现代民用大型船舶的推进系统，普遍选用二冲程的低速柴油机作为主机。这类主机有两个鲜明的特点：第一个是额定转速非常低，如7G80ME-C船用二冲程低速柴油机的额定转速仅有72r/min；另一个是体积、重量非常大，如世界最大的柴油机14RT-flex96C的装机总重达2446吨（净重2300吨）。而反观中速、高速柴油机，在同功率下往往体积、重量比二冲程的低速柴油机小的多。这不禁让人好奇：为何世界最大的船用二冲程低速柴油机的体积、重量会如此大？这与它的低转速有关吗？
民用大型船舶普遍选用二冲程的低速柴油机作为主机
柴油机低转速对于船舶的意义在解开问题之前，我们先简要了解一下柴油机低转速对于船舶的意义。首先，低转速能使柴油机获得更好的燃烧效率，从而提高主机效率。此外，船舶的螺旋桨直径越大，转速越低，效率越高，这意味着如果主机的转速足够低，低到能直接与螺旋桨的转速匹配；扭矩足够大，大到足以直接驱动大直径的螺旋桨，那么船舶的推进系统就可以简化，省去减速齿轮箱由主机经传动轴直接驱螺旋桨，从而提高整个推进系统的效率。如装备了14RT-flex96C船用低速柴油机的船舶，就是由主机直接驱动一个直径近十米的螺旋桨，在每分钟不到一百转的转速下，推动近400米长的大型集装箱船跑到25节以上。
14RT-flex96C船用柴油机配备的螺旋桨重达131.4吨，是世界最大船用螺旋桨
船舶柴油机如何在不降低功率的情况下降低转速？船舶柴油机降低转速的一个重要思路就是降低活塞的速度，这是因为在不改变柴油机的情况下，如果降低了柴油机的转速，那么它的活塞速度也会相应的降低，这样我们就可以假设把活塞的速度降下来，柴油机的转速也就降下来了。那么要如何降低活塞的速度呢？活塞的运动是由柴油在缸内燃烧产生的高压燃气对其做功产生的，这意味着降低燃气压力就能降低其速度。不过这样虽能降低转速，但同时也降低了柴油机的功率和扭矩，这和我们降低转速的初衷是相背离的，所以为了保证柴油机的功率和扭矩，在降低了柴油机燃气工作压力的同时，还需要增加缸径来保证活塞的有效面积。
发动机活塞的有效面积，对于扭矩有很大的影响
除了降低活塞的速度外，另一个降低柴油机转速的思路，就是在不降低活塞速度的前提下，增加活塞的行程。它的原理通俗一点理解，就好比两辆相同速度的小车在跑圈，一个跑一百米的小圈，另一个则跑两百米的大圈，当跑一百米小圈的小车跑了两圈的时候，跑两百米大圈的小车才跑了一圈。而实际两辆小车做的功是相等的，圈数却相差了一倍。这样我们把这个思路引入到柴油机上，增大活塞的行程就像增大了汽车的路程，从而大大降低柴油机的转速，这也是现在大型低速机的主流思路之一。
图片可以看出低速柴油机的行程缸径比非常大
低转速是否会造成船用柴油机体积、重量大呢？缸径对于柴油机长度尺寸的影响
在前面笔者讲了，当柴油机的活塞速度降低以后，可以通过增大缸径，提高活塞的有效面积，来保证低转速柴油机的功率和扭矩，所以船用低速机的缸径普遍偏大。以MAN Diesel & Turbo的7G80ME-C为例，该低速柴油机缸径达到了800mm。低速柴油机都是直列缸式的，也就是气缸排成一列。这样我们试想把7个直径800mm的圆柱体紧挨着排成一列，其长度将超过了5米。而实际上800mm只是气缸的内径，缸体本身是有一定的厚度的，且气缸的排列不可能是紧紧挨着，而是需要一定的间距，所以7G80ME-C的实际总长度达到了13.6m。
发动机的气缸排列
冲程对于柴油机高度和宽度尺寸的影响
在前面笔者讲了，在不降低活塞速度的前提下，增加活塞的行程同样可以降低。同样以MAN Diesel & Turbo的7G80ME-C为例，它属于绿色超长冲程柴油机，行程缸径比超过4.6。为此，在800mm缸径的情况下，拥有了3720mm的超长活塞行程。而超长的行程，意味着柴油机的气缸长度，十字头行程、曲轴回转半径都非常大，这样的结果就是柴油机的高度将非常的高。就拿7G80ME-C来说，整个柴油机高达16m，高度超过四层楼。除了高度，7G80ME-C的曲轴箱（由机座和机架构成）为了保证曲轴的回转空间，其内腔直径要大于3720mm，所以宽度相应的也会增加，如7G80ME-C的宽度达到了9.7m 。
通过船用低速柴油机的剖图，很容易理解为何它的高度这么高
显然，低转速的设计会让柴油机变得又高又大，重量也急剧增加，所以世界最大柴油机的体积、重量如此大与其低转速是有着很大关系的。
参考资料：《船舶柴油机》《船舶动力装置原理与设计》
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作者：小船人的梦想 2020年6月14号
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