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水面动力配置，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1216 载重吨（排水量 2047 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 4964 吨，载重量为 6800 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 1250 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 1000 毫米，冲程 1100 毫米的 1S100 型单缸巨型柴油机这台柴油机在 150 转时可发出 1470 千瓦（2000 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 6500 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 4000 吨，总吨位 6500 吨她安装有两台瑞士苏尔。