全球船機(jī)節(jié)能環(huán)保研發(fā)動(dòng)向

　　國(guó)際金融危機(jī)爆發(fā)以來(lái)，世界船用柴油機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的外部環(huán)境發(fā)生了重大變化，使其正經(jīng)歷著一場(chǎng)深刻的變革。首先，世界造船市場(chǎng)由興旺轉(zhuǎn)為蕭條，船用柴油機(jī)市場(chǎng)也隨之陷入低迷，且柴油機(jī)產(chǎn)能出現(xiàn)嚴(yán)重過(guò)剩，導(dǎo)致市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)一步加劇；其次，近年來(lái)國(guó)際海事組織對(duì)船用柴油機(jī)廢氣排放、環(huán)保性能不斷提出越來(lái)越高的要求；再者，燃料價(jià)格的不斷上漲也給船用柴油機(jī)廠(chǎng)商帶來(lái)了新的壓力，在世界航運(yùn)市場(chǎng)疲軟的大背景下，船東正在普遍尋求運(yùn)營(yíng)成本更低的船用柴油機(jī)，對(duì)柴油機(jī)的節(jié)能性能提出了更高的要求。

　　毋庸置疑，外部環(huán)境的變化已對(duì)船用柴油機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)，推動(dòng)船用柴油機(jī)加速升級(jí)換代已刻不容緩，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)離不開(kāi)技術(shù)創(chuàng)新。最近兩年，世界先進(jìn)柴油機(jī)廠(chǎng)商紛紛加大技術(shù)研發(fā)力度，不斷開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品和推出新機(jī)型，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新提高船用柴油機(jī)節(jié)能、環(huán)保方面的性能，為客戶(hù)提供更為優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和服務(wù)，以此獲得更多的訂單、賺取更多的利潤(rùn)，以便在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，同時(shí)也在滿(mǎn)足IMO新標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，為搶占未來(lái)市場(chǎng)的制高點(diǎn)做準(zhǔn)備。

　　為提高船用柴油機(jī)的節(jié)能、環(huán)保性能，世界先進(jìn)柴油機(jī)廠(chǎng)商都增加了研發(fā)投入，在改善柴油機(jī)燃料燃燒過(guò)程、使用新型替代燃料以及尾氣處理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等方面進(jìn)行了大量的技術(shù)改造和創(chuàng)新，并取得了突破性進(jìn)展。

　　在不降低船用柴油機(jī)功率的前提下，提高船用柴油機(jī)節(jié)能、環(huán)保性能最根本的方式是改善柴油機(jī)的燃料燃燒過(guò)程。世界先進(jìn)船用柴油機(jī)廠(chǎng)商積極開(kāi)展燃燒控制技術(shù)研究及應(yīng)用，包括渦輪增壓技術(shù)、共軌燃油噴射技術(shù)及米勒循環(huán)技術(shù)等，通過(guò)增加汽缸空氣量、精確控制噴油時(shí)間和噴油速率來(lái)控制燃燒過(guò)程，提高燃料的燃燒效率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約燃油和降低廢氣排放的目標(biāo)。

　　1.改進(jìn)渦輪增壓技術(shù)，增加汽缸中的空氣壓縮量

　　在引入渦輪增壓技術(shù)以前，柴油機(jī)汽缸中的空氣靠自然吸氣來(lái)完成，但自然吸氣存在空氣密度低、燃料燃燒不充分的嚴(yán)重缺陷。引入渦輪增壓技術(shù)以后，渦輪增壓器可以大幅提高柴油機(jī)的進(jìn)氣密度，使燃料燃燒更充分，大幅度地增加柴油機(jī)輸出功率，同時(shí)可以減少有害氣體的排放量。目前，國(guó)際上幾乎所有的柴油機(jī)都使用渦輪增壓技術(shù)，可以說(shuō)，渦輪增壓是柴油機(jī)發(fā)展的一個(gè)飛躍。

　　渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)依靠渦輪增壓器來(lái)加大發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量。渦輪增壓器利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣作為動(dòng)力來(lái)推動(dòng)增壓器中的渦輪，渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)增壓器中的壓氣機(jī)葉輪，葉輪壓縮通過(guò)空氣濾清器管道送來(lái)的新鮮空氣，再送入汽缸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速加快時(shí)，高速的廢氣推動(dòng)渦輪提速，空氣壓縮程度就加大，進(jìn)氣量大幅度增加，汽缸內(nèi)燃料燃燒更充分，動(dòng)力輸出也就更高。

