第一節(jié) 大功率、低排放
柴油發(fā)動(dòng)機(jī)將繼續(xù)是船舶動(dòng)力的主力軍，今后其主要走向就是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和降低廢氣排放量。隨著船舶大型化發(fā)展，世界主要柴油機(jī)制造商正在研制大功率低速船用柴油機(jī)，如2005年3月，韓國現(xiàn)代重工公司制造出MANB&W12K98ME船用主機(jī)，功率達(dá)到101576馬力（74760千瓦），是世界上首臺(tái)突破10馬力的船用主機(jī)；中國中船集團(tuán)公司柴油機(jī)新基地項(xiàng)目的 規(guī)劃 及啟動(dòng)，把大功率智能化低速船用柴油作為主要研發(fā)對(duì)象。
當(dāng)前國際和地區(qū)海洋環(huán)境保護(hù)法規(guī)對(duì)船舶廢氣排放限定標(biāo)準(zhǔn)將越來越嚴(yán)格。例如挪威和瑞典已出臺(tái)和執(zhí)行有關(guān)停泊在港口碼頭的船舶廢氣排放含硫量限制在0.2%的規(guī)定；2004年6月歐盟組織(EC)把船舶廢氣排放含硫量的嚴(yán)格限制規(guī)定的區(qū)域擴(kuò)大到北海、波羅的海和英吉利海峽的海域和港口；國際船舶防污染公約(MARPOL)補(bǔ)充Ⅵ議定書中有關(guān)全球船舶廢氣排放含硫量限制在不超過4.5%的法規(guī)于2005年5月19日生效；2005年初美國政府海洋環(huán)境保護(hù)部門在邁阿密已經(jīng)召開船用重油會(huì)議，其專題就是如何在美國沿海港口實(shí)施進(jìn)一步把船舶廢氣排放低含硫量限制在1.5%以下，最晚將在2006年底出臺(tái)新規(guī)定。
2003-2004年，日本造船業(yè)加強(qiáng)了基礎(chǔ)經(jīng)營管理，推進(jìn)信息化，采取環(huán)保措施，減少氮氧化物（NOx）的排放量，制定了逐步將沿海船舶和漁船的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)更換為NOx低排放量發(fā)動(dòng)機(jī)的政策。嚴(yán)格限制船舶廢氣含硫氧化物（SOx）和氮氧化物（NOx）的排放，是當(dāng)代船用柴油機(jī)制造技術(shù)發(fā)展主要趨勢。
第二節(jié) 燃油高壓噴射系統(tǒng)
高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)，它主要由電控單元、高壓油泵、共軌管、電控噴油器以及各種傳感器等組成。低壓燃油泵將燃油輸入高壓油泵，高壓油泵將燃油加壓送入高壓油軌，高壓油軌中的壓力由電控單元根據(jù)油軌壓力傳感器測量的油軌壓力以及需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，高壓油軌內(nèi)的燃油經(jīng)過高壓油管，根據(jù)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)，由電控單元從預(yù)設(shè)的圖中確定合適的噴油定時(shí)、噴油持續(xù)期由電液控制的電子噴油器將燃油噴入氣缸。
1、高壓油泵
高壓油泵的供油量的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是必須保證在任何情況下的柴油機(jī)的噴油量與控制油量之和的需求以及起動(dòng)和加速時(shí)的油量變化的需求。由于共軌系統(tǒng)中噴油壓力的產(chǎn)生于燃油噴射過程無關(guān)，且噴油正時(shí)也不由高壓油泵的凸輪來保證，因此高壓油泵的壓油凸輪可以按照峰值扭矩最低、接觸應(yīng)力最小和最耐磨的設(shè)計(jì)原則來設(shè)計(jì)凸輪。
bosch公司采用由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的三缸徑向柱塞泵來產(chǎn)生高達(dá)135Mpa的壓力。該高壓油泵在每個(gè)壓油單元中采用了多個(gè)壓油凸輪，使其峰值扭矩降低為傳統(tǒng)高壓油泵的1/9，負(fù)荷也比較均勻，降低了運(yùn)行噪聲。該系統(tǒng)中高壓共軌腔中的壓力的控制是通過對(duì)共軌腔中燃油的放泄來實(shí)現(xiàn)的，為了減小功率損耗，在噴油量較小的情況下，將關(guān)閉三缸徑向柱塞泵中的一個(gè)壓油單元使供油量減少。
日電裝公司采用了一個(gè)三作用凸輪的直列泵來產(chǎn)生高壓。該高壓油泵對(duì)油量的控制采用了控制低壓燃油有效進(jìn)油量的方法。
1）柱塞下行，控制閥開啟，低壓燃油經(jīng)控制閥流入柱塞腔。
2）柱塞上行，但控制閥中尚未通電，處于開啟狀態(tài)，低壓燃油經(jīng)控制閥流回低壓腔。
