柴油机发展形势.doc

1882年德国人狄赛尔（RudolfDiesel）提出了柴油机工作原理，1896年制成了第一台四冲程柴油机。一百多年来，柴油机技术得以全面的发展，应用领域起来越广泛。大量研究成果表明，柴油机是目前被产业化应用的各种动力机械中热效率最高、能量利用率最好、最节能的机型。装备了最先进技术的柴油机，升功率可达到30～50kWh/L，扭矩储备系数可达到0.35以上，最低燃油耗可达到198g/kWh，标定功率油耗可达到204g/kWh；柴油机被广泛应用于船舶动力、发电、灌溉、车辆动力等广阔的领域，尤其在车用动力方面的优势最为明显，全球车用动力"柴油化"趋势业已形成。在美国、日本以及欧洲100%的重型汽车使用柴油机为动力。在欧洲，90%的商用车及33%的轿车为柴油车。在美国，90%的商用车为柴油车。在日本，38%的商用车为柴油车，9.2%的轿车为柴油车。据专家预测，在今后20年，甚至更长的时间内柴油机将成为世界车用动力的主流。世界汽车工业发达国家政府对柴油机发展也给予了高度重视，从税收、燃料供应等方面采取措施促进柴油机的普及与发展。
　　一、国外柴油机技术的现状与发展
　　现代的调整高性能柴油机由于热效率比汽油机高、污染物排放比汽油机少，作为汽车动力应用日益广泛。西欧国家不但载货汽车和客车使用柴油发动机，而且轿车采用柴油机的比例也相当大。最近，美国联邦政府能源部和以美国三大汽车公司为代表的美国汽车研究所理事会正在开发新一代经济型轿车同样将柴油机作为动力配置。经过多年的研究、大量新技术的应用，柴油机最大的问题烟度和噪声取得重大突破，达到了汽油机的水平。下面是国外柴油机应用的一些先进技术：
　　（一）共轨与四气门技术
　　国外柴油机目前一般采用共轨新技术、四气门技术和涡轮增压中冷技术相结合，使发动机在性能和排放限值方面取得较好的成效，能满足欧3排放限值法规的要求。
　　四气门结构（二进气二排气）不仅可以提高充气效率，更由于喷油嘴可以居中布置，使多孔油束均匀分布，可为燃油和空气的良好混合创造条件；同时，可以在四气门缸盖上将进气道设计成两个独立的具有为同形状的结构，以实现可变涡流。这些因素的协调配合，可大大提高混合气的形成质量（品质），有效降低碳烟颗粒、HC和NOX排放并提高热效率。
　　（二）高压喷射和电控喷射技术
　　高压喷射和电控喷射技术是目前国外降低柴油机排放的重要措施之一，高压喷射和电控喷射技术的有效采用，可使燃油充分雾化，各缸的燃油和空气混合达到最佳，从而降低排放，提高整机（车）性能。
　　（三）增压中冷技术
　　采用涡轮增压增加柴油机的空气量，提高燃烧的过量空气因数是降低大负荷工况排气烟度、PM排放量以及燃油消耗的有效措施。有效的空——空中冷系统，可使增压空气温度下降到50℃以下，工作循环温度的下降有助于NOX的低排放和PM的下降，故目前重型车用柴油机都普遍是增压中冷型，不仅有助于低排放而且燃油经济性良好。此外，涡轮前排气旁通阀的应用，不仅能降低PM和CO排放，还可以改善涡轮增压柴油机的瞬态性能和低速扭矩。 (责任编辑：秦岭)
　（四）排气再循环（EGR）技术的应用
　　EGR是目前发达国家先进内燃机中普遍采用的技术，其工作原理是将少量废气引入气缸内，这种不可再燃烧的CO2及水蒸汽废气的热容量较大，能使燃烧过程的着火延迟期增加，燃烧速率变慢，缸内最高燃烧温度下降，破坏NOX的生成条件。EGR技术可使机动车NOX排放明显降低，但对重型车用柴油机而言，目前倾向于使用中冷EGR技术，因为其不仅能明显降低NOX，还能保持其他污染物的低水平。
　　（五）后处理技术
　　柴油机后处理的目标是进一步改善PM和NOX的排放。目前主要采用加装氧化型催化转化器和研究开发NOX催化转化器以及具有良好再生能力的微粒捕集器。
　　（六）柴油
　　柴油的生产和贮存条件，是保证柴油发动机（车）正常运转延长使用寿命和保持低排放的重要保证。例如瑞典的一级柴油使用中可减少CO排放达54%，HC和NOX排放达10%，PM排放减少14%～47%。发达国家已普遍使用燃料清净剂，既能节省燃料，又能清除积碳、降低排放。
　　（七）乳化柴油的应用
　　柴油加水掺合乳化剂，使其形成较为稳定的含水乳化柴油，这类改进型燃料的使用可明显降低柴油机（车）的排放，尤其是NOX和PM。目前美国报道这方面进展较多，我国也在这方面进行研究，且已取得可喜进展。加水20%乳化柴油（70天不分层），在大型柴油机上100%负载工况下，功率不减，节油明显，动力输出比柴油上升4.3%，且烟度和NOX排放下降明显。然而，尽管这项技术对低排放有好处，但其潜在的问题如水结冰、水对发动机的腐蚀等问题尚待解决。
