船用柴油機(jī)發(fā)展趨勢(shì)分析

張 晗，閆大海，錢治強(qiáng)

(中國(guó)艦船研究院，北京 100101)

0 引 言

在各類動(dòng)力機(jī)械中，柴油機(jī)以其熱效率高、扭矩大、經(jīng)濟(jì)性好、功率范圍廣、起動(dòng)迅速、維修簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，主要用于重型汽車、大型客車、工程機(jī)械、坦克、船舶、發(fā)電機(jī)組等，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中處于重要地位[1]。我國(guó)船用柴油機(jī)的研制經(jīng)歷了引進(jìn)、消化吸收、自行研制、全面國(guó)產(chǎn)化等過(guò)程。借鑒世界先進(jìn)柴油機(jī)研制規(guī)律與經(jīng)驗(yàn)，梳理柴油機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的世界先進(jìn)水平船用柴油機(jī)意義重大。

1 柴油機(jī)裝備簡(jiǎn)述

柴油機(jī)通過(guò)在密閉汽缸內(nèi)燃燒柴油，使氣體膨脹并推動(dòng)活塞做功。德國(guó)發(fā)明家魯?shù)婪颉さ胰麪栐?892年發(fā)明了柴油機(jī)。柴油機(jī)每個(gè)工作循環(huán)經(jīng)歷進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣4個(gè)行程。進(jìn)氣行程空氣進(jìn)入氣缸，氣缸中的空氣壓縮到終點(diǎn)時(shí)，溫度可達(dá)500 ℃～700 ℃，壓力可達(dá)40～50個(gè)大氣壓?；钊咏现裹c(diǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)高壓泵以高壓向氣缸噴射柴油，形成細(xì)微油粒，與高壓高溫的空氣混合后，自行燃燒膨脹，推動(dòng)活塞下行做功，此時(shí)的溫度可達(dá)1 900 ℃～2 000 ℃，壓力可達(dá)60～100個(gè)大氣壓，產(chǎn)生很大的扭矩。

通過(guò)100多年的持續(xù)改進(jìn)與提高，不斷應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，柴油機(jī)發(fā)展得越來(lái)越完善，應(yīng)用范圍十分廣泛。但仍然存在機(jī)體比較笨重、振動(dòng)噪聲和排放較高等缺點(diǎn)。柴油機(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì)是節(jié)能減排、降低振動(dòng)噪聲，提高經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

柴油機(jī)按工作循環(huán)分為四沖程和二沖程，按冷卻方式分為水冷和風(fēng)冷，按進(jìn)氣方式分增壓和非增壓（自然吸氣），按轉(zhuǎn)速分高速、中速和低速，按氣缸數(shù)分單缸和多缸。

船用柴油機(jī)在民用船舶和中小型艦艇推進(jìn)裝置中占據(jù)主導(dǎo)地位，占據(jù)了船舶動(dòng)力系統(tǒng)市場(chǎng)大概95%的份額。同時(shí)船舶柴油機(jī)排放帶來(lái)的環(huán)境污染也很嚴(yán)重，2008年全球海運(yùn)船舶排放的SOx和NOx分別占世界SOx和NOx排放總量的9%和18%～30%[2]。表1為船用柴油機(jī)類型及應(yīng)用。

表1 船用柴油機(jī)類型及應(yīng)用Tab. 1 Type and utility of marine diesel

船舶柴油機(jī)面臨著降低排放的挑戰(zhàn)。由于船舶航行特點(diǎn)，還要求柴油機(jī)具備承受一定的縱橫搖能力，起動(dòng)、變速迅速可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、耐久性好，具備停缸運(yùn)行、停增壓器運(yùn)行等應(yīng)急情況下的運(yùn)行能力，以及振動(dòng)噪聲小，可遙控或自動(dòng)控制等。發(fā)展趨勢(shì)是不斷提高可靠性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境友好性和強(qiáng)化程度[1]。

2 船用柴油機(jī)主要系統(tǒng)組成和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

柴油機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜，功率范圍廣，應(yīng)用領(lǐng)域多，技術(shù)發(fā)展方向是可靠性高，經(jīng)濟(jì)性好和低排放。柴油機(jī)主要機(jī)構(gòu)組件包括：機(jī)體、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、燃油系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和電器系統(tǒng)等。新技術(shù)、新材料、新工藝不斷應(yīng)用到柴油機(jī)的設(shè)計(jì)制造，柴油機(jī)的整體技術(shù)水平不斷提高。

