船用低速柴油機節能減排關鍵技術

翁雨波，劉碧濤，李文華，劉 毅

（1.中國船舶工業綜合技術經濟研究院，北京 100081；2.大連海事大學，遼寧大連 116023）

0 引言

2008年 10月，IMO修正的 MARPOL公約附則VI對NOx排放以及使用燃油的含硫量提出了3個等級（Tier I至Tier III）的限制要求，Tier II的NOx排放量限制值約為Tier I標準的80%，Tier III的NOx排放量限制值約為Tier I標準的20%。隨著排放法規的日益嚴格，柴油機技術將面臨更多、更高的要求。對以LNG等清潔能源為燃料的雙燃料柴油機的研究得到了許多公司及研究機構的關注，而傳統的低速柴油機作為使用最為廣泛、數量最多的動力裝置，仍是船用柴油機市場的主力軍，全球 95%的遠洋船舶選用低速柴油機裝船。通過對低速柴油機關鍵技術的分析，研究關鍵技術對柴油機性能的影響，為我國自主創新研發船用低速柴油機提供參考和指引。

1 船用低速柴油機研究現狀

目前，船用低速柴油機品牌主要有曼恩、瓦錫蘭和三菱。根據近年的統計，曼恩和瓦錫蘭兩大品牌壟斷了95%以上的船用低速柴油機市場[1]，其技術水平能夠代表低速柴油機產業整體的技術水平。當今主流低速柴油機產品的平均有效壓力在 20 bar～21 bar（1 bar=0.1 MPa），最大燃燒壓力能達到185 bar，大缸徑低速柴油機最低燃油消耗率在155 g/(kW·h)左右[2]。

自 2004年起，曼恩和瓦錫蘭參與了一項有數 10個機構參加的科研計劃“高效超低排放船用發動機科研計劃（HERCULES）”（2004年～2015年）?？蒲杏媱澐譃?3個階段：第 1階段，開發能大幅降低船用發動機氣體和顆粒排放同時提高發動機的效率和可靠性的先進柴油機技術；第 2階段的主要目標降低排放，重點減少燃料消耗和二氧化碳排放；第 3階段，進一步大幅降低油耗同時優化電力生產和使用率。通過該計劃，研究了先進的燃燒、噴射模型及其實驗驗證、排放控制技術、新型材料減少摩擦以及自適應柴油機控制及其生命周期可靠性[3]。

歐洲于 2015年啟動了 HERCULES的后續計劃HERCULES-2。目標包括以下方面：開展點火、油束貫穿度、噴射系統等方面的研究，開發適用于多種燃料的燃油噴射系統，更高精度的缸內測量傳感技術；通過開發新型材料，提升零部件載荷，提高發動機設計和燃燒過程的自由度，進而達到提高發動機效率和降低排放水平的目的；基于專業的傳感器技術和先進的柔性潤滑油注射系統，開發先進的自適應潤滑監測系統；開發新型潤滑噴射系統，降低發動機運營成本和顆粒物排放；采用全新的發動機性能評估方法，包括大數據處理和分析，開發發動機狀態監測和診斷系統，優化全生命周期性能，使發動機維護和運營費用降低[4]。

國內，趙峰等[5]對高壓共軌柴油機噴射系統參數優化進行了研究。吳安戾等[6]研究了柴油機余熱利用技術，設計的余熱利用系統具有一定的經濟效益。在振動噪聲控制領域，國內多家機構，如哈爾濱工程大學、海軍工程大學等，在柴油機聲源識別技術、柴油機進排氣消聲系統設計技術、柴油機低噪聲設計技術以及柴油機有源消聲技術等方向進行了研究，取得了一些成果[7]。