　　（八）降低机油消耗
　　柴油机排放的颗粒物中，有相当一部分来自馏分较重的机油的燃烧。为了满足日益严格的柴油机（车）排放限值标准的要求，必须把来自机油的燃烧降至最低限度，即在保证发动机正常运转的前提下，最大限度地减少机油的消耗。为了降低柴油机的机油消耗，活塞环的优化设计和制造及缸套间的科学配置非常重要
二、 我国柴油机产业的现状与发展
　　我国柴油机产业自20世纪80年代以来有了较快的发展，随着一批先进机型和技术的引进，我国柴油机总体技术水平已经达到国外80年代末90年代初水平，一些国外柴油机近几年开始采用的排放控制技术在少数国产柴油机上也有应用。最新开发投产的柴油机产品的排放水平已经达到欧1排放限值要求，一些甚至可以达到欧2排放限值要求。但我国柴油机产业的整体发展仍然面临着许多问题。
　　（一）我国重型柴油车的产量在逐年增加，中型、轻型车柴油化步伐也在加快，但在微型汽车、轿车领域，柴油车所占比例仍为零。而另一方面，我国中型柴油机市场已呈现供大于求，轻型柴油机市场也趋向饱和，但骨干企业正在生产的多数产品从技术角度已应是淘汰产品，发展潜力不大。
　　（二）柴油机行业投入不足，严重制约了生产工艺水平、规模发展和自主开发能力的提高。现在，我国柴油机技术基础薄弱，整体技术水平落后于国际先进水平10至20年，也落后于国内车用汽油机的发展，还不具备完整的全新柴油机产品和关键零部件开发能力。许多国外已经普遍采用的技术在我国仍处于研究阶段，有些甚至仍是空白。
　　（三）我国柴油机技术的落后、产品质量差以及车辆使用中维修保养措施不力，导致低性能、高排放柴油车在使用中对城市环境和大气质量造成不良影响，使社会产生"厌柴"心理。
　　（四）柴油品质差、柴油标准的制修订严重滞后于汽车工业发展的需要，对柴油机技术的发展以及各种新技术、改善柴油机排放措施的应用造成障碍。
　　有关专家近日指出，应逐步减少行政干预，加强宏观调控。不同类型的车辆均应以满足法规作为统一标准，鼓励和支持技术先进柴油车的使用；做好车用柴油机发展的全面规划，有步骤、有计划地解决技术水平落后、产品不全、"缺重少轿"等问题，从而提高柴油机的产品质量；加大对柴油机的科技投入，开展重点科技项目的攻关工作；尽快建立和完善排放及能源法规；尽快实施燃油税，汽油和柴油的燃油税应同时实施，对高品质的燃油实行税收优惠政策；采取切实可行的措施以提高车用柴油的品质，并尽快制定车用柴油标准。
　　科技部、中国内燃机、中国汽车工程学会、大众汽车公司以及国内柴油机生产企业等国内外知名汽车专家们呼吁：应当用一分为二的观点来看待各种车用动力的发展，以完善的法规、科学的政策引导车辆的使用，以是否满足标准限值作为衡量一个产品能否在市场销售的唯一标准，有效发挥各种车用动力形式在不同运输环境中的作用。我国柴油机技术的攻关重点应放在电控技术、排放后处理技术、整机开发和匹配技术等关键技术研究和材料开发上；提高柴油品质，为各类柴油机新技术的应用奠定基础；把高速公路使用8吨以上柴油载货车作为我国柴油车发展的重点，并为发展柴油轿车做好前期准备。
三、 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。
1910年，意大利坎蒂里公司（Cantieri Navali Riuniti）建造了一艘678吨的海轮，命名为“罗马格那” 号（Romagna），双桨推进。该船采用了两台瑞士苏尔寿（Sulzer）公司的4缸二冲程柴油机，缸径310毫米，行程460毫米，单台输出功率为280千瓦（370马力）。同年，盎格鲁.萨克森（Anglo-Saxo）石油公司（荷兰皇家壳牌的子公司）订造了一艘1,216载重吨（排水量2,047吨）的单螺旋桨油轮“瓦卡纳斯” 号（Vulcanus）。该船采用了一台370马力6缸4冲程柴油机（缸径400毫米，行程600毫米）。这艘船也是有史以来第一艘入籍劳氏船籍社的柴油机动力船舶。她被用于在新不列颠岛和新加坡之间运输石油。在运营过程中，柴油机的节能效果得到充分体现，日均消耗燃油为2吨，而同类型的蒸汽机船每天需要耗煤11吨。船上轮机部门的工作人员也减少了一半，该船一直服役到1932年。

