怎样选择动力装置

第三节　怎样选择动力装置

发动机如同游艇的“心脏”。体现发动机品质高低主要是看动力性和经济性，也就是说，发动机要具有较好的功率、良好的加速性和较低的燃料消耗量。

不能单凭速度一项指标来评定游艇上发动机的性能。在游艇上，选择发动机要考虑的因素很多，除了功率的适配性、经济性之外，还要考虑其使用寿命、可靠性以及这个品牌在当地的售后服务水平。

一、游艇发动机的种类

汽油发动机：较柴油发动机体积小、重量轻、噪音低、易检修、相对比较容易发动、加速性好，适合推动船身轻及载重较轻的小艇。

柴油发动机：与汽油机相比，柴油机的故障较少、安全性好。柴油价格便宜，经济性好。从功率角度说，柴油机功率比汽油机功率大，在船舶上的应用更为广泛。柴油机的使用寿命相对较长而且操作费用相对较少，比较适合推动重型船身及载重较大的船。

在船上使用的柴油发动机，根据其转速可分为低速机（小于350r/min）、中速机和高速机（大于1 000r/min）。按单位功率的重量指标来分析，低速机最重，中速机次之，高速机最轻。对中小型游艇来说，极大部分使用的是高速轻型柴油机。

高速船用柴油机可分为以下3类：

（1）普通自然吸气发动机。就是最普通的柴油机，现在低端船艇上还在使用。

（2）涡轮增压发动机。现在船上用的大多数都是这种发动机。采用废气涡轮增压提高增压度，进一步轻量化、高速化、低油耗、低噪声和低污染，是近代柴油机的重要发展方向。

（3）电控高压共轨（Common rail）发动机。共轨喷射式供油系统由高压油泵、公共供油管、喷油器、电控单元（ECU）和一些管道压力传感器组成。系统中的每一个喷油器通过各自的高压油管与公共供油管相连，公共供油管对喷油器起到液力蓄压作用。工作时，高压油泵以高压将燃油输送到公共供油管。高压油泵、压力传感器和ECU组成闭环工作，对公共供油管内的油压实现精确控制，彻底改变了供油压力随发动机转速变化的现象。

其主要特点有以下3个方面：

（1）喷油正时与燃油计量完全分开，喷油压力和喷油过程由ECU适时控制。

（2）可依据发动机工作状况去调整各缸喷油压力，喷油始点、持续时间，从而追求喷油的最佳控制点。

（3）能实现很高的喷油压力，并能实现柴油的预喷射。

电控高压共轨技术是近代柴油发动机的一大进步。

发动机品牌选择主要是看该发动机厂家是否在中国地区或者要使用游艇地区有良好的服务网络，因为再好的发动机也离不开服务。

目前在中国销售的游艇发动机品牌主要有下面几种：

瑞典沃尔沃发动机（Volvo Penta）——优良的总体性能及燃油效率，完整的动力系统，设计轻巧、低噪音、振动小、易于安装维护。所生产的发动机功率范围为10～2 000hp。

美国康明斯发动机（Cummins）——将省油、耐用、可靠、重量轻和结构紧凑等特点完美地结合在一起，维修保养简便。康明斯发动机在我国重庆有生产点，提高了配件的国产化率，价格较为便宜。图6-11为康明斯QSK19MCRS型高压共轨船用发动机。

图6-11　康明斯QSK 19MCRS型高压共轨船用发动机

奥地利斯太尔发动机（Steyr）——山东潍坊柴油机厂引进生产的斯太尔WD615系列柴油机有自然吸气、增压、增压中冷等机型，转速2 200～2 600r/min，功率范围147～226kW（200～310hp），最低燃油消耗率达194g/（kW·h），具有体积小、重量轻、功率大、油耗低、排放指标先进、噪声低、通用性强等优点。

美国水星发动机（Mercury）——爆发性较好、油耗低、独特的橡胶避震安装系统。

日本雅马哈发动机（Yamaha）——性能稳定、功率强劲、油耗低、排污少、防锈防腐系统增加船外机的耐久性。

德国MAN发动机——运用最新技术，如通过多孔喷嘴进行高功率喷油，或者增压和空气中冷，这与高压力一起可确保低污染燃烧过程。MAN柴油机设计轻巧、功率强大、持久耐用、耗油量低，还具有功率特性曲线丰满的优点。

