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船用柴油机的技术现状与发展趋势

已有 1521 次阅读 2019-8-7 19:31 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦| 船用柴油机, 船舶柴油机, 柴油机, 技术现状, 发展趋势

船用柴油机的技术现状与发展趋势

伍赛特

 

1 船用柴油机的技术现状及发展历程

1.1国外船用柴油机的发展历程

任何一门科学技术的发展,总是与社会生产力的需要和当时科学的发展水平相适应的。18世纪初,英国资本主义的发展促进了蒸汽机的发明,并由此开始了第一次工业革命,推动了生产力的发展。随着生产力的发展,蒸汽机热效率低以及过于笨重的问题越来越突出,已不能适应社会生产力的发展要求,因此产生了对新型动力机械的需求。

1876年,德国人奥托(Otto)第一次提出了四冲程循环(即进气、压缩、膨胀、排气)原理,并发明了电点火的四冲程煤气机。该煤气机运转平稳,热效率可高达14%在当时曾得到普遍使用。在1880年英国的 D.ClerkJ.Robson以及德国人 BEnz等,成功地开发了二冲程内燃机。1893年德国工程师 Rudolf Diesel申请了压缩发火内燃机专利,并于1897年在MAN公司成功制出第一台使用液体燃料的内燃机(压燃式、空气喷射、定压燃烧),其效率比煤气机提高了近一倍。内燃机的问世,是继蒸汽机之后发动机发展史上的又一个里程碑,为现代工业的发展奠定了基础。柴油机由于其热效率高的固有优势,在它问世之后,就被应用于船舶运输业,对20世纪船舶运输业的发展起到了重要作用。

 

1.1.1船用柴油机发展的第一阶段

船用柴油机发展的第一阶段是从20世纪初至40年代。这一阶段是船用柴油机的初步发展期,尽管从1903年开始已经将柴油机用于船舶推进装置,但柴油机动力装置真正具有里程碑意义的是下列几艘船舶:最早的沿海柴油机船“ Romagna”轮,1910年下水,吨位为678总吨,它使用了两台“ Sulzer”公司生产的气口扫气二冲程柴油机(缸径310 mm,行程460 mm),额定功率280 kW,转速250 r/min;世界上第一艘远洋柴油机船“ Selandia”轮,1912年投入营运,吨位为7 400总吨,它装备了两台B&W公司生产的DM8150X柴油机(缸径530 mm,行程730 mm),额定功率90 kW,转速140 r/min;第一艘安装二冲程十字头式柴油机的“Monte Penedo”轮,1912年投入营运,吨位为6500总吨,它装备了两台 Sulzer公司生产的4s47柴油机(缸径470 mm,行程680 mm),额定功率为625 kW,转速160 r/min;第一艘由柴油机推进的大型客船“Aoyagi”轮,1924年投入营运,吨位为17 490总吨,它装备了四台 Sulzer公司生产的6ST70柴油机(缸径700 mm,行程990 mm),总功率9 560 kW,转速为127 r/min,该船舶的下水和投入营运打破了当时有关柴油机动力装置不能用于大型船舶推进的偏见。

这一阶段,在船舶领域,蒸汽机与柴油机并存,并在相互竞争中发展。但随着柴油机技术的不断发展及其产品性能的不断提高,柴油机逐渐取代了蒸汽机,20世纪40年代以后,新建商船已经很少有蒸汽机船了。某在船用柴油机发展的第一阶段里,柴油机在自身逐步完善中有了很大发展,其中最关键的技术是无气喷射技术。狄赛尔(Diesel)发明的柴油机是一种空气喷射式发动机,它需要用高压空气将燃油喷入柴油机的燃烧室并将其雾化。这种喷射和雾化方式存在很多问题:一是需要由柴油机带动两级式的压缩机以产生高压空气,使得柴油机在结构上非常笨重;二是喷射空气的压力不够高,仅仅略高于柴油机的压缩压力,因而燃油的喷射和雾化效果不佳,进而影响柴油机的燃烧过程;三是耗能高,带动空气压缩机大约需要消耗15%的柴油机功率。因此,在柴油机发明不久,就有许多研究人员致力于解决这一问题。1910年前后,英国Viickers公司的 McKechnie将机械式高压燃料喷射技术引入大型柴油机;1915年,McKechnie开发和试验了可运行的直接喷射式柴油机;1927 R.Bosch生产出性能可靠的高压喷油泵,并在柴油机上正式使用,这是柴油机技术发展的一个突破性进步。喷油设备的改进使柴油机有了突飞猛进的发展,并广泛用于车辆、船舶等运输机械中,这一基本原理一直沿用至今。

增压技术也是在这一阶段中发展起来的。1905年瑞士人Alfred Buechi提出了废气涡轮增压的专利。但在早期主要采用的是机械增压,目的是为了获得足够的扫气空气,基本上釆用往复泵和罗茨泵等形式,第一台废气涡轮增压柴油机由MAN公司于1927年生产,其安装的增压器由 Brown boveri公司(BBC)生产,增压比为1.3。采用增压技术将该柴油机(缸径540 mm,行程600 mm)的功率由1 250 kW240 r/min)提高到1 765 kW275 r/min),当时由于增压器制造水平的限制,这台增压器的体积庞大、笨重,此项技术未能迅速推广。

 

