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上海汽車集團(tuán)股份有限公司

關(guān)鍵字：船舶；柴油機；輪機系統(tǒng)；節(jié)能

0 引言

自1973年第一次石油危機以來，人們一直在追求提高發(fā)動機的效率。目前，船舶主機的效率已達(dá)到50%以上。然而，輪機是一個綜合系統(tǒng)，對船東來說，首要的目標(biāo)還是降低船舶總的燃油消耗，進(jìn)而減少船舶CO2的排放[1]。能量的綜合利用和系統(tǒng)節(jié)能就是在這一背景下發(fā)展起來的。從能量的綜合利用的觀點出發(fā)，人們不僅追求提高主機的效率，更重要的是提高全船效率，即提高柴油機動力裝置能量系統(tǒng)的經(jīng)濟性，始終是船舶柴油機動力裝置研究的一個重大課題[2][3]。

1 船用柴油機節(jié)能措施研究

近年來，受能源危機的影響，提高船舶柴油機的動力性和經(jīng)濟性始終是柴油機發(fā)展的一個重要方向。為提高柴油機的動力性和經(jīng)濟性，一方面需降低燃料費用，燃用劣質(zhì)燃料。另一方面則采用各類節(jié)能措施努力提高柴油機自身的經(jīng)濟性。

1.1 采用長行程和超長行程技術(shù)

船舶柴油機采用長行程技術(shù)最突出的優(yōu)點就是可以降低螺旋槳的轉(zhuǎn)速，提高螺旋槳的推進(jìn)效率，從而提高推進(jìn)裝置的總體效率。

此外，采用長行程技術(shù)能提高柴油機自身熱效率，主要原因有以下四個方面。

（1）柴油機理論循環(huán)的熱效率的提高。行程缸徑比（S/D）值的增大，有利于提高壓縮比，且可在較高的壓力下實現(xiàn)近似等壓燃燒[4]。

（2）可改善燃燒過程。壓縮比的提高可提高柴油機的壓縮終點溫度和壓力，從而提高工作循環(huán)的最高溫度和壓力，若不改變活塞行程而提高壓縮比，則會造成燃燒室高度降低，不利于油氣的混合和燃燒過程的進(jìn)行。S/D值的增大使柴油機在提高壓縮比的同時提高了燃燒室的高度，以有利于氣流的組織和可燃混合氣的形成，從而改善燃燒過程，進(jìn)而提高柴油機的熱效率。

（3）膨脹功增加。柴油機S/D值增大后，活塞行程加長，可使柴油機缸內(nèi)氣體的膨脹更加充分，減少了膨脹功損失。

（4）提高換氣質(zhì)量。由于柴油機S/D值的增大，柴油機轉(zhuǎn)速降低，一方面對于相同換氣持續(xù)角，時間相對延長；另一方面使膨脹更加充分，換氣過程更加完善。

目前，低速柴油機的S/D值已由20世紀(jì)80年代初的2．0左右增長到4．0以上，例如MAN B&W公司的ME-B系列柴油機的S/D值已達(dá)4．4。30年來，在氣缸直徑不變的情況下，活塞行程增加了一倍以上。此外，加長活塞行程能提高柴油機的單缸功率，在船舶推進(jìn)功率基本不變的情況下，可減少相應(yīng)主機的氣缸數(shù)，縮短機艙長度，增加貨艙容積。

1.2 應(yīng)用增壓技術(shù)

增壓技術(shù)在柴油機中的應(yīng)用對于柴油機發(fā)展具有里程碑意義。由于在增壓器中利用了柴油機排氣中的能量，在提高柴油機功率的同時也提高了柴油機的效率。

柴油機增壓技術(shù)的發(fā)展主要是提高增壓器的效率，而增壓器效率的提高與增壓器的設(shè)計制造密切相關(guān)。在增壓器中主要有壓氣機側(cè)的工作葉輪和葉片擴壓器、渦輪機側(cè)的噴嘴環(huán)和工作葉輪兩組葉片，氣流在葉片中流動時，由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、氣流流速、流量、透平前壓力的不同，所形成的氣流流動情況不同，對葉片的沖擊角也不相同，造成氣流和葉片間的撞擊、摩擦損失，致使增壓器效率較低。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，可利用計算流體力學(xué)（CFD）的方法優(yōu)化氣流的流動，采用有限元方法（FEM）分析葉片的工作狀況，并將此技術(shù)用于增壓器葉片的設(shè)計，以大大降低氣流和葉片間的摩擦撞擊損失。同時，加寬透平葉片使燃?xì)獾呐蛎浉映浞?，且可根?jù)柴油機的不同工況改變噴嘴環(huán)的角度，形成為變噴嘴環(huán)的增壓器，從而使增壓器的效率大大提高。

