船用柴油機發展趨勢分析

2021-10-29 06:19:40閆大海錢治強

艦船科學技術 2021年9期

張晗，閆大海，錢治強

(中國艦船研究院，北京 100101)

0 引言

在各類動力機械中，柴油機以其熱效率高、扭矩大、經濟性好、功率范圍廣、起動迅速、維修簡單、運行安全、使用壽命長等優點而得到廣泛應用，主要用于重型汽車、大型客車、工程機械、坦克、船舶、發電機組等，在國民經濟和國防建設中處于重要地位[1]。我國船用柴油機的研制經歷了引進、消化吸收、自行研制、全面國產化等過程。借鑒世界先進柴油機研制規律與經驗，梳理柴油機關鍵技術，對研制具有自主知識產權的世界先進水平船用柴油機意義重大。

1 柴油機裝備簡述

柴油機通過在密閉汽缸內燃燒柴油，使氣體膨脹并推動活塞做功。德國發明家魯道夫·狄塞爾在1892年發明了柴油機。柴油機每個工作循環經歷進氣、壓縮、做功、排氣4個行程。進氣行程空氣進入氣缸，氣缸中的空氣壓縮到終點時，溫度可達500 ℃～700 ℃，壓力可達40～50個大氣壓。活塞接近上止點時，發動機高壓泵以高壓向氣缸噴射柴油，形成細微油粒，與高壓高溫的空氣混合后，自行燃燒膨脹，推動活塞下行做功，此時的溫度可達1 900 ℃～2 000 ℃，壓力可達60～100個大氣壓，產生很大的扭矩。

通過100多年的持續改進與提高，不斷應用先進技術，柴油機發展得越來越完善，應用范圍十分廣泛。但仍然存在機體比較笨重、振動噪聲和排放較高等缺點。柴油機的主要發展趨勢是節能減排、降低振動噪聲，提高經濟性和可靠性。

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

船用柴油機在民用船舶和中小型艦艇推進裝置中占據主導地位，占據了船舶動力系統市場大概95%的份額。同時船舶柴油機排放帶來的環境污染也很嚴重，2008年全球海運船舶排放的SOx和NOx分別占世界SOx和NOx排放總量的9%和18%～30%[2]。表1為船用柴油機類型及應用。

表1 船用柴油機類型及應用Tab. 1 Type and utility of marine diesel

船舶柴油機面臨著降低排放的挑戰。由于船舶航行特點，還要求柴油機具備承受一定的縱橫搖能力，起動、變速迅速可靠，運轉可靠、耐久性好，具備停缸運行、停增壓器運行等應急情況下的運行能力，以及振動噪聲小，可遙控或自動控制等。發展趨勢是不斷提高可靠性、耐久性、經濟性、環境友好性和強化程度[1]。

2 船用柴油機主要系統組成和技術發展趨勢

柴油機系統復雜，功率范圍廣，應用領域多，技術發展方向是可靠性高，經濟性好和低排放。柴油機主要機構組件包括：機體、曲柄連桿機構、配氣機構、燃油系統、潤滑系統、冷卻系統和電器系統等。新技術、新材料、新工藝不斷應用到柴油機的設計制造，柴油機的整體技術水平不斷提高。

2.1 機體

柴油機機體主要包括缸體、缸套、缸蓋、油底殼等，是柴油機的骨架，既用來支撐和安裝其他部件，同時又是曲柄連桿機構，配氣機構，供給系、冷卻系和潤滑系等的組成部分，承受高溫、高壓，以及周期性變化的燃氣作用力、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、凸輪軸等高速運動件工作可靠、耐久，機體必須有足夠的剛度和強度，對這些零件提供位置精確的支撐和導向[3]。機體的技術發展方向是在保證剛度和強度的同時，簡單可靠、輕型化和減振降噪。

2.2 曲柄連桿機構

曲柄連桿機構包括活塞、連桿、曲軸、飛輪等，是柴油機的核心運動部件，將燃燒能轉化為機械能。其力學性能的優劣直接影響柴油機的性能指標和可靠性。活塞作為能量轉換的首個環節，直接承受高壓氣體周期性壓力、往復慣性力、側推力，以及高溫燃氣周期性的加熱作用，在滿足強度、剛度要求的情況下，應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，實現能量轉化和輸出功率。連桿主要承受大小和方向不斷變化的壓力、往復循環慣性力和擺動慣性力，容易發生疲勞破壞。曲軸通過旋轉的形式輸出功率，受力情況復雜，主要承受壓力、旋轉慣性力和離心力。曲軸是細長軸，形狀復雜，旋轉速度快，潤滑困難，容易發生變形、磨損和應力集中[4]。

2.3 配氣機構

配氣機構包括正時齒輪、凸輪軸、進排氣門、增壓器等。配氣機構對柴油機的燃燒特性和動力性能影響顯著，其技術發展方向是不斷提高柴油機充氣效率，降低殘余廢氣系數，運行平穩可靠噪聲低[5]。高負荷發動機排氣門一般采用高溫鎳基合金，在配氣機構中作用重要[6]。通過增壓器提高進氣壓力，是提升柴油機機性能指標的重要途徑之一。如果使用單一增壓器，柴油機在中低負荷工況下會出現熱負荷增加、扭矩不足等問題，難以滿足柴油機在全工況范圍內對于進氣量的要求。進排氣旁通增壓技術、可變幾何渦輪增壓技術、相繼增壓技術等多種新型增壓技術，可提高柴油機在部分負荷工況時的性能指標。目前相繼增壓技術是改善柴油機性能比較成熟有效的手段。相繼增壓由2臺以上增壓器并聯組成增壓系統，根據柴油機運行時對于進氣量的需求來確定投入使用的增壓器數量。在大負荷工況運行時，增壓器全部投入使用并在高效率區運行；在部分負荷工況運行時，適當減少所使用增壓器的數量，以此顯著改善柴油機中低負荷工況運行時的排放特性和燃油經濟性[7]。

