國際金融危機爆發(fā)以來，世界船用柴油機產業(yè)發(fā)展的外部環(huán)境發(fā)生了重大變化，使其正經歷著一場深刻的變革。首先，世界造船市場由興旺轉為蕭條，船用柴油機市場也隨之陷入低迷，且柴油機產能出現(xiàn)嚴重過剩，導致市場競爭進一步加??；其次，近年來國際海事組織對船用柴油機廢氣排放、環(huán)保性能不斷提出越來越高的要求；再者，燃料價格的不斷上漲也給船用柴油機廠商帶來了新的壓力，在世界航運市場疲軟的大背景下，船東正在普遍尋求運營成本更低的船用柴油機，對柴油機的節(jié)能性能提出了更高的要求。
毋庸置疑，外部環(huán)境的變化已對船用柴油機產業(yè)發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)，推動船用柴油機加速升級換代已刻不容緩，而實現(xiàn)這一目標離不開技術創(chuàng)新。最近兩年，世界先進柴油機廠商紛紛加大技術研發(fā)力度，不斷開發(fā)新產品和推出新機型，通過技術創(chuàng)新提高船用柴油機節(jié)能、環(huán)保方面的性能，為客戶提供更為優(yōu)質的產品和服務，以此獲得更多的訂單、賺取更多的利潤，以便在激烈的競爭中占據優(yōu)勢地位，同時也在滿足IMO新標準要求的前提下，為搶占未來市場的制高點做準備。
為提高船用柴油機的節(jié)能、環(huán)保性能，世界先進柴油機廠商都增加了研發(fā)投入，在改善柴油機燃料燃燒過程、使用新型替代燃料以及尾氣處理系統(tǒng)開發(fā)等方面進行了大量的技術改造和創(chuàng)新，并取得了突破性進展。
在不降低船用柴油機功率的前提下，提高船用柴油機節(jié)能、環(huán)保性能最根本的方式是改善柴油機的燃料燃燒過程。世界先進船用柴油機廠商積極開展燃燒控制技術研究及應用，包括渦輪增壓技術、共軌燃油噴射技術及米勒循環(huán)技術等，通過增加汽缸空氣量、精確控制噴油時間和噴油速率來控制燃燒過程，提高燃料的燃燒效率，從而實現(xiàn)節(jié)約燃油和降低廢氣排放的目標。
1．改進渦輪增壓技術，增加汽缸中的空氣壓縮量
在引入渦輪增壓技術以前，柴油機汽缸中的空氣靠自然吸氣來完成，但自然吸氣存在空氣密度低、燃料燃燒不充分的嚴重缺陷。引入渦輪增壓技術以后，渦輪增壓器可以大幅提高柴油機的進氣密度，使燃料燃燒更充分，大幅度地增加柴油機輸出功率，同時可以減少有害氣體的排放量。目前，國際上幾乎所有的柴油機都使用渦輪增壓技術，可以說，渦輪增壓是柴油機發(fā)展的一個飛躍。
渦輪增壓發(fā)動機依靠渦輪增壓器來加大發(fā)動機的進氣量。渦輪增壓器利用發(fā)動機排出的廢氣作為動力來推動增壓器中的渦輪，渦輪轉動的同時帶動增壓器中的壓氣機葉輪，葉輪壓縮通過空氣濾清器管道送來的新鮮空氣，再送入汽缸。當發(fā)動機轉速加快時，高速的廢氣推動渦輪提速，空氣壓縮程度就加大，進氣量大幅度增加，汽缸內燃料燃燒更充分，動力輸出也就更高。
雖然渦輪增壓技術在提高柴油機效率、降低有害氣體排放上有很大的作用，但隨著客戶對柴油機經濟性的要求越來越高和IMO等國際組織對船用柴油機的排放法規(guī)越來越嚴格，該技術現(xiàn)有水平已無法滿足需求。因而，世界先進柴油機廠商近年來對渦輪增壓技術進行了積極的改進和升級，以增強柴油機的性能。
1）開發(fā)兩級渦輪增壓技術
以往的柴油機采用的是一級渦輪增壓技術，其產生的壓力相對較低，使壓縮進汽缸的空氣量有限，汽缸中的燃料不能充分燃燒。這不僅浪費了大量的燃料，也使柴油機的廢氣排放量偏高。瓦錫蘭集團和MAN柴油機公司都成功開發(fā)出新型的渦輪增壓技術，通過使用兩級渦輪增壓器來增大壓力，增加汽缸中的空氣量，解決一級渦輪增壓器壓力不足的問題。
兩級渦輪增壓系統(tǒng)是由兩個大小不同的渦輪增壓器串聯(lián)組成。其工作原理是：利用發(fā)動機工作產生的廢氣的能量，驅動體積較小、增壓度較高的渦輪增壓器（第一級），然后再驅動體積較大的、增壓度較低的渦輪增壓器（第二級）。低壓比渦輪增壓器的壓縮機將周圍的空氣壓縮，然后經過一個直接相連的冷卻器，將壓縮后的空氣傳送到高壓比渦輪增壓器的壓縮機中；在此之前被壓縮過的空氣再次被壓縮，再經過一個空氣冷卻器，傳送到發(fā)動機汽缸。經過兩次壓縮，可以大大增加進入汽缸的空氣量，從而使發(fā)動機中的燃料燃燒更充分，大大提高發(fā)動機的輸出功率和功率密度，并大幅減少有害氣體的排放量。該技術能大幅提高柴油機的效率，輸出功率和功率密度能夠提升近10個百分點，同時降低燃油消耗和二氧化碳排放量。
2）開發(fā)VTA(Variable Turbine Area）渦輪增壓技術
