輪機(jī)新技術(shù)演示文稿1

1、第九章 船用智能型柴油機(jī),一、智能柴油機(jī)概述 20世紀(jì)80年代末，智能控制在工業(yè)領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展，船舶智能柴油機(jī)的概念也應(yīng)運(yùn)而生。90年代，隨著人們對船舶可靠性、經(jīng)濟(jì)性和廢氣排放控制的日益關(guān)注，船舶智能柴油機(jī)進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性研究與開發(fā)階段。隨著科學(xué)電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是微型電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)用，傳統(tǒng)柴油機(jī)的控制方式逐步被電子控制方式代替，如電子注油器取代機(jī)械式注油器，電子調(diào)速器取代機(jī)械式、液壓式調(diào)速器，燃油電子噴射取代傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)式噴射等。尤其體現(xiàn)在燃油噴射方面，在經(jīng)過了位置控制方式、時(shí)間控制方式、蓄壓共軌時(shí)間控制方式三個(gè)階段的發(fā)展后演變?yōu)槟壳暗碾娮涌刂撇裼蜋C(jī),電子控制柴油機(jī)的原理和特點(diǎn) 柴油機(jī)取消

2、了傳統(tǒng)柴油機(jī)的凸輪軸以及相關(guān)的機(jī)械控制零部件，將燃油噴射、氣閥啟閉以及柴油機(jī)的起動(dòng)、換向、停車和氣缸潤滑等功能全部由電子控制實(shí)現(xiàn)。它可以通過對相關(guān)參數(shù)的設(shè)定和修改，調(diào)整主機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和工作參數(shù)，達(dá)到使柴油機(jī)保持在最佳狀況下工作的目的。此外，還可對柴油機(jī)的運(yùn)行情況及零部件的狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并與船上的控制系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)連接，對柴油機(jī)進(jìn)行全方位的控制。目前智能柴油機(jī)已在新裝機(jī)船舶中得到廣泛運(yùn)用，并逐步成為船舶柴油機(jī)的主流機(jī)型,電子控制柴油機(jī)原理： 通過電子控制技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的核心功能由電控單元來實(shí)現(xiàn)。傳感器為電控單元(ECU)提供發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)前工況信息，電控單元對傳感器的信號進(jìn)行分析以后，根據(jù)

3、預(yù)定的控制策略對執(zhí)行器發(fā)出控制信號，控制噴油量、噴油始點(diǎn)、增壓壓力、排氣閥正時(shí)等，對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，使燃燒更精確,智能柴油機(jī)的特點(diǎn),船用智能柴油機(jī)是在2000年后才正式裝船使用的，與傳統(tǒng)機(jī)械控制式柴油機(jī)相比，其主要特點(diǎn)為有很強(qiáng)的運(yùn)轉(zhuǎn)適應(yīng)性、足夠的可靠性、具有各種不同的操作模式、完善的狀態(tài)監(jiān)測和控制系統(tǒng)。 1很強(qiáng)的運(yùn)轉(zhuǎn)適應(yīng)性主要表現(xiàn)在燃油噴射系統(tǒng)上，其主要包括 1）能夠自由地選擇噴射壓力。根據(jù)不同工況可確定所需的最佳噴射壓力，從而優(yōu)化柴油機(jī)綜合性能，降低了柴油機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)的油耗。(實(shí)際運(yùn)行中綜合油耗并沒降低.)意味燃油壓力在工作中可變！針閥的開啟有伺服油驅(qū)動(dòng).最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的1

4、/10. 2）精確地控制燃油噴油量。柴油機(jī)由電磁閥控制噴油，其控制精度高，高壓油管壓力穩(wěn)定，在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，循環(huán)噴油量變動(dòng)小，各缸供油均勻，柴油機(jī)工作穩(wěn)定,3）可獨(dú)立地控制噴油正時(shí)和噴油速率變化，實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射和多次噴射，達(dá)到理想的噴油規(guī)律，配合高的燃油噴射壓力，既可降低柴油機(jī)的dp/d，又能保證良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還能將柴油機(jī)的NOx和微粒（PM）排放控制在較小的數(shù)值范圍內(nèi)，以滿足排放要求。能否對含硫量進(jìn)行控制？ 4）燃料適應(yīng)性好。對于不同的燃油，特別是劣質(zhì)燃料油，可根據(jù)燃燒需要改變噴油正時(shí)和氣閥定時(shí)，并且在任何負(fù)荷條件下工作均無可見排煙。這些對于凸輪驅(qū)動(dòng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。