2 船用低速柴油機新的關鍵技術

2.1 低速機節油技術

2.1.1 滑閥式噴油器

滑閥式噴油器的最大特點就是將針閥軸延長至噴油嘴內部，閥軸延長段內部鏤空、上部開有小孔，允許燃油通過小孔進入閥軸延長段的內部，再從底部穿出、經噴嘴下部邊緣的針孔噴入氣缸。針閥軸延長段的下部外緣與油嘴內緣在針孔上部形成密封，以防止燃油沿延長軸的外緣經噴嘴針孔漏入氣缸?；y式噴油器取消了原有的“噴射霧化腔”，這樣可以降低油耗，而且也消除了噴油器由于密封不嚴發生滴漏的問題，從本質上改善了缸內燃燒過程，顯著降低了氮氧化物的排放，進而減少了排煙管中的積碳，并且降低了諸如碳氫化合物、氮氧化物及顆粒物的排放。此外，由于該噴油器使缸內燃燒更加充分，因此柴油機的黑煙減少。

在目前船舶普遍采取低速（部分負荷）航行的背景下，滑閥式噴油器由于在主機低負荷的情況下可以有效提高主機的性能，并且可以顯著減少積碳，這樣就減少甚至完全避免了進行清除排煙管內的積碳的操作。

據實船試驗，7S50MC-C和7S60 MC-C機型在所有負荷下，其甲烷（CH4）排放量和廢氣排放量均可比傳統機型降低75%左右[8]。

2.1.2 經濟噴嘴技術

經濟噴嘴（EcoNozzle）是一種低成本的噴油器改造設計裝置，如圖1所示。

圖1 EcoNozzle

EcoNozzle在噴油器本體上的改造僅僅是將原噴油器4孔結構改造為5孔，雖然只是多開了1個孔，但是整個燃燒控制已重新設計。改進的燃料噴射模式優化了火焰形狀和燃料輸送，從而優化SFOC，燃料可節約 2 g/(kW·h)～7g/(kW·h)。EcoNozzle 全功率范圍節油效果如圖2所示。EcoNozzle是原噴油器一個普通的磨損部分，可以很容易地在正常大修或發動機不運轉時進行更換。

圖2 EcoNozzle全功率范圍節油

2.1.3 經濟凸輪

經濟凸輪（EcoCam）裝置可用于改裝配有單渦輪增壓器的機械二沖程發動機。EcoCam裝置采用“虛擬凸輪”原理，凸輪線型通過調節液壓推桿油量來液壓控制，其結構如圖3所示。

圖3 EcoCam的結構

EcoCam裝置能利用“虛擬凸輪”調整廢氣閥的定時，從而增加最大氣缸壓力，在船舶發動機低速航行時實現燃料節約。在傳統柴油機上，靈活的廢氣氣閥定時只有電控發動機才能實現，而 EcoCam可使凸輪機械控制的發動機也實現靈活定時。經過 2次獨立測試，使用 EcoCam 可節約燃料 2 g/(kW·h)～5 g/(kW·h)，如圖 4所示。當采用低負荷運轉方式時，由于發動機低負荷運轉會影響扭轉振動和 NOx排放水平，為避免傷害發動機，或者使NOx排放水平與IMO法規不符，EcoCam裝置能計算新的扭轉振動和NOx排放水平。

圖4 EcoCam全功率范圍節油

2.1.4 iCOlube智能船舶潤滑油系統

iCOlube智能船用潤滑油系統與汽缸油輸送泵平行安裝，且始終保持發動機在最佳狀態。它從沉淀柜和儲油柜中抽取油，并通過集成泵將其輸送到 2個日用柜中（1個用于高硫燃料，另1個用于低硫燃料）。該裝置易于安裝，可根據日用柜內啟停油位自動控制啟停。該技術不僅可以使發動機運行更加方便，而且還將為保護環境做出重大貢獻。由于iCOlube智能船用潤滑油系統將使發動機總是以優化的潤滑油注油率和最適宜的堿值（BN）運行，因此將減少碳沉積和冷腐蝕風險，反過來，就意味著將延長大修間隔，從而減少對備件的需求。在校準和調整后，只需要對燃油硫含量進行確認。該系統自動計算汽缸油的最佳比例，使系統油效率的提高更進一步。從氣候變化方面考慮，iCOlube智能船舶潤滑油系統的生命周期評估結果顯示，該系統能夠減少13%的二氧化碳排放[9]。

