淺析船舶柴油機節能減排技術

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，介紹了船舶柴油機一系列節能減排技術，包括改善燃料燃燒過程，開發新型替代清潔燃料技術、排放控制和尾氣處理技術以及發動機動力系統能量綜合利用等技術，以期滿足船舶柴油機節能、低排放及高效率的要求。

關鍵詞：船舶柴油機；排放；控制；發展

隨著世界范圍內的能源危機和環境污染問題的日益嚴重，人們對于發動機在節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，柴油機占據了船舶動力系統市場95%的份額，對航運業發展和國際間貿易有重要的意義。但是，船舶柴油機排放帶來的環境污染卻令人擔憂。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。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動機動力系統能量等方向出發，不斷開發船舶柴油機新技術，改善發動機性能，提高可靠性、降低發動機排放，通過發動機系統集成和能量回收利用技術，進一步提高發動機系統效率、降低總排放（NOx、CO2、SOx、PM等），實現發動機優秀性能和超低排放。

1 發動機減排技術發展

隨時國際環保意識的增加，船用發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，2，2009年，IMO推出傳播能好限制指數，要求各成員國自愿執行，2013年開始強制執行，2008年10月，國際海事組織環境保護委員會對IMO附則進行了修訂，分別規定了再不同時期和區域NOx、CO2、SOx、PM 等排放量的限制值以及對燃油含硫量的規定，2017年開始強制執行IMOTirer 3法規，這項舉措為法律法規的實施提供了技術保證。建立和開發了先進的計算模型和工程軟件工具，驗證新一代船用發動機的潛在優勢。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”參數發動機的熱力學和機械學試驗，研發了降低排放的內部方法、多級智能渦輪增壓技術、能量回收及復合式熱發動機技術、先進的后處理技術、排放及性能監控新傳感器、以及自適應控制智能發動機等技術的開發研究。

機內主要是通過改善燃燒來達到節能減排的目的，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電機相連，該發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，渦輪發出的功又會過多。發電機將增壓器多余的軸功轉化為電能，起到排氣能量回收的作用；低負荷時，進而實現節能減排的目的。

兩級增壓系統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連接組成，其工作原理是利用采油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。并且通過一些輔助措施，使增壓壓力在一定范圍內可調。柴油機廢氣首先經過帶廢氣旁通閥的高壓級渦輪膨脹做功，然后經過低壓級渦輪膨脹做功；而新鮮進氣則經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，可改善缸內混合氣的質量，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，最后經高壓油管進入噴油器。為了節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、壓力調節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根據柴油機工況（轉速、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，發出驅動信號并通過驅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，近年來在國內外得到了廣泛研究，其降低排放的機理對混合氣的均質程度沒有特殊要求，主要通過引入超高比率的冷卻過的EGR降低燃燒溫度，使缸內燃燒過程在Φ-T圖上的路線避開NOx和碳煙的生成區，實現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，且可以有效降低環境污染。目前開發的新能源機型有雙燃料發動機、氣體燃料發動機以及生物燃料發動機等。

雙燃料發動機可交替燃用柴油/重油和LNG（液化天然氣），與傳統使用柴油重油的船用發動機相比，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在整個功率輸出范圍內，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，全球雙燃料發動機技術發展迅速。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。

氣體燃料發動機可以極大地改善船舶發動機排放，滿足日益嚴厲的排放法規，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動機技術限制，目前成熟機型主要以船舶中速發動機為主。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未來發展趨勢

近年來，船用柴油機隨著人類對環保意識對增強，得到了飛躍性的發展。建議采用幾方面措施來達到節能減排的目的。（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動機有生物燃料發動機、雙燃料發動機、氣體燃料發動機等。（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，還會造成環境污染。

參考文獻：

[1]馮明志——船用柴油機自主創新與節能減排技術發展。

[2]劉海明、張體偉、張雷——船舶柴油機節能減排技術發展探討。

[3]趙春生——船舶柴油機節能減排技術的研究與應用。