船用大功率柴油机的技术发展和国内产业现状分析
作者:陈慧 来源:中国水运杂志 日期:2009年06月12日 点击:1304
一、引言
目前，我国造船业取得了较快发展，船舶出口已占造船总量的80％以上，船舶出口100多个国家和地区，成为世界排名前列的船舶出口大国。据中国船舶工业行业协会报告统计显示，2008年上半年全国造船完工量为1024万载重吨，手持船舶订单19217万载重吨；按英国克拉克松研究公司对世界造船总量的统计数据，我国造船完工量、承接新船订单和手持船舶订单分别占世界市场份额26％、39％和34％。我国的世界造船大国地位持续巩固，但是我国的造船业大而不强，船用配套设备的发展严重滞后。其中，船舶柴油机是船舶关键配套设备之一，是船舶的“心脏”，其在船舶建造总成本中占10～15%的比重。然而，我国建造的船舶所使用的柴油机主要是直接从国外购买原装机或采用国外引进许可证生产的产品。据中国海关统计，2007年，船用柴油机进口10.79亿美元，比上年增长76％。以低速机为例，虽然产量在逐年增长，但相对于需求量来说，缺口却在增大。为远洋船舶配套的中速机情况也不容乐观，装船量的70％为国外进口产品，其余30％基本上是国内企业引进生产许可证制造的产品。
近几年，船舶运输业的持续繁荣，船舶制造吨位不断上扬，使得船用大功率柴油机出现了全球性供不应求。然而，我国船用柴油机中国产主机比例持续下降，本土化装船率仅为40％左右，如一些大型集装箱船、超大型成品油轮等均装配了进口主机。因此，为使我国的船舶工业又好又快发展，加快我国船舶柴油机的发展步伐，形成完整、先进的船舶配套产业链，已刻不容缓。本文分析了国内外船用大功率柴油机技术发展的现状和发展趋势，指出了我国船用大功率柴油机产业面临的问题，旨在为我国船用大功率柴油机的行业发展提供参考。
二、船用大功率柴油机的技术发展
当前，运输船舶尤其是远洋船舶正向大型化、自动化、智能化等方向发展，船用柴油机也陆续出现大功率、低排放、低油耗、高可靠性的大缸径、智能化机型。近几年，世界各大船舶柴油机公司陆续推出的新型船用柴油机，均采用了大量的新技术和研究成果，如燃烧和排放控制技术，模块化设计技术，高效率涡轮增压技术，高压共轨燃油喷射技术，电子控制技术等。
1．提高平均有效压力和单机功率
不断提高平均有效压力和单机功率，减小比重量和体积是船用大功率柴油机长期以来一直追求的主要目标。目前船用大功率柴油机平均有链肢埋效压力不断提高，但最高燃烧压力也随之增大，影响了柴油机的可靠性和寿命。因此，目前主要通过扩大缸径和增加缸数来提高单机功率。提高单机功率的另一选择是发展V形机，目前采用V形16缸或V形18缸的低速柴油机在技术上已不存在问题，可以满足单机功率达92000kW的要求。由于平均有效压力很高，虽按螺旋桨特性运行，低工棚蚂况性能也难以保证，因此须采用各种措施对柴油机的全工况进行性能优化。目前常用的方法是采用高工况放气、低工况进排气旁通或 STC（相继增压）等措施。
2．燃烧与排放控制
船用柴油机的排放控制措施，可分为机内控制和机外控制。机内控制，是指在可燃混合气燃烧之前降低污染物的排放，主要措施有：采用机内、机外废气再循环技术（EGR）；优化柴油机结构参数和运行参数；采用湿法降低NOx技术；添加燃油添加剂等。机外控制，是指在机内控制基础上，进一步降低排放量，如采用选择性催化还原技术（SCR），废气洗涤法等。采用机内和机外措施均可使船用柴油机排放符合标准规定，但机外措施达到同样效果所化成本约为机内措施 的4至5倍，因此船用柴油机至今仍大多采用机内控制方式，并与自动监测和控制技术相结合。饥旦
