淺析船舶柴油機節(jié)能減排技術

徐寧 謝佳思

摘要：針對船舶柴油機面臨的既要降低排放又要降低油率的雙重挑戰(zhàn)，介紹了船舶柴油機一系列節(jié)能減排技術，包括改善燃料燃燒過程，開發(fā)新型替代清潔燃料技術、排放控制和尾氣處理技術以及發(fā)動機動力系統(tǒng)能量綜合利用等技術，以期滿足船舶柴油機節(jié)能、低排放及高效率的要求。

關鍵詞：船舶柴油機；排放；控制；發(fā)展

隨著世界范圍內(nèi)的能源危機和環(huán)境污染問題的日益嚴重，人們對于發(fā)動機在節(jié)約能源和控制污染物排放方面的要求日趨嚴格。柴油機因其功率范圍大、效率高、能耗低、使用維修方便而優(yōu)于蒸汽機、燃氣輪機等，在民用船舶和中小型艦艇推進裝置中確立了主導地位。目前，柴油機占據(jù)了船舶動力系統(tǒng)市場95%的份額，對航運業(yè)發(fā)展和國際間貿(mào)易有重要的意義。但是，船舶柴油機排放帶來的環(huán)境污染卻令人擔憂。因此，船舶柴油機面臨著既要降低排放，又要降低耗油率的雙重挑戰(zhàn)。從改善燃料燃燒過程、使用新型替代清潔燃料、進行排放控制和尾氣處理以及綜合利用發(fā)動機動力系統(tǒng)能量等方向出發(fā)，不斷開發(fā)船舶柴油機新技術，改善發(fā)動機性能，提高可靠性、降低發(fā)動機排放，通過發(fā)動機系統(tǒng)集成和能量回收利用技術，進一步提高發(fā)動機系統(tǒng)效率、降低總排放（NOx、CO2、SOx、PM等），實現(xiàn)發(fā)動機優(yōu)秀性能和超低排放。

1 發(fā)動機減排技術發(fā)展

隨時國際環(huán)保意識的增加，船用發(fā)動機排放控制技術和低排放大功率柴油機的研究上取得了階段性的進展，超過40家的單位與科研院所參加了船舶超低排放燃燒高效項目的研發(fā)，2，2009年，IMO推出傳播能好限制指數(shù)，要求各成員國自愿執(zhí)行，2013年開始強制執(zhí)行，2008年10月，國際海事組織環(huán)境保護委員會對IMO附則進行了修訂，分別規(guī)定了再不同時期和區(qū)域NOx、CO2、SOx、PM 等排放量的限制值以及對燃油含硫量的規(guī)定，2017年開始強制執(zhí)行IMOTirer 3法規(guī)，這項舉措為法律法規(guī)的實施提供了技術保證。建立和開發(fā)了先進的計算模型和工程軟件工具，驗證新一代船用發(fā)動機的潛在優(yōu)勢。該項目在結題時達到了預期成果，船用柴油機燃油消耗率降低了9%，改善高船用柴油機推進系統(tǒng)的超過50%，降低二氧化碳的排放量。對船舶柴油機開展了“極限”參數(shù)發(fā)動機的熱力學和機械學試驗，研發(fā)了降低排放的內(nèi)部方法、多級智能渦輪增壓技術、能量回收及復合式熱發(fā)動機技術、先進的后處理技術、排放及性能監(jiān)控新傳感器、以及自適應控制智能發(fā)動機等技術的開發(fā)研究。

機內(nèi)主要是通過改善燃燒來達到節(jié)能減排的目的，主要從油、氣及燃燒的角度，介紹渦輪增壓、高壓共軌、先進燃燒三大技術。

1.1 渦輪增壓

通過將渦輪增壓器的連接軸與一高速發(fā)電機相連，該發(fā)電機同時具有電動機的功能，解決柴油機與渦輪增壓器作為流通特性不同的兩個熱力系統(tǒng)不匹配的矛盾，低負荷時渦輪增壓器無法提供柴油機需要的增壓壓力；與壓氣機軸相連的發(fā)電機工作在電動機模式，補償不足的渦輪功，提高增壓壓力，改善了柴油機的低負荷性能和啟動工況性能。高負荷時，渦輪發(fā)出的功又會過多。發(fā)電機將增壓器多余的軸功轉(zhuǎn)化為電能，起到排氣能量回收的作用；低負荷時，進而實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

兩級增壓系統(tǒng)的結構通常是在柴油機的排氣管上由一個較小的高壓級增壓器和一個較大的高壓級增壓器串聯(lián)連接組成，其工作原理是利用采油機工作產(chǎn)生的廢氣的能量驅(qū)動體積較小增壓度較高的渦輪增壓器，然后再驅(qū)動體積較大的增壓度較低的渦輪增壓器。并且通過一些輔助措施，使增壓壓力在一定范圍內(nèi)可調(diào)。柴油機廢氣首先經(jīng)過帶廢氣旁通閥的高壓級渦輪膨脹做功，然后經(jīng)過低壓級渦輪膨脹做功；而新鮮進氣則經(jīng)過低壓級壓氣機壓縮后進入高壓級壓氣機，由于此時壓縮空氣的溫度與壓力都較高，因此在高壓級壓氣機與柴油機進氣管之間增加中冷器來降低進氣溫度，從而增加柴油機進氣充量的密度與流量，經(jīng)過中冷器冷卻的進氣最后進入進氣管。

