淺析船舶柴油機節(jié)能減排技術(shù)

1、淺析船舶柴油機節(jié)能減排技術(shù)隨著世界范圍內(nèi)的能源危機和環(huán)境污染問題的日益嚴重，人們對于發(fā)動機在節(jié)約能源和控制污染物排放方面的要求日趨嚴格。雖然船舶柴油機主要在大洋作業(yè)，對地區(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，因此船機節(jié)能減排技術(shù)是當今的一個重大課題，本文主要分機內(nèi)和機外兩大類來闡述船用柴油機節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展路線。1 機內(nèi)節(jié)能減排措施機內(nèi)主要是通過改善燃燒來達到節(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)、電控液壓氣閥傳動機構(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，柴油機與渦輪增壓器作為流通特性不同的兩個熱力系統(tǒng)，它們的匹配是有矛盾的，低負荷時渦輪增壓器無法提供柴油機需要的增壓壓力；高負荷時，渦輪發(fā)出的功又會過多。所以可以將渦輪增壓器的連接軸與一高速發(fā)電機相連，該發(fā)電機同時具有電動機的功能（如圖1），高負荷時，發(fā)電機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；低負荷時，與壓氣機軸相連的發(fā)電機工作在電動機模式，補償不足的渦輪功，提高增壓壓力，改善了柴油機的低負荷性能和啟動工況性能。進而實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。圖1 渦輪增壓器與發(fā)電機的連接圖2 工作原理示意圖1.1.2 兩級渦輪增壓技術(shù)兩級增

3、壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通常是在柴油機的排氣管上由一個較小的高壓級增壓器和一個較大的高壓級增壓器串聯(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所示為兩級增壓系統(tǒng)示意圖，柴油機廢氣首先經(jīng)過帶廢氣旁通閥的高壓級渦輪膨脹做功，然后經(jīng)過低壓級渦輪膨脹做功；而新鮮進氣則經(jīng)過低壓級壓氣機壓縮后進入高壓級壓氣機，由于此時壓縮空氣的溫度與壓力都較高，因此在高壓級壓氣機與柴油機進氣管之間增加中冷器來降低進氣溫度，從而增加柴油機進氣充量的密度與流量，經(jīng)過中冷器冷卻的進氣最后進入進氣管。圖3 兩級增壓系統(tǒng)示意圖當柴油機在低速工況運行時，廢氣放氣閥關(guān)閉，廢氣經(jīng)由高壓級直接流向低壓級，兩個壓氣機同時做功，雖

4、然廢氣流量較小，廢氣能量不高，然而進氣經(jīng)過高、低壓級壓氣機壓縮后，進氣壓力相比單級仍然會有大幅的上升，進氣流量也進一步增加，從而提高了柴油機的低速扭矩并改善低速排放。當柴油機在高速工況運行時，高壓級增壓器的廢氣放氣閥開啟，一部分廢氣不經(jīng)過高壓級直接流向低壓級做功，以降低高壓級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，低壓級增壓器也能保持較高的效率，提高高速工況的進氣量，以滿足柴油機高、低工況的運行要求。高壓級廢氣放氣閥也可根據(jù)實際需要選擇傳統(tǒng)氣動閥或者可調(diào)節(jié)電控閥進行無級調(diào)節(jié)。柴油機采用兩級增壓后，由于進氣壓力上升，進氣流量也大幅上升，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降低，特別是低速大負荷時的微粒排放明顯減小，改善柴油機的低速油耗。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)柴油機工況（轉(zhuǎn)速、負荷、空氣溫度、冷卻液溫度等）和共軌壓力計算出最佳的噴油時間和噴油量，發(fā)出驅(qū)動信號并通過驅(qū)動電路控制噴油器的電磁閥，獲得最佳的噴油效果，以達到優(yōu)化柴油機燃燒的目的。高壓共軌柴油機燃油