5、此外，冷卻系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)和氣缸注油系統(tǒng)也具有很強(qiáng)的運(yùn)轉(zhuǎn)適應(yīng)性,2足夠的可靠性 這是指發(fā)動(dòng)機(jī)具有更長的壽命和維修周期，在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)使用過程中具有很低的故障率和良好的維修性能，并且在整個(gè)使用期間發(fā)動(dòng)機(jī)的性能維持不變。如瓦錫蘭公司的RT-flex柴油機(jī)的吊缸周期可延長到三年，MAN B 安裝在1990.1.1至1999.12.31間建造的船舶上的大型柴油機(jī)（輸出功率5000kW，且單缸排量90升）； NOx排放限值： 17.0g/kWh,當(dāng)n小于130r/min; 45.0n(-0.2)g/kWh, 130r/minn2000r/min; 9.8g/kWh, n2000r/min Tier II:

6、全球標(biāo)準(zhǔn)，適用于安裝在2011.1.1及以后建造的船 舶上的柴油機(jī)；該標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)于在Tier I 基礎(chǔ)上降低約為80%; 14.4.0g/kWh,當(dāng)n小于130r/min; 44.0n(-0.2)g/kWh, 130r/minn2000r/min; 7.7g/kWh, n2000r/min,柴油機(jī)NOx排放控制,Tier III：排放控制區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，適用于安裝在2016.1.1及以后建造的船舶上的柴油機(jī)；該標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)于在Tier I基礎(chǔ)上降低80%（原來20%）； 3.4.0g/kWh,當(dāng)n小于130r/min; 9.0n(-0.2)g/kWh, 130r/minn2000r/min; 2.0g/kW

7、h, n2000r/min 防止船舶造成大氣污染規(guī)則（MARPOL附則） 1.2000年1月1日，I正式實(shí)施；2. 2009年1月1日，II正式實(shí)施；3. 2016年1月1日，III正式實(shí)施,2.硫氧化物（Sulphur Oxides）（第14條） 燃油硫含量標(biāo)準(zhǔn) 全球標(biāo)準(zhǔn): 4.50%, 在2012.1.1前; 3.50%, 在2012.1.1后; 0.50%, 在2020.1.1或以后; 排放控制區(qū)標(biāo)準(zhǔn)（ECA） 1.50%, 在2010.7.1前; 1.00%, 在2010.7.1后; 0.10%, 在2015.1.1或以后; 歐盟規(guī)定： 2006年五月起：所有船舶必須使用含硫量1.5%

8、以下的燃油， 客船1.2%；停泊在港口的船舶應(yīng)低于0.2%。 2010年一月以后：應(yīng)使用含硫量低于0.1%；或使用排氣后處理 措施達(dá)到相應(yīng)的硫氧化物排放水平，還有不同的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，排 放量高的船舶將重罰,SOx釋放控制區(qū)域的要求： 提前計(jì)劃；燃油含硫量；換油；記錄,二、排放法規(guī)的實(shí)施對船舶柴油機(jī)動(dòng)力裝置的影響,1.對柴油機(jī)發(fā)展的影響 氮氧化物生成的主要因素是柴油機(jī)氣缸中的燃燒過程，與柴油 機(jī)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、運(yùn)行工況等等有關(guān)。 降低氮氧化物的方法：主要是機(jī)內(nèi)處理和機(jī)外凈化。 機(jī)內(nèi)處理方法的關(guān)鍵是有效控制燃燒過程，目前主要途徑是開 發(fā)低排放的直噴式燃燒室，能同時(shí)滿足排放標(biāo)準(zhǔn)和提高柴油機(jī) 的熱效率。此外，

