在潛艇的發展長河中，柴油機在常規潛艇動力領域一直都有舉足輕重的地位，哪怕是在20世紀80年代興起了裝備AIP系統（不依賴空氣推進系統）的潛艇，柴油機仍是常規潛艇的主動力源。如果我們對柴油機再細究，我們會發現柴油機按工作循環其實還可以分為二衝程柴油機和四衝程柴油機兩類。而現代常規潛艇大多采用四衝程的柴油機作為主機。這就給我們帶來了新的值得探討的問題：為何現代潛艇要選用四衝程的柴油機，而不是二衝程的呢？
潛艇機艙，兩臺柴油機作為主機
二衝程柴油機和四衝程柴油機的特點
柴油機的一個工作循環包括進氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣五個過程。四衝程柴油機的曲軸轉動兩圈完成一個工作循環，活塞經歷四個衝程，分別對應吸氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣。而二衝程柴油機和四衝程柴油機最大的區別就是，沒有了獨立的進氣和排氣衝程，其進氣和排氣過程被重疊在了下止點位置稱之為掃氣。這樣只要兩個衝程就可以完成一個工作循環。而兩個衝程就可以完成一個工作循環，也就意味著兩臺氣缸尺寸和轉速相同的二衝程和四衝程柴油機，二衝程柴油機的功率比四衝程柴油機的多一倍（實際為1.6~1.8倍）；反之在相同功率的情況下，二衝程柴油機的體積可以更小。此外，以掃氣代替傳統的進排氣過程，二衝程柴油機的實際耗氣量會比四衝程的多50%~80%。
四衝程柴油機的四個衝程
直接傳動階段，二衝程柴油機的主流時代
在潛艇發展的初期（主要指二戰前），受限於電池技術，潛艇主要以水面活動為主，此時潛艇的水面航速大於水下航速，動力系統大多采用直接傳動。所謂的直接傳動是指潛艇的柴油機（主機）、電機（推進電機）、尾軸及螺旋槳以機械方式直接連接在一起。在水面航行時，柴油機直接帶動螺旋槳工作；在水下航行時，由蓄電池組給推進電機供電帶動螺旋槳工作。
一種潛艇的直接傳動形式
但因為螺旋槳的推進效率和噪聲水平與轉速有關，一般認為轉速低效率更高、噪聲更低，因此，柴油機的轉速會受到一定的限制。為了匹配螺旋槳低轉速的特性，適宜選擇轉速在450~600r/min的中速柴油機（注：在船舶領域300~1000r/min為中速柴油機）。而根據上述“二衝程柴油機和四衝程柴油機的特點”我們知道：在同缸徑、同轉速條件下，二衝程的柴油比四衝程的要多發出60%~80%的功率。因此，比重小、比功率大，更適宜於空間緊張的潛艇。也正因此，在此階段二衝程的中速柴油機是潛艇的主流機型。
螺旋槳轉速過高容易引起空化
為何現代常規潛艇的主機大多選用四衝程柴油機
電傳動帶給柴油機的新變革：
隨著潛艇動力系統和推進系統的發展，各國常規潛艇開始逐漸採用電傳動方式（間接傳動）。所謂電傳動是指潛艇的推進電機通過尾軸和螺旋槳以機械方式連接，柴油機與發電機連接組成柴油發電機組，柴油發電機組與螺旋槳之間沒有機械連接。潛艇在水面、水下航行時均由推進電機帶動螺旋槳工作。水上航行時由柴油發電機組向推進電機供電；水下航行時由蓄電池組向推進電機供電。由於柴油發電機組與螺旋槳之間沒有機械連接，柴油機的轉速也就不會受到限制。因此，柴油機可以通過提高轉速的方式來增大功率或減小體積。
一種潛艇的電傳動形式
增大功率帶來的問題：
隨著潛艇技術的發展，現代潛艇的排水量越來越大，航速也越來越高，這促使潛艇主機(柴油機)裝機功率越來越大。而現代的潛艇，在為電池充電時並不會浮出水面，而是在通氣管狀態開啟柴油機給電池充電。柴油機在通氣管狀態工作時，所需的空氣是通過露出水面的通氣口經空氣管進入機艙。功率增大後，柴油機所需的空氣量也越多。此時倘若運行的主機空氣消耗量過大的話，容易引起機艙真空度過高，排氣背壓過大的問題，嚴重的甚至引發事故。要改善這些問題，主要有兩個方向：一是增大通氣管的管徑，以提高進氣量；二是選用空氣消耗量低的主機，以減少空氣的消耗。
某型潛艇的通氣管路徑（局部）
改進方向決定了四衝程柴油機將成為主流機型：
增大通氣管直徑會造成潛艇上層建築佈置困難，因此很難實現；在改善上述問題只能寄希望於選用空氣消耗量低的主機。通過上述“二衝程柴油機和四衝程柴油機的特點”可知：二衝程柴油機的實際耗氣量會比四衝程的多50%~80%。顯然，這並不適合現代潛艇的需求。因此，耗氣量更少，且比重、比功率在合理範圍，具有廢氣渦輪增壓的四衝程中高速柴油機，逐漸成為現代潛艇的主流機型。
提高轉速可以減小柴油機的體積
作者：小船人的夢想 2019年12月15號
閱讀更多 小船人的夢想 的文章