1.1.2船用柴油机发展的第二阶段

船用柴油机发展的第二阶段是从20世纪40年代至70年代。第二次世界大战之后,由于全球经济的迅速发展,对船舶运输业的要求不断增长。由于在这一阶段船舶一直向大型化及高速化方向发展,对船舶推进装置提出了新的要求,因柴油机动力装置的突出优点,使得柴油机在船舶动力装置中取得了明显的压倒优势。

这一时期是船用低速柴油机发展的黄金时期,其主要特征是向大缸径、大功率方向发展,以提高增压程度和加大气缸排量作为提高单缸功率的主要措施。加大气缸排量的主要手段是加大气缸直径,1956年最大气缸直径为740760 mm1960年最大气缸直径为840900 mm1965年最大气缸直径为930 mm,到1970年最大气缸直径达到了1 060 mm其相应的单缸功率1956年为9001 030 kW1960年为1 5401 700 kW1965年为2 000 kW1970年为3 000 kW1977年已达到3 400 kW

在这一阶段,船用柴油机发展的主要技术特征是废气涡轮增压技术的成熟和普及。随着生产和技术的发展,废气涡轮增压器的设计和制造水平不断提高,废气涡轮增压器的性能得到改善,质量减轻,体积减小,使它能作为一个附件装在柴油机上。20世纪40年代,生产废气涡轮增压器的技术逐步成熟起来。1946年,瑞士BBC公司开始生产VTR轴流式涡轮增压器系列。废气涡轮增压技术在船用二冲程柴油机上的成功使用,使得船用柴油机的功率大大提高,是船用低速柴油机发展中的重要里程碑。国外称这一时期是船用低速柴油机的第一次飞跃。船用柴油机在此期间还完成了大缸径、焊接结构以及使用劣质燃油等重大技术成果,并逐步形成了多个船用低速柴油机系列。

 

1.1.3船用柴油机发展的第三阶段

船用柴油机发展的第三阶段是从20世纪70年代开始至90年代末。70年代的两次石油危机诱发了世界范围内的能源危机。1973年石油涨价三倍,石油产品价格大幅度上涨使船用柴油机的燃油费用支出一跃占总营运成本的40%50%降低柴油机的燃油支出费用,提高柴油机的经济性已成为第一要求。此外,苏伊士运河的通航也使得对大型船舶的需求量减少。这一阶段着重于改进增压技术以提高柴油机的单机功率并降低比质量,提高柴油机的经济性和可靠性等。

这一阶段的最主要特征是各船用柴油机厂之间开始进行大规模地淘汰、调整和重新组合。柴油机技术不断趋于完善而柴油机的机型在逐渐减少。船用低速柴油机从以前的八个品牌(由八大船用柴油机制造厂生产)减少到三个。首先是瑞典的 Gotaverken公司停产了自己的GV系列而改为生产丹麦B&W公司的KGF系列;英国的 Doxford公司停产了自己的76J系列而改为生产德国MAN公司的KSZ系列;对整个船用柴油机行业影响最大的是20世纪80年代初MAN公司和B&W公司的合并以及90年代 Wartsil公司和 Sulzer的合并。船用柴油机制造公司的合并与重组导致柴油机机型的减少和系列的完备。在世界范围内,大型低速柴油机只有MANB&WMC系列柴油机和 Wartsila公司的 Sulzer rta系列柴油机。

这一阶段的第二个特征是节能技术研究和发展。在20世纪70年代末到90年代,各类节能型柴油机大量出现,机型更新周期大大缩短(甚至仅为23年),各类柴油机均采用各种节能措施降低油耗率,努力提高柴油机的有效热效率;同时,由于供给船用柴油机的燃油质量日益低劣,使得船用柴油机在使用劣质燃油的技术上又有了新的发展。目前,现代船用低速柴油机的油耗率已降低到0.1550.160 kg/kW·h),有效热效率可高达55%。船用柴油机的节能不仅仅在于提高柴油机本身的热效率,更着重提高柴油机动力装置的整体效率,也就是提高螺旋桨的推进效率。值得一提的是,197511月丹麦B&W公司在60000散货船“帕纳马克斯号上的改进研究:在航速保持16 kn不变的情况下,将螺旋桨直径由6.35 m加大到9m,通过增加减速装置使螺旋桨转速由原来的140 r/min降低到5 r/min,达到了节约燃油30%以上的效果。这一研究成果引起了造船界的高度重视,降低柴油机转速、提高推进效率成为当时低速柴油机的发展趋势。这就导致了长行程以及超长行程低速柴油机的研制。根据散货船、油船和集装箱船对推进装置的不同要求,目前已形成了普通行程、长行程和超长行程的完备的柴油机系列在柴油机节能技术的发展的同时,柴油机的可靠性(在规定的使用期间按规定的负荷运转,不因故障而停车或降功率使用的能力)也有了长足的发展。各种先进技术(如材料、加工、结构等)和制造工艺的运用大大提高了船用柴油机的可靠性。船用低速柴油机的吊缸周期已从60年代的5 0006 000 h提高到8 00012 000 h,甚至高达2 000 h以上。在此期间船用二冲程低速柴油机的气缸排量没有进一步提高,气缸直径基本保持在500980 mm,柴油机功率的提高主要依赖于增压技术的改进和柴油机强化程度的提高。此外,针对日益兴起的四冲程中速柴油机的竞争,开发了一系列小缸径(260 mm350 mm)的低速柴油机。

 