美国卡特比勒发动机（Caterpillar）——工程机械常用的动力装置，其特点是耐用、可靠性好。转速可在负荷较小或无负荷时实现自动控制，自动降低发动机转速，减少油耗。噪音低、振动小、废气排放量小、环保高效、性能稳定可靠。

日本洋马发动机（Yanmar）——提供强大的动力和扭矩，同时保持最低的燃油消耗，操作简便、经久耐用。

德国MTU发动机——功率强劲，性能卓越，耐久使用的机器，早期代表产品有MTU 16V396TE94型柴油机（图6-12）广泛用于军用舰艇和高档游艇。其最新的电子控制的燃油共轨技术被誉为第三代发动机调速系统，对发动机控制精度高，瞬态特性好。MTU采用特质整体灰色合金铸铁制造曲柄、曲轴和连杆机构，极大地增强机构运行强度，在降低噪声和震动的同时，减少维护成本，延长机组大修周期（大修周期长达3万小时）。该公司在我国苏州设有配件和维修中心。

图6-12　MTU 16V396TE94型柴油机

20世纪末，以生产高速柴油机闻名的两家公司：德国MTU公司和美国DDC公司（底特律柴油机公司）宣布合并，联合推出2000系列和4000系列高速柴油机新产品。

2000系列的排量为每缸2.0L，4000系列的排量为每缸4.0L，两个系列均包含8缸、12缸和16缸3种机型，输出功率范围为270～2 720kW。

2000系列发动机（130mm缸径×150mm冲程）功率范围为270～1 343kW，转速为1 500～2 300r/min。平均有效压力为1.36～2.2MPa，活塞速度为7.5～11.5m/s。对商用船舶用途，在额定输出功率下的耗油量是200g/（kW·h），发动机首次大修前的运行时间可达12 000h，重量功率比为2.2～3.0kg/kW，机宽1.4m。

4000系列发动机（165mm缸径×190mm冲程）是根据最大的可靠性和使用方便性原则的一个全新设计（图6-13），其功率范围为735～2 720kW，转速为1 500～2 100r/min。平均有效压力为1.81～2.39MPa，活塞速度为9.5～13.3m/s。对商用船舶，在额定输出功率下的耗油量是195g/（kW·h），发动机首次大修前的运行时间可达18 000h，重量功率比为2.7～3.5 kg/kW，机宽1.52m。

图6-13　MTU/DDC 4000系列柴油机

二、发动机选型常识

高速柴油机常被选作各种游艇的主机。如何合理地选择发动机是船艇爱好者最关心的课题之一。发动机选择恰当与否，不仅直接影响到游艇的最主要性能——快速性的优劣，而且与船舶的经济技术指标以及使用可靠性息息相关。

1）综合权衡

选择合适的发动机必须要考虑到技术经济甚至人文地域等多种因素，要综合权衡。

俄制M50柴油机（国产机型：轻-180）是许多军用高速船使用的主机，也适合游艇使用。它的原型是航空发动机，重量轻，有较大的比功率（即单位重量的功率，这个指标越高越好）。功率为882kW的机器，包括反转离合器在内仅重1.7t，比功率达到0.519kW/kg；MTU强化机的比功率指标已相当先进，如8V396TE74L，功率为1 000kW，机重约2.89t，比功率仅0.346 kW/kg。作为M50的民用型机型M401而言，功率降至800kW，比功率仍达0.471kW/kg，为MTU396强化型的1.36倍。仅从达到更高的航速而言，选择比功率大的M401是最佳的。但这仅仅从发动机本身重量考虑，如果计及耗油率，那就另当别论了。M401的耗油率为0.258kg/（kW·h），MTU为0.218kg/（kW·h），前者比后者约大15%。若以M401功率800 kW，日航行10小时计，每日应多耗油320kg，把这个多耗油的重量加到机器重量上去，M401机的相当比功率降为0.396kW/kg，这与MTU396强化型机就相近了。续航时间越长，M401的相当比功率就越小。同时增加了运行费用，此时就不可取了。若一天只用2小时，则M401柴油机在比功率上仍占有优势。

除了比功率指标外，价格因素在选择时也是主要考虑的因素。高速船需要的功率较大，发动机价格一般与其功率成正比，高速船发动机价格往往占船舶总价的25%～50%。对于不同牌号的发动机单位功率价格悬殊，如M401每千瓦约50美元，而MTU396则达350～400美元，Cummins则为150美元（重庆生产的Cummins每千瓦约80美元）。

大修期，这又是选机时的一个关键指标。M401仅2 500小时，而MTU396在1A工况下达24 000小时，1B工况下可达12 000小时，1D工况下则为6 000小时，这又是一个权衡因素。