2.1 機(jī) 體

柴油機(jī)機(jī)體主要包括缸體、缸套、缸蓋、油底殼等，是柴油機(jī)的骨架，既用來(lái)支撐和安裝其他部件，同時(shí)又是曲柄連桿機(jī)構(gòu)，配氣機(jī)構(gòu)，供給系、冷卻系和潤(rùn)滑系等的組成部分，承受高溫、高壓，以及周期性變化的燃?xì)庾饔昧?、慣性力和力矩的作用，工作條件苛刻。為了保證活塞、連桿、曲軸、凸輪軸等高速運(yùn)動(dòng)件工作可靠、耐久，機(jī)體必須有足夠的剛度和強(qiáng)度，對(duì)這些零件提供位置精確的支撐和導(dǎo)向[3]。機(jī)體的技術(shù)發(fā)展方向是在保證剛度和強(qiáng)度的同時(shí)，簡(jiǎn)單可靠、輕型化和減振降噪。

2.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)

曲柄連桿機(jī)構(gòu)包括活塞、連桿、曲軸、飛輪等，是柴油機(jī)的核心運(yùn)動(dòng)部件，將燃燒能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。其力學(xué)性能的優(yōu)劣直接影響柴油機(jī)的性能指標(biāo)和可靠性。活塞作為能量轉(zhuǎn)換的首個(gè)環(huán)節(jié)，直接承受高壓氣體周期性壓力、往復(fù)慣性力、側(cè)推力，以及高溫燃?xì)庵芷谛缘募訜嶙饔?，在滿足強(qiáng)度、剛度要求的情況下，應(yīng)盡量減輕活塞重量以減小慣性力的作用。連桿連接曲軸和活塞，將活塞受到的力傳給曲軸，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化和輸出功率。連桿主要承受大小和方向不斷變化的壓力、往復(fù)循環(huán)慣性力和擺動(dòng)慣性力，容易發(fā)生疲勞破壞。曲軸通過(guò)旋轉(zhuǎn)的形式輸出功率，受力情況復(fù)雜，主要承受壓力、旋轉(zhuǎn)慣性力和離心力。曲軸是細(xì)長(zhǎng)軸，形狀復(fù)雜，旋轉(zhuǎn)速度快，潤(rùn)滑困難，容易發(fā)生變形、磨損和應(yīng)力集中[4]。

2.3 配氣機(jī)構(gòu)

配氣機(jī)構(gòu)包括正時(shí)齒輪、凸輪軸、進(jìn)排氣門、增壓器等。配氣機(jī)構(gòu)對(duì)柴油機(jī)的燃燒特性和動(dòng)力性能影響顯著，其技術(shù)發(fā)展方向是不斷提高柴油機(jī)充氣效率，降低殘余廢氣系數(shù)，運(yùn)行平穩(wěn)可靠噪聲低[5]。高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門一般采用高溫鎳基合金，在配氣機(jī)構(gòu)中作用重要[6]。通過(guò)增壓器提高進(jìn)氣壓力，是提升柴油機(jī)機(jī)性能指標(biāo)的重要途徑之一。如果使用單一增壓器，柴油機(jī)在中低負(fù)荷工況下會(huì)出現(xiàn)熱負(fù)荷增加、扭矩不足等問(wèn)題，難以滿足柴油機(jī)在全工況范圍內(nèi)對(duì)于進(jìn)氣量的要求。進(jìn)排氣旁通增壓技術(shù)、可變幾何渦輪增壓技術(shù)、相繼增壓技術(shù)等多種新型增壓技術(shù)，可提高柴油機(jī)在部分負(fù)荷工況時(shí)的性能指標(biāo)。目前相繼增壓技術(shù)是改善柴油機(jī)性能比較成熟有效的手段。相繼增壓由2臺(tái)以上增壓器并聯(lián)組成增壓系統(tǒng)，根據(jù)柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)于進(jìn)氣量的需求來(lái)確定投入使用的增壓器數(shù)量。在大負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，增壓器全部投入使用并在高效率區(qū)運(yùn)行；在部分負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，適當(dāng)減少所使用增壓器的數(shù)量，以此顯著改善柴油機(jī)中低負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)的排放特性和燃油經(jīng)濟(jì)性[7]。

2.4 燃油供給系統(tǒng)

燃油供給系包括油箱、輸油管、噴射泵、噴油器、調(diào)速器等。根據(jù)不同工況，供給系定時(shí)、定量把柴油供給燃燒室燃燒。燃油供給系是柴油機(jī)的核心系統(tǒng)，其性能狀況決定整機(jī)的工作性能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因燃油供給系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致柴油機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行的故障數(shù)約占柴油機(jī)故障總數(shù)的20%～30%，因此，燃油供給系的可靠性十分重要[8]。隨著國(guó)際上日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，以及電控技術(shù)的不斷發(fā)展，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)減排降噪效果明顯，已經(jīng)成為柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一[9]。

