中國船用柴油機技術(shù)發(fā)展歷程

1、中國船用柴油機技術(shù)發(fā)展歷程一、 案例簡介 本案例以科技含量高、技術(shù)復雜的船用柴油機為例，通過分析我國船用柴油機從主要依 賴進口到技術(shù)引進再到部分自主研發(fā)的歷程來闡述國際技術(shù)貿(mào)易對我國科技發(fā)展的影 響。從我國船用柴油機依賴進口，在船用柴油機領域沒有話語權(quán)完全任人宰割，到合理 的利用技術(shù)貿(mào)易引進技術(shù)依靠自身的勞動力優(yōu)勢產(chǎn)生微弱的利益再到自己開發(fā)擁有自 主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品以在國際船用柴油機領域有一定的地位，我們將在這樣的歷程中看到 國際技術(shù)貿(mào)易對我國的科技進步、國防建設以及在我國強國之路上的作用。二、 船用柴油機發(fā)展概述1. 船舶柴油機的發(fā)展1876 年，德國人奧托第一次提出了四沖程循環(huán) （ 即進氣、

2、壓縮、膨脹、排氣 ）原理，并 發(fā)明了電點火的四沖程煤氣機。之后，在1880年一些工程師，如英國的D.CIerk和J.Robson, 以及德國人K.Benz等成功地開發(fā)了二沖程內(nèi)燃機。1892年德國工程師Rudolf Diesel申請了壓縮發(fā)火內(nèi)燃機專利，并于 1897年在MAF公 司制成第一臺實際使用的柴油機 （ 壓燃式、空氣噴射、定壓燃燒 ） ，其效率因可采用較大的壓 縮比而比煤氣機有顯著提高。 1904 年柴油機首次用于船舶推進裝置 （29.4 kW,260 r/min） 。 從此在船舶領域里開始了與蒸汽推進裝置的競爭局面。在此后 40多年中，柴油機在自身逐 步完善中有了很大發(fā)展。 192

3、6 年瑞士人 Alfred Buechi 設計了一臺廢氣渦輪增壓柴油機， 當時由于增壓器制造水平的限制， 此項技術(shù)未能迅速推廣。 但總的來看在與蒸汽推進裝置競 爭中無突破性進展，在船舶使用中，蒸汽推進裝置仍占據(jù)領先地位。從第二次世界大戰(zhàn)到 50 年代中后期，由于社會生產(chǎn)力的迅速發(fā)展，對船舶推進裝置提 出了新的要求。柴油機在此期間完成了大缸徑、焊接結(jié)構(gòu)、廢氣渦輪增壓以及使用劣質(zhì)燃油 等四項重大技術(shù)成果， 并逐步發(fā)展了船用低速柴油機系列。 此期間在國外大致有八種船用低 速柴油機型號 （ 由八大船用柴油機制造廠生產(chǎn) ） 。在這些技術(shù)成就中， 廢氣渦輪增壓技術(shù)在船 用二沖程柴油機上的成功使用是船用低速

4、柴油機發(fā)展中的重要里程碑。 國外稱這一時期是船 用低速柴油機的第一次飛躍，其技術(shù)特征是廢氣渦輪增壓技術(shù)的普及。至此，在與蒸汽動力 裝置的競爭中柴油機逐漸取得了領先地位。從 60 年代到 70年代船用低速柴油機進入了黃金時代， 它在船舶動力裝置中取得了明顯 的壓倒優(yōu)勢。各船用柴油機廠之間開始進行調(diào)整、合并、淘汰。柴油機技術(shù)趨于完善。此期 間內(nèi)船用低速柴油機發(fā)展的特點按順序大致為增大機組功率，提高可靠性，提高經(jīng)濟性。70 年代的兩次石油危機誘發(fā)了世界范圍內(nèi)的能源危機。石油產(chǎn)品價格大幅度上漲使船舶柴油機的燃油費用支出一躍占總營運成本的40%-50%由此，改變了人們長期以來的傳統(tǒng)觀念，降低柴油機的燃油