国外各大船舶柴油机研发、生产机构和公司纷纷开展燃烧与排放控制技术研究。近年来，电控共轨喷油技术在船舶柴油机上得到了较好应用，它能实现柴油机在不同负荷情况下以优化的喷油提前角和喷油压力将燃油喷入气缸，不仅降低了燃油消耗率，也降低了NOx的排放。此外，高增压技术、高效燃烧技术和电子控制技术等作为燃烧与排放控制技术的重要技术，也得到了广泛应用。
3．智能化电子控制技术
2005年8月，世界上第一台七缸智能型（7RTflex58T-B）船用发动机在大连船用柴油机厂交货，最大输出功率为15260kW，该机采用当时世界最先进的wecs9520电控系统控制燃油喷射、排气阀起闭、主机起动和换向，取代了传统的液压和气动控制，使柴油机燃烧更加充分。由于采用了计算机控制，该机型去掉了凸轮轴系统、操作更加简单方便，并有效减少了主机自重，具有可靠、灵活和兼容性强的特点。随着建造船舶的日趋大型化和智能化，智能化已是船用柴油机发展的必然趋势。
4．可靠性技术
船用柴油机的大型化、高指标给柴油机零部件（或模块件）带来更高的要求，特别是燃烧室相关零部件和运动摩擦副件的工作条件更加恶劣，其可靠性倍受重视，研究的重点包括可靠性设计、摩擦磨损、故障诊断等关键技术。
5．柴油机整机总体设计技术
船用柴油机还应具有优良的整体综合性能及在各种工况下的适应性。为此，在保持机型的可靠性、经济性、低排放和易维护的基础上，重点对柴油机整体结构进行优化，使其结构更加紧凑、体积变小、重量变轻，所采用的主要关键技术包括：模块化设计技术、3D-CAD设计分析、结构与性能优化仿真技术等。
三、我国船用大功率柴油机的产业现状
1．船用低速柴油机
大功率低速柴油机主要用于散货船、油船、集装箱船等大型远洋船舶，大都是二冲程柴油机。从全球低速机产品市场占有率来看，在以低速机为主机的2000t以上船舶上，MAN－B&W公司和WARTSILA—SULZER公司的低速机产品占世界份额的90％以上，缸径260－1080mm，功率1600－97300kW。近年来，MAN—B&W公司通过向日本、韩国和中国的柴油机生产厂转让生产许可证，得到了迅速发展。我国低速船用柴油机领域，目前全部是引进MAN B&W及 Wartsila的机型，例如，沪东重机股份公司、大连船用柴油机厂、宜昌船舶柴油机厂，通过从丹麦B&W公司和芬兰 WARTSILA－SULZER公司引进专利技术生产船用低速大功率柴油机，主要为国内几大船厂生产的干散货船、特大油轮、集装箱运输船等配套。
近几年，我国船用主机生产已有较快发展，大连船用柴油机厂的MAN B&W7S60MC－C、沪东重机的MAN B&W 6K80MC－C、7S80MC和宜昌船舶柴油机厂的Sulzer RT－flex58T－B智能型船用低速大功率柴油机等，均代表了当前国际先进水平。但是，我国造机企业与韩国、日本的现代重工、HSD、三井造船、川畸重工等造机企业差距还很大，企业综合竞争能力仍较弱。主要是资金投入不足，造机企业没有与造船企业同步规划、同步投入，生产能力相对滞后，生产规模不大，产量不高；另外还存在研发能力弱、生产场地小，以及国内配套企业生产规模小、自制能力差等问题，不能适应大规模、高效率的生产需要。
2．船用中、高速柴油机
