閉式循環柴油机AIP及其水管理系統
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1 前言
80年代以來，西方國家如德國、英國、荷蘭、瑞典等都十分積極地開展應用于
常規潛艇的不依賴空气、安靜、振動小、低紅外線輻射的推進系統。即AIP系統
(Air Independent Propulsion System)，并很快地受到人們的重視，成為常規
潛艇推進動力的發展方向。
潛艇在水面和通气管航態航行時，利用柴電机組充電、航行，在水下經航狀態
時除了可應用原有的蓄電池推進外，主要以AIP系統提供動力。
世界常規潛艇AIP系統的發展呈現出百花齊放的局面，目前，比較成熟的AIP系
統有：閉式循環柴油机AIP系統、斯特林發動机AIP系統和燃料電池AIP系統。本文
就其中的一种AIP系統—閉式循環柴油机AIP系統的特點，技術成熟情況以及水管理
系統的工作原理和特點進行闡述和分析，為進行該領域研究的有關人員提供參考。
2 閉式循環柴油机及其系統
2.1 閉式循環柴油机工作原理
閉式循環柴油机(CCD)是應用人造大气的標准柴油机。基本原理是：柴油机工
作時，在排气過程中，廢气經過冷卻后進入CO2吸收器，在吸收器中廢气中的CO2和
水蒸气被海水吸收，排出艇外；洗滌過的排气加入适量的氧气和惰性气體(諸如氬
气、氮气)，形成人造大气，通過閉路循環回到柴油机進口，供新的循環燃燒作功，
這种加入氬气的閉式循環柴油机通常被稱為氬气閉式循環柴油机。氬气閉式循環柴
油机系統的原理圖見圖1。
氬气閉式循環柴油机系統的主要組成如下：
1) 柴油机發電机
柴油机是通常的標准廢气渦輪增壓、定轉速柴油机，通過交流發電机以電能形
式輸出功率。
由于閉式循環柴油机主要在潛艇水下經航工作時提供動力，因此面臨著兩個必
須解決的問題：一是要提供柴油机工作過程燃燒的空气或氧气，因為潛艇在長期水
下潛航時不可能提供柴油机燃燒的空气；二是柴油机排出的廢气要進行處理，因為
潛艇在水下航行時，柴油机的廢气不能排到舷外。解決第1個問題的方法是潛艇攜
帶大量液氧，經气化后与經過處理后的排气一起形成人造大气，進入柴油机。第2個
問題的解決方法在于柴油机排出的廢气如何吸收掉CO2和水蒸气，在剩余的气體(殘
余的CO2、過量O2、氮气和惰性气體等)中加入适量氧气和氬气，再循環到柴油机進
气口。
任何一种閉式循環柴油机系統都希望進入柴油机的气體品質在燃燒特性方面与
空气一致，但是現在還未精确地造出這种人造大气，這是因為早期的多次嘗試都碰
到難以解決的效率問題。在閉式循環柴油机系統中，鑒于吸收過程的性質，希望進
入吸收器的廢气中保持高濃度CO2，在留下來气體中CO2濃度也較高，同時意味著返
回柴油机的气體中CO2的水平較高，最終使進入柴油机中“大气”的比熱比(K值)發
生變化，因此可以抑制過高的壓縮壓力和溫度，但燃燒質量變差。
在廢气中CO2的吸收研究方面，人們走過了一條曲折的道路，這也是長期制約閉
式循環柴油机應用于常規潛艇的關鍵所在。最開始，不少研究者考慮將廢气中的CO2壓
縮或制成干冰存放在潛艇中，在潛艇停靠基地碼頭時再取出；英國Newcastle大學曾
經研究過用KOH溶液來吸收。這些方法或由于消耗較多的能量或由于耗費大量的吸收
劑，在潛艇這個特殊的環境中都不現實。到80年代中期，這一問題才由英國CDSS公
司研制開發的水管理系統(WMS)得以解決。
