淺析船舶柴油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)解讀

1、淺析船舶柴油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)隨著世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，人們對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)約能源和控制污染物排放方面的要求日趨嚴(yán)格。雖然船舶柴油機(jī)主要在大洋作業(yè)，對(duì)地區(qū)生態(tài)環(huán)境影響較小，但是必然促使全球有害物總量上升；且全球石油資源日趨緊張，提高資源利用率是全球各國的共同責(zé)任，因此船機(jī)節(jié)能減排技術(shù)是當(dāng)今的一個(gè)重大課題，本文主要分機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩大類來闡述船用柴油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展路線。1 機(jī)內(nèi)節(jié)能減排措施機(jī)內(nèi)主要是通過改善燃燒來達(dá)到節(jié)能減排的目的，本文主要從油、氣及燃燒的角度，介紹渦輪增壓、高壓共軌、先進(jìn)燃燒三大技術(shù)，其他還有加水技術(shù)、充量調(diào)節(jié)、米勒循環(huán)、電控液壓氣閥傳動(dòng)機(jī)構(gòu)技術(shù)等。1.1

2、渦輪增壓技術(shù)1.1.1 基于余熱回收的渦輪增壓技術(shù)眾所周知，柴油機(jī)與渦輪增壓器作為流通特性不同的兩個(gè)熱力系統(tǒng)，它們的匹配是有矛盾的，低負(fù)荷時(shí)渦輪增壓器無法提供柴油機(jī)需要的增壓壓力；高負(fù)荷時(shí)，渦輪發(fā)出的功又會(huì)過多。所以可以將渦輪增壓器的連接軸與一高速發(fā)電機(jī)相連，該發(fā)電機(jī)同時(shí)具有電動(dòng)機(jī)的功能（如圖1），高負(fù)荷時(shí)，發(fā)電機(jī)將增壓器多余的軸功轉(zhuǎn)化為電能，起到排氣能量回收的作用；低負(fù)荷時(shí)，與壓氣機(jī)軸相連的發(fā)電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)模式，補(bǔ)償不足的渦輪功，提高增壓壓力，改善了柴油機(jī)的低負(fù)荷性能和啟動(dòng)工況性能。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。圖1 渦輪增壓器與發(fā)電機(jī)的連接圖2 工作原理示意圖1.1.2 兩級(jí)渦輪增壓技術(shù)兩級(jí)增

3、壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通常是在柴油機(jī)的排氣管上由一個(gè)較小的高壓級(jí)增壓器和一個(gè)較大的高壓級(jí)增壓器串聯(lián)連接組成，并且通過一些輔助措施，使增壓壓力在一定范圍內(nèi)可調(diào)。如圖3所示為兩級(jí)增壓系統(tǒng)示意圖，柴油機(jī)廢氣首先經(jīng)過帶廢氣旁通閥的高壓級(jí)渦輪膨脹做功，然后經(jīng)過低壓級(jí)渦輪膨脹做功；而新鮮進(jìn)氣則經(jīng)過低壓級(jí)壓氣機(jī)壓縮后進(jìn)入高壓級(jí)壓氣機(jī)，由于此時(shí)壓縮空氣的溫度與壓力都較高，因此在高壓級(jí)壓氣機(jī)與柴油機(jī)進(jìn)氣管之間增加中冷器來降低進(jìn)氣溫度，從而增加柴油機(jī)進(jìn)氣充量的密度與流量，經(jīng)過中冷器冷卻的進(jìn)氣最后進(jìn)入進(jìn)氣管。圖3 兩級(jí)增壓系統(tǒng)示意圖當(dāng)柴油機(jī)在低速工況運(yùn)行時(shí)，廢氣放氣閥關(guān)閉，廢氣經(jīng)由高壓級(jí)直接流向低壓級(jí)，兩個(gè)壓氣機(jī)同時(shí)做功，雖

