現(xiàn)代船舶柴油機(jī)節(jié)能主要途徑淺析

蘇延達(dá)

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431）

現(xiàn)代船舶柴油機(jī)節(jié)能主要途徑淺析

蘇延達(dá)

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431）

本文主要介紹的是船舶柴油機(jī)節(jié)能的途徑，圍繞使用定壓渦輪增壓系統(tǒng)和高效率渦輪增壓器、改進(jìn)燃油噴射系統(tǒng)、改善換氣過(guò)程提高空氣質(zhì)量、柴油機(jī)廢熱再利用等方面，從提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性探討現(xiàn)代柴油機(jī)節(jié)能的主要途徑。

柴油機(jī)；節(jié)能；經(jīng)濟(jì)性

1 使用定壓渦輪增壓系統(tǒng)和高效率渦輪增壓器

渦輪增壓技術(shù)在提高柴油機(jī)效率、降低有害氣體排放上有很大的作用，但隨著人們對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的要求越來(lái)越高和IMO等國(guó)際組織對(duì)船用柴油機(jī)的排放法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，該技術(shù)現(xiàn)有水平已無(wú)法滿足需求。因而，世界先進(jìn)柴油機(jī)廠商近年來(lái)對(duì)渦輪增壓技術(shù)進(jìn)行了積極的改進(jìn)和升級(jí)，以增強(qiáng)柴油機(jī)的性能。

1.1 開發(fā)兩級(jí)渦輪增壓技術(shù)

柴油機(jī)采用的是一級(jí)渦輪增壓技術(shù)，其產(chǎn)生的壓力相對(duì)較低，使壓縮進(jìn)氣缸的空氣量有限，氣缸中的燃料不能充分燃燒。這不僅浪費(fèi)了大量的燃料，也使柴油機(jī)的廢氣排放量偏高。瓦錫蘭集團(tuán)和MAN柴油機(jī)公司都成功開發(fā)出新型的渦輪增壓技術(shù)，通過(guò)使用兩級(jí)渦輪增壓器來(lái)增大壓力，增加氣缸中的空氣量，解決一級(jí)渦輪增壓壓力不足的問(wèn)題。

增壓系統(tǒng)是由兩個(gè)大小不同的渦輪增壓器串聯(lián)組成。其工作原理是：利用發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生的廢氣的能量，驅(qū)動(dòng)體積較小、增壓度較高的渦輪增壓器，然后再驅(qū)動(dòng)體積較大的、增壓度較低的渦輪增壓器。低壓比渦輪增壓器的壓縮機(jī)將周圍的空氣壓縮，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)直接相連的冷卻器，將壓縮后的空氣傳送到高壓比渦輪增壓器的壓縮機(jī)中；在此之前被壓縮過(guò)的空氣再次被壓縮，再經(jīng)過(guò)一個(gè)空氣冷卻器，傳送到發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸。經(jīng)過(guò)兩次壓縮，可以大大增加進(jìn)入汽缸的空氣量，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料燃燒更充分，大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和功率密度，并大幅減少有害氣體的排放量。該技術(shù)能大幅提高柴油機(jī)的效率，輸出功率和功率密度能夠提升近10個(gè)百分點(diǎn)，同時(shí)降低燃油消耗和二氧化碳排放量。

1.2 開發(fā)VAT（Variable Turbine Area）渦輪增壓技術(shù)

柴油機(jī)的增大優(yōu)點(diǎn)是它可以實(shí)現(xiàn)小排量、高功率、大扭矩，尤其是其扭矩輸出增加明顯。但由于渦輪介入程度取決于轉(zhuǎn)速高低，在柴油機(jī)低負(fù)荷和低速運(yùn)行下，渦輪增壓器不能以最大的效率工作，因而壓縮至氣缸內(nèi)的空氣量有限，不能使燃油充分燃燒，這是傳統(tǒng)渦輪增壓技術(shù)的嚴(yán)重缺陷。MAN柴油機(jī)公司開發(fā)了VAT渦輪增壓技術(shù)，有效解決了這一問(wèn)題。VAT技術(shù)使得柴油機(jī)處在任何負(fù)荷和速度運(yùn)行時(shí)，都能根據(jù)燃油的噴入量自動(dòng)、持續(xù)、精確地匹配壓縮空氣的進(jìn)入量，解決了傳統(tǒng)渦輪增壓器只能在事先設(shè)定的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷點(diǎn)實(shí)現(xiàn)最大效率問(wèn)題，這大大提高了燃料燃燒的效率，節(jié)約了燃油，大幅削減了碳?xì)浠衔铩⒍趸?、煤煙的排放量?/p>

2 噴射系統(tǒng)