2.1.5 氣缸油自動混合系統

氣缸油自動混合系統（ACOM）對 2種被認可的不同堿值的氣缸油進行混合，如低堿值氣缸油與高堿值的氣缸油混合。ACOM單元由 3個油柜組成：1個低堿值的氣缸油柜、1個高堿值的氣缸油柜以及1個混合優化堿值的氣缸油柜。當ACOM單元安裝在船上，氣缸油日用柜可以取消不用。ACOM單元直接從氣缸油儲存柜抽取氣缸油。采用ACOM單元時，事先通過做氣缸油掃描試驗得出最佳的氣缸油注油速率因子（ACC因子）?；旌虾螅瑲飧子蛪A值范圍從 BN25到BN100或更高，可以確保在任何時候以最小的注油速度供給最佳堿值的氣缸油，使氣缸油用量顯著減少。最小注油速度導致潤滑效率的提高，能經常矯正粘度和最佳去污，在改變燃料（進/出排放限制區域）時，可快速轉換堿值水平。ACOM由于只有2種油，易于儲存，但可使用的油的范圍更寬。由于黏度保持恒定、雜質含量保持恒定，確保了油能滿足所有燃料任意負荷下的要求。

2.1.6 主機氣缸油在線調合技術

主機氣缸油在線調合技術（Blending On Board，簡稱BOB）基本流程如圖5所示。

圖5 BOB系統

引出部分在用的主機系統油并檢測油質，再根據檢測結果和主機對氣缸油的要求加入不同的添加劑，通過調和設備制備符合主機要求的不同堿值的氣缸油，整個流程都在船上實施。這樣既可節省氣缸油采購費用，又可節省回收的系統油退岸和防止污染的費用。據馬士基流體科技公司提供的信息，調和的氣缸油能夠儲存 2年之久，當然存放時間越短越好。使用BOB系統之后，系統動力油的油質因適量新油置換或者全部更換而改善，主機運轉安全可靠?；蜑V器因油質改善，其清洗頻率降低，可大幅度減輕清洗濾器的工作量。主機系統油由于置換，需處理的廢油量減少 75%以上[10]。使用主機氣缸油在線調合技術后，系統油油質提高、潤滑效果改善、運動件磨損減少、動力油油質提高、動力液壓系統維修費用減少。據馬士基流體科技公司測算，每年還可節省不少備件費用。

2.2 低速機排放控制技術

2.2.1 經濟增壓器

經濟增壓器（EcoCharge）是一種二級渦輪增壓器，其渦輪增壓效率之所以高于一級渦輪增壓器，主要是因為中間冷卻器。中間冷卻器位于低壓級與高壓級渦輪增壓之間，能夠大幅減少將進氣壓縮到高壓所需的能量。渦輪增壓效率的提高會對發動機產生即時的影響，還有助于減少米勒循環過程中的 NOx排放量。EcoCharge系統可提高掃氣效率，使發動機的燃油效率更高。發動機生產商可根據功率輸出和發動機尺寸改裝二級渦輪增壓器。由于 EcoCharge系統可以增加效率和氣缸輸出功率，對比使用傳統單級渦輪增壓器系統，在保持輸出功率不變的情況下可選用尺寸更小的發動機。

2.2.2 高壓、低壓選擇性催化還原技術

選擇性催化還原（SCR）是一種廢氣處理方法，通過該方法可以將船用柴油機中產生的氮氧化物降低到符合Tier III要求的水平。

SCR過程的一個重要參數是進氣溫度。最低的溫度限制取決于燃料中的硫含量和隨后形成的氣體中的硫酸含量。在較低的溫度下，硫酸被氨中和，形成一種粘性產物硫酸氫銨（NH4HSO4），它可能在可控硅元件中積累。這種反應可以通過保持廢氣的高溫來抑制。當燃料中的硫含量小于或等于 0.1%時，大約 310℃的溫度就足夠了。在較低的排氣壓力下，所需的最低溫度將較低。