4、然廢氣流量較小，廢氣能量不高，然而進(jìn)氣經(jīng)過高、低壓級(jí)壓氣機(jī)壓縮后，進(jìn)氣壓力相比單級(jí)仍然會(huì)有大幅的上升，進(jìn)氣流量也進(jìn)一步增加，從而提高了柴油機(jī)的低速扭矩并改善低速排放。當(dāng)柴油機(jī)在高速工況運(yùn)行時(shí)，高壓級(jí)增壓器的廢氣放氣閥開啟，一部分廢氣不經(jīng)過高壓級(jí)直接流向低壓級(jí)做功，以降低高壓級(jí)的廢氣流量與做功能力，使增壓壓力不至于超過設(shè)定的最高壓力極限。由于廢氣能量較大，低壓級(jí)增壓器也能保持較高的效率，提高高速工況的進(jìn)氣量，以滿足柴油機(jī)高、低工況的運(yùn)行要求。高壓級(jí)廢氣放氣閥也可根據(jù)實(shí)際需要選擇傳統(tǒng)氣動(dòng)閥或者可調(diào)節(jié)電控閥進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)。柴油機(jī)采用兩級(jí)增壓后，由于進(jìn)氣壓力上升，進(jìn)氣流量也大幅上升，可改善缸內(nèi)混合氣的質(zhì)

5、量，NOx并不顯著增加，而微粒的排放量卻會(huì)降低，特別是低速大負(fù)荷時(shí)的微粒排放明顯減小，改善柴油機(jī)的低速油耗。1.2 高壓共軌技術(shù)共軌系統(tǒng)的組成原理如圖4所示。在該系統(tǒng)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(jīng)高壓油管進(jìn)入噴油器。共軌管上安裝的共軌壓力傳感器、壓力調(diào)節(jié)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(jù)柴油機(jī)工況（轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、空氣溫度、冷卻液溫度等）和共軌壓力計(jì)算出最佳的噴油時(shí)間和噴油量，發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)并通過驅(qū)動(dòng)電路控制噴油器的電磁閥，獲得最佳的噴油效果，以達(dá)到優(yōu)化柴油機(jī)燃燒的目的。高壓共軌柴油機(jī)燃油

6、噴射電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)噴油過程中噴油壓力、噴油量、噴油定時(shí)和噴油規(guī)律分別單獨(dú)控制，從而大大增加了柴油機(jī)優(yōu)化的自由度，為柴油機(jī)進(jìn)一步提高性能、降低排放提供了更廣闊的空間。圖4 高壓共軌系統(tǒng)原理示意圖1.3 先進(jìn)燃燒技術(shù)1.3.1 均質(zhì)預(yù)混合燃燒（HCCI）HCCI它是指大量燃料和稀釋物(空氣和再循環(huán)廢氣等)在進(jìn)氣過程中預(yù)先混合成均質(zhì)混合氣，當(dāng)壓縮行程活塞運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)附近時(shí)，均質(zhì)混合氣自燃著火的一種燃燒過程。HCCI燃燒方式結(jié)合了柴油機(jī)壓燃和汽油機(jī)均質(zhì)混合氣點(diǎn)火燃燒的特點(diǎn)，基本特征是均質(zhì)、壓燃和低溫火焰燃燒。與傳統(tǒng)的點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，它取消了節(jié)氣門，泵氣損失小，混合氣多點(diǎn)同時(shí)著火，燃燒持續(xù)期短，

7、可以得到與壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)妮^高熱效率；與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，由于混合氣是均質(zhì)的，燃燒反應(yīng)幾乎是同步進(jìn)行，沒有火焰前鋒面，燃燒火焰溫度低(低于2000K)，且HCCI燃燒方式可以同時(shí)保持較高的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，不受燃油和氧化物分離面混合比的限制，也沒有點(diǎn)火式燃燒的局部高溫反應(yīng)區(qū)，因此可以同時(shí)降低NOX和PM；另外由于HCCI燃燒只與本身的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，它的著火和燃燒速率只受燃料氧化反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制，受缸內(nèi)流場(chǎng)影響較小，同時(shí)均質(zhì)預(yù)混的混合氣組織也比較簡單，因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)施HCCI燃燒模式還可以簡化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1.3.2 低溫燃燒技術(shù)柴油機(jī)低溫燃燒是一種新型的燃燒

