浅析船舶柴油机节能减排技术

1、浅析船舶柴油机节能减排技术随着世界范围内的能源危机和环境污染问题的日益严重，人们对于发动机在节约能源和控制污染物排放方面的要求日趋严格。虽然船舶柴油机主要在大洋作业，对地区生态环境影响较小，但是必然促使全球有害物总量上升；且全球石油资源日趋紧张，提高资源利用率是全球各国的共同责任，因此船机节能减排技术是当今的一个重大课题，本文主要分机内和机外两大类来阐述船用柴油机节能减排技术的发展路线。1 机内节能减排措施机内主要是通过改善燃烧来达到节能减排的目的，本文主要从油、气及燃烧的角度，介绍涡轮增压、高压共轨、先进燃烧三大技术，其他还有加水技术、充量调节、米勒循环、电控液压气阀传动机构技术等。1.1

2、涡轮增压技术1.1.1 基于余热回收的涡轮增压技术众所周知，柴油机与涡轮增压器作为流通特性不同的两个热力系统，它们的匹配是有矛盾的，低负荷时涡轮增压器无法提供柴油机需要的增压压力；高负荷时，涡轮发出的功又会过多。所以可以将涡轮增压器的连接轴与一高速发电机相连，该发电机同时具有电动机的功能（如图1），高负荷时，发电机将增压器多余的轴功转化为电能，起到排气能量回收的作用；低负荷时，与压气机轴相连的发电机工作在电动机模式，补偿不足的涡轮功，提高增压压力，改善了柴油机的低负荷性能和启动工况性能。进而实现节能减排的目的。图1 涡轮增压器与发电机的连接图2 工作原理示意图1.1.2 两级涡轮增压技术两级增

3、压系统的结构通常是在柴油机的排气管上由一个较小的高压级增压器和一个较大的高压级增压器串联连接组成，并且通过一些辅助措施，使增压压力在一定范围内可调。如图3所示为两级增压系统示意图，柴油机废气首先经过带废气旁通阀的高压级涡轮膨胀做功，然后经过低压级涡轮膨胀做功；而新鲜进气则经过低压级压气机压缩后进入高压级压气机，由于此时压缩空气的温度与压力都较高，因此在高压级压气机与柴油机进气管之间增加中冷器来降低进气温度，从而增加柴油机进气充量的密度与流量，经过中冷器冷却的进气最后进入进气管。图3 两级增压系统示意图当柴油机在低速工况运行时，废气放气阀关闭，废气经由高压级直接流向低压级，两个压气机同时做功，虽

4、然废气流量较小，废气能量不高，然而进气经过高、低压级压气机压缩后，进气压力相比单级仍然会有大幅的上升，进气流量也进一步增加，从而提高了柴油机的低速扭矩并改善低速排放。当柴油机在高速工况运行时，高压级增压器的废气放气阀开启，一部分废气不经过高压级直接流向低压级做功，以降低高压级的废气流量与做功能力，使增压压力不至于超过设定的最高压力极限。由于废气能量较大，低压级增压器也能保持较高的效率，提高高速工况的进气量，以满足柴油机高、低工况的运行要求。高压级废气放气阀也可根据实际需要选择传统气动阀或者可调节电控阀进行无级调节。柴油机采用两级增压后，由于进气压力上升，进气流量也大幅上升，可改善缸内混合气的质

5、量，NOx并不显著增加，而微粒的排放量却会降低，特别是低速大负荷时的微粒排放明显减小，改善柴油机的低速油耗。1.2 高压共轨技术共轨系统的组成原理如图4所示。在该系统中，高压油泵前端的齿轮泵将燃油从油箱里抽出，再通过燃油滤清器送入高压油泵升压并输送到共轨管，最后经高压油管进入喷油器。共轨管上安装的共轨压力传感器、压力调节阀和电控装置形成闭合的压力控制回路，从而确保所需的供油压力。电控单元ECU根据柴油机工况（转速、负荷、空气温度、冷却液温度等）和共轨压力计算出最佳的喷油时间和喷油量，发出驱动信号并通过驱动电路控制喷油器的电磁阀，获得最佳的喷油效果，以达到优化柴油机燃烧的目的。高压共轨柴油机燃油

6、喷射电控系统实现了柴油机喷油过程中喷油压力、喷油量、喷油定时和喷油规律分别单独控制，从而大大增加了柴油机优化的自由度，为柴油机进一步提高性能、降低排放提供了更广阔的空间。图4 高压共轨系统原理示意图1.3 先进燃烧技术1.3.1 均质预混合燃烧（HCCI）HCCI它是指大量燃料和稀释物(空气和再循环废气等)在进气过程中预先混合成均质混合气，当压缩行程活塞运动到上止点附近时，均质混合气自燃着火的一种燃烧过程。HCCI燃烧方式结合了柴油机压燃和汽油机均质混合气点火燃烧的特点，基本特征是均质、压燃和低温火焰燃烧。与传统的点燃式发动机相比，它取消了节气门，泵气损失小，混合气多点同时着火，燃烧持续期短，

