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【重点】全球船机节能环保研发动向

2022-08-13 来源:湖南农业机械网

国际金融危机爆发以来,世界船用柴油机产业发展的外部环境发生了重大变化,使其正经历着一场深刻的变革。首先,世界造船市场由兴旺转为萧条,船用柴油机市场也随之陷入低迷,且柴油机产能出现严重过剩,导致市场竞争进一步加剧;其次,近年来国际海事组织对船用柴油机废气排放、环保性能不断提出越来越高的要求;再者,燃料价格的不断上涨也给船用柴油机厂商带来了新的压力,在世界航运市场疲软的大背景下,船东正在普遍寻求运营成本更低的船用柴油机,对柴油机的节能性能提出了更高的要求。

毋庸置疑,外部环境的变化已对船用柴油机产业发展提出了新的挑战,推动船用柴油机加速升级换代已刻不容缓,而实现这一目标离不开技术创新。最近两年,世界先进柴油机厂商纷纷加大技术研发力度,不断开发新产品和推出新机型,通过技术创新提高船用柴油机节能、环保方面的性能,为客户提供更为优质的产品和服务,以此获得更多的订单、赚取更多的利润,以便在激烈的竞争中占据优势地位,同时也在满足IMO新标准要求的前提下,为抢占未来市场的制高点做准备。

为提高船用柴油机的节能、环保性能,世界先进柴油机厂商都增加了研发投入,在改善柴油机燃料燃烧过程、使用新型替代燃料以及尾气处理系统开发等方面进行了大量的技术改造和创新,并取得了突破性进展。

在不降低船用柴油机功率的前提下,提高船用柴油机节能、环保性能最根本的方式是改善柴油机的燃料燃烧过程。世界先进船用柴油机厂商积极开展燃烧控制技术研究及应用,包括涡轮增压技术、共轨燃油喷射技术及米勒循环技术等,通过增加汽缸空气量、精确控制喷油时间和喷油速率来控制燃烧过程,提高燃料的燃烧效率,从而实现节约燃油和降低废气排放的目标。

1.改进涡轮增压技术,增加汽缸中的空气压缩量

在引入涡轮增压技术以前,柴油机汽缸中的空气靠自然吸气来完成,但自然吸气存在空气密度低、燃料燃烧不充分的严重缺陷。引入涡轮增压技术以后,涡轮增压器可以大幅提高柴油机的进气密度,使燃料燃烧更充分,大幅度地增加柴油机输出功率,同时可以减少有害气体的排放量。目前,国际上几乎所有的柴油机都使用涡轮增压技术,可以说,涡轮增压是柴油机发展的一个飞跃。

涡轮增压发动机依靠涡轮增压器来加大发动机的进气量。涡轮增压器利用发动机排出的废气作为动力来推动增压器中的涡轮,涡轮转动的同时带动增压器中的压气机叶轮,叶轮压缩通过空气滤清器管道送来的新鲜空气,再送入汽缸。当发动机转速加快时,高速的废气推动涡轮提速,空气压缩程度就加大,进气量大幅度增加,汽缸内燃料燃烧更充分,动力输出也就更高。

虽然涡轮增压技术在提高柴油机效率、降低有害气体排放上有很大的作用,但随着客户对柴油机经济性的要求越来越高和IMO等国际组织对船用柴油机的排放法规越来越严格,该技术现有水平已无法满足需求。因而,世界先进柴油机厂商近年来对涡轮增压技术进行了积极的改进和升级,以增强柴油机的性能。

(1)开发两级涡轮增压技术

以往的柴油机采用的是一级涡轮增压技术,其产生的压力相对较低,使压缩进汽缸的空气量有限,汽缸中的燃料不能充分燃烧。这不仅浪费了大量的燃料,也使柴油机的废气排放量偏高。瓦锡兰集团和MAN柴油机公司都成功开发出新型的涡轮增压技术,通过使用两级涡轮增压器来增大压力,增加汽缸中的空气量,解决一级涡轮增压器压力不足的问题。

两级涡轮增压系统是由两个大小不同的涡轮增压器串联组成。其工作原理是:利用发动机工作产生的废气的能量,驱动体积较小、增压度较高的涡轮增压器(第一级),然后再驱动体积较大的、增压度较低的涡轮增压器(第二级)。低压比涡轮增压器的压缩机将周围的空气压缩,然后经过一个直接相连的冷却器,将压缩后的空气传送到高压比涡轮增压器的压缩机中;在此之前被压缩过的空气再次被压缩,再经过一个空气冷却器,传送到发动机汽缸。经过两次压缩,可以大大增加进入汽缸的空气量,从而使发动机中的燃料燃烧更充分,大大提高发动机的输出功率和功率密度,并大幅减少有害气体的排放量。该技术能大幅提高柴油机的效率,输出功率和功率密度能够提升近10个百分点,同时降低燃油消耗和二氧化碳排放量。