8、方式，近年來在國內(nèi)外得到了廣泛研究，其降低排放的機(jī)理如圖5所示。低溫燃燒與HCCI燃燒不同，它對(duì)混合氣的均質(zhì)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(nèi)燃燒過程在-T圖上的路線避開NOx和碳煙的生成區(qū)，實(shí)現(xiàn)NOx和碳煙零排放所需的GER率一般高達(dá)70%以上。圖5 柴油機(jī)低溫燃燒原理圖2 機(jī)外節(jié)能減排措施機(jī)外措施本文主要介紹尾氣后處理，廢熱回收，采代用燃料等技術(shù)，其他還有燃油的預(yù)處理技術(shù)等。2.1 尾氣后處理技術(shù)2.1.1 SCR用還原劑對(duì)含NOx的氣體進(jìn)行催化還原處理，使之有選擇地和氣體中的NOx進(jìn)行反應(yīng)，而不和氧氣發(fā)生反應(yīng)，稱為選擇性催化還原(Selective

9、 Catalytic Reduction，SCR)?？梢耘c柴油機(jī)尾氣中的NOx發(fā)生催化還原反應(yīng)的還原劑有兩類：一類是液氨、氨水和尿素等含氨基(NH3)的物質(zhì)；另一類是烷烴、烯烴、醇類和柴油等含碳?xì)涞奈镔|(zhì)。本文主要介紹尿素SCR技術(shù)。圖6是尿素SCR后處理系統(tǒng)的基本組成。典型的尿素SCR系統(tǒng)包括催化劑、尿素噴射系統(tǒng)以及各種傳感器。尿素水溶液通過噴射系統(tǒng)，定量地噴入排氣管中，尿素分解生成NH3。在SCR催化劑表面，NOx被NH3還原生成N2。尿素SCR的工作過程從時(shí)空上可以分解為尿素噴霧分解過程和SCR催化反應(yīng)過程，這兩部分需要綜合考慮，才能達(dá)到良好地使用效果。圖6 尿素SCR系統(tǒng)示意2.1.2

10、低溫等離子體輔助催化還原技術(shù)將低溫等離子體(non -thermal plasma，簡稱NTP)技術(shù)與催化技術(shù)相結(jié)合(non-thermal plasma assisted catalyst簡稱NPAC)，不僅可以提高催化劑對(duì)轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)活性，而且可以降低低溫等離子體的能耗，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)污染物排放的有效控制，其機(jī)理闡述如下。NTP在放電過程中會(huì)激發(fā)產(chǎn)生大量的高能電子，這些高能電子可以打斷多種氣體的化學(xué)鍵,從而在等離子體氣相反應(yīng)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量的不飽和鍵,這些不飽和鍵在空氣中被氧化形成活性基體,其代表性的反應(yīng)如下：e+O2O*+O*O*+O2O3e+H2OOH*+H*H2O+OH*2OH當(dāng)柴油機(jī)廢

11、氣進(jìn)入NTP氣相反應(yīng)區(qū)時(shí)，PM中主要成分C在氧化性活性基體作用下生成CO和CO2，NO轉(zhuǎn)化為NO2，HC氧化生成為HC*，隨后在催化劑的作用下，NO2被還原為N2，HC被轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，主要反應(yīng)如下：C+O*COC+O3CO2+O*NO+ONO2NO+OHNO2+H2Oe+NO+O2+HCNO2+HC*NO2+HCN2+CO2 +H2O式中e為高能電子；O*為O基；OH*為OH基；HC*為HC的中間產(chǎn)物。2.2 廢熱回收技術(shù)對(duì)于船用大功率柴油機(jī)，有一種特殊的機(jī)外凈化有害排放的技術(shù)：廢熱回收(Waste Heat Recovery，WHR)技術(shù)。WHR技術(shù)將尾氣中的廢熱引入鍋爐或蒸汽渦輪，

