船用柴油机百年发展简史

船用柴油机百年发展简史引自霹雳贝贝一．柴油机的诞生自从18世纪末瓦特改良蒸汽机以来，蒸汽机成为推动世界发展的动力。

1805年，富尔顿发明了实用的蒸汽机船，从此以后很多船舶开始用上了蒸汽机。

不过早期的蒸汽机工作压力很低，结构极其笨重，效率不到5%。

19世纪初，改进蒸汽机，提高热效率就成为许多科学家和工程师毕生追求的目标。

法国人萨迪.卡诺（Sadi Carnot，1796-1832）就是其中杰出的代表。

卡诺认为，要想改进热机，只有从理论上找出依据。

因此他从热力学理论的高度着手研究热机效率，提出了著名的“卡诺循环”。

图1.1 热力学大师萨迪.卡诺图1.2 “卡诺循环”P-V（压力-体积）图“卡诺循环”是一个理想的过程，分四个阶段。

1-2，可逆等温膨胀过程。

2-3，等熵膨胀过程。

3-4，可逆等温压缩过程：4-1，等熵压缩过程。

工质经过这四个过程循环后，吸收能量，对外做功，随后又回到原来的状态。

卡诺循环只是一个理想状态的热机，现实中没有任何热机的效率可以达到卡诺热机的效率，但它却为分析热机效率提供了基础的方法。

从卡诺循环的分析可以看出，增大工质循环的初始温度与循环终了温度之间的差值，是提高热机效率最为简便的途径。

迄今为止，热机效率所有重大的提升和改进都是在这个准则指导下进行的。

有了理论指导后，蒸汽机功率和效率都得以提高，这种提高主要取决于蒸汽参数的提高。

初期蒸汽机的蒸汽压力仅为0.11～0.13兆帕（一标准大气压=0.101325兆帕，仅相当于大气压）。

19世纪初蒸汽压力达到0.35～0.7兆帕，到1840年，最好的凝汽式蒸汽机总效率已经能达到8%。

随着蒸汽参数和功率的提高，蒸汽已不可能只在一个汽缸中膨胀，必须在相连的汽缸中继续膨胀，于是出现了多级膨胀的蒸汽机。

由于蒸汽机受到润滑油闪点的限制，所用蒸汽的最高温度一般都不超过400℃。

机车，轮船等移动式蒸汽机的工作温度还要略低一些，多数不高于350℃。

考虑到膨胀的可能性和结构的经济性，常用蒸汽压力在2.5兆帕以下。

由于蒸汽参数受到限制，从而也限制了蒸汽机功率和效率的进一步提高。

为了避免蒸汽机粗大笨重、结构复杂、难以小型化的缺点，欧洲的发明家们纷纷开始研究新型热机。

德国工程师奥托（N.A Otto 1832~1891）通过效仿卡诺循环的研究方法，提出了“奥托循环”，即定容加热循环原理。

“奥托循环”的基本工作原理为，将可燃气体在气缸中压缩，再点燃压缩可燃气体，产生很强的推力，从而提高热效率和输出功率。

奥托创建的内燃机工作原理一直在现代汽车发动机（汽油机）上沿用至今。

1876奥托的第一台内燃机为单缸卧式，功率3.2千瓦（4.4马力），四冲程，转速为156转/分，压缩比为2.66，热效率达到14%，大大超过了蒸汽机。

不过当时石油工业还处于襁褓时期，更谈不上汽油（第一台汽油机还要等到1883年才问世），因此这台发动机采用的燃料是煤气。

由于煤气存储不便，存在安全性较差的缺点。

同时由于奥托的内燃机采用的是点燃方式，当时完善的电点火装置还没有发明，点火装置可靠性也不佳。

图1.3 内燃机的发明人-奥托一名德国裔的法国工程师决定改进内燃机，他就是鲁道夫.狄塞尔（Rudolf Diesel，1858-1913）。

狄塞尔1856年出生于法国巴黎，父母是德国移民。

1870年普发战争爆发后，他移居到德国奥格斯堡的叔叔家，在那里他就读职业学校。

1875年，他进入慕尼黑科技大学学习，5年后以第一名的成绩毕业并返回巴黎从事制冷专业。

在工作中，他深感蒸汽机的效率低下，于是萌发了设计新型发动机的念头。

1890年他回到柏林，不久后他建造了一台以氨气为动力的发动机并进行研究，但不幸的是，发动机的爆炸差点要了他的命。

出院后他继续研究工作，并在1893年发表了著名的论文《Theory and Construction of a Rational Heat-engine to Replace the Steam Engine and Combustion Engines Known Today》（《取代现有蒸气发动机和内燃发动机的合理的热发动机理论和设计》），在论文中他提出了定压加热循环原理（即“狄塞尔”循环），并申请了专利。