1.1.4船用柴油机发展的第四阶段

船用柴油机发展的第四阶段是从21世纪初开始,其特征:一是电子控制在船用柴油机上的应用,实现了柴油机控制和管理的电子化、信息化和智能化;二是对柴油机有害排放的控制。现代船用柴油机控制与操纵自动化,即对船用柴油机及其附属设备进行自动控制及自动监视由来已久。20世纪60年代初曾进行在控制室内对主机集中控制与集中监视;70年代电子技术开始在柴油机上使用;80年代柴油机的电子控制技术已有了很大发展,除可监视柴油机的运行工况外,还可保持柴油机各运行参数的最佳值,以求得柴油机功率、燃油消耗率和其他有关性能的最佳平衡,并由此发展了对柴油机的故障诊断、未来趋势预报等技术,把柴油机的管理技术提高到一个崭新的水平。

电子控制式船用柴油机最典型的机型是 Wartsila公司在2000年推出的 Sulzer rt-flex全电子控制的智能型柴油机。该柴油机取消了凸轮轴传动齿轮、凸轮轴、燃油喷射泵、气阀控制机构及换向伺服器等设备,而将电子设备及其软件应用于船用柴油机并成为船用柴油机的基本组成部分。柴油机的所有主要功能如燃油喷射、排气阀驱动、柴油机的起动和气缸润滑都是全电子控制的。发动机的管理采用DENS模块和 MAPEX监控与维护专家系统,不仅可以对柴油机的工作性能进行优化,而且可以检测柴油机的关键数据,并对这些数据进行智能化分析,以及实现利用专家知识在船评估和通过卫星通信全面支持数据储存和传输。MANB&W公司也在2003年推出了ME系列电控柴油机,并开始装船使用;同时,日本三菱公司也与 Wartsila公司合作开发了LSE系列电控柴油机。随着全球经济的发展,现代工业造成环境污染受到了广泛关注,为限制和控制船舶向大气排放有害物质,国际海事组织(MO1997年召开了防止大气污染缔约国外交大会,通过了修订《73/78国际防止船舶造成污染公约》(MARPOL公约)的1997年议定书。该议定书新增了《73/78国际防止船舶造成污染公约》附则Ⅵ“防止船舶造成大气污染规则”,要求对200011日或以后建造的船上安装的船用柴油机有害排放进行控制。200810月,国际海事组织(IMO)海洋环境保护委员会(MEC)对 MARPOL公约附则VI重新进行了修订,对于船舶的废气排放提出了更严格的要求。国际海事组织和世界各国对船用柴油机有害排放的控制内容主要包括氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、微粒物质(PM)和温室气体(CO2

为了满足国际海事组织和世界各国日益严格的排放法规要求并获得相应的证书,必须控制船用柴油机的排放,这已成为当前船用柴油机发展的中心任务,使得船用柴油机在燃料使用、燃烧方式、喷油设备等方面发生了重大变化,并对船用柴油机的发展产生了重大影响。在船用低速二冲程柴油机发展的同时,大功率四冲程柴油机自20世纪50年代开始也得到了稳步发展,至今已经历五代机型。它的最大优点是质量轻、尺寸小,可通过选用减速齿轮箱达到最佳的螺旋桨转速。在工作可靠性、使用寿命、经济性及对劣质燃油的适应性方面均有明显改进,基本上达到了与低速机相近的水平。近年建造的总吨位2 000总吨以上船舶中,使用中速机做主机的船舶数量达到了35%40%,装机功率也达到了装机总功率的20%左右。

 

1.2国内柴油机的发展历程

我国是后期的低速船用柴油机生产大国,船舶低速柴油机的发展基本可以分为三个阶段。第一阶段是在20世纪50年代至70年代末期。由于当时的国际、国内环境,船用柴油机的发展立足于自主研发。我国对低速二冲程柴油机研制始于1958年,曾经研制并生产了ES/DZ43/82ES/DZ58/100ES/DZ76160等机型,填补了我国大功率低速柴油机的空白,并在国产的沿海和远洋船舶上使用。

20世纪70年代末至2005年是我国船用柴油机发展的第二个阶段。改革开放以来,逐步开始引进 SulzerMANB&W公司的专利进行生产,船用柴油机的生产技术和生产能力有了快速增长。这一阶段在引进国外先进技术的同时,没能重视和开发自主品牌的产品,导致国产低速机品牌从此消失,应该说是一个重大的损失。

20世纪80年代初到90年代中期,国产主机装船率呈上升趋势。1982年,国产柴油机的装船率仅为25%,大部分是从日本进口。以后几年,随着国产柴油主机生产能力的提高,国产主机的装船比例迅速上升,由1983年的35%提高到1984年的51%1985年的80%,到1994年为止,国产主机比例大致保持80%上下。到了21世纪初,由于主机生产跟不上造船业的快速发展,国产主机比例持续下降。在20022004年,我国造船产量大幅度攀升,尽管国产主机产量也在快速增长,但是国产主机装船率却不断下降,2002年降至56%2003年进一步跌至45%2004年更低,22 000 kW以上的船用柴油机几乎都要外购。据英国克拉克松研究公司报告,2015年我国造船完工量1286万修正载重吨,新承接船舶订单1 025万修正载重吨,手持船舶订单3 987万修正载重吨,分别占世界市场份额的35.1%30.3%36.5%,均位居世界第一。这更加突出了我国造机能力不足的问题。

2005年以后是我国船用柴油机发展的第三个阶段。为了解决我国船用柴油机行业存在的产能较弱的问题,国家从政策、资金等各个方面对造机行业进行了扶持,同时对柴油机曲轴等配套行业也有较大的投入。20052008年,船用低速柴油机的制造出现了快速增长的势头。