7、可以得到与压燃式发动机相当的较高热效率；与传统柴油机相比，由于混合气是均质的，燃烧反应几乎是同步进行，没有火焰前锋面，燃烧火焰温度低(低于2000K)，且HCCI燃烧方式可以同时保持较高的动力性和燃油经济性，不受燃油和氧化物分离面混合比的限制，也没有点火式燃烧的局部高温反应区，因此可以同时降低NOX和PM；另外由于HCCI燃烧只与本身的物理化学性质有关，它的着火和燃烧速率只受燃料氧化反应的化学反应动力学控制，受缸内流场影响较小，同时均质预混的混合气组织也比较简单，因此，在发动机上实施HCCI燃烧模式还可以简化发动机燃烧系统和喷油系统的设计。1.3.2 低温燃烧技术柴油机低温燃烧是一种新型的燃烧

8、方式，近年来在国内外得到了广泛研究，其降低排放的机理如图5所示。低温燃烧与HCCI燃烧不同，它对混合气的均质程度没有特殊要求，主要通过引入超高比率的冷却过的EGR降低燃烧温度，使缸内燃烧过程在-T图上的路线避开NOx和碳烟的生成区，实现NOx和碳烟零排放所需的GER率一般高达70%以上。图5 柴油机低温燃烧原理图2 机外节能减排措施机外措施本文主要介绍尾气后处理，废热回收，采代用燃料等技术，其他还有燃油的预处理技术等。2.1 尾气后处理技术2.1.1 SCR用还原剂对含NOx的气体进行催化还原处理，使之有选择地和气体中的NOx进行反应，而不和氧气发生反应，称为选择性催化还原(Selective

9、 Catalytic Reduction，SCR)。可以与柴油机尾气中的NOx发生催化还原反应的还原剂有两类：一类是液氨、氨水和尿素等含氨基(NH3)的物质；另一类是烷烃、烯烃、醇类和柴油等含碳氢的物质。本文主要介绍尿素SCR技术。图6是尿素SCR后处理系统的基本组成。典型的尿素SCR系统包括催化剂、尿素喷射系统以及各种传感器。尿素水溶液通过喷射系统，定量地喷入排气管中，尿素分解生成NH3。在SCR催化剂表面，NOx被NH3还原生成N2。尿素SCR的工作过程从时空上可以分解为尿素喷雾分解过程和SCR催化反应过程，这两部分需要综合考虑，才能达到良好地使用效果。图6 尿素SCR系统示意2.1.2

10、低温等离子体辅助催化还原技术将低温等离子体(non -thermal plasma，简称NTP)技术与催化技术相结合(non-thermal plasma assisted catalyst简称NPAC)，不仅可以提高催化剂对转化的化学反应活性，而且可以降低低温等离子体的能耗，实现对柴油机污染物排放的有效控制，其机理阐述如下。NTP在放电过程中会激发产生大量的高能电子，这些高能电子可以打断多种气体的化学键,从而在等离子体气相反应区内产生大量的不饱和键,这些不饱和键在空气中被氧化形成活性基体,其代表性的反应如下：e+O2O*+O*O*+O2O3e+H2OOH*+H*H2O+OH*2OH当柴油机废

11、气进入NTP气相反应区时，PM中主要成分C在氧化性活性基体作用下生成CO和CO2，NO转化为NO2，HC氧化生成为HC*，随后在催化剂的作用下，NO2被还原为N2，HC被转化为CO2和H2O，主要反应如下：C+O*COC+O3CO2+O*NO+ONO2NO+OHNO2+H2Oe+NO+O2+HCNO2+HC*NO2+HCN2+CO2 +H2O式中e为高能电子；O*为O基；OH*为OH基；HC*为HC的中间产物。2.2 废热回收技术对于船用大功率柴油机，有一种特殊的机外净化有害排放的技术：废热回收(Waste Heat Recovery，WHR)技术。WHR技术将尾气中的废热引入锅炉或蒸汽涡轮，

12、与柴油机组成联合循环，可以改善整个系统的热效率，降低油耗。WHR技术基本上不改变柴油机的工作过程，但是由于提高了船舶动力系统的整体热效率，会使单位功率的NOx排放降低。WHR系统结构简图如图7所示。为使采用WHR技术的柴油机产生更多的废气能量，可以重新匹配涡轮增压器，并采用进气管直接从环境大气中供给发动机进气的方式，而非从机舱进气。一般船用柴油机设计上可接受的最高进气温度为45，相应于热带气候下船舶轮机舱的温度，如果直接从大气中供给进则进气温度将不会不超过35。较低的进气温度使得涡轮增压器可以重新匹配以获得更高的废气能量，而柴油机的热负荷却保持在较低的水平，即原来设计的进气温度为45时的水平，

