淺析船舶柴油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)

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，人們對于發(fā)動機(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熱力系統(tǒng)，它們的匹配是有矛盾的，低負(fù)荷時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，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(jī)相連，該發(fā)電機(jī)同時具有電動機(jī)的功能（如圖1），高負(fù)荷時，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，與壓氣機(jī)軸相連的發(fā)電機(jī)工作在電動機(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(jī)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(jī)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(jìn)氣則經(jīng)過低壓級壓氣機(jī)壓縮后進(jìn)入高壓級壓氣機(jī)，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(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 兩級增壓系統(tǒng)示意圖當(dāng)柴油機(jī)在低速工況運(yùn)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(jī)同時做功，雖

4、然廢氣流量較小，廢氣能量不高，然而進(jìn)氣經(jīng)過高、低壓級壓氣機(jī)壓縮后，進(jìn)氣壓力相比單級仍然會有大幅的上升，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，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(jìn)氣量，以滿足柴油機(jī)高、低工況的運(yùn)行要求。高壓級廢氣放氣閥也可根據(jù)實(shí)際需要選擇傳統(tǒng)氣動閥或者可調(diào)節(jié)電控閥進(jìn)行無級調(diào)節(jié)。柴油機(jī)采用兩級增壓后，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降低，特別是低速大負(fù)荷時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(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)動到上止點(diǎn)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(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)同時著火，燃燒持續(xù)期短，

7、可以得到與壓燃式發(fā)動機(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燃燒方式可以同時保持較高的動力性和燃油經(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(jī)上實(shí)施HCCI燃燒模式還可以簡化發(fā)動機(jī)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(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，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(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(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)計的進(jìn)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(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)動機(jī)供氣系統(tǒng)包含一個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汽缸前要經(jīng)過各個進(jìn)氣歧管，造成燃料濃度的不均衡，影響發(fā)動機(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(jī)。電控多點(diǎn)噴射系統(tǒng)(MPI)：是在每個氣缸進(jìn)氣口處裝一只噴嘴，由ECU控制按照一定的模式分別對各個汽缸進(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(jī)運(yùn)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(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，發(fā)動機(jī)每循環(huán)噴一次。可以保證按照發(fā)動機(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，由于其控制的實(shí)時性強(qiáng)，使得空燃比的控制更為精確，有利于提高發(fā)動機(jī)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(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)，對空氣沖量幾乎沒有影響，為進(jìn)一步完善發(fā)動機(jī)各項性能提供有利條件。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，對技術(shù)要求高。現(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(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)計思想、設(shè)計方法和實(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)計技術(shù)論證和設(shè)計開發(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)計方法，同時加強(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)計和關(guān)鍵零部件設(shè)計技術(shù)。重點(diǎn)開展船用發(fā)