2005年前,规模较大的船用低速柴油机生产企业只沪东重机、大连船用柴油机厂和宜昌船用柴油机厂三家,目前已发展到1.家企业。截至2016年年底,沪东重机、大连船用柴油机厂等

企业已进入世界十大造机企业行列。然而不可回避的是,我国在专利生产方面依旧存在诸多短板。我国在船舶发动机领域起步晚、底子薄,缺少先进的理论基础和实际数据的积累,而且在生产制造过程中又受制于工艺、材料等多种因素的制约,所以在研发方面存在不足,关键零部件的性能也存在较大差距。

20161226日,由中船动力研究院有限公司(中国船舶工业集团公司,简称“中船集团”下属子公司)自主研发、制造的大功率小缸径船用低速柴油机6EX340EF顺利通过中国船级社(CCS)形式认可试验。作为中船动力研究院自主研发的大功率小缸径船用低速柴油机,6EX340EF填补了自主品牌二冲程低速柴油机领域的空白。EX340系列超长冲程低速柴油机缸径为340 mm,冲程达1 600 mm,转速为144169 r/min,采用高强度紧凑设计,技术指标先进,设计单缸功率达920 kW。该型主机采用高效、高压比涡轮增压器和高压共轨燃油系统,优化了燃烧过程,提高了热效率;采用模块化电控燃油系统及集成式伺服油系统设计,以及单贯穿螺栓、单主轴承螺栓等多项易维护性设计;采用高强度结构设计,整机具有良好的振动、噪声特性。同时,该型主机满足国际海事组织(IMOTier II排放要求,配置选择性催化还原(SCR)系统等后处理装置后,可满足 MO Tier III排放要求

中船动力研究院推出的另一型自主品牌1 000 kW级功率中速机12MV390,是我国新一代赶超世界最新水平的自主品牌大功率中速柴油机,该机同样采用了国际最先进的电控及燃油共轨系统,具备适用范围广、可靠性高、大修期长和维修便捷等多种优良特性,关键指标赶超了同等缸径范围中速柴油机的国际先进技术水平。它的诞生正式开启了我国大功率中速机的自主发展之路。

 

2 船用柴油机的现状及技术水平

2.1船舶低速柴油机

船用低速柴油机制造商目前只有德国的 MAN Diesel& Turbo公司(2010MAN集团完成 MAN Diesel se MAN Turbo AG公司的合并成立)、芬兰的Wrti公司和日本的三菱公司。尽管每年各公司所占市场份额略有变化,但根据近年来的统计,MAN Diesel& Turbo公司约占80% Wartsila公司约占18%,而日本三菱公司仅约占2%。可以说在世界船用柴油机行业中,欧洲的品牌一统天下, MAN Diesel&Tubo Wartsila两大品牌的市场份额合计高达98%

世界船舶低速柴油机的研发中心在欧洲,制造中心在东亚。2010年, MAN Diesel& Turbo公司终止了其在丹麦工厂的低速机的生产, MAN Diesel&TubO公司和 Wartsil公司目前均已不再生产低速机。船用低速柴油机基本采用专利许可证授权的方式,由世界其他国家的造机企业从事许可证生产。

韩国、日本、中国是目前世界上主要的船用低速柴油机生产国,三个国家船用低速柴油机的产量占世界总产量的90%以上,但基本没有自己的品牌。韩国是当前居世界第一的造船和造机大国,拥有现代重工、斗山发动机、STX等大型企业,其低速柴油机的产量约占世界总产量的50%(按功率计),全部属于许可证生产。日本低速柴油机生产是从20世纪20年代引进SuerB&W柴油机起步的,在大量生产专利机的同时,于50年代成功研发了自主品牌的船用低速机三菱UE型机,并于20世纪50年代中期成为世界第一造船大国,70年代中期成为世界第一大造机大国,但近年来在世界造船和造机市场的份额都有所下降,其自主品牌的三菱低速机只占全球市场约2%且仅限于日本国内。中国船用柴油机行业经过三十多年的发展,目前的生产规模和日本相当,但仍存在着产业集中度低、配套能力不足、技术压力大、对性能和质量要求较高的大缸径柴油机生产能力不足等问题。

近年来, MAN Diesel& Turbo公司成功地开发了SME-B系列和GME系列柴油, Wartsila公司也开发了X系列低速柴油机。从上述参数可以看出,目前新型船用低速柴油机的活塞平均速度为83915 m/s,平均有效压力高达2022MPa,最大燃烧压力达1516MPa,燃油消耗率约为170g/kW·h),其动力性和经济性已经达到了相当高的水平。超长行程柴油机的S/D值都已达到4.14.65

 

2.2船舶中速柴油机

船用中速柴油机转速为3501 200 r/min,大多为四冲程机,其体积较小,质量轻,制动速度快。大功率中速机主要用于客运班轮、作业船、滚装船等。近年来,中速机在开发大缸径、提整机功率方面做了大量工作,并在燃用劣质燃油、降低油耗、提高零部件的可靠性、提高使用寿命及高增压等方面取得显著成效。目前虽然生产厂家较多,主要集中于 WartsilaMAN Diesel& Turbo CaterpillarMak)等几家公司, wartsila MAN Diesel&TuboSEMT

Pielstick皮尔斯蒂克已经并入MAN)在中速机方面同样走在世界最前沿。根据最新的报告显示,世界中速柴油机市场规模为每年750万马力。据 Wartsila公司2012年年度报告, Wartsila