　　雖然渦輪增壓技術(shù)在提高柴油機(jī)效率、降低有害氣體排放上有很大的作用，但隨著客戶(hù)對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的要求越來(lái)越高和IMO等國(guó)際組織對(duì)船用柴油機(jī)的排放法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，該技術(shù)現(xiàn)有水平已無(wú)法滿(mǎn)足需求。因而，世界先進(jìn)柴油機(jī)廠(chǎng)商近年來(lái)對(duì)渦輪增壓技術(shù)進(jìn)行了積極的改進(jìn)和升級(jí)，以增強(qiáng)柴油機(jī)的性能。

　　1開(kāi)發(fā)兩級(jí)渦輪增壓技術(shù)

　　以往的柴油機(jī)采用的是一級(jí)渦輪增壓技術(shù)，其產(chǎn)生的壓力相對(duì)較低，使壓縮進(jìn)汽缸的空氣量有限，汽缸中的燃料不能充分燃燒。這不僅浪費(fèi)了大量的燃料，也使柴油機(jī)的廢氣排放量偏高。瓦錫蘭集團(tuán)和MAN柴油機(jī)公司都成功開(kāi)發(fā)出新型的渦輪增壓技術(shù)，通過(guò)使用兩級(jí)渦輪增壓器來(lái)增大壓力，增加汽缸中的空氣量，解決一級(jí)渦輪增壓器壓力不足的問(wèn)題。

　　兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)是由兩個(gè)大小不同的渦輪增壓器串聯(lián)組成。其工作原理是：利用發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生的廢氣的能量，驅(qū)動(dòng)體積較小、增壓度較高的渦輪增壓器第一級(jí)，然后再驅(qū)動(dòng)體積較大的、增壓度較低的渦輪增壓器第二級(jí)。低壓比渦輪增壓器的壓縮機(jī)將周?chē)目諝鈮嚎s，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)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(jī)中；在此之前被壓縮過(guò)的空氣再次被壓縮，再經(jīng)過(guò)一個(gè)空氣冷卻器，傳送到發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸。經(jīng)過(guò)兩次壓縮，可以大大增加進(jìn)入汽缸的空氣量，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料燃燒更充分，大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)能大幅提高柴油機(jī)的效率，輸出功率和功率密度能夠提升近10個(gè)百分點(diǎn)，同時(shí)降低燃油消耗和二氧化碳排放量。

　　2開(kāi)發(fā)VTAVariable Turbine Area渦輪增壓技術(shù)

　　渦輪增壓柴油機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是它可實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)速高低，在柴油機(jī)低負(fù)荷和低速運(yùn)行下，渦輪增壓器不能以最大的效率工作，因而壓縮至汽缸內(nèi)的空氣量有限，不能使燃料充分燃燒。這是傳統(tǒng)渦輪增壓技術(shù)的嚴(yán)重缺陷。MAN柴油機(jī)公司開(kāi)發(fā)了VTAVariable Turbine Area渦輪增壓技術(shù)，有效地解決了這一問(wèn)題。VTA技術(shù)使得柴油機(jī)處在任何負(fù)荷和速度運(yùn)行時(shí)，都能根據(jù)燃油的噴入量自動(dòng)、持續(xù)、精確地匹配壓縮空氣的進(jìn)入量，解決了傳統(tǒng)渦輪增壓器只能在事先設(shè)定的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷點(diǎn)實(shí)現(xiàn)最大效率的問(wèn)題。這大大提高了燃料燃燒的效率，節(jié)約了燃油，大幅削減了碳?xì)浠衔?、二氧化碳、煤煙的排放量。?jù)測(cè)算，其燃油節(jié)約量為4克/千瓦時(shí)。如果全世界所有船舶的發(fā)動(dòng)機(jī)都使用VTA技術(shù)，那么每年將減少排放約790萬(wàn)噸二氧化碳。MAN柴油機(jī)公司已經(jīng)成功地將VTA技術(shù)應(yīng)用到大型渦輪增壓器上，該渦輪增壓器將安裝在燃燒重質(zhì)燃油的大型柴油機(jī)上。大連船用柴油機(jī)有限公司生產(chǎn)的6S50ME-B型柴油機(jī)和上海中船三井造船柴油機(jī)有限公司生產(chǎn)的SK80ME-C型柴油機(jī)，都將安裝采用VTA技術(shù)的高效廢氣渦輪增壓器。