2.5 潤(rùn)滑系統(tǒng)

潤(rùn)滑系包括機(jī)油泵、機(jī)油濾清器、調(diào)壓閥、機(jī)油冷卻器等，把潤(rùn)滑油供給各運(yùn)動(dòng)摩擦副，在摩擦表面形成油膜，降低零件之間的摩擦系數(shù)和摩擦損失，具有潤(rùn)滑、冷卻、密封、防銹、清洗等功能，能顯著提高柴油機(jī)工作效率和使用壽命，對(duì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和排放有重要影響[10]。

2.6 冷卻系統(tǒng)

柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)主要包括水箱、水泵、風(fēng)扇等，把發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量及時(shí)散發(fā)到大氣等周邊環(huán)境中，保持柴油機(jī)各個(gè)零部件的溫度在正常工作許可范圍內(nèi)。柴油機(jī)缸套、活塞、活塞環(huán)、缸蓋和氣門等零部件直接與瞬間溫度達(dá)2 000 ℃的燃燒氣體接觸，必須進(jìn)行適當(dāng)冷卻，才能避免因溫度過(guò)高導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣不足，燃燒不完全，機(jī)油變質(zhì)和燒損，運(yùn)動(dòng)件磨損加劇，甚至卡死，嚴(yán)重變形或損壞等問(wèn)題，確保柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間可靠正常工作[11]。

2.7 電子控制系統(tǒng)

電子控制系統(tǒng)是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制柴油機(jī)的噴油量、噴油定時(shí)、啟動(dòng)、暖機(jī)、怠速、廢氣再循環(huán)、進(jìn)氣壓力、巡航等，改善柴油機(jī)在各種工況下的排放、油耗、功率等性能指標(biāo)[12]。目前發(fā)達(dá)國(guó)家柴油機(jī)電子控制技術(shù)的應(yīng)用率達(dá)到60%以上。隨著電子、傳感器、光纖、計(jì)算機(jī)、信息處理等技術(shù)不斷進(jìn)步，柴油機(jī)將越來(lái)越廣泛地使用電子控制技術(shù)，不斷提高柴油機(jī)的可控性、穩(wěn)定性、安全性、可靠性和排放性等技術(shù)指標(biāo)[13]。

2.8 材料和工藝

材料和工藝是實(shí)現(xiàn)高性能柴油機(jī)設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)和手段。柴油機(jī)不斷向高強(qiáng)度、高功率密度、低排放方向發(fā)展，要求不斷提高材料強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度，要求更高的零部件表面粗糙度、加工精度和裝配精度。柴油機(jī)鑄、鍛、焊件重量占整機(jī)重量65%～70%。隨著材料和工藝技術(shù)不斷進(jìn)步，機(jī)身材料由灰鐵改為球鐵，缸蓋由灰鐵改為球鐵或蠕墨鑄鐵，缸套普遍采用高磷合金鑄鐵，曲軸由碳素結(jié)構(gòu)鋼表面淬火改為中碳合金鋼調(diào)質(zhì)處理，連桿由傳統(tǒng)碳素結(jié)構(gòu)鋼改為中碳合金鋼+離子氮化和噴丸強(qiáng)化處理，凸輪軸由傳統(tǒng)滲碳材料淬火處理改為低碳合金鋼滲碳淬火處理。傳統(tǒng)工藝流程不斷進(jìn)步，比如機(jī)身工藝由專用機(jī)床轉(zhuǎn)為通用機(jī)床加專用工裝，再轉(zhuǎn)變?yōu)辇堥T鏜銑床加專用工裝，機(jī)身加工向高效、柔性發(fā)展。外部型線加工是柴油機(jī)關(guān)鍵工藝技術(shù)之一，活塞表面型線經(jīng)歷圓柱、錐圓、錐橢圓、錐變橢圓、中凸變橢圓及與偏心圓的組合，以及非圓曲面的演變，確保精確補(bǔ)償活塞在熱力狀態(tài)下質(zhì)量分布不均的變形。柴油機(jī)制造不斷向?qū)I(yè)化、柔性化和規(guī)?；较虬l(fā)展[14]。