公司的中速机市场份额为47% MAN Diesel& Turbo公司为23% Caterpillar公司为5%,其他公司的总和为25%中、速船用柴油机一直以来都大量运用于船舶电站,为船上的各类设备提供电力,并开始在日渐繁荣的船舶电力推进中得到广泛应用。

我国的船用中速柴油机的生产在近年内也有较大的发展。通过自主研发和技术引进,缸径为150350 mm的船用中速机从单缸强化程度到整机功率都有很大的提高。我国目前生产的中速机的机型中,引进的机型很多,主要包括洋马、大发、 SulzerMANB&WMTU等多家公司的产品。这些产品的引进缩小了国产柴油机与国外的产品的差距,基本满足了国内造船业对中速机的要求。但也要看到,某些引进产品已趋于老化,市场竞争力逐步减弱。

 

3 船用柴油机的技术发展趋势

3.1 总体概述

21世纪是一个挑战与机遇并存的世纪,其中能源与环境则是人类面临的最严峻的问题。能源资源储量有限,而能源消耗量却逐年增加,资源耗竭的危险正逐步逼近,这种危机感已成人们的共识;环境污染日趋恶化,严重地制约了经济的发展,已危及人类自身的生存。人类面临的能源与环境问题同样是船用柴油机面临的挑战,石油产品是船用柴油机的主要燃料,而柴油机的排放则是大气污染的重要污染源。1997年,国际海事组织《MARPOL73/78)公约》的新增附则VI:防止船舶造成大气污染规则,对船舶主机排放提出更严格的限制。特别是硫氧化物排放控制区(SECA)设立:波罗的海、北海、北美、美国加勒比海四个区域(20065月强制实施)、氮氧化物排放控区的设立:北美和加勒比海两个氮氧化物排放控区(201611日强制实施)、波罗的海和北海两个氮氧化物排放控区(202111日强制实施);以及201711日在中国珠三角、长三角、环渤海(京津冀)水域设立的排放控制区相关实施方案的生效。在这个大环境下,排放控制和节能成了当前船用柴油机发展的主要影响因素。

船用柴油机经过了一百多年的发展,尽管现代船用柴油机已经发展到一个很高的技术水平,柴油机的技术已趋完善,但随着生产力的发展,特别是在能源与环境问题的双重压力之下,将会对船用柴油机提出更高的要求,船用柴油机将得到继续发展和改进。从目前的情况看,柴油机动力装置在民用船舶上占统治地位这一状况不会发生变化。大型低速二冲程柴油机仍将是散货船、油船和集装箱船的主要动力装置。世界主要的柴油机生产商都已形成了普通行程、长行程和超长行程等不同系列的机型,如 Wartsil公司的RTA RT-flexUTC系列柴油机和新开发的X系列柴油机, MAN Diesel&Tubo公司的MCMEKLSG系列柴油机。各种机型气缸尺寸大中小完备,功率范围齐全,足以满足不同类型船舶对动力装置的需求。电子控制技术在柴油机上的成功应用,使电控柴油机逐步取代机械控制成为当前的主流机型。柴油机控制和管理的电子化、信息化和智能化,也促使柴油机性能全面提高。而大型客船、客滚船和滚装船发展及柴油机电力推进技术的推广应用,促进了大功率中速柴油机的开发。

当前船用柴油机发展的基本目标仍然是低排放、低能耗、可靠、强化和大功率,也可以概括为:在满足排放法规的前提下,兼顾节能与可靠性的要求,全面提高柴油机性能。根据此发展目标,今后船用柴油机的研究和发展趋势仍然表现在下列几个方面。

1)降低船用柴油机排放的研究。排放控制是船用柴油机在21世纪面临的最严峻挑战,也是船用柴油机发展要解决的中心任务。随着对船用柴油机排放控制法规日益严格,如何来满足排放法规的要求,将是船用柴油机发展中的新课题。

2)进一步提高船用柴油机的经济性。

3)船用柴油机电子控制技术的不断完善。柴油机电子控制技术是计算机技术成功地应用于传统机械产品的又一范例,通过对调节和控制精度的提高,使柴油机从动力性、经济性、可靠性以及排放等综合性能方面得以全面提高,给柴油机带来了革命性的变化。电控柴油机正逐步取代传统的机械控制柴油机。

4LNG燃料在船舶上的应用。

5)进一步提高船用柴油机的强化程度及柴油机的单缸和单机功率。

6)改进船用柴油机的结构,提高可靠性与耐久性的研究。

 

3.2降低船用柴油机排放的研究

大量矿物燃料的使用已经造成了臭氧层空洞、酸雨以及全球气候变暖等局部和全球性的环境污染问题。尽管海运是能源效率最高的运输方式,但由于船用柴油机个体庞大,排放总量巨大,使得船用柴油机排放成为大气污染的重要污染源。控制船用柴油机的排放是柴油机在21世纪面临的最严峻挑战。随着船用柴油机排放控制法规的日益严格,在提高柴油机的动力性、经济性的同时如何满足排放法规的要求,成为船用柴油机发展中的新课题。对船用柴油机排放的控制主要是对柴油机排放中的氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、温室气体(CO2)和微粒物质(PM)的控制。