渦輪增壓柴油機的最大優(yōu)點是它可實現(xiàn)小排量、高功率、大扭矩，尤其是其扭矩輸出增加明顯。但由于渦輪介入程度取決于轉速高低，在柴油機低負荷和低速運行下，渦輪增壓器不能以最大的效率工作，因而壓縮至汽缸內的空氣量有限，不能使燃料充分燃燒。這是傳統(tǒng)渦輪增壓技術的嚴重缺陷。MAN柴油機公司開發(fā)了VTA（Variable Turbine Area）渦輪增壓技術，有效地解決了這一問題。VTA技術使得柴油機處在任何負荷和速度運行時，都能根據燃油的噴入量自動、持續(xù)、精確地匹配壓縮空氣的進入量，解決了傳統(tǒng)渦輪增壓器只能在事先設定的發(fā)動機負荷點實現(xiàn)最大效率的問題。這大大提高了燃料燃燒的效率，節(jié)約了燃油，大幅削減了碳氫化合物、二氧化碳、煤煙的排放量。據測算，其燃油節(jié)約量為4克/千瓦時。如果全世界所有船舶的發(fā)動機都使用VTA技術，那么每年將減少排放約790萬噸二氧化碳。MAN柴油機公司已經成功地將VTA技術應用到大型渦輪增壓器上，該渦輪增壓器將安裝在燃燒重質燃油的大型柴油機上。大連船用柴油機有限公司生產的6S50ME-B型柴油機和上海中船三井造船柴油機有限公司生產的SK80ME-C型柴油機，都將安裝采用VTA技術的高效廢氣渦輪增壓器。
2.使用共軌燃油噴射技術改進燃油噴射系統(tǒng)
燃油噴射系統(tǒng)的性能對柴油機的燃燒過程有著重要的影響，改進燃油噴射系統(tǒng)是提高柴油機效率、節(jié)約燃油和降低排放的有效辦法。目前船舶大型低速柴油機使用的燃油噴射系統(tǒng)是傳統(tǒng)的機械式噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)由于結構上的限制，不能同時滿足柴油機發(fā)展的經濟性和排放的要求。此外，目前機械式燃油噴射系統(tǒng)的可變正時機構，只限于少數類型船舶大型低速柴油機使用，而且由于結構復雜，在使用過程中其準確性和可靠性都不太理想．所以機械式燃油噴射系統(tǒng)很難滿足柴油機經濟性、可靠性的發(fā)展要求。
理想的燃油噴射系統(tǒng)應具有如下性能：高噴油壓力（100兆帕以上），且大小可根據工況需求靈活調整；精確而靈活地控制噴油定時和噴油量；噴油率的優(yōu)化控制；與整機匹配靈活。具備以上柔性控制功能是燃油噴射系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)正是順應以上需求而誕生的，且已得到了很大發(fā)展。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)能夠精確、柔性地控制柴油機噴油量、噴油定時和噴射壓力，且性能優(yōu)越，在滿足柴油機經濟性、動力性和日益苛刻的排放法規(guī)的要求上有著廣闊的前景。
康明斯公司開發(fā)出型號為QSK60、V字形、16缸的環(huán)保發(fā)動機，該發(fā)動機所使用的MCRS(Modula Common Rail Fuel System，模塊化共軌燃油系統(tǒng)），能夠按容積精確地控制噴油量。MCRS使發(fā)動機在任何負荷或速度下都能保持持續(xù)的高壓噴射，高噴油壓力可以保證燃油霧化良好，提高了燃油的燃燒效率，大幅降低了廢氣的排放量，使其滿足Tier II的排放標準。
3.使用米勒循環(huán)技術改善燃燒過程
米勒循環(huán)技術是提高柴油機效率的重要技術，但是該技術自身存在缺陷，在低負荷運行時排煙量較大。Mak公司將Miller循環(huán)技術和高增壓技術相結合，開發(fā)出LEE(Low Emission Engine，低排放發(fā)動機）技術，該技術已經在M32C Mak發(fā)動機系列使用。使用LEE技術的發(fā)動機，在不降低發(fā)動機效率的前提下，能將氮氧化物的排放水平降低30%，超過了Tier II的排放要求。為了減少發(fā)動機在低工況條件下可見煤煙的排放量，LEE技術還使用了FCT(Flexible Camshaft Technology，柔性凸輪軸技術)技術。FCT技術能夠保證發(fā)動機在低工況運行時燃料系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)的適時變化，通過提前噴油啟動和增加噴射壓力來改善燃燒過程，同時也將煤煙排放量降低了50％。改變氣閥正時功能關閉米勒循環(huán)，可將煤煙排放再減少25％。因此，MaK公司的FCT技術可將柴油機低工況運行時的煤煙排放量減少75%，同時在過渡工況中提高發(fā)動機性能。
羅爾斯-羅伊斯公司也將米勒循環(huán)技術與提高壓縮比率技術相結合，避免了米勒循環(huán)技術自身存在的缺陷，成功開發(fā)出清潔發(fā)動機（Clean Design engine）。該發(fā)動機能夠滿足國際清潔設計標準，能將氮氧化物的排放量降低20％。此外，使用該技術能夠在不增加燃料消耗的情況下提高發(fā)動機的效率，使發(fā)動機的功率提高到330千瓦／缸，使該公司最大型的發(fā)動機——9缸發(fā)動機的最大功率可達到2970千瓦。
來源：中國船舶設備網