據(jù)統(tǒng)計，如果增壓器效率達(dá)到64%，基本上可以滿足柴油機換氣和燃燒的需要。目前，由于增壓器效率的提高，它提供的能量不僅可滿足柴油機換氣和燃燒的需要，而且尚有剩余，可利用動力渦輪進(jìn)行發(fā)電或?qū)a(chǎn)生的機械能送至曲軸，提高柴油機的綜合效率。

1.3 改進(jìn)燃油噴射和燃燒及應(yīng)用電子設(shè)備

為了改善燃燒，需重點提高燃油噴射壓力，以此延遲噴射時間，改善燃油霧化質(zhì)量，提高噴射和燃燒速度，實現(xiàn)近似等壓燃燒，提高柴油機的熱效率和改善環(huán)境經(jīng)濟性。

為了更好地控制柴油機的噴射和燃燒過程，目前已將電子設(shè)備及軟件成功地應(yīng)用于船舶柴油機，成為船舶柴油機的基本組成部分。

1.4 降低摩擦損失提高機械效率

柴油機的摩擦損失約占機械損失的40%，因而降低摩擦損失是提高效率的主要途徑。降低摩擦損失的措施有以下幾點：

（1）減少活塞環(huán)數(shù)量；

（2）改善活塞環(huán)的工作條件，如提高活塞的頂岸高度及低速柴油機增設(shè)活塞清潔環(huán)，中速柴油機應(yīng)在氣缸套上增設(shè)抗磨環(huán)，活塞環(huán)外表面噴鍍陶瓷等；

（3）保證氣缸潤滑，如采用先進(jìn)的電子控制注油系統(tǒng)，多層注油及對缸套進(jìn)行深度研磨，保證氣缸壁的油膜等。

2 以柴油機為核心的輪機系統(tǒng)節(jié)能措施研究

輪機總能系統(tǒng)包括船舶主動力裝置（柴油機）、船舶發(fā)電機組、鍋爐等各個系統(tǒng)，輪機系統(tǒng)節(jié)能即是綜合分析系統(tǒng)內(nèi)部動力、供熱、供電、加熱、冷卻各方面的相互關(guān)聯(lián)和作用，從充分利用燃料熱量、獲得最大效益的觀點對系統(tǒng)進(jìn)行全面優(yōu)化。

船舶輪機系統(tǒng)中的主要設(shè)備是船舶主柴油機，其主要功能是為船舶提供推進(jìn)動力。目前，船舶柴油機自身的熱效率最高可達(dá)55%，已達(dá)到這類熱機的極限，其余的45%無法轉(zhuǎn)變成有用功，僅是以熱能的形式存在。其他的很多設(shè)備和系統(tǒng)是為船舶主機服務(wù)的，如燃油加熱和柴油機的冷卻等。輪機系統(tǒng)節(jié)能需要綜合考慮整個船舶的動力提供、供電、供熱、冷卻等問題。

2.1 合理選擇柴油機工況點

目前，世界上幾個主要的船舶柴油機生產(chǎn)廠家所提供的柴油機都有一個選型區(qū)域，對于確定的船舶，可選用不同的主機。

盡管主機選型需要考慮推進(jìn)功率、螺旋槳效率、所需推進(jìn)功率及船舶營運方式等因素，但從節(jié)能角度看，工況點的不同，主機的燃油消耗率也存在不同。為此需合理選擇工況點，使柴油機盡量在低油耗的工況區(qū)內(nèi)運作。