為避免硫酸氫銨的形成，進氣溫度需要有最低值，但另一方面，溫度也不能太高，因為溫度過高將增加SO3的形成。高溫時，另外一種不太希望發生的反應是NH3的氧化反應，當廢氣溫度超過 500°C時，NH3將氧化，從而使 NH3消耗增加。除此之外，催化劑在500℃～550℃以上時可能會熔融[11-12]。

SCR系統可以作為高壓裝置（SCR-HP）適用于低或高硫燃料，或作為低壓裝置（SCR-LP）僅適用于低硫燃料。SCR-HP通常布置在高壓側，如廢氣渦輪增壓器前，根據負荷情況，高壓側溫度比低壓側高50℃～175℃。但是即使SCR反應器布置在高壓側，在低負荷時，廢氣的溫度仍然太低。所以在低負荷下，可將掃氣箱的空氣旁通，使進入氣缸的空氣減少但空氣壓力不降低，從而使得廢氣溫度升高，這種方法可提升SFOC。SCR-LP使用在燃油硫含量較低的場合，因而可以布置在低壓側，如渦輪增壓器廢氣端之后。其同樣有低負荷時，廢氣溫度仍然太低的問題，SCR-LP的應對方法是將增壓器高壓側的廢氣部分旁通至低壓側，這同樣會提升SFOC。

2.2.3 廢氣再循環技術

廢氣再循環（EGR）是降低船用柴油機 NOx生成的一種方法，通過這種方法，可以使排放滿足Tier III要求。

在EGR系統中，經過冷卻和清洗過程后，廢氣的一部分再循環到掃氣箱。這樣，掃氣中的一部分氧就被燃燒過程中的CO2所代替。這種置換降低了氧含量，提高了掃氣的熱容量，從而降低了燃燒的溫度峰值、減少了 NOx的生成。NOx的減少與再循環廢氣量幾乎成線性比例。有2種不同的匹配方法適用于EGR系統：針對缸徑小于或等于70 cm的柴油機，可配置1臺渦輪增壓器，EGR系統使用旁通的方式調節；缸徑大于或等于80 cm的柴油機，可配置2臺渦輪增壓器，EGR系統使用時將渦輪增壓器切斷，控制工作的渦輪增壓器數量。配置旁路匹配的EGR系統有2個回路，即1個主回路和1個EGR回路，可用于直接將掃氣導入掃氣箱，其原理如圖6所示。

圖6 配置旁路匹配的EGR系統

主回路具有使所有掃氣通過渦輪增壓器壓縮機和掃氣冷卻器的能力。EGR回路讓高達40%的廢氣通過預噴射、EGR單元（廢氣再循環冷卻器和水霧捕集器）在主回路混合。

帶旁通的EGR系統有2種工作模式，即Tier II模式和Tier III模式。如此，可滿足不同排放要求，避免了經過排放控制區的船舶在非排放控制區持續工作在Tier III模式下，導致燃油消耗的增加。

增壓器切斷匹配的EGR系統中有3個回路，即1個主回路、1個切斷回路和1個EGR回路。該系統可將掃氣直接引導到掃氣箱中。主回路可使 70%的掃氣通過基本渦輪增壓器和掃氣冷卻器。切斷回路可使40%的掃氣通過切斷增壓器、EGR單元（EGR冷卻器和水霧捕集器），再通過平衡管進入掃氣箱。廢氣再循環回路可引導40%的廢氣通過預噴射器和EGR單元到主回路中的混合點。

3 結束語

在追求經濟與環保的當下，節油技術與減排技術是柴油機技術發展的關鍵。對于目前使用的一般柴油機，通過改裝滑閥式噴油器、EcoNozzle、EcoCam 等可節油2 g/(kW·h)～7g/(kW·h)。對于某些機型而言，聯合使用EcoNozzle和EcoCam可在全負荷下節油較多。對于新造柴油機，也可以通過使用iCOlube智能船用潤滑油系統、氣缸油自動混合系統、主機氣缸油在線調合技術等方式達到節省氣缸油和系統油的目的。排放控制技術中，EGR和高、低壓SCR技術開發較為成熟，應用效果也較好，但在使用過程中對廢氣溫度的要求加大了其使用難度，使得柴油機燃油消耗增加。