2.4 燃油供給系統

燃油供給系包括油箱、輸油管、噴射泵、噴油器、調速器等。根據不同工況，供給系定時、定量把柴油供給燃燒室燃燒。燃油供給系是柴油機的核心系統，其性能狀況決定整機的工作性能。據統計，因燃油供給系統發生故障導致柴油機無法正常運行的故障數約占柴油機故障總數的20%～30%，因此，燃油供給系的可靠性十分重要[8]。隨著國際上日益嚴格的排放法規要求，以及電控技術的不斷發展，高壓共軌燃油噴射系統減排降噪效果明顯，已經成為柴油機技術的發展趨勢之一[9]。

2.5 潤滑系統

潤滑系包括機油泵、機油濾清器、調壓閥、機油冷卻器等，把潤滑油供給各運動摩擦副，在摩擦表面形成油膜，降低零件之間的摩擦系數和摩擦損失，具有潤滑、冷卻、密封、防銹、清洗等功能，能顯著提高柴油機工作效率和使用壽命，對柴油機的經濟性、可靠性和排放有重要影響[10]。

2.6 冷卻系統

柴油機冷卻系統主要包括水箱、水泵、風扇等，把發動機產生的熱量及時散發到大氣等周邊環境中，保持柴油機各個零部件的溫度在正常工作許可范圍內。柴油機缸套、活塞、活塞環、缸蓋和氣門等零部件直接與瞬間溫度達2 000 ℃的燃燒氣體接觸，必須進行適當冷卻，才能避免因溫度過高導致發動機進氣不足，燃燒不完全，機油變質和燒損，運動件磨損加劇，甚至卡死，嚴重變形或損壞等問題，確保柴油機長時間可靠正常工作[11]。

2.7 電子控制系統

電子控制系統是通過計算機控制柴油機的噴油量、噴油定時、啟動、暖機、怠速、廢氣再循環、進氣壓力、巡航等，改善柴油機在各種工況下的排放、油耗、功率等性能指標[12]。目前發達國家柴油機電子控制技術的應用率達到60%以上。隨著電子、傳感器、光纖、計算機、信息處理等技術不斷進步，柴油機將越來越廣泛地使用電子控制技術，不斷提高柴油機的可控性、穩定性、安全性、可靠性和排放性等技術指標[13]。

2.8 材料和工藝

材料和工藝是實現高性能柴油機設計理念的基礎和手段。柴油機不斷向高強度、高功率密度、低排放方向發展，要求不斷提高材料強度和結構剛度，要求更高的零部件表面粗糙度、加工精度和裝配精度。柴油機鑄、鍛、焊件重量占整機重量65%～70%。隨著材料和工藝技術不斷進步，機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，曲軸由碳素結構鋼表面淬火改為中碳合金鋼調質處理，連桿由傳統碳素結構鋼改為中碳合金鋼+離子氮化和噴丸強化處理，凸輪軸由傳統滲碳材料淬火處理改為低碳合金鋼滲碳淬火處理。傳統工藝流程不斷進步，比如機身工藝由專用機床轉為通用機床加專用工裝，再轉變為龍門鏜銑床加專用工裝，機身加工向高效、柔性發展。外部型線加工是柴油機關鍵工藝技術之一，活塞表面型線經歷圓柱、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，確保精確補償活塞在熱力狀態下質量分布不均的變形。柴油機制造不斷向專業化、柔性化和規模化方向發展[14]。

2.9 排放

研究表明柴油機排放的物質有200多種，有害物質主要包括一氧化碳、氫氧化物、碳氫化合物、氮氧化物和PM顆粒物等，其中NOx和PM對人體危害最大，是柴油機排放控制的主要對象[15]。

NOx由高溫燃燒條件下空氣中的氮氣和氧氣反應生成，主要成份是NO。柴油機顆粒物是氣相燃油分子在高溫缺氧的條件下發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：通過改變燃料性質等的燃料預處理方法；通過優化噴霧燃燒過程等的機內凈化方法；通過選擇性催化還原（SCR）等技術處理NOx排放的后處理方法[17]。柴油機減排主要技術途徑見表2。

表2 柴油機減排主要技術途徑Tab. 2 Main technical approaches of diesel engine emission reduction

選擇性催化還原（SCR）技術是目前解決NOx排放最有效的方法之一，已經在很多歐美船舶上得到應用[17]。該技術NOx轉化效率高，可靠性好，對柴油機性能影響小，柴油機改裝工作量少[18]。其基本原理見圖1。

圖1 SCR系統基本化學反應過程Fig. 1 Basic chemical reaction process of SCR system

3 船用柴油機發展趨勢分析

船用柴油機的發展趨勢主要是提高可靠性，降低排放，滿足日益苛刻的環保要求。

3.1 提高可靠性

由于船舶長期在海洋中航行，要求船用柴油機能承受搖擺，起動、變速、運轉可靠，耐久性維修性好。影響柴油機可靠性水平的主要因素包括設計、制造和管理使用等。船用柴油機的結構設計應合理，方便檢修維護和保養，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合理，實施狀態智能監測和遠程管理等措施。

3.2 降低排放

國際海事組織（IMO）統計，船用柴油機每年向全球排放NOx約1 000萬噸，約占全球排放的20%；排放SOx約850萬噸，約占全球排放的10%[19]。世界通用的強制性排放限制法規MARPOL73/78國際公約附則VI《防止船舶造成大氣污染規則》，對船用柴油機排氣中NOx和SOx等主要有害物質進行了限定，限值及實施時間分別見表3和表4。IMO設置的SOx排放