸。她采用了兩臺(tái)B&W自產(chǎn)的DM8150X型柴油機(jī)（8缸4沖程、缸徑530毫米、行程750毫米，單機(jī)功率1,250馬力），雙槳推進(jìn)，航速可達(dá)12節(jié)以上。 圖3.4 B&W DM8150X型柴油機(jī)“錫蘭迪亞”號(hào)采用三島型布局，有艏樓、中樓和尾樓。艏樓后部、中樓和尾樓之間是貨艙，船上沒(méi)有的煙囪，而是通過(guò)前桅進(jìn)行排煙。除了載貨外，船上還有20間一等單人客房，每?jī)砷g房間共享淋浴和衛(wèi)生設(shè)施。完工后，她直航遠(yuǎn)東，并順利返回，全程2.18萬(wàn)海

22、里。“錫蘭迪亞”號(hào)遠(yuǎn)航的成功，證明柴油機(jī)完全適應(yīng)遠(yuǎn)洋輪船的需要。1936年，她被出售給巴拿馬的一家公司。二戰(zhàn)爆發(fā)后，她被日本征用，1942年1月，在日本御前崎市外海觸礁沉沒(méi)?！板a蘭迪亞”號(hào)同型船一共建了三艘，另外兩艘分別為“費(fèi)奧尼亞”（Fionia）號(hào)和“日德蘭蒂亞”（Jutlandia）號(hào)。柴油機(jī)在大型遠(yuǎn)洋輪船上的應(yīng)用，標(biāo)志著柴油已經(jīng)日漸成熟。雖然在絕對(duì)數(shù)量上柴油機(jī)船舶還很少，但柴油機(jī)的前景已經(jīng)被人們所認(rèn)識(shí)。1912年，瑞士蘇爾壽公司為了展示柴油機(jī)的潛力，投資建造了一臺(tái)缸徑為1,000毫米，沖程1,100毫米的1S100型單缸巨型柴油機(jī)。這臺(tái)柴油機(jī)在150轉(zhuǎn)時(shí)可發(fā)出1,470千瓦（2,000

23、馬力）的功率，它創(chuàng)造的柴油機(jī)缸徑記錄直到1960年代才被打破。該機(jī)研制成功也對(duì)船用柴油機(jī)向大型化發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。蘇爾壽公司在1S100型柴油機(jī)采用了二沖程橫流掃氣結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)也成為蘇爾壽柴油機(jī)的標(biāo)志型結(jié)構(gòu)，并一直沿用了70年。 圖3.5 蘇爾壽1S100型柴油機(jī)        1913年初，德國(guó)的漢堡-美洲公司6,500噸級(jí)客貨輪“蒙特.佩內(nèi)多”號(hào)（Monte Penedo）是第一艘使用二沖程柴油機(jī)的大型遠(yuǎn)洋輪。長(zhǎng)/寬/深分別為350/50/27英尺（1英尺= 30.48 厘米），載重4,000噸，總噸位6,500噸。她安裝有兩臺(tái)瑞士蘇

24、爾壽公司制造的4S47型二沖程柴油機(jī)，缸徑470毫米、行程680毫米、160轉(zhuǎn)時(shí)可輸出功率860馬力。同時(shí)她也是德國(guó)第一艘大型柴油機(jī)遠(yuǎn)洋輪。 圖3.6 “蒙特.佩內(nèi)多”號(hào) 圖3.7 蘇爾壽4S47型二沖程柴油機(jī)        1914年，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，德國(guó)建造了300多艘潛艇，除了早期的U1-U18煤油動(dòng)力內(nèi)燃機(jī)潛艇外，從U19后全部采用柴油機(jī)動(dòng)力。這些潛艇分別由日耳曼尼亞、皇家、布洛姆福斯等多家船廠承建。德國(guó)潛艇分為中型潛艇、大型/巡洋/運(yùn)輸潛艇、UB近海潛艇、UC型近海布雷潛艇、UE型遠(yuǎn)洋布雷潛艇等不同種類(lèi)。戰(zhàn)爭(zhēng)中，U型潛艇

25、以其卓越的水下機(jī)動(dòng)性和作戰(zhàn)能力在海上出盡了風(fēng)頭，給協(xié)約國(guó)商船和戰(zhàn)艦以重大打擊，共擊沉協(xié)約國(guó)商船6,000艘，注冊(cè)噸位1,200萬(wàn)噸，擊沉軍艦150艘，德國(guó)自身也損失潛艇178艘。超強(qiáng)的續(xù)航能力和可靠性充分體現(xiàn)了柴油機(jī)動(dòng)力的優(yōu)勢(shì)，曼恩公司也開(kāi)始在柴油機(jī)領(lǐng)域樹(shù)立起不可動(dòng)搖的地位。在未來(lái)的幾十年內(nèi)，曼恩與丹麥B&W、瑞士蘇爾壽等公司相互競(jìng)爭(zhēng)，并發(fā)展為船用大功率船用柴油機(jī)的巨頭。 圖3.8 一戰(zhàn)時(shí)潛艇的柴油機(jī)機(jī)艙?四船用柴油機(jī)的普及第一次世界大戰(zhàn)后，柴油機(jī)性能有了新的提高，柴油機(jī)的裝船數(shù)量開(kāi)始上升，1921年左右柴油機(jī)已經(jīng)開(kāi)始在客輪上使用。1922年，新西蘭聯(lián)合航運(yùn)公司（Union

