现代船舶柴油机节能主要途径浅析

【摘要】本文主要介绍的是船舶柴油机节能的途径，围绕使用定压涡轮增压系统和高效率涡轮增压器、改进燃油喷射系统、改善换气过程提高空气质量、柴油机废热再利用等方面，从提高柴油机的经济性探讨现代柴油机节能的主要途径。

【关键词】柴油机;节能;经济性

1 使用定压涡轮增压系统和高效率涡轮增压器

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，但随着人们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。

1.1 开发两级涡轮增压技术

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，使压缩进气缸的空气量有限，气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，增加气缸中的空气量，解决一级涡轮增压压力不足的问题。

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，然后再驱动体积较大的、增压度较低的涡轮增压器。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。

1.2 开发VAT（Variable Turbine Area）涡轮增压技术

柴油机的增大优点是它可以实现小排量、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，因而压缩至气缸内的空气量有限，不能使燃油充分燃烧，这是传统涡轮增压技术的严重缺陷。MAN柴油机公司开发了VAT涡轮增压技术，有效解决了这一问题。VAT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。

2 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。

燃油喷射系统应具有如下性能：高喷油压力，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；喷油量的优化控制；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。

3 改善换气过程提高换气质量

换气的完善度直接影响到内燃机动力性、经济性与排放特性的好坏及热负荷的高低。完善的换气过程应该是进入气缸内的新鲜空气多，废气清扫彻底，单位功率所消耗的换气功少。改善换气过程提高换气质量主要有以下措施：

3.1减少进气门系统的流动损失

1）增大进气门流动截面积。截面积可通过增大气门直径与气门升程，或采用多气门结构来实现。

2）改善流动特性，减少流动阻力系数。改善和精心制造配气机构、气道及空气滤清器，使进气系统中每个元件都设计成流动阻力最小，而又不影响它的功能，会有利于减少流动阻力系数。

3）改进凸轮轴设计。系数大和工作平稳性好的配气凸轮，是保证柴油机具有良好进气性能的一个重要方面。

3.2 降低排气系统的流动阻力损失

在排气系统中，最小流通截面积在排气门座处。在气门升程不大时，气流充满气门隙，在进入空间较大的排气道时，形成射流，气体本身的动能大部分形成涡流而被损失掉。在升程较大时，气流从气门座和气门盘的下缘开始脱离，并立即形成于气门杆同轴线的射流。由于节流损失不是太大，有相当一部分的气体动能可能变成压力能。

与进气管的设计原则一样，应避免排气道内横截面积的变化、急转弯和凸台，设计流动性好的排气支管和流动阻力小的消声器，都有利于降低排气系统的流动阻力损失，提高冲量系数。

3.3 降低进气升温

降低进气道、活塞、气缸、汽缸盖、排气门等零件的温度，减少新鲜空气于高位零部件接触的时间与接触面积，都是降低进气温升的方法。

4 柴油机废热再利用

柴油机的排气温度在400℃以上，属于中温余热，排气量约为燃油的20倍以上，故排气中能量很大，可以设置废气锅炉，使废气温度从原来的400多度降到270度左右，但废气温度依然很高，在远洋大型轮船中，常采用在废气锅炉后安置热管锅炉的方法，对废气进行二次利用的方法。

5 结束语

在不可再生资源日益减少的今天，如何提高柴油机的有效功率和经济性，使其拥有良好的性价比，是科研人员主要的研究方向，而不断提高定压涡轮增压系统和高效率涡轮增压器性能，开发新型增压技术更是主要的研究重点。

【参考文献】

[1]朱建元.《船舶柴油机》[M].人民交通出版社，2004.

[2]张跃文.《船舶管理》[M].大连海事大学出版社，2012.

【作者简介】

苏延达：山东胶州，1983.07，大专，船机修理，男，技师