現代船舶柴油機節能主要途徑淺析

蘇延達

（中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

現代船舶柴油機節能主要途徑淺析

蘇延達

（中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

本文主要介紹的是船舶柴油機節能的途徑，圍繞使用定壓渦輪增壓系統和高效率渦輪增壓器、改進燃油噴射系統、改善換氣過程提高空氣質量、柴油機廢熱再利用等方面，從提高柴油機的經濟性探討現代柴油機節能的主要途徑。

柴油機；節能；經濟性

1 使用定壓渦輪增壓系統和高效率渦輪增壓器

渦輪增壓技術在提高柴油機效率、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越來越嚴格，該技術現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進行了積極的改進和升級，以增強柴油機的性能。

1.1 開發兩級渦輪增壓技術

柴油機采用的是一級渦輪增壓技術，其產生的壓力相對較低，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出新型的渦輪增壓技術，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。

增壓系統是由兩個大小不同的渦輪增壓器串聯組成。其工作原理是：利用發動機工作產生的廢氣的能量，驅動體積較小、增壓度較高的渦輪增壓器，然后再驅動體積較大的、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，再經過一個空氣冷卻器，傳送到發動機汽缸。經過兩次壓縮，可以大大增加進入汽缸的空氣量，從而使發動機中的燃料燃燒更充分，大大提高發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VAT（Variable Turbine Area）渦輪增壓技術

柴油機的增大優點是它可以實現小排量、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，因而壓縮至氣缸內的空氣量有限，不能使燃油充分燃燒，這是傳統渦輪增壓技術的嚴重缺陷。MAN柴油機公司開發了VAT渦輪增壓技術，有效解決了這一問題。VAT技術使得柴油機處在任何負荷和速度運行時，都能根據燃油的噴入量自動、持續、精確地匹配壓縮空氣的進入量，解決了傳統渦輪增壓器只能在事先設定的發動機負荷點實現最大效率問題，這大大提高了燃料燃燒的效率，節約了燃油，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

燃油噴射系統的性能對柴油機的燃燒過程有著重要的影響，改進燃油噴射系統是提高柴油機效率、節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是傳統的機械式噴射系統，該系統由于結構上的限制，不能同時滿足柴油機發展的經濟性和排放的要求。此外，目前機械式燃油噴射系統的可變正時機構，只限于少數類型船舶大型低速柴油機使用，而且由于結構復雜，在使用過程中其準確性和可靠性都不太理想，所以機械式燃油噴射系統很難滿足柴油機經濟性、可靠性的發展要求。

燃油噴射系統應具有如下性能：高噴油壓力，且大小可根據工況需求靈活調整；精確而靈活地控制噴油定時和噴油量；噴油量的優化控制；與整機匹配靈活。具備以上柔性控制功能是燃油噴射系統發展的必然趨勢。高壓共軌燃油噴射系統正是順應以上需求而誕生的，且已得到了很大發展。高壓共軌燃油噴射系統能夠精確、柔性地控制柴油機噴油量、噴油定時和噴射壓力，且性能優越，在滿足柴油機經濟性、動力性和日益苛刻的排放法規的要求上有著廣闊的前景。

3 改善換氣過程提高換氣質量

換氣的完善度直接影響到內燃機動力性、經濟性與排放特性的好壞及熱負荷的高低。完善的換氣過程應該是進入氣缸內的新鮮空氣多，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量主要有以下措施：

3.1 減少進氣門系統的流動損失

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，或采用多氣門結構來實現。

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

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

3.2 降低排氣系統的流動阻力損失

在排氣系統中，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。由于節流損失不是太大，有相當一部分的氣體動能可能變成壓力能。

與進氣管的設計原則一樣，應避免排氣道內橫截面積的變化、急轉彎和凸臺，設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的流動阻力損失，提高沖量系數。

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和高效率渦輪增壓器性能，開發新型增壓技術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].大連海事大學出版社，2012.

蘇延達：山東膠州，1983.07，大專，船機修理，男，技師