温室气体(CO2)的控制方面。20117月,在国际海事局组织(MO)海洋环境保护委员会(MEPC)第62次会议上,通过了对 MARPOL公约附则Ⅵ新的修正案。这是个强制性的国际航行船舶温室气体(GHCs)减排法规,已于201311日强制实施。该修正案新增了“船舶能效规则”,要求新造船舶应满足“船舶能效设计指数(EED I)”和“船舶能效管理计划(SEEMP)”的要求,并获得主管机关签发的“国际能效证书”(EC)。国际海事组织设立能效指标是试图在20102018年期间逐步降低船舶动力装置平均CO2排放值,达到目前排放值的70%。此外,欧盟、美国等也颁布了自己的一系列环保法规。这些法规的颁布和实施,对船用柴油机的发展产生了重大影响。这使控制船用柴油机排放,满足排放法规要求并获得相应的证书,成为当前船用柴油机发展的中心任务。围绕如何满足各种排放法规的要求将在船舶设计、新能源技术、配套设备应用等方面进行一系列的研究工作,使得船用柴油机在机器结构、运转工况、燃料使用、燃烧方式、喷油设备等方面发生相应的变化。目前采用的主要措施有:

1)废气再循环(EGR)技术;

2)进气加湿和喷水技术;

3)燃油喷射的控制和改进;

4)米勒循环

5)废气催化转化(SCR)技术;

6)使用低硫燃油和废气水洗技术;

7)控制主机转速和船舶航速

8)使用LNG燃料

上述各项措施中,有些技术只针对某种有害排放的,有些则可以全面改善柴油机的排放。

 

3.3 提高船用柴油机经济性的策略

船用柴油机的经济性和控制船用柴油机的CO2排放是基本一致的。提高船用柴油机的经济性就是柴油机发出同样的功率可以使用更少的燃油,这也意味着CO2排放的降低。由于降低CO2排放相当于降低燃油消耗率,这就意味着对于未来船舶,每航次要减少30%的燃油消耗量。提高船用柴油机的经济性是实现降低能效设计指标的主要手段之一。提船用柴油机的经济性的研究主要包括燃烧、增压、低摩擦、低磨损等方面。现代船用大型低速柴油机近十多年在提高经济性方面取得的成效超过了过去几十年,各种节能措施相继出现并日趋完善。这些措施主要如下所示。

 

3.3.1增大行程缸径比S/D和降低柴油机的转速

增大行程缸径比S/D的主要目的是在保持活塞平均速度不变的情况下大幅度降低柴油机的转速,以提高螺旋桨的推进效率,从而提高动力装置的总功率。如果选用较大直径的螺旋桨,则可以在维持船舶航速不变的情况下降低主机功率。S/D的增加,也使得柴油机的压缩比增加,根据理论循环的结论,压缩比的提高会使柴油机本身的经济性有所提高。同时,由于气缸行程的增加,也使得柴油机的单缸功率随之提高。提高柴油机的S/D值,是自石油危机以来提高船用柴油机动力装置经济性的重要措施。

20世纪70年代末期,二冲程低速柴油机的S/D值一般在2左右,但自70年代末期开始,S/D的增大速度很快,并逐步开发了低速柴油机的长行程和超长行程柴油机系列。目前,Wartsila公司最新开发的X系列柴油机的S/D值已达到了443,而 MAN Diesel& Turbo公司最新研制的GME系列柴油机的S/D值甚至达到465S/D的增加,使柴油机的转速大大降低,超长行程的柴油机转速一般为7 080 r/min,配桨转速最低达到57r/min。然而,增大S/D使柴油机结构复杂,造价增加,因而S/D的增加是有限度的。

 

3.3.2提高最高爆发压力Pz与平均有效压力Pe之比Pz/Pe

柴油机的理论循环研究与实践证实,提高Pz/Pe可显著降低燃油消耗率。当Pz/Pe7.8提升到12,油耗率可降低达12g/kW·h)因而,现代船用柴油机均采用这种措施降低油耗。但是,大幅度提高Pz是十分困难的,它受到了柴油机负荷的限制,必须同时采取相应措施保证柴油机的可靠性。因而从20世纪60年代到70年代中期,船用柴油机的Pz虽然逐步增加,但增加幅度不大(在近20年内Pz仅提高约2.5 MPa)。从70年代中期到80年代中期,柴油机的Pz值有了大幅度增长(增加约5 MPa)。目前有些低速柴油机的Pz已达16 MPa,甚至18 MPa,而船用中速油机Pz则达到23 MPa。在保持Pz不变时降低Pe值同样可降低油耗率,这也是目前广泛采用的节能措施。

 

3.3.3采用定压涡轮增压系统和高效率废气涡轮增压器

在高增压柴油机上采用定压涡轮增压系统代替脉冲涡轮增压系统是现代柴油机的一大显著特点,同时也有利于提高增压器的效率和功率。新型高效涡轮增压器的发展和使用,使增压器效率由20世纪60年代的50%60%提高到70%76%,由此显著降低了柴油机的燃油消耗率。

为了使柴油机在全部负荷和速度范围内都能处于最优状态,新型高效涡轮增压系统中还设置了涡轮增压器切断装置或变喷嘴环增压器,当柴油机在低负荷下工作的时候,对装有多个涡轮增压器的大型柴油机,可自动中止其中一个增压器的工作,从而提升其他增压器的性能,对只装有一个增压器的柴油机,则可以通过可变喷嘴环(VTA)的技术,保证增压器的高效工作。

 

3.3.4改进喷射与燃烧技术

改进喷射与燃烧技术一直是船用柴油机的重大研究课题之一。对于这一技术的研究主要有如下几个方面:

一是提高喷油压力。其主要目的是缩短喷射持续期,改善雾化质量,提高燃烧效率。这需要采取措施,优化喷射系统结构以提高雾化质量。目前高压喷射系统的啧射压力已达到100180 MPa