9、推遲噴油、廢氣再循環(huán)（EGR)以及缸內(nèi)噴水 都會(huì)達(dá)到目前的排放標(biāo)準(zhǔn)。 但會(huì)降低熱效率、經(jīng)濟(jì)性差。 機(jī)后凈化不會(huì)影響柴油機(jī)熱效率，但會(huì)增加設(shè)備，造價(jià)高和船 員的負(fù)擔(dān),二、排放法規(guī)的實(shí)施對船舶柴油機(jī)動(dòng)力裝置的影響,2.對船用柴油機(jī)燃油的影響 降低硫氧化物的最有效的辦法是降低燃料含硫量。 脫硫會(huì)增加成本。此外，用水洗除去廢氣中硫氧化物，但要增 加設(shè)備，現(xiàn)在仍在研究之中,三、船舶柴油機(jī)有害排放的控制措施,1.氮氧化物排放的控制 從改善燃油品質(zhì)（機(jī)前處理）、燃燒過程的改進(jìn)（機(jī)內(nèi)處理） 和排氣后處理（機(jī)后處理）三方面控制。見圖2.4-5. 目前對船舶柴油機(jī)有害排放采取的主要措施： 1）燃燒過程的改進(jìn)： 研

10、究表明：碳粒在燃燒溫度大于1500K，過量空氣系數(shù)小于 0.6的過濃混合氣中形成，NOX在燃燒溫度大于2300K的富氧條 件下生成。 因此要尋找同時(shí)滿足限制NOX和碳粒的條件。 降低NOX排放：降低燃燒溫度和預(yù)混合燃燒階段的混合氣量降 到最小程度（可能形成富氧區(qū)）. 降低顆粒排放：在擴(kuò)散階段保持良好的油氣混合和高的溫度。 采用方法：高壓噴射、推遲噴射、引導(dǎo)噴射、廢氣在循環(huán)和改 進(jìn)噴油器結(jié)構(gòu)等等,三、船舶柴油機(jī)有害排放的控制措施,1.氮氧化物排放的控制 （1）高壓噴射 小噴孔直徑、大的燃燒室開口、短的噴油持續(xù)期。 充分的霧化，顯著減少顆粒的排放。 高噴射壓力和短的噴射持續(xù)期可推遲噴油定時(shí)，從而保

11、證燃油 消耗率和顆粒排放不變的情況下降低最高爆發(fā)壓力和NOX排放 量。 提高噴油壓力能有效改善柴油機(jī)性能。 （2）推遲噴射 推遲噴射能使最高溫度降低，NOX的生成量減少，但會(huì)導(dǎo)致后 燃嚴(yán)重、排氣溫度升高，柴油機(jī)熱效率下降。 應(yīng)在保證柴油機(jī)具有較高的熱效率情況下，降低燃燒最高溫 度，減少NOX的生成量,三、船舶柴油機(jī)有害排放的控制措施,1.氮氧化物排放的控制 （3）電控噴射和引導(dǎo)噴射 電控噴射系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)高壓噴射和引導(dǎo)噴射，根據(jù)工 況變化對噴油定時(shí)、噴油規(guī)律和循環(huán)供油量進(jìn)行最優(yōu)化控制， 獲得所要求的燃燒規(guī)律，保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能，同時(shí)抑制NOX和顆 粒生成。 （4）噴油器結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 柴油機(jī)平均

12、有效壓力的提高要求增加噴油器的流通面積，要求 在噴油器底部的壓力室容積增加，噴油結(jié)束時(shí)殘余存在在壓力 室的燃油會(huì)滴入燃燒室，形成排放污染。 目前，標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的噴油器壓力室容積都比較大，會(huì)造成排放污染。 解決這一問題是采用“小壓力室”的噴油器，減少壓力室的面積。 最新是采用滑動(dòng)型噴油器，可以大大減少有害物質(zhì)和碳煙形成、 燃燒室的沉積,三、船舶柴油機(jī)有害排放的控制措施,1.氮氧化物排放的控制 （5）廢氣再循環(huán)（EGR) 指的是使部分廢氣10-20%的廢氣再次進(jìn)入氣缸，使得它與進(jìn)氣摻混，導(dǎo)致 進(jìn)氣中二氧化碳濃度升高，氧濃度降低和進(jìn)氣的比熱和熱容量增大，可降低 最高燃燒溫度從而降低NOX的生成。廢氣量增