图1.4 柴油机的发明人鲁道夫.狄塞尔为了实现他的想法，他找到德国奥格斯堡机器制造厂，也就是今天大名鼎鼎的曼恩（M.A.N）公司的前身。

1897年，他成功制造了一台能安全运转的热机。

在奥格斯堡他亲自启动了发动机，那一瞬间，热机领域一次新的科技革命诞生了。

虽然这台单缸引擎的功率仅为14瓦，但效率已经远远超过当时的蒸汽机和已经发明的奥托式内燃机，达到了前所未有的26%。

现在，这台机器的复制品（原件已经不幸在二战中损毁）被收藏在慕尼黑德意志科技博物馆里，狄赛尔也永远被人们铭记。

今天英文的柴油机一词“Diesel Engine”就是以他的姓氏来命名的。

不过当时柴油机并没有使用柴油，使用的是植物油。

实际上，“Diesel Engine”更准确的中文翻译应该是“压燃式发动机”，不过“柴油机”的名称已经深入人心，也不必苛求了。

图1.5 世界上第一台柴油机狄塞尔柴油机为单缸四冲程柴油机，虽然柴油机经过了100多年的发展，但其基本原理都是基于狄塞尔提出的定压膨胀原理。

柴油机主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、喷油嘴等部件组成。

4冲程柴油机的工作循环经历进气、压缩、做功和排气四个冲程。

柴油机在进气冲程吸人的是纯空气，在压缩冲程接近结束时，由喷油泵将高压柴油通过喷油器以雾状喷人气缸，在短时间内与压缩后的高温、高压空气混合，形成可燃混合气。

混合气温度大大超过柴油的自燃点，柴油喷人气缸后，在很短的时间内即自行着火燃烧，燃气压力急剧上升，温度急剧升高，在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转作功。

废气则经排气门、排气管等处排人大气。

图1.6 四冲程柴油机的工作原理四冲柴油机在一个工作循环中，只有一个冲程做功，其余三个冲程都是为做功冲程创造条件的辅助行程。

因此，单缸发动机工作不平稳，需要通过飞轮等保证其圆周运动。

现代柴油机大多采用多缸结构，在多缸发动机中，所有气缸的做功行程并不同时进行，而尽可能有一个均匀的做功间隔。

例如六缸发动机，在完成一个工作循环中，曲轴旋转两周即720度，曲轴转角每隔120度就有一个气缸做功。

因而多缸发动机曲轴运转均匀，工作平稳，并可获得足够大的功率。

虽然柴油和汽油同为内燃机燃料，但柴油属于石油分馏中较重的馏分，馏出温度高，粘度比汽油大，不易蒸发，然而其自燃点却低于汽油，故柴油机内可燃混合气的形成和燃烧方式与汽油机不同。

柴油机汽油机基本原理定压加热循环定容加热循环燃料混合方式柴油直接喷入汽缸，在汽缸内实现油气混合向汽缸喷入已经混合好的汽油、空气混合；一般使用化油器（现代汽油机使用电子喷射方式）产生混合气体点火方式压燃、依靠汽缸的高温、高压使用柴油自燃点燃方式，一般使用电火花塞发火压缩比最高可达20以上一般为10以内柴油机和汽油机的差异汽油机与柴油机比较各有特点；汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成本低，多用于汽车等小功率的场合；柴油机压缩比大，热效率高，输出功率大，经济性能和排放性能都比汽油机好。