26、Steamship Co of New Zealand）向英國(guó)的菲爾費(fèi)爾德（Fairfield）船廠訂購(gòu)了一艘大型柴油機(jī)動(dòng)力客輪“阿朗伊” 號(hào)（Aorangi）。該船全長(zhǎng)600英尺，寬72.2英尺，吃水29.9英尺，17,491總噸，安裝4臺(tái)蘇爾壽ST70型6缸2沖程柴油機(jī)（缸徑700毫米，行程990毫米），單臺(tái)輸出功率3,177馬力，4軸，航速17節(jié)。船上有440個(gè)一等、300個(gè)二等和230個(gè)三等鋪位。經(jīng)過(guò)2年的建造，“阿朗伊” 號(hào)建成，開(kāi)始在溫哥華-悉尼航線(xiàn)上服務(wù)。二戰(zhàn)爆發(fā)后她先后被改造為運(yùn)兵船，醫(yī)院船等。戰(zhàn)爭(zhēng)期間她一共運(yùn)輸了3.6萬(wàn)名士兵和5千多名難民，戰(zhàn)后她恢復(fù)運(yùn)營(yíng)，并于1953年拆毀

27、。 圖4.1 “阿朗伊” 號(hào)客輪        柴油機(jī)裝船后的良好表現(xiàn)改變了人們?cè)日J(rèn)為柴油機(jī)不適合大型船舶使用的偏見(jiàn)。1925年，瑞典-美洲航運(yùn)公司（Swedish America Line）向英國(guó)阿姆特朗.威斯沃斯（Armstrong Whitworth）公司訂購(gòu)的“格里普斯霍姆”號(hào)（Gripsholm）交付。該船18,134總噸，采用2臺(tái)B&W公司建造的B&W840D型4沖程柴油機(jī)（缸徑為840毫米，雙動(dòng)），總功率達(dá)9,930千瓦（13,240馬力）。她也是第一艘采用柴油機(jī)動(dòng)力的跨大西洋定期班輪。不久后英國(guó)的哈蘭德.沃爾夫

28、船廠為聯(lián)合城堡航運(yùn)公司（Union Castle Line）建造了超過(guò)2萬(wàn)噸的“卡那封城堡”號(hào)。該船上安裝有哈蘭德.沃爾夫船廠購(gòu)買(mǎi)B&W公司專(zhuān)利生產(chǎn)的4沖程雙動(dòng)柴油機(jī)，雙機(jī)，總功率為1.1萬(wàn)千瓦（1.5萬(wàn)馬力）。 圖4.2 “格里普斯霍姆”號(hào)客輪 圖4.3 B&W 840D型4沖程雙動(dòng)柴油機(jī)1920年代末，英國(guó)約翰.布朗公司采用蘇爾壽專(zhuān)利技術(shù)制造了5缸S90型柴油機(jī)，具有900毫米缸徑，是當(dāng)時(shí)世界上最大缸徑的柴油機(jī)，單機(jī)功率為4,650馬力。這些機(jī)器被裝到兩艘“蘭基提奇”級(jí)（Rangitiki）客輪船上，每船裝機(jī)兩臺(tái)。 圖4.4 “蘭基提奇”號(hào)客輪

29、        1926年12月，總噸位超過(guò)32,650噸的“奧古斯塔斯”號(hào)（Augustus）客輪在意大利安薩爾多船廠建成下水，她屬于意大利Navigazione Generale Italiana公司。她的姊妹船“羅馬”號(hào)（SS ROMA）是一艘傳統(tǒng)的蒸汽輪機(jī)客輪，而“奧古斯塔斯”號(hào)則裝備了4臺(tái)曼恩公司建造的6缸雙動(dòng)二沖程柴油機(jī)（缸徑700毫米，行程1,200毫米，總功率2.8萬(wàn)馬力）。該船長(zhǎng)219米，寬25米，4軸，航速22節(jié)，載客2,210人，內(nèi)部裝飾豪華。1927年6月她完成首航，是當(dāng)時(shí)世界上最大和最豪華的柴油機(jī)動(dòng)力客輪。1929年經(jīng)濟(jì)危機(jī)后，

30、跨大西洋的運(yùn)輸明顯萎縮。意大利人主要將該船作為游船使用。1932年，獨(dú)裁者墨索里尼強(qiáng)迫Navigazione Generale Italiana與意大利國(guó)有的意大利航運(yùn)公司（Italia Line）合并，因此“奧古斯塔斯”號(hào)重新采用了意大利航運(yùn)公司的涂裝。1933年1月4日，她滿(mǎn)載富豪從紐約出發(fā)，完成了為期129天的環(huán)球巡游，途經(jīng)全球數(shù)十個(gè)港口，其中就包括中國(guó)香港和上海。二戰(zhàn)爆發(fā)后，兩艘姊妹船一度閑置。1941年，意大利法西斯開(kāi)始將“羅馬”號(hào)客輪改裝為航母“天鷹” 號(hào)（Aquila），該艦主要參數(shù)為，排水量：標(biāo)準(zhǔn)23,350噸/滿(mǎn)載27,800噸，總長(zhǎng)232.5米，寬29.4米，吃水7.31米

31、。武備：?jiǎn)喂?35毫米炮8座，單管65毫米高炮12座，六管20毫米炮22座，載機(jī)26架。動(dòng)力：蒸汽輪機(jī)2臺(tái)，4軸，14.2萬(wàn)馬力，航速30節(jié)，續(xù)航力4,150海里/18節(jié)。艦員1,165名，另加航空人員243名。直到納粹投降時(shí)，“天鷹”號(hào)的改裝工作都沒(méi)完成。1942年9月意大利人又開(kāi)始將超過(guò)3萬(wàn)噸的“奧古斯塔斯”號(hào)客輪改裝為“鷂鷹”號(hào)（Falco）航母，基本布局與“天鷹”號(hào)號(hào)類(lèi)似?！苞_鷹”號(hào)同樣命途多舛，意大利投降時(shí)，改裝工作還沒(méi)完成，之后她被德軍鑿沉在熱那亞港以阻礙盟軍船只進(jìn)入。這兩艘航母最終都在上世紀(jì)40年代末期被拆解。    圖4.5 “奧古斯塔斯