13、加，燃燒過程會(huì)變慢，顆粒排放 和耗油率增加。采用這種方法，NOX排放會(huì)降低30-40%，廢氣再循環(huán)會(huì)使顆粒 增加，從而污染渦輪和冷卻器，增加氣缸的磨損。 如使用高質(zhì)量的蒸餾油，顆粒影響較小。適應(yīng)中高速柴油機(jī)。 如使用重油的低速柴油機(jī)，太多的顆粒，會(huì)損害柴油機(jī)。 在廢氣再循環(huán)管路上安裝一個(gè)水洗器，去除廢氣中存在的顆粒和 硫氧化物，同時(shí)冷卻廢氣. 廢氣再循環(huán)34-36%，排氣的NOX排放降低到3.6-4.0g/kw.h 極限39%時(shí)，排氣的NOX排放降低到2.3g/kw.h 如與燃油乳化技術(shù)相結(jié)合，排氣的NOX排放降低到1.3g/kw.h，滿足Tier III 的要求,2）加水處理 通過采取措施使

14、一定量的水進(jìn)入氣缸，由于水的氣化潛熱很 高，吸收燃燒過程中的大量熱量，降低最高燃燒溫度，減少NOX 的排放. （1）燃油乳化 將燃油摻水形成乳化油進(jìn)入氣缸，乳化油的水被蒸發(fā)，降低 燃燒溫度峰值，能較大幅度減少NOX排放。 在一般情況下，增加一個(gè)百分點(diǎn)的水就減少一個(gè)百分點(diǎn)的NOX， 通常乳化油中有10%的水，可使NOX減少6-12%。 在標(biāo)準(zhǔn)工況下，滿負(fù)荷時(shí)加入20%的水，燃油消耗率幾乎不變 化，當(dāng)水含量再增加時(shí)，燃油消耗率會(huì)稍有增加。 燃油乳化可降低NOX排放30-50%。 缺點(diǎn)：引起零件的腐蝕,2)進(jìn)氣加濕 用高壓水霧的形式，在壓氣機(jī)后噴入空氣中。 為了防止水霧凝結(jié)，要加熱提高增壓空氣的溫度

15、，加熱是利用空氣冷卻 器完成的。 這種方法可降低50-60%NOX的排放，還能降低主機(jī)熱負(fù)荷，改善缸套 清潔條件。 結(jié)構(gòu)簡單，成本低和不增加油耗率。 噴水質(zhì)量要求高。 （3）直接噴水 采用雙噴嘴油頭，一個(gè)噴水一個(gè)噴油，水(0.4-0.7):油1,先噴水，在噴 水結(jié)束之后開始噴油，對燃油著火和燃燒過程不會(huì)造成影響，二個(gè)系統(tǒng) 相互獨(dú)立，噴水系統(tǒng)可以隨時(shí)切斷。 該方法可降低NOX50-60%。隨著噴水量增加，排放量隨之減少。最大 的油水比例為50%，超過50%時(shí)，NOX排放下降不明顯。而燃油消耗率 會(huì)明顯上升。能降低主機(jī)熱負(fù)荷，改善缸套清潔條件。 缺點(diǎn)：發(fā)生低溫腐蝕,4)蒸汽噴射法 蒸汽噴射法有二種