船用中、高速柴油机，主要用于各类内河船舶、近海船舶、工程船舶及舰船上。世界中速柴油机生产厂家有苏尔寿、瓦锡兰、马克、MAN B&W、MTU、洋马、卡特彼勒等，其中MAN B&W和瓦锡兰两大柴油机公司主机产量占世界的75％以上。高速机则以MTU、DeutzMWM、Caterpiliar等公司为主。
我国大功率中速柴油机经历了引进、自行研制、再引进国产化、消化吸收和提高的过程。近年来，我国船用中高速柴油机的技术水平获得较大发展，通过技术引进，不但掌握了国外柴油机先进技术，同时对我国柴油机制造厂家进行了相应的技术改进，补充和更新了一批关键工艺装备，积累了先进柴油机的制造经验。在消化、吸收国外先进技术同时，也研制了部分新一代船用柴油机。设计、研究和生产体系初具规模，但总体水平不高，关键零部件制造工艺落后，达不到高质量水平。目前，我国制造的远洋船舶上配套的中速机70％直接购买国外进口原装机，其余30％几乎都是国外许可证技术制造的产品，技术依赖于国外，没有自主知识产权。
四、展望
船用柴油机技术发展日新月异，使在技术领域处于竞争劣势的中国船用柴油机行业面临着严峻挑战。壮大实力、发展自主品牌、扩大本土化制造能力、提高装船率是我国船舶柴油机行业亟待解决的问题。我国船用柴油机的发展必须坚持走“引进－消化－吸收－再创新”的国产化技术创新之路，加快发展船舶柴油机及其配套产业链。船舶中速机产品的发展重点是在加强引进生产许可证柴油机技术的消化吸收基础上，开展制造工艺的优化，提高产品设计能力，突破关键技术，开发研制具有自主知识产权的高水平中国品牌中速柴油机，逐步实现自主品牌中速柴油机产品系列化，提高国际市场竞争力，改变目前我国民用船舶中速机市场由引进机占主导地位的局面。加强引进中低速柴油机关键零部件的国产化研制工作，重点培育和扶植技术和生产能力强的柴油机二轮配套企业，形成船舶柴油机国内自主配套的能力。
船用大功率柴油机的技术发展和国内产业现状分析
作者:陈慧 来源:中国水运杂志 日期:2009年06月12日 点击:1304
一、引言
目前，我国造船业取得了较快发展，船舶出口已占造船总量的80％以上，船舶出口100多个国家和地区，成为世界排名前列的船舶出口大国。据中国船舶工业行业协会报告统计显示，2008年上半年全国造船完工量为1024万载重吨，手持船舶订单19217万载重吨；按英国克拉克松研究公司对世界造船总量的统计数据，我国造船完工量、承接新船订单和手持船舶订单分别占世界市场份额26％、39％和34％。我国的世界造船大国地位持续巩固，但是我国的造船业大而不强，船用配套设备的发展严重滞后。其中，船舶柴油机是船舶关键配套设备之一，是船舶的“心脏”，其在船舶建造总成本中占10～15%的比重。然而，我国建造的船舶所使用的柴油机主要是直接从国外购买原装机或采用国外引进许可证生产的产品。据中国海关统计，2007年，船用柴油机进口10.79亿美元，比上年增长76％。以低速机为例，虽然产量在逐年增长，但相对于需求量来说，缺口却在增大。为远洋船舶配套的中速机情况也不容乐观，装船量的70％为国外进口产品，其余30％基本上是国内企业引进生产许可证制造的产品。
近几年，船舶运输业的持续繁荣，船舶制造吨位不断上扬，使得船用大功率柴油机出现了全球性供不应求。然而，我国船用柴油机中国产主机比例持续下降，本土化装船率仅为40％左右，如一些大型集装箱船、超大型成品油轮等均装配了进口主机。因此，为使我国的船舶工业又好又快发展，加快我国船舶柴油机的发展步伐，形成完整、先进的船舶配套产业链，已刻不容缓。本文分析了国内外船用大功率柴油机技术发展的现状和发展趋势，指出了我国船用大功率柴油机产业面临的问题，旨在为我国船用大功率柴油机的行业发展提供参考。