32、”號(hào)豪華郵輪 圖4.6 “天鷹”級(jí)航空母艦1928年，著名的英國(guó)白星輪船公司（White Star Line，“泰坦尼克”號(hào)即屬于該公司所有）看到柴油機(jī)的優(yōu)越性后，向其長(zhǎng)期的合作伙伴哈蘭德.沃爾夫公司訂購(gòu)了一艘巨型柴油機(jī)客輪“海洋”（Oceanic）號(hào)。這艘船長(zhǎng)度超過(guò)300米，總噸位超過(guò)6萬(wàn)噸，有3個(gè)巨大的煙囪。船上計(jì)劃安裝40臺(tái)柴油機(jī)，并通過(guò)齒輪減速箱驅(qū)動(dòng)4個(gè)螺旋槳。隨著1929年經(jīng)濟(jì)危機(jī)的爆發(fā)，這艘巨輪最終只能停留在繪圖板上。船舶史專(zhuān)家們?cè)u(píng)論說(shuō)如果她建成的話(huà)，規(guī)模將不亞于“瑪麗王后”號(hào)和“諾曼底”號(hào)。圖4.7 想象中巨輪“海洋”號(hào)經(jīng)濟(jì)危機(jī)過(guò)后，各國(guó)經(jīng)濟(jì)開(kāi)始恢復(fù)。1930年代末，荷

33、蘭的“奧蘭治”號(hào)（ORANJE）成為動(dòng)力最強(qiáng)勁的柴油機(jī)動(dòng)力船舶。船上安裝有3臺(tái)蘇爾壽12缸SDT76式二沖程柴油機(jī)，該機(jī)有12個(gè)760毫米缸徑的氣缸，總功率達(dá)到27,600千瓦（37,551馬力，轉(zhuǎn)速為145轉(zhuǎn)/分時(shí)，單機(jī)功率超過(guò)了1萬(wàn)馬力），是二戰(zhàn)前船用柴油機(jī)的最高水平。        “奧蘭治”號(hào)也是一艘外形極其現(xiàn)代化的客輪，她由荷蘭航運(yùn)公司（Netherland Line）出資建造，1938年在阿姆斯特丹下水。荷蘭女王威廉.明娜親自主持下水典禮并為其命名?！皧W蘭治”號(hào)總噸位為20,117噸，長(zhǎng)200米，寬25.5米，3軸，最大速度可達(dá)26節(jié)，可載客

34、760人。她是當(dāng)時(shí)最快的柴油機(jī)船，外觀也頗具美感。她主要用于荷蘭和和荷屬東印度群島的旅客運(yùn)輸，1939年9月初期，她從阿姆斯特丹啟程航向爪哇，由于戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，未能返回荷蘭。1942年，日軍進(jìn)占荷屬東印度群島后，她不得不退往澳大利亞，并在那里改裝成醫(yī)院船，戰(zhàn)后她恢復(fù)運(yùn)營(yíng)。1960年，她還進(jìn)行了環(huán)球航行。1964年她被出售給一家意大利公司，并接受徹底的翻新。她的船首被延長(zhǎng)了4.9米，總噸位也上升到24,377噸，載客量增加到1,230人。1972年起，她又被改裝成一艘游輪，巡游于百慕大海域。1979年3月30日，船上燃起大火，幸虧大多數(shù)旅客已經(jīng)上岸，船上也無(wú)人員傷亡。4天后大火撲滅，船也坐沉海底。一

35、支德國(guó)打撈隊(duì)將其浮起，船東準(zhǔn)備將其賣(mài)給中國(guó)臺(tái)灣的拆船廠拆毀，她被成功的拖過(guò)巴拿馬運(yùn)河，但最終沒(méi)有熬到目的地，由于大火將船板破壞嚴(yán)重，造成漏水，她還是沉沒(méi)于太平洋的萬(wàn)頃波濤之中。 圖4.8 “奧蘭治”號(hào)郵輪        到二戰(zhàn)前，營(yíng)運(yùn)的內(nèi)燃機(jī)船舶的總噸位占遠(yuǎn)洋船舶總噸位的比重不斷上升，柴油機(jī)船隊(duì)的規(guī)模已經(jīng)達(dá)到世界商船規(guī)模的20%以上，而1920年，這個(gè)比例僅4%。而新建船舶中，柴油機(jī)裝船比例已經(jīng)超過(guò)50%。五柴油機(jī)的技術(shù)進(jìn)步1920年1930年末，是柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的黃金時(shí)代，柴油機(jī)越造越大，功率越來(lái)越高。新技術(shù)的出現(xiàn)促進(jìn)了柴油機(jī)的發(fā)展，主要技術(shù)

36、革新來(lái)自于燃油噴射的改進(jìn)和增壓技術(shù)的采用。         在狄塞爾的柴油機(jī)設(shè)計(jì)中，使用的是氣動(dòng)式燃料噴射系統(tǒng)。這套系統(tǒng)利用壓縮空氣將柴油噴入氣缸中，并達(dá)成良好的霧化，與空氣混合形成可燃混合氣，自動(dòng)著火燃燒。由于柴油機(jī)的壓縮比較高，氣缸內(nèi)的壓力很大，要把柴油噴入氣缸并霧化，空氣噴射壓力必須遠(yuǎn)大于氣缸壓力。因此需要一整套專(zhuān)用的壓縮空氣生產(chǎn)、儲(chǔ)存設(shè)備，還需要一套冷卻設(shè)備降低壓縮空氣的溫度。這些附屬裝置龐大笨重，不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，也使得故障發(fā)生的可能性增加了?？諝鈮嚎s機(jī)本身也由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，會(huì)消耗掉大約15%的輸出功率，從而使柴油機(jī)的可用軸功率下