图3.1 “瓦卡纳斯” 号油轮
1912年，是人类航海史上重要的一年。这一年，第一艘真正意义上的大型远洋轮船-“锡兰迪亚”号（MS Selandia，MS为Moter Ship）建成，该船由丹麦远东公司（East Asiatic Company）公司投资。远东公司成立于1897年，公司的主要是业务是经营从丹麦首都哥本哈根到泰国首都曼谷和远东地区的航线，从事货物和人员运输。这是一条极其漫长的航路，出北海、经英吉利海峡南下，穿过直布罗陀入地中海，经苏伊士运河进入红海，再横渡印度洋，航程超过1万海里，以平均速度12节计算，海船需要连续航行约一个多月的时间。

图3.2 世界上第一艘远洋柴油机轮船，“锡兰迪亚”号

图3.3 “锡兰迪亚”号的绘画
“锡兰迪亚”号由丹麦哥本哈根的伯梅斯特和韦恩船厂（Burmeister & Wain，简称B&W）建造。B&W创立于1846年，由伯梅斯特和韦恩两人创立，早期主要从事蒸汽机和蒸汽机轮船的生产。1898年B&W公司从狄塞尔那里获得了柴油机在丹麦的生产特许权，并于1903年制造出第一台柴油机。 “锡兰迪亚”号为一艘客货轮，她于1911年11月下水，1912年2月交付使用。长112.8米 ，宽16.8米，总吨位4,964吨，载重量为6,800吨。她采用了两台B&W自产的DM8150X型柴油机（8缸4冲程、缸径530毫米、行程750毫米，单机功率1,250马力），双桨推进，航速可达12节以上。