12、與柴油機(jī)組成聯(lián)合循環(huán)，可以改善整個(gè)系統(tǒng)的熱效率，降低油耗。WHR技術(shù)基本上不改變柴油機(jī)的工作過程，但是由于提高了船舶動(dòng)力系統(tǒng)的整體熱效率，會(huì)使單位功率的NOx排放降低。WHR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖7所示。為使采用WHR技術(shù)的柴油機(jī)產(chǎn)生更多的廢氣能量，可以重新匹配渦輪增壓器，并采用進(jìn)氣管直接從環(huán)境大氣中供給發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的方式，而非從機(jī)艙進(jìn)氣。一般船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)上可接受的最高進(jìn)氣溫度為45，相應(yīng)于熱帶氣候下船舶輪機(jī)艙的溫度，如果直接從大氣中供給進(jìn)則進(jìn)氣溫度將不會(huì)不超過35。較低的進(jìn)氣溫度使得渦輪增壓器可以重新匹配以獲得更高的廢氣能量，而柴油機(jī)的熱負(fù)荷卻保持在較低的水平，即原來設(shè)計(jì)的進(jìn)氣溫度為45時(shí)的水平，

13、這樣就可以避免因提高廢氣能量而危及柴油機(jī)的可靠性。圖7 WHR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖把廢氣的能量引入鍋爐或蒸汽渦輪，產(chǎn)生電能，可回收約相當(dāng)于柴油機(jī)功率11%的電能，用于助力推進(jìn)或供應(yīng)船舶服務(wù)。廢氣能量的回收使整個(gè)系統(tǒng)的能源利用率顯著提高，各種有害氣體(CO2、NO、SO等)的比排放相應(yīng)地同比例降低。2.3 代用燃料為了解決能源危機(jī)和環(huán)境污染這兩個(gè)主要問題，在全世界范圍內(nèi)掀起了尋找內(nèi)燃機(jī)清潔燃料的熱潮，世界各國都投入了大量的資金和人力，開展了廣泛的研究和開發(fā)工作，積極開發(fā)新能源，尋找可替代石油產(chǎn)品的代用燃料。到目前主要的研究方向有天然氣、醇類燃料、氫燃料等，其中天然氣以其資源豐富、價(jià)格便宜、燃燒排放污染少

14、等突出優(yōu)點(diǎn)，倍受人們青睞，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的清潔代用燃料之一。下面按供氣方式的不同介紹一下天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的幾種技術(shù)：進(jìn)氣道混合器預(yù)混合供氣方式：發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)包含一個(gè)與化油器類似的部件混合器，燃?xì)馀c空氣靠缸內(nèi)負(fù)壓被吸入混合器混合后進(jìn)入汽缸燃燒。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格較低。但是由于不能精確的控制燃料供給，而且無法進(jìn)行閉環(huán)控制，難于精確地控制空燃比，因而難于達(dá)到較高的排放水平，不能充分發(fā)揮天然氣改善排放性能的潛力。電控單點(diǎn)噴射系統(tǒng)(SPI)：是在進(jìn)氣總管上裝一個(gè)中央噴射裝置，用一到兩只噴嘴集中噴射，氣體噴入進(jìn)氣管與空氣混合后由進(jìn)氣歧管分配到各個(gè)氣缸中進(jìn)行燃燒作功。系統(tǒng)可以由電腦控

15、制進(jìn)行燃料噴射，燃料供應(yīng)準(zhǔn)確、均衡、穩(wěn)定性好。但是燃料在吸入各個(gè)汽缸前要經(jīng)過各個(gè)進(jìn)氣歧管，造成燃料濃度的不均衡，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性能。該種噴氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低廉、維修調(diào)整方便，而且對(duì)原車的改裝較小，改裝成本較低，特別適合于小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)。電控多點(diǎn)噴射系統(tǒng)(MPI)：是在每個(gè)氣缸進(jìn)氣口處裝一只噴嘴，由ECU控制按照一定的模式分別對(duì)各個(gè)汽缸進(jìn)行專門噴射。該種噴射方式由于燃料在進(jìn)入汽缸前行程最短，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空燃比按周期和按缸進(jìn)行控制，具有良好的響應(yīng)性，所以燃料供應(yīng)準(zhǔn)確度、均衡性、穩(wěn)定性、排放性都優(yōu)于單點(diǎn)電噴，但比單點(diǎn)電噴結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。多點(diǎn)噴射系統(tǒng)的噴射模式有以下三種：同時(shí)噴射：由