二、船用大功率柴油机的技术发展
当前，运输船舶尤其是远洋船舶正向大型化、自动化、智能化等方向发展，船用柴油机也陆续出现大功率、低排放、低油耗、高可靠性的大缸径、智能化机型。近几年，世界各大船舶柴油机公司陆续推出的新型船用柴油机，均采用了大量的新技术和研究成果，如燃烧和排放控制技术，模块化设计技术，高效率涡轮增压技术，高压共轨燃油喷射技术，电子控制技术等。
1．提高平均有效压力和单机功率
不断提高平均有效压力和单机功率，减小比重量和体积是船用大功率柴油机长期以来一直追求的主要目标。目前船用大功率柴油机平均有链肢埋效压力不断提高，但最高燃烧压力也随之增大，影响了柴油机的可靠性和寿命。因此，目前主要通过扩大缸径和增加缸数来提高单机功率。提高单机功率的另一选择是发展V形机，目前采用V形16缸或V形18缸的低速柴油机在技术上已不存在问题，可以满足单机功率达92000kW的要求。由于平均有效压力很高，虽按螺旋桨特性运行，低工棚蚂况性能也难以保证，因此须采用各种措施对柴油机的全工况进行性能优化。目前常用的方法是采用高工况放气、低工况进排气旁通或 STC（相继增压）等措施。
2．燃烧与排放控制
船用柴油机的排放控制措施，可分为机内控制和机外控制。机内控制，是指在可燃混合气燃烧之前降低污染物的排放，主要措施有：采用机内、机外废气再循环技术（EGR）；优化柴油机结构参数和运行参数；采用湿法降低NOx技术；添加燃油添加剂等。机外控制，是指在机内控制基础上，进一步降低排放量，如采用选择性催化还原技术（SCR），废气洗涤法等。采用机内和机外措施均可使船用柴油机排放符合标准规定，但机外措施达到同样效果所化成本约为机内措施 的4至5倍，因此船用柴油机至今仍大多采用机内控制方式，并与自动监测和控制技术相结合。饥旦
国外各大船舶柴油机研发、生产机构和公司纷纷开展燃烧与排放控制技术研究。近年来，电控共轨喷油技术在船舶柴油机上得到了较好应用，它能实现柴油机在不同负荷情况下以优化的喷油提前角和喷油压力将燃油喷入气缸，不仅降低了燃油消耗率，也降低了NOx的排放。此外，高增压技术、高效燃烧技术和电子控制技术等作为燃烧与排放控制技术的重要技术，也得到了广泛应用。
3．智能化电子控制技术
2005年8月，世界上第一台七缸智能型（7RTflex58T-B）船用发动机在大连船用柴油机厂交货，最大输出功率为15260kW，该机采用当时世界最先进的wecs9520电控系统控制燃油喷射、排气阀起闭、主机起动和换向，取代了传统的液压和气动控制，使柴油机燃烧更加充分。由于采用了计算机控制，该机型去掉了凸轮轴系统、操作更加简单方便，并有效减少了主机自重，具有可靠、灵活和兼容性强的特点。随着建造船舶的日趋大型化和智能化，智能化已是船用柴油机发展的必然趋势。
4．可靠性技术
船用柴油机的大型化、高指标给柴油机零部件（或模块件）带来更高的要求，特别是燃烧室相关零部件和运动摩擦副件的工作条件更加恶劣，其可靠性倍受重视，研究的重点包括可靠性设计、摩擦磨损、故障诊断等关键技术。
5．柴油机整机总体设计技术
船用柴油机还应具有优良的整体综合性能及在各种工况下的适应性。为此，在保持机型的可靠性、经济性、低排放和易维护的基础上，重点对柴油机整体结构进行优化，使其结构更加紧凑、体积变小、重量变轻，所采用的主要关键技术包括：模块化设计技术、3D-CAD设计分析、结构与性能优化仿真技术等。
三、我国船用大功率柴油机的产业现状