燃油噴射系統(tǒng)的性能對(duì)柴油機(jī)的燃燒過(guò)程有著重要的影響，改進(jìn)燃油噴射系統(tǒng)是提高柴油機(jī)效率、節(jié)約燃油和降低排放的有效辦法。目前船舶大型低速柴油機(jī)使用的燃油噴射系統(tǒng)是傳統(tǒng)的機(jī)械式噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)上的限制，不能同時(shí)滿足柴油機(jī)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)性和排放的要求。此外，目前機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)的可變正時(shí)機(jī)構(gòu)，只限于少數(shù)類型船舶大型低速柴油機(jī)使用，而且由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在使用過(guò)程中其準(zhǔn)確性和可靠性都不太理想，所以機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)很難滿足柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、可靠性的發(fā)展要求。

燃油噴射系統(tǒng)應(yīng)具有如下性能：高噴油壓力，且大小可根據(jù)工況需求靈活調(diào)整；精確而靈活地控制噴油定時(shí)和噴油量；噴油量的優(yōu)化控制；與整機(jī)匹配靈活。具備以上柔性控制功能是燃油噴射系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)正是順應(yīng)以上需求而誕生的，且已得到了很大發(fā)展。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)能夠精確、柔性地控制柴油機(jī)噴油量、噴油定時(shí)和噴射壓力，且性能優(yōu)越，在滿足柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和日益苛刻的排放法規(guī)的要求上有著廣闊的前景。

3 改善換氣過(guò)程提高換氣質(zhì)量

換氣的完善度直接影響到內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性與排放特性的好壞及熱負(fù)荷的高低。完善的換氣過(guò)程應(yīng)該是進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮空氣多，廢氣清掃徹底，單位功率所消耗的換氣功少。改善換氣過(guò)程提高換氣質(zhì)量主要有以下措施：

3.1 減少進(jìn)氣門系統(tǒng)的流動(dòng)損失

1）增大進(jìn)氣門流動(dòng)截面積。截面積可通過(guò)增大氣門直徑與氣門升程，或采用多氣門結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2）改善流動(dòng)特性，減少流動(dòng)阻力系數(shù)。改善和精心制造配氣機(jī)構(gòu)、氣道及空氣濾清器，使進(jìn)氣系統(tǒng)中每個(gè)元件都設(shè)計(jì)成流動(dòng)阻力最小，而又不影響它的功能，會(huì)有利于減少流動(dòng)阻力系數(shù)。

3）改進(jìn)凸輪軸設(shè)計(jì)。系數(shù)大和工作平穩(wěn)性好的配氣凸輪，是保證柴油機(jī)具有良好進(jìn)氣性能的一個(gè)重要方面。

3.2 降低排氣系統(tǒng)的流動(dòng)阻力損失

在排氣系統(tǒng)中，最小流通截面積在排氣門座處。在氣門升程不大時(shí)，氣流充滿氣門隙，在進(jìn)入空間較大的排氣道時(shí)，形成射流，氣體本身的動(dòng)能大部分形成渦流而被損失掉。在升程較大時(shí)，氣流從氣門座和氣門盤的下緣開始脫離，并立即形成于氣門桿同軸線的射流。由于節(jié)流損失不是太大，有相當(dāng)一部分的氣體動(dòng)能可能變成壓力能。

與進(jìn)氣管的設(shè)計(jì)原則一樣，應(yīng)避免排氣道內(nèi)橫截面積的變化、急轉(zhuǎn)彎和凸臺(tái)，設(shè)計(jì)流動(dòng)性好的排氣支管和流動(dòng)阻力小的消聲器，都有利于降低排氣系統(tǒng)的流動(dòng)阻力損失，提高沖量系數(shù)。

3.3 降低進(jìn)氣升溫

降低進(jìn)氣道、活塞、氣缸、汽缸蓋、排氣門等零件的溫度，減少新鮮空氣于高位零部件接觸的時(shí)間與接觸面積，都是降低進(jìn)氣溫升的方法。

4 柴油機(jī)廢熱再利用

柴油機(jī)的排氣溫度在400℃以上，屬于中溫余熱，排氣量約為燃油的20倍以上，故排氣中能量很大，可以設(shè)置廢氣鍋爐，使廢氣溫度從原來(lái)的400多度降到270度左右，但廢氣溫度依然很高，在遠(yuǎn)洋大型輪船中，常采用在廢氣鍋爐后安置熱管鍋爐的方法，對(duì)廢氣進(jìn)行二次利用的方法。

5 結(jié)束語(yǔ)

在不可再生資源日益減少的今天，如何提高柴油機(jī)的有效功率和經(jīng)濟(jì)性，使其擁有良好的性價(jià)比，是科研人員主要的研究方向，而不斷提高定壓渦輪增壓系統(tǒng)和高效率渦輪增壓器性能，開發(fā)新型增壓技術(shù)更是主要的研究重點(diǎn)。

[1]朱建元.《船舶柴油機(jī)》[M].人民交通出版社，2004.

[2]張躍文.《船舶管理》[M].大連海事大學(xué)出版社，2012.

蘇延達(dá)：山東膠州，1983.07，大專，船機(jī)修理，男，技師