37、降，經(jīng)濟(jì)性受到了一定的影響。 圖5.1 狄塞爾的空氣燃料噴射系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)使用的燃料為煤粉工程師們一直在思考如何摒棄笨重、復(fù)雜又不太可靠的空氣壓縮機(jī)、高壓儲(chǔ)氣罐等設(shè)備。1910年，英國(guó)維克斯（Vickers）公司的工程師詹姆斯.麥克里基（James McKechnie）提出了機(jī)械噴射的方案，并申請(qǐng)了專(zhuān)利。此舉大大提高了噴射效率，噴油壓力大為提高（機(jī)械噴射可使噴油壓力可以超過(guò)140bar（1bar=0.1兆帕，140bar約140個(gè)大氣壓，而采用空氣噴射，僅僅能達(dá)到7兆帕），噴油壓力的提高使燃料的霧化程度提高，和空氣能更均勻的混合，燃燒更充分，從而發(fā)出更大的功率。 圖5.2 Mc

38、Kechnie的機(jī)械式噴油系統(tǒng)1922年，德國(guó)的博世公司（Borsh）進(jìn)一步改進(jìn)了機(jī)械噴射結(jié)構(gòu)，采用了緊湊且適用于高壓的柱塞泵結(jié)構(gòu)，并投入批量生產(chǎn)。從此柴油機(jī)部件生產(chǎn)向?qū)I(yè)化分工發(fā)展，最終形成了產(chǎn)業(yè)化的規(guī)模。博世公司也逐步發(fā)展成為專(zhuān)業(yè)化的內(nèi)燃機(jī)燃油噴射控制系統(tǒng)和汽車(chē)零部件供應(yīng)商和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。1930年代后，船用柴油機(jī)向大功率方向發(fā)展，二沖程的使用日趨普遍。對(duì)于兩臺(tái)氣缸直徑、活塞行程及轉(zhuǎn)速等相同的柴油機(jī)，二沖程柴油機(jī)在一個(gè)循環(huán)中有1/2的沖程在作用，而4沖程柴油機(jī)僅有1/4時(shí)間做功，因此二沖程的輸出功率要明顯優(yōu)于四沖程。實(shí)際上由于考慮到二沖程柴油機(jī)氣缸上開(kāi)有氣口而使工作容積有所減少，機(jī)械傳動(dòng)的掃

39、氣泵也要消耗一定功率等因素，二沖程柴油機(jī)的功率只能增大6080。二沖程柴油機(jī)與四沖程柴油機(jī)基本結(jié)構(gòu)相同，主要差異在配氣機(jī)構(gòu)方面。二沖程柴油機(jī)沒(méi)有進(jìn)氣閥，有的連排氣閥也沒(méi)有，而是在氣缸下部開(kāi)設(shè)掃氣口及排氣口；或設(shè)掃氣口與排氣閥機(jī)構(gòu)。二沖程柴油機(jī)還專(zhuān)門(mén)設(shè)置一個(gè)由運(yùn)動(dòng)件帶動(dòng)的掃氣泵及貯存壓力空氣的掃氣箱，利用活塞與氣口的配合完成配氣，從而簡(jiǎn)化了柴油機(jī)結(jié)構(gòu)。 圖5.3 二沖程柴油機(jī)工作原理二沖程柴油機(jī)的工作與原理為：第一沖程-活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞處于下止點(diǎn)時(shí)，排氣閥和進(jìn)氣孔已打開(kāi)，掃氣室中的壓縮空氣便進(jìn)入氣缸內(nèi)，并沖向排氣閥，這動(dòng)產(chǎn)生清除廢氣的作用，同時(shí)也使氣缸內(nèi)充滿(mǎn)新空氣。當(dāng)活

40、塞由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣孔首先由活塞關(guān)閉，然后排氣閥也關(guān)閉；空氣在氣缸內(nèi)受到壓縮。第二沖程-活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)?；钊兄辽现裹c(diǎn)前，噴油器將燃油噴入燃燒室中，壓縮空氣所產(chǎn)生的高溫，立刻點(diǎn)燃霧化的燃油，燃燒所產(chǎn)生的壓力，推動(dòng)活塞下行，直到排氣閥再打開(kāi)時(shí)為止。燃燒后的廢氣在內(nèi)外壓力差的作用下，自行從排氣閥排出。當(dāng)進(jìn)氣孔被活塞打開(kāi)后，氣缸內(nèi)又進(jìn)行掃氣過(guò)程。二沖程內(nèi)燃機(jī)換氣后，氣缸內(nèi)殘余多少?gòu)U氣，或者說(shuō)氣缸內(nèi)能充入多少新鮮充量，直接影響內(nèi)燃機(jī)性能。二沖程內(nèi)燃機(jī)沒(méi)有單獨(dú)的排氣沖程和進(jìn)氣沖程，不能利用活塞的推擠作用清除廢氣，要使氣缸清掃干凈比較困難，難以得到高的掃氣質(zhì)量。因此，改進(jìn)二沖程內(nèi)燃機(jī)的

41、掃氣作用是一項(xiàng)重要的工作。二沖程內(nèi)燃機(jī)主要有橫流、回流和直流3種掃氣方式。        橫流掃氣        回流掃氣        直流掃氣結(jié)構(gòu)形式        掃、排氣口分別布置在氣缸下部的兩側(cè)        掃氣口和排氣口分別布置在氣缸下部的同一側(cè)        有氣口氣門(mén)式和氣口氣口式（即對(duì)置活塞式）之分工作原理    &#