二是优化喷油定时。前文提到,提高最高爆发压力Pz与平均有效压力Pe之比Pz/Pe可以提高柴油机的经济性。当柴油机在部分负荷运转时,如能使最高爆发压力Pz保持在标定值不变,就会使PzPe的比值变大,燃油消耗减少。这需要在柴油机负荷变化时自动调整其喷油提前角,在机械控制的条件下,通过VIT机构实现,电控柴油机对喷油定时的控制会更加精确。

三是对喷油设备的改造。如在MAN柴油机上使用的滑阀式喷油器可以大幅度提高低负荷下的经济性。

 

3.3.5 降低摩擦损失功提高机械效率η

柴油机的摩擦损失约占机械损失的40%,因而降低摩擦损失是提高η的主要途径。降低摩擦损失需在润滑和摩擦学方面对柴油各处摩擦损失进行深入研究,找到最具有节能潜质的地方,以增加柴油机的效率和减少发动机内部摩擦损失。如现代船用低速柴油机采用短裙和超短裙活塞,减少活塞环数量(如由5道减为4道)及改善活塞环的工作条件等措施都在降低摩擦损失、提高机械效率方面起到了一定的作用。改进材料摩擦性能并减少摩擦损失的研究将会开发出新的材料,用于气缸、活塞和轴承。

 

3.3.6 轴带发电机(PTO)

在主柴油机正常运转期间(通常要求主机转速>70%标定转速),通过专设的恒速传动装置驱动发电机,可发出满足船舶航行所需要的电力。在主机转速变动或波动时通过恒速传动装置可保证发电机转速恒定,或可通过变频装置保证发出的电压与频率不变。采用轴带发电机在航行期间可停止柴油发电机运转。此装置并不直接降低主推进柴油机油耗率,但提高了船舶动力装置的经济性。这种装置的优点主要有:可使用油耗率较低的主柴油机提供电力,节省了柴油发电机运转时的滑油消耗,减少了柴油发电机的数量与维修费用。

 

3.3.7柴油机废热再利用

柴油机的废气和冷却介质带走了燃料总发热量中50%左右的热量。充分利用这一部分废热的能量,对提高整个动力装置的经济性有重要意义。在20世纪80年代后期,由于增压器效率的提高,使用部分废气就可以保证柴油机所需的增压压力和空气质量,为提高柴油机总的热效率,设计了动力涡轮,使部分废气在单设的动力涡轮中膨胀做功,并经减速机构传给曲轴,组成涡轮复合系统(TCS)。但由于涡轮复合系统比较复杂,并造成废气锅炉可用能量下降,这一系统在出现几年后也不再使用。当前比较流行的节能设计是热效率系统(TES),其设计思想是兼顾增压器、动力涡轮和废气锅炉的能量平衡。在确保增压器有效工作的前提下,使用部分废气驱动力涡轮,并带动发电机组;然后利用在增压器和动力涡轮膨胀做功后的废气余热产生蒸汽,驱动一台小型的蒸汽轮机,与动力涡轮联合驱动一台发电机向船舶供电。目前这方面的问题仍在研究与探索之中。

上述这些措施不仅是以往提高柴油机经济性的主要手段,也将是今后继续提高柴油机经济性的研究内容。

 

3.4 船用柴油机电子控制技术的研究

柴油机电子控制技术是将电子设备及其软件应用于船用柴油机并成为船用柴油机的基本组成部分。柴油机电子控制的主要功能有燃油喷射、排气阀启闭、气缸润滑以及柴油机的操纵、控制和维护管理。

柴油机电子控制技术是微电子技术成功地应用于传统机械产品的又一范例,通过调节和控精度的提高,使柴油机从动力性、经济性、可靠性以及排放的综合性能得以全面提高,这也是当前船用柴油机研究和制造的发展方向。目前柴油机电子控制技术的研究已经取得了突破性的进展并进入了实用阶段,世界上主要的船用柴油机制造公司都推出了各自的电控柴油机系列,并逐渐成为市场上的主流产品,如 Wartsila公司的RT-flex系列、MAN Diesel & Turbo公司的ME系列以及三菱公司的LSE系列。2012 Pantsil公司的低速机订单全部是RT-flex系列,机械控制的RTA机型实际上己被电控柴油机所代替,其新开发的X系列柴油机不再有机械控制的机型。电控柴油机将会在数字化、信息化、智能化等方面继续完善。

 

3.5 船用柴油机代用燃料的研究

根据目前己探明的石油储量和每年的石油消耗量估算,3050年内石油资源即将枯竭。面对日益严峻的能源形势,柴油杋开发和使用代用燃料势在必行。代用燃料包括煤制液体燃料、生物燃料、气体燃料等作为船舶燃料油的代用燃料,要满足下列几个基本条件:(1)有丰富的存储量;(2)在目前高油价时代与燃料油相比在经济上要有竞争力;(3)含硫量要低。实际上就是既要满足船舶营运的要求,又要满足日益严格的排放法规的要求。尽管人们对于船舶新能源和代用燃料做了很多研究,但目前比较成熟,可以在船舶上实际使用的只有液化天然气(LNG)。

 