3）在達(dá)到供油量定時(shí)時(shí)，控制閥通電，使之關(guān)閉，回流油路被切斷，柱塞腔中的燃油被壓縮，燃油經(jīng)出油閥進(jìn)入高壓油軌。利用控制閥關(guān)閉時(shí)間的不同，控制進(jìn)入高壓油軌的油量的多少，從而達(dá)到控制高壓油軌壓力的目的。
4）凸輪經(jīng)過最大升程后，柱塞進(jìn)入下降行程，柱塞腔內(nèi)的壓力降低，出油閥關(guān)閉，停止供油，這時(shí)控制閥停止供電，處于開啟狀態(tài)，低壓燃油進(jìn)入柱塞腔進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。
該方法使高壓油泵不產(chǎn)生額外的功率消耗，但需要確定控制脈沖的寬度和控制脈沖與高壓油泵凸輪的相位關(guān)系，控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。
2、共軌管
共軌管將供油泵提供的高壓燃油分配到各噴油器中，起蓄壓器的作用，ECD-U2系統(tǒng)的供軌管容積應(yīng)削減高壓油泵的供油壓力波動(dòng)和每個(gè)噴油器由噴油過程引起的壓力震蕩，使高壓油軌中的壓力波動(dòng)控制在5Mpa之下。但其容積又不能太大，以保證共軌有足夠的壓力響應(yīng)速度以快速跟蹤柴油機(jī)工況的變化。ECD-U2系統(tǒng)的高壓泵的最大循環(huán)供油量為600mm3，共軌管容積為94000mm3。
高壓共軌管上還安裝了壓力傳感器、液流緩沖器（限流器）和壓力限制器。壓力傳感器向ECU提供高壓油軌的壓力信號(hào)；液流緩沖器（限流器）保證在噴油器出現(xiàn)燃油漏泄故障時(shí)切斷向噴油器的供油，并可減小共軌和高壓油管中的壓力波動(dòng)；壓力限制器保證高壓油軌在出現(xiàn)壓力異常時(shí)，迅速將高壓油軌中的壓力進(jìn)行放泄。
3、電控噴油器
電控噴油器是共軌式燃油系統(tǒng)中最關(guān)鍵和最復(fù)雜的部件，它的作用根據(jù)ECU發(fā)出的控制信號(hào)，通過控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油定時(shí)、噴油量和噴油率噴入柴油機(jī)的燃燒室。
BOSCH和ECD-U2的電控噴油器的結(jié)構(gòu)基本相似，都是由于傳統(tǒng)噴油器相似的噴油嘴、控制活塞、控制量孔、控制電磁閥組成。在電磁閥不通電時(shí)，電磁閥關(guān)閉控制活塞頂部的量孔A，高壓油軌的燃油壓力通過量孔Z作用在控制活塞上，將噴嘴關(guān)閉；當(dāng)電磁閥通電時(shí)，量孔A被打開，控制室的壓力迅速降低，控制活塞升起，噴油器開始噴油；當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí)，控制室的壓力上升，控制活塞下行關(guān)閉噴油器完成噴油過程。
控制了噴油率的形狀，需對(duì)其進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的噴油形狀?？刂剖业娜莘e的大小決定了針閥開啟時(shí)的靈敏度，控制室的容積太大，針閥在噴油結(jié)束時(shí)不能實(shí)現(xiàn)快速的斷油，使后期的燃油霧化不良；控制室容積太小，不能給針閥提供足夠的有效行程，使噴射過程的流動(dòng)阻力加大，因此對(duì)控制室的容積也應(yīng)根據(jù)機(jī)型的最大噴油量合理選擇。
控制量孔A、Z的大小對(duì)噴油嘴的開啟和關(guān)閉速度及噴油過程起著決定性的影響。雙量孔閥體的三個(gè)關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)是進(jìn)油量孔、回油量孔和控制室，它們的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)噴油器的噴油性能影響巨大?；赜土靠着c進(jìn)油量孔的流量率之差及控制室的容積決定了噴油嘴針閥的開啟速度，而噴油嘴針閥的關(guān)閉速度由進(jìn)油量孔的流量率和控制室的容積決定。進(jìn)油量孔的設(shè)計(jì)應(yīng)使噴油嘴針閥有足夠的關(guān)閉速度，以減少噴油嘴噴射后期霧化不良的部分。
此外噴油嘴的最小噴油壓力取決于回油量孔和進(jìn)油量孔的流量率及控制活塞的端面面積。這樣在確定了進(jìn)油量孔、回油量孔和控制室的結(jié)構(gòu)尺寸后，就確定了噴油嘴針閥完全開啟的穩(wěn)定、最短噴油過程，同時(shí)就確定了噴油嘴的穩(wěn)定最小噴油量?？刂剖胰莘e的減少可以使針閥的響應(yīng)速度更快，使燃油溫度對(duì)噴油嘴噴油量的影響更小。