42、160;   新鮮空氣橫越氣缸徑直流向排氣口        掃氣流充入氣缸后先向上流動(dòng)，再折轉(zhuǎn)流向排氣口，在氣缸內(nèi)形成掃氣回流        掃氣流由掃氣口進(jìn)入氣缸，沿氣缸軸線(xiàn)單向流動(dòng)，同時(shí)繞氣缸軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，將廢氣從氣缸頂端排氣門(mén)排出特點(diǎn)        結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，廢氣清除得不干凈，現(xiàn)已很少采用        掃氣質(zhì)量較高，結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，獲得廣泛應(yīng)用        掃氣質(zhì)量最好，應(yīng)用廣泛，尤其

43、適用于長(zhǎng)行程船用柴油機(jī)原理圖                           二沖程柴油機(jī)掃氣形式對(duì)比表        在二戰(zhàn)前，雙動(dòng)式的二沖程柴油機(jī)比較流行。這種柴油機(jī)在活塞的上下兩邊都設(shè)有燃燒室，可以推動(dòng)活塞在兩個(gè)方向都做功，因此稱(chēng)為雙動(dòng)。雙動(dòng)比單動(dòng)能輸出更大的功率，雙動(dòng)柴油機(jī)的設(shè)計(jì)與蒸汽機(jī)的結(jié)構(gòu)頗為相似。不過(guò)雙動(dòng)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且活塞桿穿透氣缸，因此對(duì)氣密要求

44、很高，現(xiàn)代柴油機(jī)已經(jīng)不再采用這種雙動(dòng)的方式了。?  圖5.4 雙動(dòng)式柴油機(jī)采用增壓技術(shù)在柴油機(jī)的發(fā)展中是一個(gè)里程碑，增壓技術(shù)顯著提高了進(jìn)氣壓力，空氣的壓縮比進(jìn)一步提高，在同等條件下，增壓顯著減少了柴油機(jī)的尺寸和重量，提升了輸出功率。1920年代，二沖程柴油機(jī)的興起后，在排氣過(guò)程中就必須用高壓空氣掃除氣缸中的廢氣，并吹入新鮮空氣，因此增壓器的作用就更為重要了。早期的機(jī)械增壓器直接用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸帶動(dòng)往復(fù)式增壓泵向掃氣箱中充氣，機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。1905年，瑞士工程師布奇（Alfred Büchi）提出了采用柴油機(jī)廢氣驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器進(jìn)行增壓的原理，也就是廢氣渦輪增壓，并申

45、請(qǐng)了專(zhuān)利。廢氣渦輪增壓器是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的具有較高能量（通?？烧既紵芰康?0%）的廢氣進(jìn)入渦輪并膨脹作功，廢氣渦輪的全部功率用于驅(qū)動(dòng)與渦輪機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)工作葉輪，在壓氣機(jī)中將新鮮空氣壓縮后再送入氣缸。廢氣渦輪增壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，無(wú)需占用柴油機(jī)的軸端輸出功率，不但可以增大循環(huán)噴油量、大大提高輸出功率，而且熱效率也得到了極大的提高，有利于改善整機(jī)動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能及排放品質(zhì)。 圖5.5 現(xiàn)代廢氣增壓器1915年，布奇在蘇爾壽的柴油機(jī)上進(jìn)行了廢氣增壓的試驗(yàn)。1927年，曼恩公司成功的在其生產(chǎn)的10缸4沖程柴油機(jī)上安裝了廢氣增壓裝置，對(duì)功率提升非常明顯，輸出功率從1,250千瓦提

46、升到1,765千瓦，提升幅度超過(guò)40%。曼恩增壓柴油機(jī)成功安裝到Preussen和Hansestadt Danzig兩艘船上，到1929年，廢氣增壓器已經(jīng)安裝到79臺(tái)柴油機(jī)上。 圖5.6 Hansestadt Danzig號(hào)        從總體來(lái)說(shuō)，在二戰(zhàn)前廢氣增壓技術(shù)在柴油機(jī)上的應(yīng)用還不是非常普遍。這與當(dāng)時(shí)旋轉(zhuǎn)式的渦輪和壓氣機(jī)研究尚處于入門(mén)階段有關(guān)，同時(shí)鋼鐵工業(yè)也不能提供足夠的能經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間高溫工況考驗(yàn)、可用于生產(chǎn)渦輪的耐熱鋼。大規(guī)模使用廢氣渦輪增壓技術(shù)還是1950年代后的事情。今天，除了一些小功率柴油機(jī)之外，廢氣渦輪增壓器幾乎已經(jīng)成為了柴油

47、機(jī)的必備部件之一。        ?六二戰(zhàn)中船用柴油機(jī)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用二戰(zhàn)前，柴油機(jī)還很少裝備大型軍艦。但有一個(gè)特例，那就是德國(guó)。德國(guó)作為第一次世界大戰(zhàn)中的戰(zhàn)敗國(guó)，其海軍受到凡爾賽和約的嚴(yán)格限制，被禁止建造排水量超過(guò)一萬(wàn)噸，主炮口徑超過(guò)280毫米的軍艦。德國(guó)海軍針對(duì)條約限制，開(kāi)始積極探索柴油機(jī)在軍艦上的應(yīng)用，并于1928年在“萊比錫”級(jí)輕巡洋艦上試驗(yàn)柴油機(jī)動(dòng)力。該級(jí)巡洋艦共建成兩艘，分別是“萊比錫”號(hào)（Leipzig）和“紐倫堡”號(hào)（Nürnberg）。艦長(zhǎng)177米，寬16.3米，吃水5.65米，排水量8,380噸（“紐倫堡”號(hào)有所增