图3.4 B&W DM8150X型柴油机
“锡兰迪亚”号采用三岛型布局，有艏楼、中楼和尾楼。艏楼后部、中楼和尾楼之间是货舱，船上没有的烟囱，而是通过前桅进行排烟。除了载货外，船上还有20间一等单人客房，每两间房间共享淋浴和卫生设施。完工后，她直航远东，并顺利返回，全程2.18万海里。“锡兰迪亚”号远航的成功，证明柴油机完全适应远洋轮船的需要。1936年，她被出售给巴拿马的一家公司。二战爆发后，她被日本征用，1942年1月，在日本御前崎市外海触礁沉没。“锡兰迪亚”号同型船一共建了三艘，另外两艘分别为“费奥尼亚”（Fionia）号和“日德兰蒂亚”（Jutlandia）号。柴油机在大型远洋轮船上的应用，标志着柴油已经日渐成熟。虽然在绝对数量上柴油机船舶还很少，但柴油机的前景已经被人们所认识。
1912年，瑞士苏尔寿公司为了展示柴油机的潜力，投资建造了一台缸径为1,000毫米，冲程1,100毫米的1S100型单缸巨型柴油机。这台柴油机在150转时可发出1,470千瓦（2,000马力）的功率，它创造的柴油机缸径记录直到1960年代才被打破。该机研制成功也对船用柴油机向大型化发展产生了深远的影响。苏尔寿公司在1S100型柴油机采用了二冲程横流扫气结构，这种设计也成为苏尔寿柴油机的标志型结构，并一直沿用了70年。

图3.5 苏尔寿1S100型柴油机
1913年初，德国的汉堡-美洲公司6,500吨级客货轮“蒙特.佩内多”号（Monte Penedo）是第一艘使用二冲程柴油机的大型远洋轮。长/宽/深分别为350/50/27英尺（1英尺= 30.48 厘米），载重4,000吨，总吨位6,500吨。她安装有两台瑞士苏尔寿公司制造的4S47型二冲程柴油机，缸径470毫米、行程680毫米、160转时可输出功率860马力。同时她也是德国第一艘大型柴油机远洋轮。

图3.6 “蒙特.佩内多”号

图3.7 苏尔寿4S47型二冲程柴油机
1914年，第一次世界大战爆发，德国建造了300多艘潜艇，除了早期的U1-U18煤油动力内燃机潜艇外，从U19后全部采用柴油机动力。这些潜艇分别由日耳曼尼亚、皇家、布洛姆福斯等多家船厂承建。德国潜艇分为中型潜艇、大型/巡洋/运输潜艇、UB近海潜艇、UC型近海布雷潜艇、UE型远洋布雷潜艇等不同种类。战争中，U型潜艇以其卓越的水下机动性和作战能力在海上出尽了风头，给协约国商船和战舰以重大打击，共击沉协约国商船6,000艘，注册吨位1,200万吨，击沉军舰150艘，德国自身也损失潜艇178艘。超强的续航能力和可靠性充分体现了柴油机动力的优势，曼恩公司也开始在柴油机领域树立起不可动摇的地位。在未来的几十年内，曼恩与丹麦B&W、瑞士苏尔寿等公司相互竞争，并发展为船用大功率船用柴油机的巨头。

图3.8 一战时潜艇的柴油机机舱

四．船用柴油机的普及
第一次世界大战后，柴油机性能有了新的提高，柴油机的装船数量开始上升，1921年左右柴油机已经开始在客轮上使用。
1922年，新西兰联合航运公司（Union Steamship Co of New Zealand）向英国的菲尔费尔德（Fairfield）船厂订购了一艘大型柴油机动力客轮“阿朗伊” 号（Aorangi）。该船全长600英尺，宽72.2英尺，吃水29.9英尺，17,491总吨，安装4台苏尔寿ST70型6缸2冲程柴油机（缸径700毫米，行程990毫米），单台输出功率3,177马力，4轴，航速17节。船上有440个一等、300个二等和230个三等铺位。经过2年的建造，“阿朗伊” 号建成，开始在温哥华-悉尼航线上服务。二战爆发后她先后被改造为运兵船，医院船等。战争期间她一共运输了3.6万名士兵和5千多名难民，战后她恢复运营，并于1953年拆毁。