16、ECU控制所有氣缸噴嘴同時(shí)噴射，噴射的頻率根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的不同，可以是一個(gè)工作循環(huán)噴一次，也可以是噴兩次或四次；分組同時(shí)噴射：將所有氣缸分成幾組，發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)只有一組噴射，各組輪流進(jìn)行噴射；順序噴射（SFI）：各缸分別按照各自的噴氣正時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)每循環(huán)噴一次。可以保證按照發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的進(jìn)氣行程同步地進(jìn)行噴氣，有利于燃?xì)馀c空氣的混合；同時(shí)，由于其控制的實(shí)時(shí)性強(qiáng)，使得空燃比的控制更為精確，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性并改善了排放性能。但是，順序噴射會(huì)導(dǎo)致噴氣閥驅(qū)動(dòng)電路的增加及ECU軟、硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜化，對(duì)微處理器的性能要求更高，使電子控制系統(tǒng)的成本增加，所以一般只在排量較大的高檔車上使用，以較高的價(jià)

17、格換取較好的動(dòng)力性。缸內(nèi)直接噴射：MPI及SPI兩種噴射方式均屬于進(jìn)氣道噴射，屬于缸外噴射。氣缸內(nèi)直接噴射則是將氣體直接噴入氣缸內(nèi)。缸內(nèi)氣體噴射完全實(shí)現(xiàn)了燃料供給的質(zhì)調(diào)節(jié)，對(duì)空氣沖量幾乎沒有影響，為進(jìn)一步完善發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能提供有利條件。缸內(nèi)氣體噴射具有缸外進(jìn)氣閥處噴射的所有優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)技術(shù)要求高?，F(xiàn)在只有美國、日本、德國等少數(shù)國家在開發(fā)及應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，還沒能廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上。3 小結(jié)要達(dá)到良好的節(jié)能減排效果，靠單一的技術(shù)一般很難實(shí)現(xiàn)，常常是多個(gè)技術(shù)的并用，如渦輪增壓+高壓共軌+后處理。下面是擬的船舶柴油機(jī)總的發(fā)展途徑：船用低速柴油機(jī)方面攻克關(guān)鍵零部件制造技術(shù)和工藝進(jìn)一步提高國產(chǎn)化

18、率降低制造成本，提高國產(chǎn)化部件質(zhì)量，提升產(chǎn)品競爭力。加強(qiáng)對(duì)低速柴油機(jī)專有技術(shù)，如經(jīng)濟(jì)性、排放、故障診斷、電液控制系統(tǒng)、智能化控制系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行消化吸收和研究，形成自主研制的能力。通過消化和分析已引進(jìn)的國外最新一代許可證產(chǎn)品，梳理其設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)途徑以及需要突破的關(guān)鍵技術(shù)，開展小缸徑船用低速柴油機(jī)關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)論證和設(shè)計(jì)開發(fā)研究。船用中速柴油機(jī)方面，擬在現(xiàn)有自主品牌中速柴油機(jī)開發(fā)研制的基礎(chǔ)上，深入開展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)船用中速柴油機(jī)系列化產(chǎn)品的開發(fā)研制，全面掌握中速柴油機(jī)系列的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)加強(qiáng)部分核心部件(高壓共軌、增壓器、電控單元、軸瓦等)的自主研制，提高關(guān)鍵配套件的國產(chǎn)化率。船用高速柴油機(jī)方面，借鑒和應(yīng)用自主品牌中速柴油機(jī)開發(fā)研制的思路、方法和手段，開展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)船用高速柴油機(jī)開發(fā)研制，掌握船用高速柴油機(jī)總體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)技術(shù)。重點(diǎn)開展船用發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌技術(shù)、高增壓技術(shù)、智能控制技術(shù)、高效燃燒技術(shù)、排放控制技術(shù)、氣體發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、能量綜合利用技術(shù)等研究及開發(fā)應(yīng)用，研究并掌握柴油機(jī)