48、加，布局有所變化）。兩艦采用蒸汽輪機(jī)和柴油機(jī)混合動(dòng)力，動(dòng)力布置非常獨(dú)特，其中中間一軸采用4臺(tái)曼恩公司2沖程7缸柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，總功率為12,400馬力；外側(cè)兩軸仍采用蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，總功率66,000馬力。這種動(dòng)力配置并不成功，兩種動(dòng)力裝置必須同時(shí)使用，軍艦的續(xù)航力也并不高，為5,700海里/19節(jié)。該級(jí)艦主要武器為9門(mén)150毫米炮和6門(mén)88毫米炮，4座3聯(lián)533毫米魚(yú)雷發(fā)射管，若干輕型高炮，還載有2架水上飛機(jī)。 圖6.1 “萊比錫”號(hào)輕巡洋艦德國(guó)人于1929年開(kāi)始動(dòng)工建造德意志級(jí)艦，德國(guó)人稱(chēng)之為裝甲艦（Panzerschiff）。由于主炮口徑超出當(dāng)時(shí)華盛頓海軍條約對(duì)巡洋艦的定義，其他國(guó)家

49、海軍稱(chēng)其為袖珍戰(zhàn)列艦（Pocket Battleship）?！暗乱庵尽奔?jí)突出的優(yōu)勢(shì)是其6門(mén)280毫米主炮，安裝在2座3聯(lián)裝主炮塔內(nèi)，以期在盡可能小尺度上集中最大的火力。德意志級(jí)在受到排水量限制與追求重火力的情況下，廣泛使用焊接技術(shù)，從而節(jié)省艦體重量?！暗乱庵尽奔?jí)裝甲防護(hù)基本與當(dāng)時(shí)的重巡洋艦相當(dāng)，裝甲總重量只占標(biāo)準(zhǔn)排水量20左右。“德意志”級(jí)的作戰(zhàn)目的非常明確：火力比當(dāng)時(shí)只有輕裝甲防護(hù)的重巡洋艦強(qiáng)，而26-28節(jié)的航速比當(dāng)時(shí)的戰(zhàn)列艦快，使其能避免與之交火。“德意志”級(jí)設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題就是如何盡可能地將排水量限制在一萬(wàn)噸內(nèi)，但又要滿(mǎn)足襲擊艦所要求的大航程和高速度。解決之道就是使用柴油機(jī)作為動(dòng)力源，在

50、動(dòng)力上她選用了8臺(tái)9缸曼恩M9 ZU 42/58柴油機(jī)，采用齒輪減速箱并機(jī)驅(qū)動(dòng)2部螺旋槳，輸出總功率達(dá)到52,050 馬力。這表明了德國(guó)海軍對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力和曼恩公司的信心。雖然柴油機(jī)在重量上并不比蒸汽輪機(jī)更輕，但是油耗卻遠(yuǎn)低于使用鍋爐的蒸汽輪機(jī)，可使其達(dá)到超長(zhǎng)的航程，達(dá)8,000海里/20節(jié)，遠(yuǎn)高于英美的巡洋艦。 圖6.2 曼恩M9 ZU 42/58柴油機(jī)“德意志”級(jí)同型艦三艘：“德意志”號(hào)（Deutschland）、“舍爾海軍上將”號(hào)（Admiral Scheer）、“格拉夫.斯佩”號(hào)（Admiral Graf Spee）。二戰(zhàn)中，三艦以其優(yōu)良的性能與皇家海軍周旋，給英國(guó)的補(bǔ)給線(xiàn)以沉

51、重打擊。不過(guò)柴油機(jī)也暴露出高速時(shí)震動(dòng)大的缺點(diǎn)，同時(shí)德意志級(jí)的速度也不是很高，如被敵方發(fā)現(xiàn)，很難擺脫，這成為“格拉夫.斯佩”號(hào)在拉普拉塔河口海戰(zhàn)中覆滅的重要原因之一。盡管德國(guó)有將柴油機(jī)裝到更大型軍艦上的計(jì)劃，但從實(shí)際情況出發(fā)，以后制造的“沙恩霍斯特”級(jí)戰(zhàn)列巡洋艦和“俾斯麥”級(jí)戰(zhàn)列艦均未再采用柴油機(jī)動(dòng)力。 圖6.3 德意志級(jí)的動(dòng)力結(jié)構(gòu)        二戰(zhàn)前，各參戰(zhàn)國(guó)海軍戰(zhàn)前共有潛艇660多艘，戰(zhàn)爭(zhēng)期間共建成潛艇1,800多艘，絕大多數(shù)都是柴油機(jī)動(dòng)力潛艇。二戰(zhàn)中，潛艇取得了驕人的戰(zhàn)績(jī)，共擊沉運(yùn)輸艦船4,820多艘、計(jì)2,180多萬(wàn)噸；擊沉大型、中型戰(zhàn)

52、艦500多艘，其中包括航空母艦18艘、戰(zhàn)列艦5艘、巡洋艦34艘、驅(qū)逐艦和護(hù)衛(wèi)艦372艘、潛艇76艘。德國(guó)的“海狼”給幾乎給英國(guó)致命的打擊，美國(guó)的“鯊魚(yú)”則絞殺了日本的生命線(xiàn)。        早期潛艇在水面行駛時(shí)一般都用柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，在水下則切換到電機(jī)。美國(guó)1928年在S3號(hào)潛艇上試驗(yàn)了全電推進(jìn)，用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，可同時(shí)為電池充電并通過(guò)電機(jī)推動(dòng)潛艇。戰(zhàn)前美國(guó)海軍已經(jīng)完成了潛艇全電化推進(jìn)的工作。戰(zhàn)爭(zhēng)中美國(guó)海軍主要戰(zhàn)場(chǎng)是太平洋的廣袤海域，主力潛艇“小鯊魚(yú)”級(jí)（GATO）和“白魚(yú)”級(jí)（Balao）的噸位均較大，超過(guò)2,000噸。她們采用全電動(dòng)推進(jìn)，這些