柴油機采用兩級增壓后，由于進氣壓力上升，進氣流量也大幅上升，可改善缸內(nèi)混合氣的質(zhì)量，NOx并不顯著增加，而微粒的排放量卻會降低，特別是低速大負荷時的微粒排放明顯減小，改善柴油機的低速油耗。

1.2 高壓共軌技術

共軌系統(tǒng)中，高壓油泵前端的齒輪泵將燃油從油箱里抽出，再通過燃油濾清器送入高壓油泵升壓并輸送到共軌管，最后經(jīng)高壓油管進入噴油器。為了節(jié)省噴入燃燒室的燃油量是關鍵。目前有一種燃燒室燃油噴入量控制技術，電控共軌噴射技術。共軌管上安裝的共軌壓力傳感器、壓力調(diào)節(jié)閥和電控裝置形成閉合的壓力控制回路，從而確保所需的供油壓力。電控單元ECU根據(jù)柴油機工況（轉(zhuǎn)速、負荷、空氣溫度、冷卻液溫度等）和共軌壓力計算出最佳的噴油時間和噴油量，發(fā)出驅(qū)動信號并通過驅(qū)動電路控制噴油器的電磁閥，獲得最佳的噴油效果，以達到優(yōu)化柴油機燃燒的目的。

1.3 先進燃燒技術

柴油機低溫燃燒是一種新型的燃燒方式，近年來在國內(nèi)外得到了廣泛研究，其降低排放的機理對混合氣的均質(zhì)程度沒有特殊要求，主要通過引入超高比率的冷卻過的EGR降低燃燒溫度，使缸內(nèi)燃燒過程在Φ-T圖上的路線避開NOx和碳煙的生成區(qū)，實現(xiàn)NOx和碳煙零排放所需的GER率一般高達70%以上。

2 新型替代清潔燃料技術

常用的代用燃料有植物油、天然氣、醇類燃料、氫和燃料電池等。其中，大多是二次能源，資源豐富，且可以有效降低環(huán)境污染。目前開發(fā)的新能源機型有雙燃料發(fā)動機、氣體燃料發(fā)動機以及生物燃料發(fā)動機等。

雙燃料發(fā)動機可交替燃用柴油/重油和LNG（液化天然氣），與傳統(tǒng)使用柴油重油的船用發(fā)動機相比，具有燃料混合靈活和低排放的特點。其燃料混合的靈活性體現(xiàn)在整個功率輸出范圍內(nèi)，燃油模式可與燃氣模式任意切換。近年來，在 Wrtsil、MANB&W等柴油機巨頭的帶動下，全球雙燃料發(fā)動機技術發(fā)展迅速。在雙燃料低速機方面，由于可攜帶燃料量的限制，全球僅有 W rtsil 的 RTX5 型和 MAN B&W 的 MEGI 型雙燃料發(fā)動機，且均處于試驗測試階段。而在中高速機方面，已取得了大量實船應用的實績。

氣體燃料發(fā)動機可以極大地改善船舶發(fā)動機排放，滿足日益嚴厲的排放法規(guī)，但受安全性、儲存安裝、運輸和補充等影響，以及受大功率低速氣體發(fā)動機技術限制，目前成熟機型主要以船舶中速發(fā)動機為主。而其它新型能源，如太陽能和風能，雖不可能成為船舶動力的主體燃料，但可作為補充能源，作為減排的措施之一。

3未來發(fā)展趨勢

近年來，船用柴油機隨著人類對環(huán)保意識對增強，得到了飛躍性的發(fā)展。建議采用幾方面措施來達到節(jié)能減排的目的。（1）改善燃料燃燒過程通過改善燃料燃燒過程可以減少害物排放、降低燃料的消耗，提高發(fā)動機效率。（2）新型替代清潔燃料技術目前比較成熟的新型替代清潔燃料的發(fā)動機有生物燃料發(fā)動機、雙燃料發(fā)動機、氣體燃料發(fā)動機等。（3）能量綜合利用技術目前所有船舶用柴油機都無法回避的問題就是能源利用率低，在柴油機燃燒的過程中僅有一半左右作為的動力，其他部分的能力被排出的廢氣和冷卻水帶走，這不僅能源不僅降低能源利用率，還會造成環(huán)境污染。

參考文獻：

[1]馮明志——船用柴油機自主創(chuàng)新與節(jié)能減排技術發(fā)展。

[2]劉海明、張體偉、張雷——船舶柴油機節(jié)能減排技術發(fā)展探討。

[3]趙春生——船舶柴油機節(jié)能減排技術的研究與應用。