船用柴油机发展史

船用柴油机百年发展简史

王华堂一．柴油机的诞生

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1.1 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（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。

图1.2 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1.3 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。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1150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。