图4.1 “阿朗伊” 号客轮
柴油机装船后的良好表现改变了人们原先认为柴油机不适合大型船舶使用的偏见。1925年，瑞典-美洲航运公司（Swedish America Line）向英国阿姆特朗.威斯沃斯（Armstrong Whitworth）公司订购的“格里普斯霍姆”号（Gripsholm）交付。该船18,134总吨，采用2台B&W公司建造的B&W840D型4冲程柴油机（缸径为840毫米，双动），总功率达9,930千瓦（13,240马力）。她也是第一艘采用柴油机动力的跨大西洋定期班轮。不久后英国的哈兰德.沃尔夫船厂为联合城堡航运公司（Union Castle Line）建造了超过2万吨的“卡那封城堡”号。该船上安装有哈兰德.沃尔夫船厂购买B&W公司专利生产的4冲程双动柴油机，双机，总功率为1.1万千瓦（1.5万马力）。

图4.2 “格里普斯霍姆”号客轮

图4.3 B&W 840D型4冲程双动柴油机
1920年代末，英国约翰.布朗公司采用苏尔寿专利技术制造了5缸S90型柴油机，具有900毫米缸径，是当时世界上最大缸径的柴油机，单机功率为4,650马力。这些机器被装到两艘“兰基提奇”级（Rangitiki）客轮船上，每船装机两台。

图4.4 “兰基提奇”号客轮
1926年12月，总吨位超过32,650吨的“奥古斯塔斯”号（Augustus）客轮在意大利安萨尔多船厂建成下水，她属于意大利Navigazione Generale Italiana公司。她的姊妹船“罗马”号（SS ROMA）是一艘传统的蒸汽轮机客轮，而“奥古斯塔斯”号则装备了4台曼恩公司建造的6缸双动二冲程柴油机（缸径700毫米，行程1,200毫米，总功率2.8万马力）。该船长219米，宽25米，4轴，航速22节，载客2,210人，内部装饰豪华。1927年6月她完成首航，是当时世界上最大和最豪华的柴油机动力客轮。
1929年经济危机后，跨大西洋的运输明显萎缩。意大利人主要将该船作为游船使用。1932年，独裁者墨索里尼强迫Navigazione Generale Italiana与意大利国有的意大利航运公司（Italia Line）合并，因此“奥古斯塔斯”号重新采用了意大利航运公司的涂装。1933年1月4日，她满载富豪从纽约出发，完成了为期129天的环球巡游，途经全球数十个港口，其中就包括中国香港和上海。二战爆发后，两艘姊妹船一度闲置。
1941年，意大利法西斯开始将“罗马”号客轮改装为航母“天鹰” 号（Aquila），该舰主要参数为，排水量：标准23,350吨/满载27,800吨，总长232.5米，宽29.4米，吃水7.31米。武备：单管135毫米炮8座，单管65毫米高炮12座，六管20毫米炮22座，载机26架。动力：蒸汽轮机2台，4轴，14.2万马力，航速30节，续航力4,150海里/18节。舰员1,165名，另加航空人员243名。直到纳粹投降时，“天鹰”号的改装工作都没完成。
1942年9月意大利人又开始将超过3万吨的“奥古斯塔斯”号客轮改装为“鹞鹰”号（Falco）航母，基本布局与“天鹰”号号类似。“鹞鹰”号同样命途多舛，意大利投降时，改装工作还没完成，之后她被德军凿沉在热那亚港以阻碍盟军船只进入。这两艘航母最终都在上世纪40年代末期被拆解。