(2)开发VTA(VariableTurbineArea)涡轮增压技术

涡轮增压柴油机的最大优点是它可实现小排量、高功率、大扭矩,尤其是其扭矩输出增加明显。但由于涡轮介入程度取决于转速高低,在柴油机低负荷和低速运行下,涡轮增压器不能以最大的效率工作,因而压缩至汽缸内的空气量有限,不能使燃料充分燃烧。这是传统涡轮增压技术的严重缺陷。MAN柴油机公司开发了VTA(VariableTurbineArea)涡轮增压技术,有效地解决了这一问题。VTA技术使得柴油机处在任何负荷和速度运行时,都能根据燃油的喷入量自动、持续、精确地匹配压缩空气的进入量,解决了传统涡轮增压器只能在事先设定的发动机负荷点实现最大效率的问题。这大大提高了燃料燃烧的效率,节约了燃油,大幅削减了碳氢化合物、二氧化碳、煤烟的排放量。据测算,其燃油节约量为4克/千瓦时。如果全世界所有船舶的发动机都使用VTA技术,那么每年将减少排放约790万吨二氧化碳。MAN柴油机公司已经成功地将VTA技术应用到大型涡轮增压器上,该涡轮增压器将安装在燃烧重质燃油的大型柴油机上。大连船用柴油机有限公司生产的6S50ME-B型柴油机和上海中船三井造船柴油机有限公司生产的SK80ME-C型柴油机,都将安装采用VTA技术的高效废气涡轮增压器。

2.使用共轨燃油喷射技术改进燃油喷射系统

燃油喷射系统的性能对柴油机的燃烧过程有着重要的影响,改进燃油喷射系统是提高柴油机效率、节约燃油和降低排放的有效办法。目前船舶大型低速柴油机使用的燃油喷射系统是传统的机械式喷射系统,该系统由于结构上的限制,不能同时满足柴油机发展的经济性和排放的要求。此外,目前机械式燃油喷射系统的可变正时机构,只限于少数类型船舶大型低速柴油机使用,而且由于结构复杂,在使用过程中其准确性和可靠性都不太理想.所以机械式燃油喷射系统很难满足柴油机经济性、可靠性的发展要求。

理想的燃油喷射系统应具有如下性能:高喷油压力(100兆帕以上),且大小可根据工况需求灵活调整;精确而灵活地控制喷油定时和喷油量;喷油率的优化控制;与整机匹配灵活。具备以上柔性控制功能是燃油喷射系统发展的必然趋势。高压共轨燃油喷射系统正是顺应以上需求而诞生的,且已得到了很大发展。高压共轨燃油喷射系统能够精确、柔性地控制柴油机喷油量、喷油定时和喷射压力,且性能优越,在满足柴油机经济性、动力性和日益苛刻的排放法规的要求上有着广阔的前景。

康明斯公司开发出型号为QSK60、V字形、16缸的环保发动机,该发动机所使用的MCRS(ModulaCommonRailFuelSystem,模块化共轨燃油系统),能够按容积精确地控制喷油量。MCRS使发动机在任何负荷或速度下都能保持持续的高压喷射,高喷油压力可以保证燃油雾化良好,提高了燃油的燃烧效率,大幅降低了废气的排放量,使其满足TierII的排放标准。

3.使用米勒循环技术改善燃烧过程

米勒循环技术是提高柴油机效率的重要技术,但是该技术自身存在缺陷,在低负荷运行时排烟量较大。Mak公司将Miller循环技术和高增压技术相结合,开发出LEE(LowEmissionEngine,低排放发动机)技术,该技术已经在M32CMak发动机系列使用。使用LEE技术的发动机,在不降低发动机效率的前提下,能将氮氧化物的排放水平降低30%,超过了TierII的排放要求。为了减少发动机在低工况条件下可见煤烟的排放量,LEE技术还使用了FCT(FlexibleCamshaftTechnology,柔性凸轮轴技术)技术。FCT技术能够保证发动机在低工况运行时燃料系统和空气系统的适时变化,通过提前喷油启动和增加喷射压力来改善燃烧过程,同时也将煤烟排放量降低了50%。改变气阀正时功能关闭米勒循环,可将煤烟排放再减少25%。因此,MaK公司的FCT技术可将柴油机低工况运行时的煤烟排放量减少75%,同时在过渡工况中提高发动机性能。

罗尔斯-罗伊斯公司也将米勒循环技术与提高压缩比率技术相结合,避免了米勒循环技术自身存在的缺陷,成功开发出清洁发动机(CleanDesignengine)。该发动机能够满足国际清洁设计标准,能将氮氧化物的排放量降低20%。此外,使用该技术能够在不增加燃料消耗的情况下提高发动机的效率,使发动机的功率提高到330千瓦/缸,使该公司最大型的发动机——9缸发动机的最大功率可达到2970千瓦。

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