5、支出費用，提高柴油機經(jīng)濟性已成為第一要求。 70 年代末到 80 年代，各類節(jié)能型柴油機大量出現(xiàn)， 機型更新周期大大縮短 （ 甚至僅 為2年3年），各類柴油機均采用各種節(jié)能措施降低油耗率，努力提高柴油機 的有效熱效率； 同時，由于供給船用柴油機的燃油質(zhì)量日益低劣， 使得船用柴油 機在使用劣質(zhì)燃油的技術(shù)上又有了新的發(fā)展。 目前，現(xiàn)代船用低速柴油機的油耗 率已降低到0.155kg/kWh0.160kg/kWh，有效熱效率可高達 55%國外把這一時 期船用柴油機的發(fā)展稱為第二次飛躍。 現(xiàn)代船用柴油機發(fā)展中的第三個特點是控 制與操縱自動化，即對船用柴油機及其附屬設備進行自動控制及自動監(jiān)視。 60 年代

6、初曾進行在控制室內(nèi)對主機集中控制與集中監(jiān)視， 70 年代電子技術(shù)開始在 柴油機上使用。 80 年代柴油機的電子控制技術(shù)已有了很大發(fā)展，除可監(jiān)視柴油 機的運行工況外， 還可保持柴油機各運行參數(shù)的最佳值， 以求得柴油機功率、 燃 油消耗率和其它有關性能的最佳平衡， 并由此發(fā)展了對柴油機的故障診斷、 未來 趨勢預報等技術(shù)， 把柴油機的管理技術(shù)提高到一個嶄新的水平。 2000年， W?rtsil? 公司成功地推出了 SULZER RT-flex 全電子控制的智能型柴油機，并開始裝船使 用。在船用低速二沖程柴油機發(fā)展的同時，大功率四沖程中速柴油機自 50年代 開始也得到了穩(wěn)步發(fā)展， 至今已經(jīng)歷了四代機型

7、。 它的最大優(yōu)點是重量輕， 尺寸 小，可選用最佳的螺旋槳轉(zhuǎn)速。在工作可靠性、使用壽命、經(jīng)濟性及對劣質(zhì)燃油 的適應性方面均有明顯改進， 基本上達到與低速機相近的水平。 近年建造的 2 000 總噸以上船舶中，使用中速機做主機者占 25%左右。一般對船用主機來講， 經(jīng)濟性、 可靠性和使用壽命是第一位的， 重量和尺寸 是第二位的。據(jù)此，低速二沖程柴油機因其效率高、 功率大、工作可靠、壽命長、 可燃用劣質(zhì)油以及轉(zhuǎn)速低（通常為100 r/mi n左右，最低可達56 r/min ） 等優(yōu)點適于作船舶主機使用。 大功率四沖程中速柴油機因其尺寸與重量小較適于 作為滾裝船和集裝箱船舶主機。 船舶發(fā)電柴油機 （稱

8、副機）因其發(fā)電機要求功率不 大，轉(zhuǎn)速較高以及結(jié)構(gòu)簡單，因而均采用中、高速四沖程筒形活塞式柴油機。經(jīng)過近幾十年尤其是近十多年的發(fā)展， 現(xiàn)代船用柴油機已經(jīng)發(fā)展到一個較高 的技術(shù)水平。今后，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，將會對船用柴油機提出更高的要求，船 舶柴油機也將繼續(xù)發(fā)展改進。 當前柴油機的發(fā)展可以概括為： 以節(jié)能為中心， 充 分兼顧到排放與可靠性的要求， 全面提高柴油機性能。 根據(jù)此發(fā)展目標， 今后的 研究趨勢大致為：提高經(jīng)濟性的研究，包括燃燒、增壓、低摩擦、低磨損等的研究； 降低柴油機排放的研究， 排放是現(xiàn)代柴油機面臨的嚴重挑戰(zhàn)， 隨著對船舶柴 油機排放控制的限制， 使得經(jīng)濟性的提高更加困難， 這也是船

9、舶柴油機發(fā)展中的 新課題；提高可靠性與耐久性的研究； 電子控制技術(shù)的研究； 代用燃料的研究。2. 船舶柴油機當前使用情況和技術(shù)水平1） 船用低速柴油機當前使用情況和技術(shù)水平 船用低速柴油目前主要由 MAN B&W、W?rtsil? 瑞士公司和日本三菱三家公 司生產(chǎn)，據(jù)1998年世界各國造船造機結(jié)果統(tǒng)計，MAN B&W公司占市場份額的64.54%, W?rtsil?瑞士公司占市場份額的 27.6%,日本三菱不足 8% MAN B&V和W?rtsil?r瑞士公司近年主要機型的工作參數(shù)如下：表1-1船用低速油機的主要參數(shù)機型RTA48TRTA58TRTA68TS46MC-C；