2) 吸收器
潛艇作為有限空間環境必須考慮效率高、體積小的因素。根据研究表明，通過
吸 收器用海水來吸收CO2時，吸收器的吸收效果主要与吸收器的結构形式、出入口
CO2的濃度、出入口气體的總壓力以及海水的溫度和含鹽量有關。閉式循環柴油机中
CO2吸收器采用旋轉紊流式結构，其工作原理詳見圖3。
柴油机排出的廢气溫度為500℃左右，壓力為3휱05Pa，廢气主要成分為CO2、
氮气、水蒸气和少量未燃盡的氧气。廢气經過噴霧冷卻到80～100℃，廢气被送到一
個旋轉洗滌器，從吸收器上面進入吸收器，与從底面進來的低壓新鮮海水混合接触，
廢气在進一步降溫的同時，被海水迅速地吸收大部分的CO2，吸收后的气體從上部中
間排出，再循環到柴油机；海水飽和吸收了CO2后通過水管理系統排出舷外。 由于
CCD系統排出艇外的是溶解于海水中的CO2，沒有其它不溶于海水的气體(如氧气、氮
气等)，所以不會造成任何航跡。這种旋轉紊流式結构的吸收器使得CO2气體溶入海
水的質量傳輸時間很短，測量結果是毫秒級。
由于吸收器接受直接從柴油机排出的廢气，因此柴油机出口處的廢气壓力就應
當是吸收器入口的气體壓力，為了使柴油机能用人造大气運行，在气體回路中二氧
花碳的濃度必須保持給定的水平，并且壓力也必須与柴油机可靠運行的壓力一致；
進入吸收器的海水的鹽度和溫度由潛艇的環境決定，不受設計者控制。
3) 水管理系統
4) 控制系統
氬气閉式循環柴油机系統的高效和安全運行取決于柴油机、吸收器和水管理系
統 三者的整體協調工作。為了最大限度的利用這個系統，通常采用以計算机為基礎
的控制系統。該系統用閉環比例-積分-微分(PID)算法控制和監測進入柴油机的氧气
水平、系統的總壓力、气體二氧化碳濃度、水管理系統開環控制的運行速度、報警、
運行的起動和停止等，中央微處理器提供了操作員界面。
閉式循環柴油机系統工作需要3個主要的控制單元。
1) 壓力控制單元
整個气體循環的壓力主要受柴油机CO2的生成率和吸收率的差值影響。為了优化
吸收性能，气體循環中CO2的含量必須預先确定并保持定常量循環。所以為了保持常
壓，CO2吸收率必須總是与產生率匹配。為了達到這一目的，通過吸收器的海水流量
(低壓海水循環回路)必須能夠按需求增減。壓力控制單元通過控制泵速的增減從而
控制水管理系統的高、低壓回路。
2) 氧气控制單元
氧气的指標由一標准氧气表測量后反饋給控制器，控制器要求氧气的容積比約
為21%，任何差距都將產生錯誤的反饋信號，控制器接受到錯誤信號后就通過氧气控
制閥控制氧气流量的增減使之達到气體循環要求。該控制單元保證系統對負載瞬變
作出快速反應。
3) 燃燒控制單元
燃燒控制單元是通過控制噴入气體回路的氬气量的增減來保證燃燒工質的比熱
比盡量接近大气中的空气。
2.2 閉式循環柴油机系統的特點
閉式循環柴油机系統与一般的開式工作柴油机相比有如下几個特點。
1) 伽瑪控制系統改善人造大气的燃燒質量
伽瑪控制系統可以測量柴油机的不良燃燒，再通過向閉式气體循環噴入單原子
气體(如惰性气體-氬气)來改善進气質量，前面提到過惰性气體是保持柴油机工質比
熱比基本不變所必需的，因此噴入單原子气體后，可以使燃燒質量与普通的“開式
空气”燃燒相當。伽瑪控制實際上并不是作用于瞬變過程，而只是一個用來优化效
率的平衡系統。
2) 液氧系統保證人造大气中足量的氧化劑
不同的AIP系統使用不同的燃料，但氧化劑一般為氧气或過氧化氫。閉式循環柴