53、潛艇裝備有4臺(tái)柴油機(jī)，在水面航行時(shí)帶動(dòng)4個(gè)發(fā)電機(jī)，通過(guò)配電屏控制，輸出的電流可驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電機(jī)并給蓄電池充電。這種全電布局使動(dòng)力輸出更加靈活。以戰(zhàn)爭(zhēng)后期“白魚(yú)”級(jí)使用的通用GM 16-278A柴油機(jī)為例，4臺(tái)并聯(lián)可提供5,400馬力，使水下排水量2,400噸的“白魚(yú)”級(jí)達(dá)到水上20節(jié)、水下8.5節(jié)的航速，續(xù)航力達(dá)到11,000海里/10節(jié)。全電潛艇雖然先進(jìn)，不過(guò)要到二戰(zhàn)后才普及。 圖6.4 二戰(zhàn)美國(guó)潛艇主要?jiǎng)恿χ?GM 16-278A柴油機(jī)        德國(guó)人在二戰(zhàn)中制造了大量的潛艇。與美國(guó)人不同的是，德國(guó)潛艇主要采用柴油機(jī)和電機(jī)共軸推進(jìn)方式。

54、在水面上柴油機(jī)工作，柴油機(jī)直接推動(dòng)主軸和螺旋槳，并帶動(dòng)共軸的發(fā)電機(jī)為蓄電池充電，下潛時(shí)，由蓄電池供電，帶動(dòng)共軸的推進(jìn)電機(jī)。因此德國(guó)潛艇一般都只裝兩臺(tái)柴油機(jī)。以TYPE VII型艇（分A/B/C/D若干子型號(hào)）為例，長(zhǎng)50.5米，寬6.2米，吃水4.7米，水面排水量769噸，水下排水量885噸，艇員44-52人，有5座533毫米魚(yú)雷發(fā)射管（艏4尾1）和1門(mén)88毫米炮。該艇裝有2臺(tái)曼恩M6V 40/46柴油機(jī)，6缸4沖程，渦輪增壓，轉(zhuǎn)速470-490轉(zhuǎn)，總功率2,800-3,200馬力，水面航速可達(dá)20.4節(jié)，電機(jī)推力為750馬力，水下航速為7.6節(jié)，續(xù)航力8,190海里/10節(jié)。 圖6

55、.5 TYPE VII C型潛艇的柴油機(jī)和電機(jī)共軸結(jié)構(gòu) 圖6.6 曼恩M6V 40/46柴油機(jī)戰(zhàn)爭(zhēng)中德國(guó)人通過(guò)對(duì)繳獲荷蘭潛艇的研究后發(fā)明了通氣管，不過(guò)戰(zhàn)爭(zhēng)初期并沒(méi)有大規(guī)模使用。后來(lái)英美雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，使?jié)撏г谒婧叫性絹?lái)越困難。德國(guó)U58號(hào)潛艇在1943夏天安裝了通氣管，潛艇不需要上浮就可以通過(guò)柴油機(jī)航行并充電了。潛艇在通氣管狀態(tài)航行時(shí)，由液壓動(dòng)作筒把活動(dòng)進(jìn)氣筒升出水面一定高度，空氣進(jìn)入進(jìn)氣筒內(nèi)，并沿進(jìn)氣管路通向機(jī)艙供給柴油機(jī)正常工作，廢氣則沿排氣管路經(jīng)由排氣筒排入水中?；顒?dòng)進(jìn)氣筒上部裝有浮閥，當(dāng)涌浪將使海水進(jìn)入進(jìn)氣筒時(shí)，浮閥即自動(dòng)關(guān)閉，阻止海水經(jīng)進(jìn)氣筒進(jìn)入艙內(nèi)。在導(dǎo)向筒上裝有制動(dòng)器

56、，以防止通氣管升起后自動(dòng)下降。第二次世界大戰(zhàn)后期，德國(guó)潛艇廣泛使用了通氣管裝置，大大增強(qiáng)了潛艇的隱蔽性，戰(zhàn)后建造的潛艇普遍裝備有這種裝置。 圖6.7 潛艇通氣管        二戰(zhàn)中，美國(guó)建造了成千上萬(wàn)艘各型登陸艦（艇），除少數(shù)裝備汽油機(jī)外，大多數(shù)都以柴油機(jī)為主要?jiǎng)恿?。以?zhàn)爭(zhēng)期間美國(guó)建造的1,000多艘LST為例，標(biāo)準(zhǔn)排水量1,800噸，滿(mǎn)載排水量3,900噸，長(zhǎng)99米，寬15米，吃水艏部2.29米，尾部4.29米（輕載為1.02和2.24米），采用兩臺(tái)GM 12-567柴油機(jī)，總功率2,000馬力。該機(jī)原本為內(nèi)燃機(jī)車(chē)動(dòng)力，在戰(zhàn)爭(zhēng)期間不得不拿上