可靠性是使用者必须考虑的最重要问题之一。可靠性不仅仅是机器固有的因素，更重要的是使用人员的素质、维修保障体系和供应商提供的零备件和技术支持因素有关。例如我国黑龙江流域引进的俄制水翼船大量使用M401柴油机，并不认为M401机的可靠性是致命弱点，而在长江流域使用M401机，不乏因主机不可靠而使航线失败的例子。当然这里也有地域观念，黑龙江省与俄罗斯毗邻，易获得零备件和技术支持，半年冰封停航也便于较彻底的维护和保养。地域观念的另一个例子是西南航运企业愿意使用Cummins发动机，因为重庆汽车发动机厂已引进生产这种发动机，价格便宜，易获得备件，维修方便。

目前，国际品牌的柴油机纷纷在华设立维修点，游艇在哪里使用，首先了解当地柴油机的使用习惯和维修点是很必要的。

2）工况与功率

同一型号的柴油机，其功率/转速视使用工况而不同，通常使用工况可分为两大类：

（1）无时间限制地全负荷连续运转。这种工况常出现于运输船上，或出现于远距离航渡的大型游艇上。

（2）有时间限制或变负荷连续运转。

对于第（2）类，往往又分成中等负荷和轻负荷两类。中等负荷常用于商用高速船，轻负荷则用于军用艇和游艇。

上述工况，往往又与年积累使用小时数相关联：

·无时间限制地全负荷连续运转工况，即全年365天，每天24h不停地运转。

·商用高速船工况，通常年累积运转2 500～3 500h，每天约可使用8～10h。

·军用高速船和游艇工况，通常年累积运转500～1 000h，每天使用2～3h。

对于不同的柴油机，其使用工况的划分和表述也有所不同。对游艇常用的典型柴油机，其工况划分如表6-3所示。

表6-3　游艇常用柴油机的工况划分

对于不同型号的柴油机，其标称的额定功率/转速的含义也是不相同的。通常可分为二类：一是标称的额定功率/转速在所规定的条件下可以全负荷连续运转，并且允许在规定的短时间内超载运行；二是标称的额定功率/转速是该机的最大功率，它只能在一定的时限内使用，而其余的时间应降低转速使用。实际上第二类的额定功率相当于前一类的超载功率。

属于前一类的如MWM机的有时间限制工况。MWM的额定功率在规定条件下是允许全负荷连续运转的，而对商用高速船还允许12h内有2h可超速3%，即超载10%；对于军用高速艇和游艇允许6h内有0.5h可超速6%，即超载20%。

属于后一类的如MAN柴油机。如R6-730，轻载工况时额定功率/转速为537kW＠2300 r/min，每年运行小时数要求小于1000h，此功率/转速允许使用20%时间，即200h，因此其余80%的时间必须降速使用。平均负载率要求小于50%。

用哪一种方法标称额定功率不过是习惯而已，不表示柴油机的优劣，但游艇爱好者必须熟悉各种牌号机型的不同规定，以免产生误解。

对于柴油机功率标定的标准环境条件应按ISO3046/1（或DIN6271，SAEJ1228）确定。即大气压为100kPa，大气温度和水温为27℃（或25℃），相对湿度为60%。

对于某些柴油机也有标明热带使用大气温度为45℃和水温为32℃的。如MTU的1A工况，其标定的大气温度为45℃，相应的27℃时的功率可按有关数据推算。MWM机通常列出了27℃和45℃时的不同功率值。

熟悉各型发动机的功率标定含义，明确发动机的使用工况，对设计者和使用者来说都是至关重要的。设计者必须根据航区的实际情况或任务书的要求恰当地选择使用工况，使所设计的船艇不仅快速性卓越，而且营运经济性优良。对游艇使用者而言，熟悉发动机的使用工况，才能正常地使用。

由于不同牌号的柴油机在各对应工况时的功率定义的含义不同，在对不同的船舶进行性能比较时也应区别对待，否则将优劣难辨。

3）工况与大修周期

所谓大修期（或寿命）是一个时间概念。它表示柴油机的零部件在运行中磨损，无法继续使用而必须更换的时限。这里且不说不按说明书要求的不当使用，即使是按厂方规定的条件运作，大修期也不是一个确定不变的数字。因为零部件的磨损，除了使用时间外，还与整个使用过程中的负荷强度有关。