油机AIP系統以普通柴油為燃料，以氧气為氧化劑。
潛艇這個特殊的環境，對柴油的儲存沒有特別要求，而對氧化劑的儲存則要注
意許多問題。目前在潛艇中，氧化劑都是以液氧的方式儲存在絕熱的液氧儲罐中。
使用時，使液氧汽化形成气態，供給AIP系統使用，液氧耗完后，重新到碼頭或基地
以常壓方式灌注液氧，因此潛艇攜帶的液氧量就決定了潛艇的水下續航力。
3) 二氧化碳吸收器使柴油机廢气經過處理后能再循環到柴油机進口，為人造大
气創造了條件。
4) 3個回路系統科學、安全、可靠地使普通柴油机應用于常規潛艇水下長時間
經航成為可能在加氬气的閉式循環柴油机系統中，有3個主要的回路，圖1有清楚的
描述。第1個回路是气體再循環回路，該回路是閉式循環柴油机的基礎，它可以使柴
油机排出的廢气在吸收CO2并加入适量的氧气和氬气后，再進入柴油机。第2個回路
是低壓(LP)海水回路，它使新的海水通過吸收器后，洗滌吸收CO2后再排出去。柴油
机的排气回路也通過吸收器，并使一定數量的CO2從廢气中轉移到海水中，這些CO2最
后由水處理系統輸送到第三個也是最后一個回路，即高壓(HP)海水回路，最后將吸
收了CO2的海水排出舷外。以上的低壓海水回路和高壓海水回路實質上是海水在低壓
和高壓回路之間進行交換，源源不斷地從舷外引進新鮮海水，經過水管理系統將舷
外高壓水轉變為低壓水，通過吸收器將廢气中的CO2吸收到海水后，再通過水管理系
統將吸收了CO2的低壓海水轉變為高壓海水排出舷外。
2.3 關鍵技術和設備
閉式循環柴油机系統的關鍵技術有：液氧的儲存和使用、二氧化碳的吸收，舷
外高壓海水和洗滌CO2的低壓海水的轉換，供氧、供油、供氬气的精确控制等。
關鍵設備有：CO2吸收器，水管理系統、液氧系統、控制設備等。
3 水管理系統
閉式循環柴油机能成功地應用于常規潛艇，作為水下長時間潛航動力，最重要
的問題是必須將柴油机排气中的CO2分离出來。要分离排气中的CO2，則需要大量的
低壓海水作保障。閉式循環柴油机工作時，一般舷外海水壓力(与潛深有關)大大高
于吸收器內壓力(吸收器壓力最大為3휱05Pa)。例如潛艇在水下500 m航行(相當于壓
力是5휱06Pa)，閉式循環柴油机工作時，舷外海水壓力必須從5휱06Pa降至3휱05Pa的
低壓才能用來吸收CO2，吸收了CO2的低壓海水要排出舷外，壓力要從3휱05Pa提高到
5휱06Pa，如果不采用水管理系統，海水進出吸收器就得用較大的排出泵和壓气机，
這將使整個系統受下潛深度的影響，無法工作。而應用水管理系統則巧妙地完成了
這一十分棘手的問題。
潛艇同樣是在500 m下航行，舷外高壓海水和吸收CO2的低壓海水不是通過
排出泵來進 行的，而是通過水管理系統的控制閥，將高低壓海水交替接通來完成，
水管理系統不需要再為壓縮水而耗功，只需要克服摩擦壓降和循環水慣性阻力的能
量。水管理系統的工作原理見圖5。
水管理系統包括兩個獨立的水循環回路：高壓水循環回路和低壓水循環回路。
海水通過海水泵從高壓回路以周圍水深壓力進入系統的一個罐內，該罐用閥門
与其它罐體隔离，海水進入該罐的同時，推動活塞將另一部分已經吸收過CO2的海水
排出舷外。由于進水和排出海水都与舷外高壓水相通，海水泵消耗的能量很小，只
要能克服管道阻力和活塞摩擦力即可。同時另一個配套的罐內進入吸收器中出來的
吸收了CO2的低壓海水，也是用閥門(前后兩個閥門是机械連接)控制進水，而該罐的
