浅析船舶柴油机节能减排技术

浅析船舶柴油机节能减排技术摘要：针对船舶柴油机面临的既要降低排放又要降低油率的双重挑战，介绍了船舶柴油机一系列节能减排技术，包括改善燃料燃烧过程，开发新型替代清洁燃料技术、排放控制和尾气处理技术以及发动机动力系统能量综合利用等技术，以期满足船舶柴油机节能、低排放及高效率的要求。关键词：船舶柴油机；排放；控制；发展随着世界范围内的能源危机和环境污染问题的日益严重，人们对于发动机在节约能源和控制污染物排放方面的要求日趋严格。柴油机因其功率范围大、效率高、能耗低、使用维修方便而优于蒸汽机、燃气轮机等，在民用船舶和中小型舰艇推进装置中确立了主导地位。目前，柴油机占据了船舶动力系统市场95%的份额，对航运业发展和国际间贸易有重要的意义。但是，船舶柴油机排放带来的环境污染却令人担忧。因此，船舶柴油机面临着既要降低排放，又要降低耗油率的双重挑战。从改善燃料燃烧过程、使用新型替代清洁燃料、进行排放控制和尾气处理以及综合利用发动机动力系统能量等方向出发，不断开发船舶柴油机新技术，改善发动机性能，提高可靠性、降低发动机排放，通过发动机系统集成和能量回收利用技术，进一步提高发动机系统效率、降低总排放（NOx、CO2、SOx、PM等），实现发动机优秀性能和超低排放。1发动机减排技术发展随时国际环保意识的增加，船用发动机排放控制技术和低排放大功率柴油机的研究上取得了阶段性的进展，超过40家的单位与科研院所参加了船舶超低排放燃烧高效项目的研发，2，2022年，IMO推出传播能好限制指数，要求各成员国自愿执行，2022年开始强制执行，2022年10月，国际海事组织环境保护委员会对IMO附则进行了修订，分别规定了再不同时期和区域NOx、CO2、SOx、PM等排放量的限制值以及对燃油含硫量的规定，2022年开始强制执行IMOTirer3法规，这项举措为法律法规的实施提供了技术保证。建立和开发了先进的计算模型和工程软件工具，验证新一代船用发动机的潜在优势。该项目在结题时达到了预期成果，船用柴油机燃油消耗率降低了9%，改善高船用柴油机推进系统的超过50%，降低二氧化碳的排放量。对船舶柴油机开展了“极限”参数发动机的热力学和机械学试验，研发了降低排放的内部方法、多级智能涡轮增压技术、能量回收及复合式热发动机技术、先进的后处理技术、排放及性能监控新传感器、以及自适应控制智能发动机等技术的开发研究。机内主要是通过改善燃烧来达到节能减排的目的，主要从油、气及燃烧的角度，介绍涡轮增压、高压共轨、先进燃烧三大技术。1.1涡轮增压通过将涡轮增压器的连接轴与一高速发电机相连，该发电机同时具有电动机的功能，解决柴油机与涡轮增压器作为流通特性不同的两个热力系统不匹配的矛盾，低负荷时涡轮增压器无法提供柴油机需要的增压压力；与压气机轴相连的发电机在电动机模式，补偿不足的涡轮功，提高增压压力，改善了柴油机的低负荷性能和启动工况性能。高负荷时，涡轮发出的功又会过多。发电机将增压器多余的轴功转化为电能，起到排气能量回收的作用；低负荷时，进而实现节能减排的目的。两级增压系统的结构通常是在柴油机的排气管上由一个较小的高压级增压器和一个较大的高压级增压器串联连接组成，其工作原理是利用采油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。并且通过一些辅助措施，使增压压力在一定范围内可调。柴油机废气首先经过带废气旁通阀的高压级涡轮膨胀做功，然后经过低压级涡轮膨胀做功；而新鲜进气则经过低压级压气机压缩后进入高压级压气机，由于此时压缩空气的温度与压力都较高，因此在高压级压气机与柴油机进气管之间增加中冷器来降低进气温度，从而增加柴油机进气充量的密度与流量，经过中冷器冷却的进气最后进入进气管。柴油机采用两级增压后，由于进气压力上升，进气流量也大幅上升，可改善缸内混合气的质量，NOx并不显著增加，而微粒的排放量却会降低，特别是低速大负荷时的微粒排放明显减小，改善柴油机的低速油耗。1.2高压共轨技术共轨系统中，高压油泵前端的齿轮泵将燃油从油箱里抽出，再通过燃油滤清器送入高压油泵升压并输送到共轨管，最后经高压油管进入喷油器。为了节省喷入燃烧室的燃油量是关键。目前有一种燃烧室燃油喷入量控制技术，电控共轨喷射技术。共轨管上安装的共轨压力传感器、压力调节阀和电控装置形成闭合的压力控制回路，从而确保所需的供油压力。电控单元ECU根据柴油机工况（转速、负荷、空气温度、冷却液温度等）和共轨压力计算出最佳的喷油时间和喷油量，发出驱动信号并通过驱动电路控制喷油器的电磁阀，获得最佳的喷油效果，以达到优化柴油机燃烧的目的。1.3先进燃烧技术柴油机低温燃烧是一种新型的燃烧方式，近年来在国内外得到了广泛研究，其降低排放的机理对混合气的均质程度没有特殊要求，主要通过引入超高比率的冷却过的EGR降低燃烧温度，使缸内燃烧过程在Φ-T图上的路线避开NOx和碳烟的生成区，实现NOx和碳烟零排放所需的GER率一般高达70%以上。2新型替代清洁燃料技术常用的代用燃料有植物油、天然气、醇类燃料、氢和燃料电池等。其中，大多是二次能源，资源丰富，且可以有效降低环境污染。目前開发的新能源机型有双燃料发动机、气体燃料发动机以及生物燃料发动机等。双燃料发动机可交替燃用柴油/重油和LNG（液化天然气），与传统使用柴油重油的船用发动机相比，具有燃料混合灵活和低排放的特点。其燃料混合的灵活性体现在整个功率输出范围内，燃油模式可与燃气模式任意切换。近年来，在Wrtsil、MANB&W等柴油机巨头的带动下，全球双燃料发动机技术发展迅速。在双燃料低速机方面，由于可携带燃料量的限制，全球仅有Wrtsil的RTX5型和MANB&W的MEGI型双燃料发动机，且均处于试验测试阶段。而在中高速机方面，已取得了大量实船的实绩。气体燃料发动机可以极大地改善船舶发动机排放，满足日益严厉的排放法规，但受安全性、储存安装、运输和补充等影响，以及受大功率低速气体发动机技术限制，目前成熟机型主要以船舶中速发动机为主。而其它新型能源，如太阳能和风能，虽不可能成为船舶动力的主体燃料，但可作为补充能源，作为减排的措施之一。3未来发展趋势近年来，船用柴油机随着人类对环保意识对增强，得到了飞跃性的发展。建议采用几方面措施来达到节能减排的目的。（1）改善燃料燃烧过程通过改善燃料燃烧过程可以减少害物排放、降低燃料的消耗，提高发动机效率。（2）新型替代清洁燃料技术目前比较成熟的新