現代民用大型船舶的推進系統，普遍選用二沖程的低速柴油機作為主機。這類主機有兩個鮮明的特點：第一個是額定轉速非常低，如7G80ME-C船用二沖程低速柴油機的額定轉速僅有72r/min；另一個是體積、重量非常大，如世界最大的柴油機14RT-flex96C的裝機總重達2446噸（淨重2300噸）。而反觀中速、高速柴油機，在同功率下往往體積、重量比二沖程的低速柴油機小的多。這不禁讓人好奇：為何世界最大的船用二沖程低速柴油機的體積、重量會如此大？這與它的低轉速有關嗎？

民用大型船舶普遍選用二沖程的低速柴油機作為主機

在解開問題之前，我們先簡要了解一下柴油機低轉速對于船舶的意義。首先，低轉速能使柴油機獲得更好的燃燒效率，從而提高主機效率。此外，船舶的螺旋槳直徑越大，轉速越低，效率越高，這意味着如果主機的轉速足夠低，低到能直接與螺旋槳的轉速匹配；扭矩足夠大，大到足以直接驅動大直徑的螺旋槳，那麼船舶的推進系統就可以簡化，省去減速齒輪箱由主機經傳動軸直接驅螺旋槳，從而提高整個推進系統的效率。如裝備了14RT-flex96C船用低速柴油機的船舶，就是由主機直接驅動一個直徑近十米的螺旋槳，在每分鐘不到一百轉的轉速下，推動近400米長的大型集裝箱船跑到25節以上。

14RT-flex96C船用柴油機配備的螺旋槳重達131.4噸，是世界最大船用螺旋槳

船舶柴油機降低轉速的一個重要思路就是降低活塞的速度，這是因為在不改變柴油機的情況下，如果降低了柴油機的轉速，那麼它的活塞速度也會相應的降低，這樣我們就可以假設把活塞的速度降下來，柴油機的轉速也就降下來了。那麼要如何降低活塞的速度呢？活塞的運動是由柴油在缸内燃燒産生的高壓燃氣對其做功産生的，這意味着降低燃氣壓力就能降低其速度。不過這樣雖能降低轉速，但同時也降低了柴油機的功率和扭矩，這和我們降低轉速的初衷是相背離的，所以為了保證柴油機的功率和扭矩，在降低了柴油機燃氣工作壓力的同時，還需要增加缸徑來保證活塞的有效面積。

發動機活塞的有效面積，對于扭矩有很大的影響

除了降低活塞的速度外，另一個降低柴油機轉速的思路，就是在不降低活塞速度的前提下，增加活塞的行程。它的原理通俗一點理解，就好比兩輛相同速度的小車在跑圈，一個跑一百米的小圈，另一個則跑兩百米的大圈，當跑一百米小圈的小車跑了兩圈的時候，跑兩百米大圈的小車才跑了一圈。而實際兩輛小車做的功是相等的，圈數卻相差了一倍。這樣我們把這個思路引入到柴油機上，增大活塞的行程就像增大了汽車的路程，從而大大降低柴油機的轉速，這也是現在大型低速機的主流思路之一。

圖片可以看出低速柴油機的行程缸徑比非常大

缸徑對于柴油機長度尺寸的影響

在前面筆者講了，當柴油機的活塞速度降低以後，可以通過增大缸徑，提高活塞的有效面積，來保證低轉速柴油機的功率和扭矩，所以船用低速機的缸徑普遍偏大。以MAN Diesel & Turbo的7G80ME-C為例，該低速柴油機缸徑達到了800mm。低速柴油機都是直列缸式的，也就是氣缸排成一列。這樣我們試想把7個直徑800mm的圓柱體緊挨着排成一列，其長度将超過了5米。而實際上800mm隻是氣缸的内徑，缸體本身是有一定的厚度的，且氣缸的排列不可能是緊緊挨着，而是需要一定的間距，所以7G80ME-C的實際總長度達到了13.6m。

發動機的氣缸排列

沖程對于柴油機高度和寬度尺寸的影響

在前面筆者講了，在不降低活塞速度的前提下，增加活塞的行程同樣可以降低。同樣以MAN Diesel & Turbo的7G80ME-C為例，它屬于綠色超長沖程柴油機，行程缸徑比超過4.6。為此，在800mm缸徑的情況下，擁有了3720mm的超長活塞行程。而超長的行程，意味着柴油機的氣缸長度，十字頭行程、曲軸回轉半徑都非常大，這樣的結果就是柴油機的高度将非常的高。就拿7G80ME-C來說，整個柴油機高達16m，高度超過四層樓。除了高度，7G80ME-C的曲軸箱（由機座和機架構成）為了保證曲軸的回轉空間，其内腔直徑要大于3720mm，所以寬度相應的也會增加，如7G80ME-C的寬度達到了9.7m 。

通過船用低速柴油機的剖圖，很容易理解為何它的高度這麼高

顯然，低轉速的設計會讓柴油機變得又高又大，重量也急劇增加，所以世界最大柴油機的體積、重量如此大與其低轉速是有着很大關系的。

參考資料：《船舶柴油機》《船舶動力裝置原理與設計》

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作者：小船人的夢想 2020年6月14号

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