一般来说，柴油机的气缸数越多、缸径越大、活塞行程越长、汽缸压力越大，输出功率也就越大。

当今，柴油机在重型汽车、重型机械、火车和船舶推进、电站等方面均有广泛应用。

二．柴油机应用于船舶推进狄塞尔本想将柴油机用于汽车，但是直到他去世，这个梦想也没有实现。

不过随着石油的开发，柴油却率先在船舶推进中得到应用。

1903年，俄国的“万达尔” 号（Vandal）油轮和法国的“佩迪特.皮埃尔” 号（Petite-Pierre）成为最早装备柴油机的船舶，她们几乎同时建成服役，至于谁更早一些，不同的资料有不同的看法。

“万达尔”号由卡尔.哈格林（Karl Hagelin）为俄国的石油巨头-诺贝尔兄弟公司（Branobel）设计（该公司是诺贝尔家族在俄国投资的石油公司，伟大的发明家阿尔弗雷德.诺贝尔就是出自该家族）。

哈格林十分具有远见，他设计了一艘内河油轮，这艘船可以将里海的石油从伏尔加河下游经内陆河道直接运到圣彼得堡或芬兰，距离超过1800英里！以前这条路线上主要是通过内河驳船进行运输，采用蒸汽拖船拖曳，长距离的经济性不是很好。

哈格林觉得新兴的柴油机可以用来一试。

他考虑到内河船舶操作的灵活性，调速和倒车等因素，决定采用柴油机电力驱动方式。

他聘请了船舶设计师约翰尼.约翰逊（Johny Johnson）进行整体设计，并由索莫夫船厂（Sormovo shipyard）建造。

“万达尔”号吨位为800吨，长74.5米，宽9.55米，吃水2.4米，船上采用3台瑞典柴油机公司（Swedish Diesel）和ASEA公司合作生产的柴油机，缸径290毫米，行程为430毫米，转速240转/分，单台输出功率120马力。

该船的柴油机和发电机放在船的中部，推进电机在船尾部，可直接驱动三个螺旋桨，航速可达8.3节。

图2.1 “万达尔”号次年，诺贝尔兄弟公司又投资建造了一艘更大油船“萨玛特” 号（Sarmat）。

这艘船排水量1,150吨，载重750吨。

她采用了2台路德维格.诺贝尔（Ludwig Nobel）公司的180马力柴油机（缸径320毫米，行程为420毫米）。

她摒弃了电力传动，由柴油机直接驱动螺旋桨，籍此降低了15%的传动损失，航速达8.6节。

由于俄罗斯北方寒冷，河流封冻，两艘油船仅在夏天使用，“万达尔”号运行了10年时间，而“萨玛特”号则一直使用到1923年。

法国的“佩迪特.皮埃尔”号则是一艘柴油机动力平底驳船，该船装一台25马力的柴油机，1903年9月，她开始在马尔纳-里昂的运河上开行。

柴油机的发明人狄塞尔还曾受邀上船参观过，并签名留念。

图2.2 “佩迪特.皮埃尔”号的照片，上有狄塞尔签名第一艘柴油机动力军舰是1904年法国建造的“埃吉瑞特” 号（Aigrette）潜艇，同型艇共两艘。

该艇水面排水量202吨，水下排水量222吨，长/宽/吃水分别为41.3/3.0/2.8米，武器为两具450毫米鱼雷发射管，船员16人。

她装有一台4缸4冲程柴油机。

潜艇水上航行时采用柴油机直接推进螺旋桨，并为蓄电池充电。

水下航行切换到蓄电池-电机，水上航速9节，水下航速7.1节，续航力500海里/5节，水下为45海里/4节。

与原先潜艇上普遍使用的汽油机相比，柴油机在发火时不需要复杂的点火装置，无汽油挥发爆燃的危险，产生的废气中有毒气体相对较少，具有热效率高、安全可靠等优点。

随后，英国也开始装备柴油机动力的D1级潜艇，柴油机逐渐成为常规潜艇的标准动力配置，直至今日。

图2.3 英国D1型潜艇模型三．柴油机迈向远洋早期柴油机主要应用于内河船舶和近岸潜艇，在经历了最初的发展阶段后，柴油机技术日益成熟，单机功率和可靠性都有大幅提高，为柴油机航向大海和远洋创造了基础。