6、噴射電控系統(tǒng)實現(xiàn)了柴油機噴油過程中噴油壓力、噴油量、噴油定時和噴油規(guī)律分別單獨控制，從而大大增加了柴油機優(yōu)化的自由度，為柴油機進一步提高性能、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)在進氣過程中預(yù)先混合成均質(zhì)混合氣，當壓縮行程活塞運動到上止點附近時，均質(zhì)混合氣自燃著火的一種燃燒過程。HCCI燃燒方式結(jié)合了柴油機壓燃和汽油機均質(zhì)混合氣點火燃燒的特點，基本特征是均質(zhì)、壓燃和低溫火焰燃燒。與傳統(tǒng)的點燃式發(fā)動機相比，它取消了節(jié)氣門，泵氣損失小，混合氣多點同時著火，燃燒持續(xù)期短，

7、可以得到與壓燃式發(fā)動機相當?shù)妮^高熱效率；與傳統(tǒng)柴油機相比，由于混合氣是均質(zhì)的，燃燒反應(yīng)幾乎是同步進行，沒有火焰前鋒面，燃燒火焰溫度低(低于2000K)，且HCCI燃燒方式可以同時保持較高的動力性和燃油經(jīng)濟性，不受燃油和氧化物分離面混合比的限制，也沒有點火式燃燒的局部高溫反應(yīng)區(qū)，因此可以同時降低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)動力學(xué)控制，受缸內(nèi)流場影響較小，同時均質(zhì)預(yù)混的混合氣組織也比較簡單，因此，在發(fā)動機上實施HCCI燃燒模式還可以簡化發(fā)動機燃燒系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)的設(shè)計。1.3.2 低溫燃燒技術(shù)柴油機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，其降低排放的機理如圖5所示。低溫燃燒與HCCI燃燒不同，它對混合氣的均質(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)，實現(xiàn)NOx和碳煙零排放所需的GER率一般高達70%以上。圖5 柴油機低溫燃燒原理圖2 機外節(jié)能減排措施機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用還原劑對含NOx的氣體進行催化還原處理，使之有選擇地和氣體中的NOx進行反應(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、醇類和柴油等含碳氫的物質(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，實現(xiàn)對柴油機污染物排放的有效控制，其機理闡述如下。NTP在放電過程中會激發(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當柴油機廢

11、氣進入NTP氣相反應(yīng)區(qū)時，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)對于船用大功率柴油機，有一種特殊的機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、與柴油機組成聯(lián)合循環(huán)，可以改善整個系統(tǒng)的熱效率，降低油耗。WHR技術(shù)基本上不改變柴油機的工作過程，但是由于提高了船舶動力系統(tǒng)的整體熱效率，會使單位功率的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，并采用進氣管直接從環(huán)境大氣中供給發(fā)動機進氣的方式，而非從機艙進氣。一般船用柴油機設(shè)計上可接受的最高進氣溫度為45，相應(yīng)于熱帶氣候下船舶輪機艙的溫度，如果直接從大氣中供給進則進氣溫度將不會不超過35。較低的進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，而柴油機的熱負荷卻保持在較低的水平，即原來設(shè)計的進氣溫度為45時的水平，

13、這樣就可以避免因提高廢氣能量而危及柴油機的可靠性。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，可回收約相當于柴油機功率11%的電能，用于助力推進或供應(yīng)船舶服務(wù)。廢氣能量的回收使整個系統(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和環(huán)境污染這兩個主要問題，在全世界范圍內(nèi)掀起了尋找內(nèi)燃機清潔燃料的熱潮，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、價格便宜、燃燒排放污染少

14、等突出優(yōu)點，倍受人們青睞，被認為是21世紀最有發(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)動機的幾種技術(shù)：進氣道混合器預(yù)混合供氣方式：發(fā)動機供氣系統(tǒng)包含一個與化油器類似的部件混合器，燃氣與空氣靠缸內(nèi)負壓被吸入混合器混合后進入汽缸燃燒。這種方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，價格較低。但是由于不能精確的控制燃料供給，而且無法進行閉環(huán)控制，難于精確地控制空燃比，因而難于達到較高的排放水平，不能充分發(fā)揮天然氣改善排放性能的潛力。電控單點噴射系統(tǒng)(SPI)：是在進氣總管上裝一個中央噴射裝置，用一到兩只噴嘴集中噴射，氣體噴入進氣管與空氣混合后由進氣歧管分配到各個氣缸中進行燃燒作功。系統(tǒng)可以由電腦控