13、这样就可以避免因提高废气能量而危及柴油机的可靠性。图7 WHR系统结构简图把废气的能量引入锅炉或蒸汽涡轮，产生电能，可回收约相当于柴油机功率11%的电能，用于助力推进或供应船舶服务。废气能量的回收使整个系统的能源利用率显著提高，各种有害气体(CO2、NO、SO等)的比排放相应地同比例降低。2.3 代用燃料为了解决能源危机和环境污染这两个主要问题，在全世界范围内掀起了寻找内燃机清洁燃料的热潮，世界各国都投入了大量的资金和人力，开展了广泛的研究和开发工作，积极开发新能源，寻找可替代石油产品的代用燃料。到目前主要的研究方向有天然气、醇类燃料、氢燃料等，其中天然气以其资源丰富、价格便宜、燃烧排放污染少

14、等突出优点，倍受人们青睐，被认为是21世纪最有发展前途的清洁代用燃料之一。下面按供气方式的不同介绍一下天然气发动机的几种技术：进气道混合器预混合供气方式：发动机供气系统包含一个与化油器类似的部件混合器，燃气与空气靠缸内负压被吸入混合器混合后进入汽缸燃烧。这种方式的优点是结构简单，价格较低。但是由于不能精确的控制燃料供给，而且无法进行闭环控制，难于精确地控制空燃比，因而难于达到较高的排放水平，不能充分发挥天然气改善排放性能的潜力。电控单点喷射系统(SPI)：是在进气总管上装一个中央喷射装置，用一到两只喷嘴集中喷射，气体喷入进气管与空气混合后由进气歧管分配到各个气缸中进行燃烧作功。系统可以由电脑控

15、制进行燃料喷射，燃料供应准确、均衡、稳定性好。但是燃料在吸入各个汽缸前要经过各个进气歧管，造成燃料浓度的不均衡，影响发动机的稳定性能。该种喷气系统结构简单、工作可靠、成本低廉、维修调整方便，而且对原车的改装较小，改装成本较低，特别适合于小排量的发动机。电控多点喷射系统(MPI)：是在每个气缸进气口处装一只喷嘴，由ECU控制按照一定的模式分别对各个汽缸进行专门喷射。该种喷射方式由于燃料在进入汽缸前行程最短，可以实现对空燃比按周期和按缸进行控制，具有良好的响应性，所以燃料供应准确度、均衡性、稳定性、排放性都优于单点电喷，但比单点电喷结构复杂、成本较高。多点喷射系统的喷射模式有以下三种：同时喷射：由

16、ECU控制所有气缸喷嘴同时喷射，喷射的频率根据发动机运行工况的不同，可以是一个工作循环喷一次，也可以是喷两次或四次；分组同时喷射：将所有气缸分成几组，发动机每转一转只有一组喷射，各组轮流进行喷射；顺序喷射（SFI）：各缸分别按照各自的喷气正时，发动机每循环喷一次。可以保证按照发动机各缸的进气行程同步地进行喷气，有利于燃气与空气的混合；同时，由于其控制的实时性强，使得空燃比的控制更为精确，有利于提高发动机的动力性并改善了排放性能。但是，顺序喷射会导致喷气阀驱动电路的增加及ECU软、硬件设计的复杂化，对微处理器的性能要求更高，使电子控制系统的成本增加，所以一般只在排量较大的高档车上使用，以较高的价

17、格换取较好的动力性。缸内直接喷射：MPI及SPI两种喷射方式均属于进气道喷射，属于缸外喷射。气缸内直接喷射则是将气体直接喷入气缸内。缸内气体喷射完全实现了燃料供给的质调节，对空气冲量几乎没有影响，为进一步完善发动机各项性能提供有利条件。缸内气体喷射具有缸外进气阀处喷射的所有优点，但结构复杂，对技术要求高。现在只有美国、日本、德国等少数国家在开发及应用该项技术，还没能广泛应用于汽车发动机上。3 小结要达到良好的节能减排效果，靠单一的技术一般很难实现，常常是多个技术的并用，如涡轮增压+高压共轨+后处理。下面是拟的船舶柴油机总的发展途径：船用低速柴油机方面攻克关键零部件制造技术和工艺进一步提高国产化

18、率降低制造成本，提高国产化部件质量，提升产品竞争力。加强对低速柴油机专有技术，如经济性、排放、故障诊断、电液控制系统、智能化控制系统等先进技术进行消化吸收和研究，形成自主研制的能力。通过消化和分析已引进的国外最新一代许可证产品，梳理其设计思想、设计方法和实现途径以及需要突破的关键技术，开展小缸径船用低速柴油机关键设计技术论证和设计开发研究。船用中速柴油机方面，拟在现有自主品牌中速柴油机开发研制的基础上，深入开展自主知识产权船用中速柴油机系列化产品的开发研制，全面掌握中速柴油机系列的设计方法，同时加强部分核心部件(高压共轨、增压器、电控单元、轴瓦等)的自主研制，提高关键配套件的国产化率。船用高速柴油机方面，借鉴和应用自主品牌中速柴油机开发研制的思路、方法和手段，开展自主知识产权船用高速柴油机开发研制，掌握船用高速柴油机总体设计和关键零部件设计技术。重点开展船用发