16、方法： 一是通過向壓縮后的空氣中噴入低壓蒸汽實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單、低壓蒸汽來源豐富，比較容易實(shí)現(xiàn)。 二是直接向氣缸內(nèi)噴入高壓蒸汽的方法。設(shè)備要求復(fù)雜，成本高，但是其具有降低缸內(nèi)熱應(yīng)力，減少燃油消耗率的優(yōu)點(diǎn)。 前景美好。 3）催化轉(zhuǎn)化法（SCR) 對排出廢氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，大幅度減少廢氣中的NOX排放的方法. 目前公認(rèn)的比較成熟的、能夠達(dá)到IMO第三階段標(biāo)準(zhǔn)的主要方法. SCR系統(tǒng)組成：陶瓷催化元件組成的反應(yīng)器，尿素系統(tǒng)包括儲(chǔ)存、 供給、定量和噴射部分以及控制系統(tǒng)。 工作原理,工作原理： 4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O 6NO2+8NH3=7N2+12H2O 廢氣中NOX在300-400的溫度

17、下，以氨或尿素為還原劑，在SCR 反應(yīng)器中將廢氣中的NOX還原為N2，達(dá)到減少NOX排放的目的. 理論上可以廢氣中的全部NOX，但為了防止氨的泄漏，通常控制 使得廢氣中的NOX減少90-95%。 缺點(diǎn)： 排煙溫度控制問題，高負(fù)荷比較適合。低負(fù)荷不能滿足300- 400的條件。溫度過高導(dǎo)致氨會(huì)被燒掉而不與NOX反應(yīng)；太低， 反應(yīng)速度慢，并且硫酸銨凝結(jié)會(huì)使催化劑破壞。 例如：四沖程和二沖程機(jī)的布置不同。四沖程安裝在廢氣渦輪增 壓器之后，即所謂的低壓SCR裝置。對柴油機(jī)工作無影響。 二沖程安裝在增壓器前，屬高壓SCR裝置。影響柴油機(jī)工作,在柴油機(jī)加速和起動(dòng)過程中，以及減速過程中必須將SCR旁 通，需

18、要解決廢氣系統(tǒng)的控制和調(diào)節(jié)問題，還有低負(fù)荷的溫 度過低問題。 SCR裝置的堵塞問題 是該裝置運(yùn)行中遇到的主要問題。 燃油中的硫分遇到氨和鈣形成硫酸銨和大量石膏狀的泥灰。 再加上釩，此現(xiàn)象會(huì)加劇，尿素的純度也是保證裝置運(yùn)行的 主要因素，不純，會(huì)產(chǎn)生聚合，導(dǎo)致催化元件的堵塞,2.SOX排放的控制 二種方法：控制燃油中硫含量和水洗。 1）低硫燃油對柴油機(jī)的影響和措施 2）水洗技術(shù) 是目前許多大公司的研究開發(fā)項(xiàng)目。 主要采用毗鄰方法去除廢氣中的SOX和顆粒排放?？梢匀コ?8%SO2和78%的顆粒。 目前使用的方法有二種：直接海水水洗法和淡水水洗法。 海水直接水洗法：海水直接通入水洗器中，水與硫反應(yīng)生成

19、硫酸，再與海水中的堿中和，回到大海?；卮蠛Ｇ?，必須去除顆粒和油類。 缺點(diǎn)：有較大的空間。 淡水水洗法 在淡水中加入適當(dāng)?shù)腘aOH，吸收廢氣中的SO2.采用閉式循環(huán)。 較小空間即可。 推薦：海上海水水洗法，沿岸和港口用淡水水洗法,3.CO2排放的控制 雖然船舶推進(jìn)裝置在熱機(jī)中CO2排放量是最低的，但總量大，要嚴(yán)格控制。有二種方法： 提高船舶動(dòng)力裝置的綜合效率和采用新能源或再生能源。 IMO正在考慮確定船舶動(dòng)力裝置的排放指標(biāo)： 能效設(shè)計(jì)指標(biāo)和能效運(yùn)行指標(biāo)，設(shè)立能效指標(biāo)是試圖降低船舶動(dòng)力裝置平均CO2的排放值，達(dá)到目前排放值的70%。 降低能效設(shè)計(jì)指標(biāo)的方法： 1）降低船速2）提高主機(jī)效率3）降低主