15、制進行燃料噴射，燃料供應(yīng)準確、均衡、穩(wěn)定性好。但是燃料在吸入各個汽缸前要經(jīng)過各個進氣歧管，造成燃料濃度的不均衡，影響發(fā)動機的穩(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)動機。電控多點噴射系統(tǒng)(MPI)：是在每個氣缸進氣口處裝一只噴嘴，由ECU控制按照一定的模式分別對各個汽缸進行專門噴射。該種噴射方式由于燃料在進入汽缸前行程最短，可以實現(xiàn)對空燃比按周期和按缸進行控制，具有良好的響應(yīng)性，所以燃料供應(yīng)準確度、均衡性、穩(wěn)定性、排放性都優(yōu)于單點電噴，但比單點電噴結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。多點噴射系統(tǒng)的噴射模式有以下三種：同時噴射：由

16、ECU控制所有氣缸噴嘴同時噴射，噴射的頻率根據(jù)發(fā)動機運行工況的不同，可以是一個工作循環(huán)噴一次，也可以是噴兩次或四次；分組同時噴射：將所有氣缸分成幾組，發(fā)動機每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)只有一組噴射，各組輪流進行噴射；順序噴射（SFI）：各缸分別按照各自的噴氣正時，發(fā)動機每循環(huán)噴一次。可以保證按照發(fā)動機各缸的進氣行程同步地進行噴氣，有利于燃氣與空氣的混合；同時，由于其控制的實時性強，使得空燃比的控制更為精確，有利于提高發(fā)動機的動力性并改善了排放性能。但是，順序噴射會導(dǎo)致噴氣閥驅(qū)動電路的增加及ECU軟、硬件設(shè)計的復(fù)雜化，對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

17、格換取較好的動力性。缸內(nèi)直接噴射：MPI及SPI兩種噴射方式均屬于進氣道噴射，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)氣體噴射完全實現(xiàn)了燃料供給的質(zhì)調(diào)節(jié)，對空氣沖量幾乎沒有影響，為進一步完善發(fā)動機各項性能提供有利條件。缸內(nèi)氣體噴射具有缸外進氣閥處噴射的所有優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對技術(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)用該項技術(shù)，還沒能廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動機上。3 小結(jié)要達到良好的節(jié)能減排效果，靠單一的技術(shù)一般很難實現(xiàn)，常常是多個技術(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總的發(fā)展途徑：船用低速柴油機方面攻克關(guān)鍵零部件制造技術(shù)和工藝進一步提高國產(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。加強對低速柴油機專有技術(shù)，如經(jīng)濟性、排放、故障診斷、電液控制系統(tǒng)、智能化控制系統(tǒng)等先進技術(shù)進行消化吸收和研究，形成自主研制的能力。通過消化和分析已引進的國外最新一代許可證產(chǎn)品，梳理其設(shè)計思想、設(shè)計方法和實現(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關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)論證和設(shè)計開發(fā)研究。船用中速柴油機方面，擬在現(xiàn)有自主品牌中速柴油機開發(fā)研制的基礎(chǔ)上，深入開展自主知識產(chǎn)權(quán)船用中速柴油機系列化產(chǎn)品的開發(fā)研制，全面掌握中速柴油機系列的設(shè)計方法，同時加強部分核心部件(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。船用高速柴油機方面，借鑒和應(yīng)用自主品牌中速柴油機開發(fā)研制的思路、方法和手段，開展自主知識產(chǎn)權(quán)船用高速柴油機開發(fā)研制，掌握船用高速柴油機總體設(shè)計和關(guān)鍵零部件設(shè)計技術(shù)。重點開展船用發(fā)