笼统地说某台柴油机的大修期是多少不太科学，因为柴油机都有规定的工况。不同工况下的额定功率/转速是不相同的，即其负荷随使用工况而异。因此，同一台发动机在不同工况下应有不同的大修期。

许多发动机，如MAN，Cummins等都给出了对应不同工况下的允许使用年积累时数。年积累时数实质上与使用的负荷强度相关。高的负荷强度的工况都对应低的年积累时数，同时高的负荷强度工况下的大修期也短。从这一点来说，年积累时数与大修期的长短是一致的。然而，年积累时数一般并不等于大修期，通常后者大于前者。而且，只要符合使用工况下规定的条件，在大修期内，即使已超过年积累时数，仍可以使用。如MWM柴油机，选用作商用高速船时，年积累使用一般为3 000h，在不超载10%负荷时可以连续运转。这样，在该工况的12 000h大修期内，可使用约4年。如果连续运转超过3 000h，只要在大修期内仍可继续使用。如年积累达6 000h，则可用2年，余类推。

从收集到的资料看，对大修期，MTU机给出了比较明确的指标，以16V396TE机（图6-12）为例：

1A工况下使用的TE64型，可全负荷连续运转。转速为1 650r/min时功率为1 360kW（45℃），折成27℃标准环境温度其功率为1 486kW，单缸功率为93kW，其大修期可达24 000h。

1B工况下使用的TE74型，可在85%时间内全负荷连续运转，而其余15%时间内的负荷为15%，额定功率/转速为1 680kW＠2000r/min，单缸功率105kW。大修期为12 000h。

同样1B工况下使用的强化型TE74L型，功率/转速为2 000kW＠2000r/min。单缸功率125kW。而大修期降至6 000h。

在同一工况下，上述给出的大修期是指符合厂方规定的标准使用负荷模式下可达到的时限，而实际使用负荷随时间的变化并不一定与标准负荷相同。对于MTU机，随机附有载荷自动记录仪，它可以同步记下随时间变化的使用负荷直方图。将此直方图与标准直方图相比较，则可判断发动机尚有多少潜力，以便安排大修计划。

对于MWM机，则有对应不同工况的零部件维修周期与使用寿命一览表（表6-4）。从表中可以清楚地看出在不同工况下各种部件的使用寿命。与MTU相似，持续工况约24 000h，高速船工况约12 000h，游艇工况仅6 000h。

表6-4　MWM TBD616船用柴油机零部件维修周期与使用寿命

（续表）

很明显，同一机型在不同工况下功率的增加是以缩短寿命为前提的。为了比较起见，我们引进一个参数，即在整个大修期内，发动机所做的总功W，它是发动机经济性衡量的指标：

W＝N_e·H

式中：W——在大修期内发动机所做的总功，kW·h；

　　　N_e——对应工况下的额定功率，kW；

　　　H——大修期，h。

实际上，发动机所做的总功与船舶在该周期内的营运里程数成正比，因此W的值也反映了在发动机大修期内船舶营运的里程数。表6-5为MWM TBD616V12机型对应不同工况时的功率、大修期和总功的值。

表6-5　MWM TBD616V12机不同工况的比较

从表中可知，MWM TBD616V12从持续工况变成游艇工况，功率增加43%，而大修期下降到1/4，总功下降到36%，可见同一机型为了提高使用功率，其代价是非常高的。

4）功率的比较

由于不同工况下的功率/转速的定义各不相同，对不同牌号柴油机的比较，应以相同标准（ISO 3046/1）时的无时间限制的全负荷连续运转工况为基础。

对于游艇，由于每天的营运时间往往不超过10h，因此感兴趣的是有时间限制的变负荷连续运转工况。即MTU的1B、MWM的可超载10%的有时间限制连续运转、MAN的轻载、Cummins的中等持续、Caterpillar的B和Dorman的B工况。

对于有时间限制的变负荷连续运转工况，除了标定的额定功率Ne外，再引入一个平均功率：

式中：HG——使用总时数，h；

　　　Nei——实际使用功率，kW；

　　　h_i——对应于Nei的使用时间，h。

　　　　　平均功率与额定功率Ne之比称为平均功率系数K：

下面计算几种典型柴油机用于高速船工况下的平均功率系数：

（1）MTU机1B工况是不允许超载的，其功率为燃油截止功率。通常其运行模式为全负荷使用85%时间，其余时间为15%负荷：

K＝1×0.85＋0.15×0.15＝0.873

（2）MWM机其标定的ICXN工况，可超载10%，超载运行时间为12h中的2h：

K＝1.1×2/12＋1.0×10/12＝1.017

（3）MAN机的轻载工况，其额定功率只允许使用20%积累时数，其余80%时间平均负载率≤50%，则：

K＝1.0×0.2＋0.5×0.8＝0.6

（4）Cummins机的中等持续功率，其额定功率允许12h中使用6h，其余时间应降到持续工况的额定转速以下，一般应从2 100r/min下降到1 800r/min，若按螺旋桨特性功率与转速2.7次方成正比，即：