10、S50MC-(C S60MC-C缸徑(mm)480:580680460500600 :行程(mm)200024162720193220002400缸徑行程(S/D)4.174.174.04.24.04.0轉(zhuǎn)速(r/mi n)124110392129127105 :活塞平均速度(m/s)8.38.38.38.38.58.4平均有效壓力bar18.2 :18.218.2191919最大燃燒壓力bar142142142145150單缸功率kW136020002750131015802255燃油消耗率g/kWh171170169174171170從上述參數(shù)可以看出，目前新型船用低速柴油機的 S/D值已

11、達到4.0以上， 活塞平均速度在8.38.5m/s左右,平均有效壓力高達19.0bar,最大燃燒壓力 在140bar以上,而燃油消耗率則下降到169 g/kW h,其動力性和經(jīng)濟性已經(jīng)達 到了相當高的水平。2)船用中速柴油機當前使用情況和技術(shù)水平船用中速柴油機目前雖然生產(chǎn)廠家較多，但主要集中于幾家公司，據(jù)1998年世界各國造船造機結(jié)果統(tǒng)計，W?rtsil? 公司占市場份額的40% MAW&W公司占市場份額的22.4%, Mak占市場份額的11.2%。其余公司占26.4%。W?rtsil? 和MAN B&W司近年主要機型的工作參數(shù)如下：表1-2 船用中速油機的主要參數(shù)機型MAN

12、B&W L27/38WARTSILA L32WARTSILA L64缸徑(mr)270:320640:行程(mr)380400900S/D1.4:11.25:11.4:1壓縮比16.5:116.0:1活塞平均速度(m/s)10.110.09.8平均有效壓力(bar)23.523.325.5最大燃燒壓力(bar)200190200燃油消耗率(g/kW h)185.3182171燃油噴射壓力(bar)16002000使用燃油質(zhì)量(cSt/50 C)700730730功率范圍(kW20403060270082801005018090我國船用柴油機主要依賴進口階段50年代前期解放前遺留下來的各

13、型中、小艦船柴油機備件消耗殆盡、艦船面 臨停航，而我國當時幾乎沒有船用柴油機研發(fā)生產(chǎn)能力，19 51年底成立了海軍配件試造委員會主要在上海組織了一些中、小型私營企業(yè)，采取承包加 工形式、與各船廠協(xié)作完成了各中、小型艦用柴油機配件的供應任務，其生產(chǎn)能力僅限于仿制250KW以下高、中速小型船用柴油機；50年代后期到70年 代后期，此階段主要引進蘇聯(lián)艦用柴油機,如M5C高速機、D39中速機、4 0 D中速機、gDM中速機等?？梢姡谶@一時期，我國的船用柴油機研發(fā)生產(chǎn)能力十分微弱，僅能滿足一 些小型艦船的供應； 同時，由于受到國際關系的制約和西方國家的技術(shù)封鎖， 我國在大型民船和軍用艦艇的發(fā)展上受到了

14、很大的限制。 隨著各國對海上利 益的爭奪越演越烈，大型艦船和軍用艦艇的發(fā)展關系著國家的生命命脈，我 們必須尋找新的途徑發(fā)展船舶事業(yè)。四、我國船用柴油機技術(shù)引進階段概述國內(nèi)船用低速機制造業(yè)自1978年起，先后從丹麥MAN瑞士 SULZER現(xiàn)芬蘭 WARTSIL）法國SEMT pielstick 等多家公司引進了先進的大功率船用柴油機專 利生產(chǎn)制造技術(shù)。 30 多年來，通過實踐和努力，我國在引進、吸收、消化專利 生產(chǎn)制造技術(shù)方面取得了長足的進步。 與此同時， 通過積極地采用國際標準和國 外先進的標準，縮短了我國船用低速機標準化技術(shù)與國際先進標準化技術(shù)的差距。 國外引進的各型大功率船用柴油機的標準是