57、登陸艦使用，不過(guò)也可使登陸艦達(dá)到11節(jié)航速。LST人員編制111-144人，可運(yùn)載人員800-1,000人，或中型坦克17輛，或卡車(chē)32輛，還攜帶有2艘登陸艇，并裝備76毫米炮等自衛(wèi)武器。無(wú)論從北非、西西里到諾曼底戰(zhàn)役，還是在太平洋戰(zhàn)場(chǎng)，以柴油機(jī)為動(dòng)力的登陸艦艇均發(fā)揮了巨大的作用，為打敗德意日法西斯做出了重要貢獻(xiàn)。 圖6.8 二戰(zhàn)美國(guó)主要的登陸艦艇        二戰(zhàn)中，還有無(wú)數(shù)的小型艦艇使用柴油機(jī)動(dòng)力，如德國(guó)S型魚(yú)雷艇就裝備有3臺(tái)曼恩或戴姆勒.奔馳的柴油機(jī)，總功率近4,000馬力，使這些近百?lài)崳b備2具魚(yú)雷發(fā)射管的小艇以40節(jié)以上的速度飛馳。

58、?七當(dāng)代船用柴油機(jī)        二戰(zhàn)結(jié)束后，船用柴油機(jī)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(jī)繼續(xù)向大缸徑、大功率方向發(fā)展，同時(shí)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(jī)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(jī)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1,200-1,400馬力；1960年達(dá)到840-900毫米，單缸功率達(dá)2,100-2,300馬力；1965年缸徑達(dá)930毫米，單缸功率2,750馬力，1970

59、年，缸徑超過(guò)1米（達(dá)1,060毫米），單缸功率超過(guò)4,000馬力，1977年達(dá)到4,600馬力。船用柴油機(jī)進(jìn)入了黃金年代，在民船上完全取代了蒸汽動(dòng)力。 圖7.1 低速船用柴油機(jī)的平均工作壓力上升趨勢(shì)圖（1Bar=0.1兆帕）1970年代以后，爆發(fā)了兩次石油危機(jī)，原油價(jià)格急劇上漲，運(yùn)輸成本不斷提高，對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的要求日顯突出，柴油機(jī)主要以提高單機(jī)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(jī)市場(chǎng)向巨頭集中。1980年，德國(guó)曼恩公司收購(gòu)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(shí)現(xiàn)了強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。各大柴油機(jī)公司經(jīng)過(guò)了一輪新的整合，優(yōu)

60、勝劣汰之后，技術(shù)水平不斷提高，機(jī)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(jī)上得到廣泛應(yīng)用，燃油噴射、排氣閥驅(qū)動(dòng)、增壓、氣缸潤(rùn)滑等都可由全電子驅(qū)動(dòng)，柴油機(jī)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(mǎn)足更高的排放標(biāo)準(zhǔn)要求。1）低速船用柴油機(jī)低速船用柴油機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速低（低于350轉(zhuǎn)/分）、缸徑大、沖程長(zhǎng)、輸出功率大，多用于1萬(wàn)馬力以上的柴油機(jī)。低速柴油機(jī)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(zhǎng)行程，高壓縮等特點(diǎn)?，F(xiàn)代低速柴油機(jī)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(shí)以下，效率最高可達(dá)55%，壓縮/缸徑

61、比最大可達(dá)4.2。低速機(jī)一般可直接驅(qū)動(dòng)大直徑螺旋槳，能實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，省去了齒輪減速箱等傳動(dòng)要求，降低了成本，加之可以使用低質(zhì)燃料油，運(yùn)營(yíng)成本遠(yuǎn)低于其它種類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)。在大型商船上，低速柴油機(jī)裝量占絕對(duì)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(jī)驅(qū)動(dòng)。船舶類(lèi)型        箱數(shù)/載重噸位        裝機(jī)功率要求集裝箱船        4000-15000TEU        5-10萬(wàn)馬力      &#

62、160; 3000-4000TEU        5萬(wàn)馬力左右        2000-3000TEU        3萬(wàn)馬力左右        2000TEU以下        2萬(wàn)馬力左右VLCC型油船        20-30萬(wàn)噸        3萬(wàn)馬力蘇伊士、好望角級(jí)散貨船     

63、;   15萬(wàn)噸        1.5-2萬(wàn)馬力阿芙拉、巴拿馬、大型靈便型油船、散貨輪等        6萬(wàn)噸        1-1.5萬(wàn)馬力靈便型散貨船、成品油船        4萬(wàn)噸        1萬(wàn)馬力以下LPG和化學(xué)品船        2萬(wàn)噸左右（中小型）        1-2萬(wàn)馬力民用商船裝機(jī)要求

64、根據(jù)預(yù)測(cè)，最近幾年世界低速船用柴油機(jī)市場(chǎng)每年有4,250萬(wàn)馬力的需求。MAN B&W的MC系列和瓦錫蘭的Sulzer RTA系列兩大機(jī)型在低速船用柴油機(jī)方面占據(jù)絕對(duì)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(zhuān)利授權(quán)生產(chǎn)方式，提供技術(shù)和圖紙，由柴油機(jī)公司或船廠進(jìn)行生產(chǎn)，包括我國(guó)在內(nèi)的眾多生產(chǎn)廠都需要向兩大公司繳納高昂的專(zhuān)利費(fèi)。曼恩公司在1980年收購(gòu)B&W公司后，將低速船用柴油機(jī)的研發(fā)工作從德國(guó)的奧克斯堡全部搬到丹麥哥本哈根，開(kāi)始研發(fā)MC系列柴油機(jī)。MAN B&W于1982年生產(chǎn)出第一臺(tái)L35MC樣機(jī)，1983年9月開(kāi)始測(cè)試。MAN公司看準(zhǔn)了船用柴油機(jī)的發(fā)展勢(shì)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(jí)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6,000千瓦（8,000馬力以上）。MC系列柴油機(jī)可