　　2.使用共軌燃油噴射技術(shù)改進(jìn)燃油噴射系統(tǒng)

　　燃油噴射系統(tǒng)的性能對(duì)柴油機(jī)的燃燒過(guò)程有著重要的影響，改進(jìn)燃油噴射系統(tǒng)是提高柴油機(jī)效率、節(jié)約燃油和降低排放的有效辦法。目前船舶大型低速柴油機(jī)使用的燃油噴射系統(tǒng)是傳統(tǒng)的機(jī)械式噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)上的限制，不能同時(shí)滿(mǎn)足柴油機(jī)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)性和排放的要求。此外，目前機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)的可變正時(shí)機(jī)構(gòu)，只限于少數(shù)類(lèi)型船舶大型低速柴油機(jī)使用，而且由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在使用過(guò)程中其準(zhǔn)確性和可靠性都不太理想.所以機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)很難滿(mǎn)足柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、可靠性的發(fā)展要求。

　　理想的燃油噴射系統(tǒng)應(yīng)具有如下性能：高噴油壓力100兆帕以上，且大小可根據(jù)工況需求靈活調(diào)整；精確而靈活地控制噴油定時(shí)和噴油量；噴油率的優(yōu)化控制；與整機(jī)匹配靈活。具備以上柔性控制功能是燃油噴射系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)正是順應(yīng)以上需求而誕生的，且已得到了很大發(fā)展。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)能夠精確、柔性地控制柴油機(jī)噴油量、噴油定時(shí)和噴射壓力，且性能優(yōu)越，在滿(mǎn)足柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和日益苛刻的排放法規(guī)的要求上有著廣闊的前景。

　　康明斯公司開(kāi)發(fā)出型號(hào)為QSK60、V字形、16缸的環(huán)保發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的MCRSModula Common Rail Fuel System，模塊化共軌燃油系統(tǒng)，能夠按容積精確地控制噴油量。MCRS使發(fā)動(dòng)機(jī)在任何負(fù)荷或速度下都能保持持續(xù)的高壓噴射，高噴油壓力可以保證燃油霧化良好，提高了燃油的燃燒效率，大幅降低了廢氣的排放量，使其滿(mǎn)足Tier II的排放標(biāo)準(zhǔn)。

　　3.使用米勒循環(huán)技術(shù)改善燃燒過(guò)程

　　米勒循環(huán)技術(shù)是提高柴油機(jī)效率的重要技術(shù)，但是該技術(shù)自身存在缺陷，在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)排煙量較大。Mak公司將Miller循環(huán)技術(shù)和高增壓技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出LEELow Emission Engine，低排放發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)在M32C Mak發(fā)動(dòng)機(jī)系列使用。使用LEE技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)，在不降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率的前提下，能將氮氧化物的排放水平降低30%，超過(guò)了Tier II的排放要求。為了減少發(fā)動(dòng)機(jī)在低工況條件下可見(jiàn)煤煙的排放量，LEE技術(shù)還使用了FCTFlexible Camshaft Technology，柔性凸輪軸技術(shù)技術(shù)。FCT技術(shù)能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)在低工況運(yùn)行時(shí)燃料系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)的適時(shí)變化，通過(guò)提前噴油啟動(dòng)和增加噴射壓力來(lái)改善燃燒過(guò)程，同時(shí)也將煤煙排放量降低了50%。改變氣閥正時(shí)功能關(guān)閉米勒循環(huán)，可將煤煙排放再減少25%。因此，MaK公司的FCT技術(shù)可將柴油機(jī)低工況運(yùn)行時(shí)的煤煙排放量減少75%，同時(shí)在過(guò)渡工況中提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

　　羅爾斯-羅伊斯公司也將米勒循環(huán)技術(shù)與提高壓縮比率技術(shù)相結(jié)合，避免了米勒循環(huán)技術(shù)自身存在的缺陷，成功開(kāi)發(fā)出清潔發(fā)動(dòng)機(jī)Clean Design engine。該發(fā)動(dòng)機(jī)能夠滿(mǎn)足國(guó)際清潔設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，能將氮氧化物的排放量降低20%。此外，使用該技術(shù)能夠在不增加燃料消耗的情況下提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率提高到330千瓦／缸，使該公司最大型的發(fā)動(dòng)機(jī)——9缸發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率可達(dá)到2970千瓦。

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