图4.5 “奥古斯塔斯”号豪华邮轮

图4.6 “天鹰”级航空母舰
1928年，著名的英国白星轮船公司（White Star Line，“泰坦尼克”号即属于该公司所有）看到柴油机的优越性后，向其长期的合作伙伴哈兰德.沃尔夫公司订购了一艘巨型柴油机客轮“海洋”（Oceanic）号。这艘船长度超过300米，总吨位超过6万吨，有3个巨大的烟囱。船上计划安装40台柴油机，并通过齿轮减速箱驱动4个螺旋桨。随着1929年经济危机的爆发，这艘巨轮最终只能停留在绘图板上。船舶史专家们评论说如果她建成的话，规模将不亚于“玛丽王后”号和“诺曼底”号。

图4.7 想象中巨轮“海洋”号
经济危机过后，各国经济开始恢复。1930年代末，荷兰的“奥兰治”号（ORANJE）成为动力最强劲的柴油机动力船舶。船上安装有3台苏尔寿12缸SDT76式二冲程柴油机，该机有12个760毫米缸径的气缸，总功率达到27,600千瓦（37,551马力，转速为145转/分时，单机功率超过了1万马力），是二战前船用柴油机的最高水平。
“奥兰治”号也是一艘外形极其现代化的客轮，她由荷兰航运公司（Netherland Line）出资建造，1938年在阿姆斯特丹下水。荷兰女王威廉.明娜亲自主持下水典礼并为其命名。“奥兰治”号总吨位为20,117吨，长200米，宽25.5米，3轴，最大速度可达26节，可载客760人。她是当时最快的柴油机船，外观也颇具美感。她主要用于荷兰和和荷属东印度群岛的旅客运输，1939年9月初期，她从阿姆斯特丹启程航向爪哇，由于战争爆发，未能返回荷兰。1942年，日军进占荷属东印度群岛后，她不得不退往澳大利亚，并在那里改装成医院船，战后她恢复运营。1960年，她还进行了环球航行。1964年她被出售给一家意大利公司，并接受彻底的翻新。她的船首被延长了4.9米，总吨位也上升到24,377吨，载客量增加到1,230人。1972年起，她又被改装成一艘游轮，巡游于百慕大海域。1979年3月30日，船上燃起大火，幸亏大多数旅客已经上岸，船上也无人员伤亡。4天后大火扑灭，船也坐沉海底。一支德国打捞队将其浮起，船东准备将其卖给中国台湾的拆船厂拆毁，她被成功的拖过巴拿马运河，但最终没有熬到目的地，由于大火将船板破坏严重，造成漏水，她还是沉没于太平洋的万顷波涛之中。

图4.8 “奥兰治”号邮轮
到二战前，营运的内燃机船舶的总吨位占远洋船舶总吨位的比重不断上升，柴油机船队的规模已经达到世界商船规模的20%以上，而1920年，这个比例仅4%。而新建船舶中，柴油机装船比例已经超过50%。

潍柴、锡柴、杭发、玉柴、大柴、扬柴、朝柴。潍柴、锡柴、杭发、玉柴这几类都是大型企业，制造的柴油机马力较大！一般应用于中、重型汽车上面；大柴、扬柴、朝柴这几类一般都是中小型柴油机，马力相对较小，应用于中小型汽车上面。

【摘 要】随着世界汽车对汽车发动机动力性、经济性和排放提出了更高要求和计算机技术的迅速发展，柴油机被公认为节能的代表和减少汽车尾气排放污染的有力工具，汽车柴油化也是汽车发动机发展的一大趋势。本文结合当前发展状况，论述了缸内直接喷注技术和柴油化趋势是未来车用发动机的发展方向。
　　【关键词】车用发动机 柴油化趋势