1．船用低速柴油机
大功率低速柴油机主要用于散货船、油船、集装箱船等大型远洋船舶，大都是二冲程柴油机。从全球低速机产品市场占有率来看，在以低速机为主机的2000t以上船舶上，MAN－B&W公司和WARTSILA—SULZER公司的低速机产品占世界份额的90％以上，缸径260－1080mm，功率1600－97300kW。近年来，MAN—B&W公司通过向日本、韩国和中国的柴油机生产厂转让生产许可证，得到了迅速发展。我国低速船用柴油机领域，目前全部是引进MAN B&W及 Wartsila的机型，例如，沪东重机股份公司、大连船用柴油机厂、宜昌船舶柴油机厂，通过从丹麦B&W公司和芬兰 WARTSILA－SULZER公司引进专利技术生产船用低速大功率柴油机，主要为国内几大船厂生产的干散货船、特大油轮、集装箱运输船等配套。
近几年，我国船用主机生产已有较快发展，大连船用柴油机厂的MAN B&W7S60MC－C、沪东重机的MAN B&W 6K80MC－C、7S80MC和宜昌船舶柴油机厂的Sulzer RT－flex58T－B智能型船用低速大功率柴油机等，均代表了当前国际先进水平。但是，我国造机企业与韩国、日本的现代重工、HSD、三井造船、川畸重工等造机企业差距还很大，企业综合竞争能力仍较弱。主要是资金投入不足，造机企业没有与造船企业同步规划、同步投入，生产能力相对滞后，生产规模不大，产量不高；另外还存在研发能力弱、生产场地小，以及国内配套企业生产规模小、自制能力差等问题，不能适应大规模、高效率的生产需要。
2．船用中、高速柴油机
船用中、高速柴油机，主要用于各类内河船舶、近海船舶、工程船舶及舰船上。世界中速柴油机生产厂家有苏尔寿、瓦锡兰、马克、MAN B&W、MTU、洋马、卡特彼勒等，其中MAN B&W和瓦锡兰两大柴油机公司主机产量占世界的75％以上。高速机则以MTU、DeutzMWM、Caterpiliar等公司为主。
我国大功率中速柴油机经历了引进、自行研制、再引进国产化、消化吸收和提高的过程。近年来，我国船用中高速柴油机的技术水平获得较大发展，通过技术引进，不但掌握了国外柴油机先进技术，同时对我国柴油机制造厂家进行了相应的技术改进，补充和更新了一批关键工艺装备，积累了先进柴油机的制造经验。在消化、吸收国外先进技术同时，也研制了部分新一代船用柴油机。设计、研究和生产体系初具规模，但总体水平不高，关键零部件制造工艺落后，达不到高质量水平。目前，我国制造的远洋船舶上配套的中速机70％直接购买国外进口原装机，其余30％几乎都是国外许可证技术制造的产品，技术依赖于国外，没有自主知识产权。
四、展望
船用柴油机技术发展日新月异，使在技术领域处于竞争劣势的中国船用柴油机行业面临着严峻挑战。壮大实力、发展自主品牌、扩大本土化制造能力、提高装船率是我国船舶柴油机行业亟待解决的问题。我国船用柴油机的发展必须坚持走“引进－消化－吸收－再创新”的国产化技术创新之路，加快发展船舶柴油机及其配套产业链。船舶中速机产品的发展重点是在加强引进生产许可证柴油机技术的消化吸收基础上，开展制造工艺的优化，提高产品设计能力，突破关键技术，开发研制具有自主知识产权的高水平中国品牌中速柴油机，逐步实现自主品牌中速柴油机产品系列化，提高国际市场竞争力，改变目前我国民用船舶中速机市场由引进机占主导地位的局面。加强引进中低速柴油机关键零部件的国产化研制工作，重点培育和扶植技术和生产能力强的柴油机二轮配套企业，形成船舶柴油机国内自主配套的能力。