現(xiàn)代船舶柴油機節(jié)能主要途徑淺析

蘇延達

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

現(xiàn)代船舶柴油機節(jié)能主要途徑淺析

蘇延達

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

本文主要介紹的是船舶柴油機節(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、改進燃油噴射系統(tǒng)、改善換氣過程提高空氣質(zhì)量、柴油機廢熱再利用等方面，從提高柴油機的經(jīng)濟性探討現(xiàn)代柴油機節(jié)能的主要途徑。

柴油機；節(jié)能；經(jīng)濟性

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)在提高柴油機效率、降低有害氣體排放上有很大的作用，但隨著人們對柴油機經(jīng)濟性的要求越來越高和IMO等國際組織對船用柴油機的排放法規(guī)越來越嚴格，該技術(shù)現(xiàn)有水平已無法滿足需求。因而，世界先進柴油機廠商近年來對渦輪增壓技術(shù)進行了積極的改進和升級，以增強柴油機的性能。

1.1 開發(fā)兩級渦輪增壓技術(shù)

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

增壓系統(tǒng)是由兩個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。低壓比渦輪增壓器的壓縮機將周圍的空氣壓縮，然后經(jīng)過一個直接相連的冷卻器，將壓縮后的空氣傳送到高壓比渦輪增壓器的壓縮機中；在此之前被壓縮過的空氣再次被壓縮，再經(jīng)過一個空氣冷卻器，傳送到發(fā)動機汽缸。經(jīng)過兩次壓縮，可以大大增加進入汽缸的空氣量，從而使發(fā)動機中的燃料燃燒更充分，大大提高發(fā)動機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)能大幅提高柴油機的效率，輸出功率和功率密度能夠提升近10個百分點，同時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)

柴油機的增大優(yōu)點是它可以實現(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，在柴油機低負荷和低速運行下，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)的嚴重缺陷。MAN柴油機公司開發(fā)了VAT渦輪增壓技術(shù)，有效解決了這一問題。VAT技術(shù)使得柴油機處在任何負荷和速度運行時，都能根據(jù)燃油的噴入量自動、持續(xù)、精確地匹配壓縮空氣的進入量，解決了傳統(tǒng)渦輪增壓器只能在事先設(shè)定的發(fā)動機負荷點實現(xiàn)最大效率問題，這大大提高了燃料燃燒的效率，節(jié)約了燃油，大幅削減了碳氫化合物、二氧化碳、煤煙的排放量。

2 噴射系統(tǒng)

燃油噴射系統(tǒng)的性能對柴油機的燃燒過程有著重要的影響，改進燃油噴射系統(tǒng)是提高柴油機效率、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使用的燃油噴射系統(tǒng)是傳統(tǒng)的機械式噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)上的限制，不能同時滿足柴油機發(fā)展的經(jīng)濟性和排放的要求。此外，目前機械式燃油噴射系統(tǒng)的可變正時機構(gòu)，只限于少數(shù)類型船舶大型低速柴油機使用，而且由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在使用過程中其準(zhǔn)確性和可靠性都不太理想，所以機械式燃油噴射系統(tǒng)很難滿足柴油機經(jīng)濟性、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和噴油量；噴油量的優(yōu)化控制；與整機匹配靈活。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。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、柔性地控制柴油機噴油量、噴油定時和噴射壓力，且性能優(yōu)越，在滿足柴油機經(jīng)濟性、動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 改善換氣過程提高換氣質(zhì)量

換氣的完善度直接影響到內(nèi)燃機動力性、經(jīng)濟性與排放特性的好壞及熱負荷的高低。完善的換氣過程應(yīng)該是進入氣缸內(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。改善換氣過程提高換氣質(zhì)量主要有以下措施：

3.1 減少進氣門系統(tǒng)的流動損失

1）增大進氣門流動截面積。截面積可通過增大氣門直徑與氣門升程，或采用多氣門結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。

2）改善流動特性，減少流動阻力系數(shù)。改善和精心制造配氣機構(gòu)、氣道及空氣濾清器，使進氣系統(tǒng)中每個元件都設(shè)計成流動阻力最小，而又不影響它的功能，會有利于減少流動阻力系數(shù)。

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

3.2 降低排氣系統(tǒng)的流動阻力損失

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，氣流充滿氣門隙，在進入空間較大的排氣道時，形成射流，氣體本身的動能大部分形成渦流而被損失掉。在升程較大時，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)一部分的氣體動能可能變成壓力能。

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

3.3 降低進氣升溫

降低進氣道、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間與接觸面積，都是降低進氣溫升的方法。

4 柴油機廢熱再利用

柴油機的排氣溫度在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，使廢氣溫度從原來的400多度降到270度左右，但廢氣溫度依然很高，在遠洋大型輪船中，常采用在廢氣鍋爐后安置熱管鍋爐的方法，對廢氣進行二次利用的方法。

5 結(jié)束語

在不可再生資源日益減少的今天，如何提高柴油機的有效功率和經(jīng)濟性，使其擁有良好的性價比，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。

[1]朱建元.《船舶柴油機》[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：山東膠州，1983.07，大專，船機修理，男，技師