　　柴油机的开发焦点已由传统的优先考虑经济性、可靠性和耐久性逐步转为目前的优先考虑环保的要求，即以优先保护好人类赖以生存的地球环境为出发点去考虑采用何种技术，去评价其先进性。
　　优先考虑柴油机排放、噪声对环境的影响问题，与过去相比也有不同，就是在满足目前对排气污染物、颗粒排放及噪声的限制要求时，不再以牺牲经济性、动力性和比质量等为代价，而是在达到上述目标的同时使产品具有可竞争的商业价格。欧洲一些公司近年或稍后将继续推出能满足环境要求的百公里油耗为3L的柴油机。
　　当前和将来一个时期车用柴油机技术的发展趋势突出表现在如下几个方面：

　　一、进一步优化燃烧系统，特别重视开发和选择喷射系统

　　Perkins公司的Ouadram燃烧室、日野公司的HMMS燃烧室，小松公司的MTEC燃烧室及五十铃公司的四角形燃烧室等，都在试验开发阶段，其基本特点是由一个中央涡流及四周的微涡流使空气燃料快速而充分地混合，并配合以合适的燃油喷射系统。
　　目前，喷射系统已进入一个较快的发展时期，现正在研究开发lms内完成一次喷射，并在有限时间内正确控制喷射量的方法。喷射压力已提高到160—180MPa，实验室内已到200 MPa。如共轨式喷射系统及分段预喷射系统等，可根据发动机的负荷与转速自动控制合理的喷射规律和喷油压力。

　　二、增压及可变气门配气定时

　　当今柴油机增压和增压中冷已成为标准特点，随着发动机的轻量化与小型化，为了降低车辆油耗，提高车辆装载效率，必须继续提高增压比及增压器效率。在进一步提高大负荷区的过量空气系数a时可以减少颗粒排放，同时通过稀燃化，减少热损失，提高循环效率，进而同时降低油耗，随着高增压和高a化，组装有多个增压器的复合系统已成为可能。另外，增压器固定的涡轮几何形状也将由可用于多用途的电控可变几何形状所取代。
　　目前，在小缸径柴油机上4气门和喷油嘴垂直中置技术得到广泛的应用，为了减少换气损失，使混合气的形成进一步优化，现正在研究采用可变气门配气定时，从而使发动机在整个转速范围内的气门升程和定时得到最佳优化。

　　三、全电子优化控制

　　如前所述，目前对燃油喷射时间、喷射量、惯性增压、增压器、进气涡流及废气再循环(EGR)等都能实现电子优化的可变控制，从而对降低排放、减少油耗、提高输出功率和启动性能等有很大作用；但是，这些控制中的多半内容，如EGR、自动诊断等，还有很多技术不够完善，有待进一步研究和开发，今后还将继续开发其它方面的电子可变控制机构，尤其是与整车相协调统一的综合化的全电子控制系统。

　　四、排气后处理技术

　　柴油机能否像汽油机那样使用催化剂大幅度减少排放，尤其是NOx，这是柴油机研制者一直追求的目标。日美欧现都在对此进行研究，日本有关大学、研究所和厂家正在对沸石镁及氧化铝的催化剂上用还原剂进行NOx还原试验，美国福特等公司也正在对催化还原系统(SCR)及DeNOx，催化器两种NOx还原系统进行研究。
　　SCR技术是利用氮氧化物有选择地与存在于废气中的或喷入的反应剂反应，利用一个催化器降低NOx排放，排出生成的氧气。还原反应剂可以是在柴油机废气中的HC化合物或是由附加油箱直接喷入废气流中的物质，如氨等。
　　与SCR技术相比，DeNOx催化技术系统简单，无有害生成物，目前认为最具发展潜力。DeNOx催化技术主要是将NOx催化热裂变为N2和O2,目前的问题是废气在催化器中停留时，催化器效率不高，因此带来转化还原效率也受到很大限制。
　　为减少颗粒排放而研制的各种“柴油机颗粒收集器或称过滤器(DEF)”，虽然不少产品已在欧