但控制室的容積不可能無限制減少，它應(yīng)能保證噴油嘴針閥的升程以使針閥完全開啟。兩個(gè)控制量孔決定了控制室中的動(dòng)態(tài)壓力，從而決定了針閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過仔細(xì)調(diào)節(jié)這兩個(gè)量孔的流量系數(shù)，可以產(chǎn)生理想的噴油規(guī)律。
由于高壓共軌噴射系統(tǒng)的噴射壓力非常高，因此其噴油嘴的噴孔截面積很小，如BOSCH公司的噴油嘴的噴孔直徑為0.169mm×6，在如此小的噴孔直徑和如此高的噴射壓力下，燃油流動(dòng)處于極端不穩(wěn)定狀態(tài)，油束的噴霧錐角變大，燃油霧化更好，但貫穿距離變小，因此應(yīng)改變原柴油機(jī)進(jìn)氣的渦流強(qiáng)度、燃燒室結(jié)構(gòu)形狀以確保最佳的燃燒過程。
對(duì)于噴油器電磁閥，由于共軌系統(tǒng)要求它有足夠的開啟速度，考慮到預(yù)噴射是改善柴油機(jī)性能的重要噴射方式，控制電磁閥的響應(yīng)時(shí)間更應(yīng)縮短。
4、高壓油管
高壓油管是連接共軌管和電控噴油器的通道，它應(yīng)有足夠的燃油流量減小燃油流動(dòng)時(shí)的壓降，并使高壓管路系統(tǒng)中的壓力波動(dòng)較小，能承受高壓燃油的沖擊作用，且起動(dòng)時(shí)共軌中的壓力能很快建立。各缸高壓油管的長度應(yīng)盡量相等，使柴油機(jī)每一個(gè)噴油器有相同的噴油壓力，從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)各缸之間噴油量的偏差。各高壓油管應(yīng)盡可能短，使從共軌到噴油嘴的壓力損失最小。BOSCH公司的高壓油管的外經(jīng)為6mm，內(nèi)徑為2.4mm，日本電裝公司的高壓油管的外經(jīng)為8mm，內(nèi)徑為3mm。
第三節(jié) 柴油機(jī)電子化、智能化
目前，世界上船用柴油機(jī)公司對(duì)智能化技術(shù)進(jìn)行廣泛的 研究 開發(fā)，不斷推出新機(jī)型，主要有：MANW的智能化柴油機(jī)、蘇爾壽——瓦錫蘭公司的RT-Flex柴油機(jī)系列和MTU的共軌柴油機(jī)系列。它們關(guān)鍵技術(shù)主要包括三大部分：
（1）柴油電子控制技術(shù)：通過檢測柴油機(jī)的各種狀態(tài)信號(hào)，根據(jù)內(nèi)在的系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)、電子調(diào)速系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、排氣門系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)電子控制；
（2）電子管理技術(shù)：對(duì)柴油機(jī)性能進(jìn)行更高層次控制、主要完成柴油機(jī)監(jiān)測、控制和故障診斷等功能，柴油機(jī)電子管理系統(tǒng)可以使對(duì)柴油機(jī)的監(jiān)控更完整功能更強(qiáng)大。
（3）多機(jī)通訊管理技術(shù)：通過現(xiàn)場總線對(duì)多個(gè)柴油機(jī)組進(jìn)行控制，提供與其它系統(tǒng)的接口以將柴油機(jī)控制納入整船的綜合管理系統(tǒng)。
2005年8月，世界上第一臺(tái)七缸智能型（7RTflex58T-B）船用發(fā)動(dòng)機(jī)在大連船用柴油機(jī)廠交工，最大輸出功率為15260千瓦（20755馬力），該機(jī)采用世界最先進(jìn)的wecs9520電控系統(tǒng)控制燃油噴射、排氣閥起閉、主機(jī)激活和換向，取代了傳統(tǒng)的液壓和氣動(dòng)控制，使柴油燃燒更加充分。由于采用了計(jì)算器控制，該機(jī)型去掉了凸輪軸系統(tǒng)，操作更加簡單方便，并有效減少了主機(jī)自重，具有可靠、靈活和兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)。投入使用后，將在降低油耗、低噪音、減少廢氣排放、延長大修期與超低轉(zhuǎn)速運(yùn)行等方面收到良好的成效。
電控共軌船用主機(jī)是世界柴油機(jī)制造業(yè)的一次歷史性的革命，它將現(xiàn)代先進(jìn)的電子技術(shù)、計(jì)算器技術(shù)同傳統(tǒng)機(jī)械動(dòng)力技術(shù)完美結(jié)合，正在慢慢取代傳統(tǒng)機(jī)型。業(yè)內(nèi)專家預(yù)測，未來2-3年，智能化柴油機(jī)將成為船用低速大功率柴油機(jī)主流機(jī)型，代表當(dāng)代船用主機(jī)的發(fā)展方向。
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