3.6改进柴油机的结构和提高可靠性与耐久性的研究

对柴油机及其零部件的结构与性能改进的研究从柴油机产生至今一直都在进行。近年来,这方面的研究主要是借助于计算机,通过有限元计算,研究柴油机结构内部的受力状况,并根据柴油机及零件的受力状况进行结构优化设计,这使得柴油机的机座、机架、气缸体、气缸盖等主要零部件结构简化,受力合理,尺寸和质量降低,可靠性提高。另外,新材料、新工艺的应用,如活塞环外侧喷涂的陶瓷材料,用于排气阀及阀座的耐热材料等的使用,都使柴油机的可靠性和耐久性得以提高。

 

3.7提高船用柴油机功率的策略

提高船用柴油机的单缸功率和单机功率是船用柴油机的设计和制造人员的主要课题之。从柴油机问世以来,它的最大功率一直在不断提高,近30年中,柴油机的单机功率不断突破,如在1981年最大的柴油机功率为35 520kW1988年为45 840kW1993年为48 600kW20世纪末,世界上两大著名船用柴油机公司所生产的 Sulzer12RTA96CMAN B&W 12K98MC型柴油机的功率分别达到了65 800 kW68 840 kW。现在,Wartsila 14RT-flex96CMAN 14K98ME7型柴油机的功率分别达到80 080 kW87 220 kW

为了降低营运成本,各种运输船舶一直向大型化方向发展。当前的船用柴油机能够满足大型油船和散货船的推进要求,研发最大缸径和最大功率的柴油机主要是为了满足大型集装箱船对主机功率的要求,这是集装箱船的大型化和高速化决定的。虽然受2008年爆发的国际金融危机和近年来出台的一系列排放法规的影响,大型集装箱船的航速有所降低,所需功率也有所下降,气缸直径超过1 mK108ME柴油机没有如期开发,但集装箱船的大型化必须有更大功率的柴油机的推进,这决定了船用柴油机仍然将继续增大功率。

当前釆用的技术手段主要是通过提高柴油机的强化程度保证所需的推进功率,增加S/D值降低转速和提高推进效率。为大型集装箱船推进新开发G95MEC92型柴油机是 MAN DieselTurbo公司推出的有史以来最大的发动机,其外形尺寸已超过没有如期开发的K108ME柴油机。尽管G95ME柴油机的气缸直径和单缸功率比K108ME稍小,其单缸功率已超过现存的任何一台柴油机,它的平均有效压力已达2 MPa,具有更高的强化程度及更低的燃油消耗率。3.46 m长的活塞行程使其转速只有7080 mim,配以直径99 m的六叶螺旋桨,可使其具有更高的推进效率。910缸的G9ME柴油机,足以推进1300014000 TEU的集装箱船,更大型的18000 TEU的集装箱船,则可选取双主机的推进方式。

 

3.8 船舶混合动力推进系统的应用

船舶混合动力推进系统的应用,包括如下几方面:

 

3.8.1 柴油机余热混合推进系统

该系统主要利用船舶主机、发电机组在输出动力和电能时,柴油机的废热生产蒸汽(或其他热媒介质)和空调用冷媒水,从而达到有效地利用资源、节省燃料消耗的目的。

 

3.8.2太阳能电力混合动力推进系统

配备该系统的船舶将采用太阳能、锂电池及柴油发电机组多种能源混合推进船舶。目前主要应用在小型游船上,智能化混合动力管理系统是其技术关键。在不同的日照情况下,船体行驶所使用的动力可通过计算机在太阳能和柴油机组间进行自动调配,节省电力和减少排放均达到30%以上。

 

3.8.3基于超级电容混合动力推进系统

基于超级电容混合动力的船舶电力推进系统包括混合供电电源、充电系统、驾驶操作控制系统、推进系统、控制系统。此系统中的超级电容相对于蓄电池其充电速度快,可以在短时间内完成,并具有无排放、无污染、利于环保、同时具有噪声小,可以提高船舶舱内的舒适度。

 

3.8.4混合型电动船动力系统

混合型电动船动力系统采用柴油一电动配置、船用燃料电池、电池组、太阳板或可缩回的风力发电机和紧凑型的超导电动机等设备。该推进系统在提高船舶整体效率的同时,综合利用各种可再生能源。性能监控、动力管理和冗余是该类型动力系统的技术关键。在未来十年,混合动力的概念将应用于工作船、客船和小型货船,对于大型货船,只能用作辅助动力。

 

参考文献

[1] 伍赛特.船用柴油机应用前景展望[J].柴油机设计与制造,2018,24(03):1-4.

[2] 伍赛特.柴油机行业技术特点及应用前景分析研究[J].内燃机,2018(05):56-59.

[3] 伍赛特.船用柴油机及轮机系统的节能措施研究[J].上海节能,2019(04):271-274.

[4] 伍赛特.船舶电力推进系统的技术特点及发展趋势研究[J].机电信息,2019(15):159-160.

[5] 伍赛特.蓄电池电动船舶的应用前景展望[J].机电技术,2018(05):117-120.

[6] 伍赛特.燃料电池应用于船舶动力装置的可行性及展望[J].内燃机与动力装置,2018,35(04):87-90+94.

[7] 伍赛特.舰用燃气轮机动力装置的前景展望[J].现代制造技术与装备,2018(12):204-206.

[8] 任传倜. 船舶动力装置绿色度评价体系研究[D].大连海事大学,2009.

[9] 刘文科.现代船舶柴油机提高经济性的主要措施[J].合作经济与科技,2010(04):66.

[10] 王志远.浅析船舶柴油机节能途径[J].科技信息,2013(22):227-228.

[11] 吴培莉. 船舶电控柴油主机建模及仿真研究[D].大连海事大学,2012.




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