船舶柴油机 简介
船舶柴油机是现代船舶的“心脏”，是一种将燃料的化学能转化为机械能的往复式内燃机，它通过燃烧柴油（或其他燃料）产生高温高压气体，推动活塞做功，再通过曲柄连杆机构将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，最终驱动螺旋桨，为船舶提供前进的动力。
它是目前商船（如集装箱船、油轮、散货船、邮轮等）和许多军用舰艇最主要、最核心的动力来源。
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工作原理（四冲程柴油机为例）
船舶柴油机绝大多数采用四冲程工作原理，即一个完整的做功循环包括四个冲程：进气、压缩、做功、排气，曲轴旋转两圈（720°），完成一个循环。
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进气冲程:
- 活塞从上止点向下止点移动。
- 进气阀打开,排气阀关闭。
- 气缸内气压低于大气压,新鲜空气被吸入气缸。
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压缩冲程:
- 活塞从下止点向上止点移动。
- 进、排气阀均关闭。
- 进入气缸的空气被急剧压缩,温度和压力急剧升高（可达500-700°C，足以点燃柴油）。
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做功冲程:
（图片来源网络，侵删）- 活塞接近上止点时,高压喷油嘴将柴油以雾状喷入高温高压的空气中，柴油迅速自燃（压燃）。
- 燃烧产生的高温高压气体急剧膨胀,推动活塞从上止点向下止点做高速运动，这是输出动力的唯一冲程。
- 曲轴在此冲程中旋转半圈（180°）。
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排气冲程:
- 活塞从下止点向上止点移动。
- 进气阀关闭,排气阀打开。
- 气缸内燃烧后的废气被活塞推出气缸,排入大气。
二冲程柴油机原理与之类似，但它在压缩冲程结束后和排气冲程开始前，通过气口和**气阀`的结合，将进气和排气过程集成在一个冲程内，因此曲轴每转一圈（360°）就能完成一个做功循环，这使得二冲程柴油机在相同尺寸和转速下，功率更大，效率更高，因此被广泛用作大型船舶的主发动机。
主要类型
船舶柴油机主要根据其结构、转速和用途进行分类。
按结构分类：
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- 筒形活塞式柴油机:
- 结构： 活裙部与气缸壁直接接触，承受侧推力，结构简单、紧凑、轻便。
- 应用： 广泛用作中高速船舶（如渡轮、渔船、工程船、军舰）的主机，以及大型船舶的辅机。
- 十字头式柴油机:
- 结构： 活杆通过十字头与连杆相连，活塞裙部不接触气缸壁，侧推力由十字头滑块承受。
- 优点： 气缸与曲轴箱完全隔离，润滑油不会被污染，可使用低劣质燃料；磨损小，寿命长。
- 应用： 主要用作大型低速船舶（如巨型油轮、集装箱船）的主机，经济性最佳。
按转速分类：
- 低速柴油机:
- 转速： 通常低于 300 RPM。
- 特点： 直接驱动螺旋桨，无需减速齿轮箱；结构庞大，但燃油效率极高（可达50%），可燃烧重油。
- 代表： MAN & CSSC 的 MC系列，瓦锡兰的RT-flex系列。
- 中速柴油机:
- 转速： 通常在 300 - 1000 RPM 之间。
- 特点： 需要通过减速齿轮箱驱动螺旋桨；尺寸和功率介于低速和高速机之间，机动性好，常用作主机或大型船舶的辅机/发电机。
- 高速柴油机:
- 转速： 通常高于 1000 RPM。
- 特点： 结构紧凑、功率密度高；但寿命相对较短，燃油消耗率较高。
- 应用： 主要用作小型船舶、高速客船、军舰的主机，以及应急发电机。
核心部件
- 固定部件： 机座、机架、气缸盖、气缸套、油底壳。
- 运动部件： 活塞、活塞销、连杆、曲轴、飞轮。
- 配气机构： 凸轮轴、进气阀、排气阀、阀杆、摇臂。
- 燃油系统： 燃油泵、高压油管、喷油嘴。
- 润滑系统： 滑油泵、滑油滤器、冷却器。
- 冷却系统： 淡水泵、海水泵、冷却器。
- 增压系统： 涡增压器（利用废气能量驱动，为气缸提供更多空气，提高功率和效率）。
优点与缺点
优点：
- 热效率高： 现代大型低速柴油机的热效率可达50%以上，是热机中效率最高的。
- 功率范围广： 从几十千瓦到近十万千瓦，能满足从快艇到巨型油轮的各种船舶需求。
- 燃油经济性好： 尤其是低速柴油机，单位功率的燃油消耗量最低，运营成本可控。
- 可靠性高，寿命长： 结构坚固，维护得当可连续运行数万小时。
- 技术成熟： 经过上百年的发展，技术非常成熟，维修保养网络完善。
缺点：
- 重量和尺寸大： 尤其是低速柴油机，非常笨重，占用大量机舱空间。
- 振动和噪音大： 往复运动和燃烧过程会产生强烈的振动和噪音，需要复杂的减振降噪措施。
- 排放污染严重： 燃烧会产生氮氧化物、硫氧化物、颗粒物等大气污染物，对环境造成压力。
- 启动性较差： 尤其在低温环境下，需要复杂的启动辅助系统（如空气启动）。
未来发展趋势
面对日益严格的环保法规（如IMO的硫排放限制、碳减排目标）和能源转型需求，船舶柴油机正朝着以下方向发展：
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使用替代燃料：
- 液化天然气: 是目前最主流的替代燃料，能显著减少SOx和颗粒物排放，并降低NOx排放。
- 甲醇、乙醇: 清洁燃料，燃烧后排放物少，是未来的重要方向。
- 氨、氢: 零碳燃料，被认为是实现航运业脱碳的终极方案之一，但技术尚在研发中，面临储存、安全、发动机改造等挑战。
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提高效率与智能化：
- 提高爆压: 通过优化设计和材料，进一步提高气缸内爆发压力，从而提升热效率。
- 数字化与智能化: 利用传感器、大数据和人工智能，实现发动机的预测性维护、能效优化和远程监控。
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废气后处理技术：
- 废气清洗系统: 洗涤塔，用于满足硫排放限制。
- 选择性催化还原: 用于进一步减少NOx排放。
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混合动力与电力推进：
将柴油机与电池、燃料电池等结合，形成混合动力系统，在低速航行或靠岸时使用电力，实现节能减排。
船舶柴油机凭借其无与伦比的热效率和可靠性,在过去一个多世纪里牢牢占据着船舶动力的核心地位，尽管面临着环保和能源转型的巨大挑战，但它并未被淘汰，而是在不断地进行技术革新，通过使用清洁燃料、提升效率和智能化水平，努力适应未来航运业绿色、低碳的发展要求，在可预见的未来仍将是船舶动力的中流砥柱。