15、較完整的標準化體系， 并且都是國際 標準和各工業(yè)發(fā)達國家的標準及屬于專利公司自己的技術(shù)標準。 對國外大功率柴 油機標準化的分析在于學習和掌握國外先進的標準化思想和理念， 充分利用寶貴 的國際資源，促進自身的技術(shù)進步，提高企業(yè)標準化水準，推動自主創(chuàng)新，提高 產(chǎn)品質(zhì)量，以取得更好的經(jīng)濟效益和社會效益。我國是船用柴油機許可證技術(shù)引進比較多的國家。經(jīng)統(tǒng)計， 25 年來，我國 引進的船用配套設備專利技術(shù)生產(chǎn)許可證項目共 54項，其中船用柴油機制造占重 要地位。包括兩家著名的船用低速柴油機公司的 10多個系列、 數(shù)十種機型； 船用 中高速柴油機共計有 10家公司的 17種系列機型。此外，還引進了 7家專業(yè)

16、配套廠 的7種關鍵配套部件生產(chǎn)技術(shù)，形成了較完整的柴油機生產(chǎn)配套能力。以從德國引進的某型柴油機生產(chǎn)許可證技術(shù)為例。 2000 年，對該型柴油機 的國產(chǎn)化研制有如下的要求：a. 完成50唏口82% （按產(chǎn)值計）兩種國產(chǎn)化比例樣機的研制及試驗；b. 研制周期為從轉(zhuǎn)讓許可證產(chǎn)品圖紙資料到廠后一年內(nèi)完成；c. 研制工作開始半年后即開始小批量生產(chǎn)準備， 從工作內(nèi)容上看兩者大體上 同步進行。在歷時二年內(nèi)， 組織了共計超過 1400h 的四次可靠性考核， 完成該二種機型 柴油機的國產(chǎn)化研制工作，使用方按事先約定的認可程序?qū)υ撔蜋C進行了認可。 認可評價通常包括方案論證和樣機的試驗、 鑒定和定型， 主要看承制方

17、的科研生 產(chǎn)能力是否滿足研制產(chǎn)品的要求； 圖紙、技術(shù)文件、 資料是否按國家標準編寫整 理；經(jīng)過修改的設計圖紙和技術(shù)文件的手續(xù)是否齊全；試驗程序是否符合規(guī)定； 試驗結(jié)果是否滿足技術(shù)規(guī)格書的要求等。我國船用柴油機仍在執(zhí)行的有效許可證項目低速機的引進二十世紀 70年代末，為了適應國內(nèi)外船東的船舶建造的需求，我國先后于 1979年從瑞士 sulzer公司，1980年從丹麥MAN B&公司引進了低速柴油機許可證 制造技術(shù)， 實現(xiàn)了我國制造機型與世界當代最新技術(shù)水平同步， 形成了低速機配 套設備國內(nèi)專業(yè)化配套生產(chǎn)的格局。90年代以來，我國低速柴油機已經(jīng)完全由 MAN B&WMCIMC和Su

18、izer的RTA 系列所取代， 通過這些技術(shù)的引進使我國的某些低速機生產(chǎn)水品達到了國際先進水平， 例如大 連川用柴油機廠的MAN B&W 7S60M,滬東重機的MAN B&W 6K80M和宜昌船舶 柴油機廠的 sulzer RT-flex58T-B 等，這些機型技術(shù)難度大，質(zhì)量要求高，說明 了我國低速機的生產(chǎn)能力已經(jīng)達到了很高的水品。中速機的引進 我國目前生產(chǎn)的中速機的機型中，引進的品種很多，大多數(shù)氣缸的直徑為200-300內(nèi)，如日本洋馬的S165, M2（型，日本大發(fā)的DS18 DL20, DK2Q DS22等，sulzer 的 AT20 AT25等，MAN B&W1

19、，16/14，1，20/27, 1，23/30, 1，28/32 等。這 些機型中 除了90年代后期引進的新機型與國外的產(chǎn)品的差距在逐步縮小外大部分引進產(chǎn)品已趨于老化 市場競爭力逐步縮小。技術(shù)引進的作用 我國的船舶柴油機與國外先進水平還有很大的差距 我們要通過引進生產(chǎn)許 可證柴油機技術(shù)的消化吸收 突破關鍵技術(shù) 提高生產(chǎn)能力 開發(fā)研制具有自主 知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品 努力實現(xiàn)一個以研究所、 柴油機整機廠及專業(yè)化配套廠組成的 船舶柴油機研發(fā)、生產(chǎn)體系。五、我國船用柴油機自主研發(fā) 概況：中國生產(chǎn)專利船用柴油主機始于改革開放初期 近年來呈現(xiàn)出快速發(fā)展的勢 頭。我國主要船用低速機企業(yè)將由 3家增至8家 2010