另一部分通過 活塞將新鮮海水送到吸收器去洗滌吸收CO2。接著海水只間歇很短的
時間，就由特設閥門控制其中一個高壓海水罐降壓至低壓回路的壓力，同時低壓海
水罐加壓至高壓回路的壓力，接著海水開始又一個循環，上一循環高壓回路的“洁
淨”的海水進入吸收器的低壓回路進行循環，上一循環低壓回路中溶解有CO2的海水
進入高壓回路，然后以環境海水壓力排至大海。
CO2吸收器所需的海水量完全決定于柴油机負載，也就是說，柴油机輸出功率要
求越高，所需的海水量就越大。
4 國內外研究情況
60、70年代，我國就開展過水下用閉式循環柴油机的技術研究，由于一些關鍵
技術難以突破和研究經費等原因，后來此項工作停頓下來。進入90年代后，常規潛
艇AIP技術的研究方興未艾，國外取得了很大進展，國內有的單位進行了部分設備和
技術的研究，但是，遠沒有形成一定規模，也沒有進行系統的研究。
在國外，閉式循環柴油机，在德國、英國、意大利及日本等國發展很快，一些
關鍵技術已取得突破性進展，有的國家已裝艇試用。經過試用表明，閉式循環柴油
机，雖然机械噪聲稍高，最大航速也稍有下降，但它的水下續航力比使用燃料電池
的還要長，特別是成本大大降低。例如德國BMG公司一直從事建造作研究和探測用的
潛艇即海馬－Ⅱ型，并在此基礎上改型設計，又建造了海馬－KD型潛艇，該艇水下
工作深度為310 m輸出功率為100 kW(1 500 r/min)。潛艇在水面、水下航行時，柴油
机的運行可相互切換，即在水面航行時，柴油机采用開式系統，在水下航行時，它
采用閉式系統。它所使用的氧是儲存在艇體耐壓殼后部超真空隔离艙內的液氧。1983年
開始研制一种氬氧閉式循環系統，以提高發動机的熱效率和輸出功率，1987年已完
成陸上試驗。
英國紐卡斯爾大學研制了一台“ARGO”閉式循環柴油机為動力的潛艇，水下工
作深度為450 m，水下航速8.5 nmile/h。意大利研制的采用閉式循環柴油机為動力的
小型潛艇，排水量為100 t左右,后來發展成400 t級,其中100 t級潛艇水下航速為
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台大電機Military版副版
精華區整建工程：認識共產黨系列 進行中
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5 kn的情況下,可連續航行66天。
最具代表性的是德國TNSW公司与荷蘭RDM公司合作開發的閉式循環柴油机AIP系
統，采用英國CDDS公司發明的水管理系統和250 kW的柴油机，組成了一個完整的閉
式循環柴油机AIP系統在U1潛艇上進行了海試。該艇己于1991年11月下水，1993年1月
完成了海試。海試取得了成功，驗證了這套系統的實用性。
5 結論
閉式循環柴油机作為一种常規潛艇的AIP系統，許多國家都爭相研究，有些國家
已經在實艇上進行了海上試驗，證明是一种成熟的AIP系統〔2〕。
閉式循環柴油机系統中，柴油机本身已是成熟的技術，無須花費大的力气進行
研究開發，其中的關鍵技術水管理系統，英國CDDS公司已有成熟的技術專利。因此，
整個系統已沒有需要克服的技術關鍵，能較快地用于常規潛艇上。
閉式循環柴油机除了應用于常規潛艇外，還可應用于深海救生、海洋考察和海
底工程施工等。
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