K＝1.0×6/12＋（1 800/2 100）^2.7×6/12＝0.830

（5）Caterpillar机B工况可全负荷工作51%～80%时间，取平均值65.5%，其余降低100r/min，下降至1 700r/min使用，即：

K＝1.0×0.655＋（1 700/1 800）^2.7×0.345＝0.951

（6）Dorman机B工况只说明全负荷在24h中使用6h，超时将影响寿命：

K＝1.0×1.0＝1.0

将游艇额定工况与持续工况的功率比、平均功率系数以及平均功率与持续功率之比汇总于表6-6。从表中可见，游艇工况的名义额定功率比持续功率增加10%～100%，然而实际平均功率仅增加最多为20%，而且还有减少的。

表6-6　各机型的功率比

5）特性曲线

对于高速船，选择合适的柴油机还有一个很重要的问题必须考虑，即柴油机的特性曲线丰满与否。

对于中低速的排水型游艇来说，基本上确定柴油机的额定功率和转速就可以了，但对于滑行艇型的游艇来说，这是不够的。滑行艇的阻力特性与排水船型有区别，如滑行艇在起飞段会出现阻力峰值，倘若此时柴油机的功率低下，无足够的功率储备，则有可能越不过峰点，无法高速航行（即起飞不起来）。

最大功率标称值相同但产自不同发动机制造商的发动机在低转速运行时，各发动机的输出功率会有很大的差别。所以，当推进装置的螺旋桨的尺度确定之后，推进器的功率和转速需求必须同主机制造商提供的特性曲线在全部转速范围内作比较。

三种推进器的功率需求曲线与普通柴油机的功率特性曲线比较如图6-14所示。喷推器、表面桨和全浸桨的特性曲线，即吸收功率与转速的关系可以PB/RPMX＝常数的形式来表达。喷推器的指数X＝3.0，表面桨X＝2.65，全浸桨X＝2.15左右。很可能的是推进器需求的功率与主机发出的功率之差值在接近额定转速40%～50%时出现最小值。如果差值是零，艇就滑行不起来。随着这个差值的增加，艇的响应特性也增加。因此，当在各个厂商的主机中选择时，40%至50%额定转速时的扭矩/功率特性可能成为决定性的因素。从图中可以看出，滑行艇起飞阶段，全浸桨（即普通的螺旋桨）所需功率要求最高，要选择发动机功率曲线丰满的机器。

图6-14　各种推进器吸收功率与转速间的关系

同时，高速游艇选用的柴油机要求比功率大，往往采用高增压柴油机，这种柴油机装有增压涡轮，依靠废气来推动。在转速较低时，废气排量不足，涡轮喷嘴截面积显得过大，增压器效率下降，限止了发动机的扭矩。反映在柴油机特性曲线上，低速段功率曲线不够丰满。而定距桨高速船的阻力特性正需要柴油机的特性曲线在低速段较丰满，因此选用高增压柴油机往往在低速段满足不了推进功率的需求。

采用调距桨和喷水推进器是避开这一矛盾的最有效方法。对于二冲程柴油机，它不靠增压器来提高单缸功率，当然其特性曲线在低速段比较丰满。而作为四冲程高增压的MTU发动机，为解决特性曲线在低速段不致过分下降，采用了所谓顺序增压系统（STS），即它采用2个或2个以上增压器，可以根据负荷和转速来控制参加工作的增压器个数。高转速时全部投入工作，低转速时部分投入工作。在低转速时将全部废气排入部分增压器，可提高增压器效率，改善燃烧状况，提高低转速时的扭矩。

6）比重量和外形尺寸

对于高速游艇，发动机的比重量（单位功率重量）是一个重要参数。另外，从布置角度考虑，发动机的外形尺寸，特别是机宽也是一个与船舶设计相关的重要参数。现将几种主要机型在500，700，1 000kW 3个档次的比重量和宽度列于表6-7中，这里的功率是取无时间限制的持续功率。

表6-7　各机型的比重量和宽度