2.9 排 放

研究表明柴油機(jī)排放的物質(zhì)有200多種，有害物質(zhì)主要包括一氧化碳、氫氧化物、碳?xì)浠衔?、氮氧化物和PM顆粒物等，其中NOx和PM對(duì)人體危害最大，是柴油機(jī)排放控制的主要對(duì)象[15]。

NOx由高溫燃燒條件下空氣中的氮?dú)夂脱鯕夥磻?yīng)生成，主要成份是NO。柴油機(jī)顆粒物是氣相燃油分子在高溫缺氧的條件下發(fā)生部分氧化和熱裂解，生成各種不飽和烴類，逐漸聚合形成PM顆粒[16]。

NOx 減排措施主要有3種途徑：通過(guò)改變?nèi)剂闲再|(zhì)等的燃料預(yù)處理方法；通過(guò)優(yōu)化噴霧燃燒過(guò)程等的機(jī)內(nèi)凈化方法；通過(guò)選擇性催化還原（SCR）等技術(shù)處理NOx排放的后處理方法[17]。柴油機(jī)減排主要技術(shù)途徑見(jiàn)表2。

表2 柴油機(jī)減排主要技術(shù)途徑Tab. 2 Main technical approaches of diesel engine emission reduction

選擇性催化還原（SCR）技術(shù)是目前解決NOx排放最有效的方法之一，已經(jīng)在很多歐美船舶上得到應(yīng)用[17]。該技術(shù)NOx轉(zhuǎn)化效率高，可靠性好，對(duì)柴油機(jī)性能影響小，柴油機(jī)改裝工作量少[18]。其基本原理見(jiàn)圖1。

圖1 SCR系統(tǒng)基本化學(xué)反應(yīng)過(guò)程Fig. 1 Basic chemical reaction process of SCR system

3 船用柴油機(jī)發(fā)展趨勢(shì)分析

船用柴油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要是提高可靠性，降低排放，滿足日益苛刻的環(huán)保要求。

3.1 提高可靠性

由于船舶長(zhǎng)期在海洋中航行，要求船用柴油機(jī)能承受搖擺，起動(dòng)、變速、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，耐久性維修性好。影響柴油機(jī)可靠性水平的主要因素包括設(shè)計(jì)、制造和管理使用等。船用柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)合理，方便檢修維護(hù)和保養(yǎng)，減少拆卸工作量。選擇合適的材料、正確的加工工藝，使零部件具有較高的可靠性。維修策略與維修方法科學(xué)合理，實(shí)施狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程管理等措施。

3.2 降低排放

國(guó)際海事組織（IMO）統(tǒng)計(jì)，船用柴油機(jī)每年向全球排放NOx約1 000萬(wàn)噸，約占全球排放的20%；排放SOx約850萬(wàn)噸，約占全球排放的10%[19]。世界通用的強(qiáng)制性排放限制法規(guī)MARPOL73/78國(guó)際公約附則VI《防止船舶造成大氣污染規(guī)則》，對(duì)船用柴油機(jī)排氣中NOx和SOx等主要有害物質(zhì)進(jìn)行了限定，限值及實(shí)施時(shí)間分別見(jiàn)表3和表4。IMO設(shè)置的SOx排放

表3 船用柴油機(jī)NOx排放物限值及實(shí)施時(shí)間Tab. 3 NOx emission limits and implementation time of marine disel engine

表4 船用燃油硫含量限值及實(shí)施時(shí)間Tab. 4 Sulfur content limit and implementation time of marine fuel

控制區(qū)（NECA）和SOx排放控制區(qū)（SECA）包括：北美區(qū)域、美國(guó)加勒比區(qū)域、波羅的海區(qū)域和北海區(qū)域。

控制SOx排放最有效的方法是降低船用重質(zhì)燃料油（HFO）的含硫量，但燃油價(jià)格會(huì)因此顯著提高。目前研究最多的技術(shù)是利用呈堿性的海水對(duì)煙氣進(jìn)行洗滌后排入海中。試驗(yàn)證明該技術(shù)脫硫效果可達(dá)90%以上，但昂貴復(fù)雜?？刂芅Ox排放一般采用燃油預(yù)處理、優(yōu)化燃燒過(guò)程、排氣后處理等方法[20]。

4 結(jié) 語(yǔ)

船用柴油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是提高經(jīng)濟(jì)性、可靠性的同時(shí)，滿足日益苛刻的環(huán)保要求。不斷提高柴油機(jī)的動(dòng)力性和可靠性，降低油耗和控制排放，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的世界先進(jìn)水平的船用柴油機(jī)，我國(guó)面臨重要發(fā)展機(jī)遇和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。