20、年產(chǎn)能將達到 1000萬馬力以 上。 2008年世界主要船用低速柴油機企業(yè)生產(chǎn)能力排名情況顯示我國滬東重機、大連船柴、中船三井、宜昌船柴的排名分別為第 5位、第6位、第8位、第1 2位。雖然通過國外的技術(shù)外溢及我國企業(yè)的“干中學” , 我國的船用柴油機自主 研發(fā)創(chuàng)新已取得一定成果 但自主之路走的一直比較緩慢 主要原因是國家資本 投入不足；造機企業(yè)沒有與造船企業(yè)同步規(guī)劃、同步投人；生產(chǎn)模式落后 沒有 專業(yè)化生產(chǎn)廠；加工手段落后 成套能力低；輪機配套能力差 國產(chǎn)化率提高慢； 生產(chǎn)能力相對滯后 不能適應大規(guī)模、高效率的生產(chǎn)需要。發(fā)展思路：2009年中國政府網(wǎng)全文公布了船舶工業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃 明確了船

21、舶工 業(yè)的發(fā)展目標：船用低速柴油機產(chǎn)量達到 1 200萬馬力。 規(guī)劃為我們的船用柴 油機行業(yè)的發(fā)展思路提供了一些發(fā)展思路船用低速柴油機： 開展低速機關鍵部套件的開發(fā)研制 加緊增壓器、 燃油系 統(tǒng)、軸瓦、曲軸等主要部套件的設計開發(fā)和研制生產(chǎn)； 加強對低速柴油機的一些 特有技術(shù) 如經(jīng)濟性、排放、故障診斷、電液控制系統(tǒng)、智能化控制系統(tǒng)等先進 技術(shù)進行消化吸收和研究。船用中速柴油機： 技術(shù)上 重點研究和突破船用中速柴油機的總體優(yōu)化設 計技術(shù)、重要零部件 （ 如電子調(diào)速器、主軸瓦、連桿瓦、高壓油泵、增壓器等 ） 的設計制造技術(shù)以及高增壓、 高壓共軌燃油噴射、 燃燒與排放、 模塊化和智能化 等關鍵技術(shù)。成

22、果： 在近些年而自主研發(fā)過程中 船用柴油機設備及零部件國產(chǎn)化成績斐然： 大連船用柴油機有限責任公司制造出世界首臺6S50ME-B型電控船用低速機,該機可滿足IMO最新的氮氧化物排放標準，被譽為綠色環(huán)保型主機；大連重工起重集團首支國產(chǎn) 90 型船用曲軸成功下線；鎮(zhèn)江中船設備有 限公司順利 交驗首臺 CME-MAN6S42MC低速機 及首套 8L21/31 主機左右機， 該廠研制的 L23/30H 型船機在國內(nèi)首個通過九國船級社的 Tier U標準氮氧化物現(xiàn)場排放試驗；鎮(zhèn)江中船現(xiàn)代發(fā)電設備有限公司成功交付首套船用主發(fā)電機組， 該企業(yè)自行 研制的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速發(fā)電機為機組配套；重慶躍進機械廠

23、有限公司旗下的大連海躍公司實現(xiàn)瓦錫蘭公司 Flex 智慧機 供油單元和共軌單元批量生產(chǎn)；重慶江增機械有限公司成功開發(fā)出新型 TPS增壓器的部件TPS52肖音器總成; 黃石巿高耐斯熱工設備有限公司的專利產(chǎn)品螺旋式折流板列管式換熱器， 在 中國南海地區(qū)巿場占有率達到 60%。河南柴油機集團有限責任公司自主研制開發(fā)的 L250z 系列重油柴油機等產(chǎn) 品，通過了中國船級社等的認證，開始應用于船用和陸用發(fā)電領域。目前，河 柴集團的MWM234系列柴油機裝船國產(chǎn)化率達 95%左右，TBD604B柴油機裝 船國產(chǎn)化率達到 85% 左右， 620 系列柴油機裝船國產(chǎn)化率達 60% 左右。河柴 集團的高速柴油機在民用市場的占有率為 30% 。同樣