2.2 采用軸帶發(fā)電機

采用軸帶發(fā)電機是對船舶動力供給的優(yōu)化措施。所謂軸帶發(fā)電機，即是在主柴油機正常運轉(zhuǎn)期間，通過專設(shè)的恒速傳動裝置驅(qū)動發(fā)電機發(fā)出滿足船舶航行所需要的電力。采用主機軸帶發(fā)電機有以下幾方面技術(shù)優(yōu)勢[5]。

（1）降低主機燃油消耗，提高綜合經(jīng)濟性；

（2）有利于能量綜合利用；

（3）減少潤滑油消耗及副機維護(hù)保養(yǎng)費用；

（4）減輕機艙噪聲，改善工作條件。

2.3 柴油機廢熱利用

2.3.1柴油機動力系統(tǒng)可利用的能量

柴油機動力系統(tǒng)的廢熱主要由如下幾部分組成：

（1）柴油機排氣中所帶有的熱量；

（2）柴油機冷卻水中所帶走的熱量；

（3）增壓空氣的熱量；

（4）其他形式的廢熱，如潤滑油帶走的熱量和一些輻射散熱[6]。

柴油機動力系統(tǒng)的各種廢熱的溫度不同，可利用的價值也不相同。在船舶上，有供暖、制淡、加熱各方面的需要，為各種不同形式能量的利用提供了用武之地，輪機系統(tǒng)能量的綜合利用即是要充分利用各種不同形式的能量，以達(dá)到提高能量綜合利用效率的目的。

2.3.2廢氣熱量的利用

柴油機的廢氣是最具有利用價值的能量。目前通常采用的方法是部分用于驅(qū)動動力渦輪，用于帶動發(fā)電機或?qū)⑦@部分機械功回輸?shù)讲裼蜋C曲軸；并可用于加熱廢氣鍋爐，使之產(chǎn)生蒸汽用于各處加熱。

為此，應(yīng)對廢氣中的熱量進(jìn)行重新配置，使其從大量低溫變成少量高溫，以提高廢氣的利用效果，該系統(tǒng)被稱為熱效率系統(tǒng)（TES）[7]。

熱效率系統(tǒng)的運作時間很大程度上取決于主機的尺寸和船舶運營方式。如在熱帶環(huán)境下運行的時候，熱效率系統(tǒng)的發(fā)電量高于在冬季環(huán)境中的運行，則輸出功率更高。且熱效率系統(tǒng)裝置越龐大，其單位裝機輸出功率需要的投資花費則相對越少。

2.3.3冷卻水熱量的利用

高溫淡水系統(tǒng)釋放的熱能可以用于燃油的加熱，而低溫淡水則可以用于制取淡水和進(jìn)行艙室供暖。由于系統(tǒng)設(shè)計和投資費用的影響，這部分能量的利用仍有待進(jìn)一步開發(fā)研究。

2.3.4增壓空氣中熱量的利用

增壓空氣中的熱量也較高，已超過了廢氣的允許最低溫度。目前，如何充分利用這部分能量仍在研究之中，其主要原因是這部分熱源的熱量不穩(wěn)定。

（1）壓氣機的出口溫度與進(jìn)口溫度直接相關(guān)，環(huán)境狀態(tài)的變化會引起壓氣機出口溫度較大的變化；（2）增壓空氣的出口溫度和負(fù)荷有較大的關(guān)系。增壓壓力隨負(fù)荷的平方而變化，柴油機在部分負(fù)荷工況工作時，增壓空氣的出口溫度較低，而在低負(fù)荷工作時，甚至可能需要對增壓空氣進(jìn)行加熱。

此外，潤滑油帶走的熱量和一些輻射散熱的利用價值較低，但仍有一定的利用余地。

從柴油機為核心的輪機系統(tǒng)所采用的諸多設(shè)計層面上的節(jié)能措施是通過技術(shù)管理實現(xiàn)的。其中包括運轉(zhuǎn)工況點和經(jīng)濟航速的選定、系統(tǒng)及設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)、油料的凈化和管理等方面。

3 結(jié)論及展望

就目前形勢看，柴油機仍將會長期作為主流民用船舶動力裝置并得以持續(xù)應(yīng)用，其他類型的熱力發(fā)動機尚無法取代其統(tǒng)治性地位。因此，在該背景下對以柴油機為核心的輪機系統(tǒng)開展節(jié)能研究必然有著深遠(yuǎn)意義。