为什么潜艇内都是些机械的阀门（为何现代常规潜艇的主机大多选用四冲程柴油机）

在潜艇的发展长河中，柴油机在常规潜艇动力领域一直都有举足轻重的地位，哪怕是在20世纪80年代兴起了装备AIP系统（不依赖空气推进系统）的潜艇，柴油机仍是常规潜艇的主动力源。如果我们对柴油机再细究，我们会发现柴油机按工作循环其实还可以分为二冲程柴油机和四冲程柴油机两类。而现代常规潜艇大多采用四冲程的柴油机作为主机。这就给我们带来了新的值得探讨的问题：为何现代潜艇要选用四冲程的柴油机，而不是二冲程的呢？

潜艇机舱，两台柴油机作为主机

柴油机的一个工作循环包括进气、压缩、燃烧、膨胀、排气五个过程。四冲程柴油机的曲轴转动两圈完成一个工作循环，活塞经历四个冲程，分别对应吸气、压缩、燃烧和膨胀、排气。而二冲程柴油机和四冲程柴油机最大的区别就是，没有了独立的进气和排气冲程，其进气和排气过程被重叠在了下止点位置称之为扫气。这样只要两个冲程就可以完成一个工作循环。而两个冲程就可以完成一个工作循环，也就意味着两台气缸尺寸和转速相同的二冲程和四冲程柴油机，二冲程柴油机的功率比四冲程柴油机的多一倍（实际为1.6~1.8倍）；反之在相同功率的情况下，二冲程柴油机的体积可以更小。此外，以扫气代替传统的进排气过程，二冲程柴油机的实际耗气量会比四冲程的多50%~80%。

四冲程柴油机的四个冲程

在潜艇发展的初期（主要指二战前），受限于电池技术，潜艇主要以水面活动为主，此时潜艇的水面航速大于水下航速，动力系统大多采用直接传动。所谓的直接传动是指潜艇的柴油机（主机）、电机（推进电机）、尾轴及螺旋桨以机械方式直接连接在一起。在水面航行时，柴油机直接带动螺旋桨工作；在水下航行时，由蓄电池组给推进电机供电带动螺旋桨工作。

一种潜艇的直接传动形式

但因为螺旋桨的推进效率和噪声水平与转速有关，一般认为转速低效率更高、噪声更低，因此，柴油机的转速会受到一定的限制。为了匹配螺旋桨低转速的特性，适宜选择转速在450~600r/min的中速柴油机（注：在船舶领域300~1000r/min为中速柴油机）。而根据上述“二冲程柴油机和四冲程柴油机的特点”我们知道：在同缸径、同转速条件下，二冲程的柴油比四冲程的要多发出60%~80%的功率。因此，比重小、比功率大，更适宜于空间紧张的潜艇。也正因此，在此阶段二冲程的中速柴油机是潜艇的主流机型。

螺旋桨转速过高容易引起空化

电传动带给柴油机的新变革：

随着潜艇动力系统和推进系统的发展，各国常规潜艇开始逐渐采用电传动方式（间接传动）。所谓电传动是指潜艇的推进电机通过尾轴和螺旋桨以机械方式连接，柴油机与发电机连接组成柴油发电机组，柴油发电机组与螺旋桨之间没有机械连接。潜艇在水面、水下航行时均由推进电机带动螺旋桨工作。水上航行时由柴油发电机组向推进电机供电；水下航行时由蓄电池组向推进电机供电。由于柴油发电机组与螺旋桨之间没有机械连接，柴油机的转速也就不会受到限制。因此，柴油机可以通过提高转速的方式来增大功率或减小体积。

一种潜艇的电传动形式

增大功率带来的问题：

随着潜艇技术的发展，现代潜艇的排水量越来越大，航速也越来越高，这促使潜艇主机(柴油机)装机功率越来越大。而现代的潜艇，在为电池充电时并不会浮出水面，而是在通气管状态开启柴油机给电池充电。柴油机在通气管状态工作时，所需的空气是通过露出水面的通气口经空气管进入机舱。功率增大后，柴油机所需的空气量也越多。此时倘若运行的主机空气消耗量过大的话，容易引起机舱真空度过高，排气背压过大的问题，严重的甚至引发事故。要改善这些问题，主要有两个方向：一是增大通气管的管径，以提高进气量；二是选用空气消耗量低的主机，以减少空气的消耗。

某型潜艇的通气管路径（局部）

改进方向决定了四冲程柴油机将成为主流机型：

增大通气管直径会造成潜艇上层建筑布置困难，因此很难实现；在改善上述问题只能寄希望于选用空气消耗量低的主机。通过上述“二冲程柴油机和四冲程柴油机的特点”可知：二冲程柴油机的实际耗气量会比四冲程的多50%~80%。显然，这并不适合现代潜艇的需求。因此，耗气量更少，且比重、比功率在合理范围，具有废气涡轮增压的四冲程中高速柴油机，逐渐成为现代潜艇的主流机型。

提高转速可以减小柴油机的体积

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作者：小船人的梦想 2019年12月15号