船舶柴油机节能减排技术

曹用顺

（中国石油集团海洋工程有限公司船舶事业部，天津 300451）

船舶柴油机节能减排技术

曹用顺

（中国石油集团海洋工程有限公司船舶事业部，天津 300451）

有效地控制好燃油消耗，将对船舶的经济性、环保性产生重大影响。文章介绍了船舶柴油机节能减排的几项技术措施：采用经济航速，降低燃油消耗；采用两级涡轮机增压，提高柴油机的效率；采用VTA涡轮增压技术，提高燃料燃烧的效率；使用共轨燃油喷射技术改进燃油喷射系统，提高柴油机功率，降低油耗。这些措施已在实际中应用，取得了良好的效果。

燃油；船舶柴油机；节能减排；技术措施

随着燃油价格上涨及环保意识的加强，船舶的节能减排越来越受到人们的关注，因此有效地控制好燃油消耗将对船舶的经济性、环保性产生重大影响，本文从船舶事业部船舶柴油机节能减排的角度出发，结合实际，从几个方面探讨船舶柴油机节能减排的有效措施。

1 船舶航行采用经济航速

经济航速是指利用燃油消耗量与航行速度的线性比例关系来确定的船舶最佳航行速度，合理的航行速度可以降低燃油消耗。船舶航行速度直接关系到燃油消耗，是经济和技术的综合反映。

船舶在航行的过程中应根据任务的轻重缓急，选用合理的航行速度。如果任务允许，适当降低航速，可以明显地降低燃油消耗量。若航速降低10%，则主机功率下降27．1%，燃油消耗量减少19%；若航速降低20%，则主机功率下降48．8%，燃油消耗量减少36%，如图1所示。

图1 燃油与航速关系

从图1可以看出，采用经济航速，节能效果明显。但是为了保证柴油机的正常运转，避免主机长时间低负荷运转，从而偏离设计工况太多，使增压扫气不足，产生燃烧恶化、运动部件磨损加剧等情况，比较理想的结合点应为航速降低10%左右。

下面以船舶事业部几艘船舶为例，对相同航程（100 n）额定航速下与经济航速下燃油消耗量进行分析比较，见表1。

表1 船舶在额定航速下与经济航速下耗油量对比

从表1可知船舶采用经济航速燃油单耗大幅降低。

中油海281船常年工作于南海北部湾及大亚湾地区，由于工作紧急，风浪大，任务艰巨，中油海281船基本上保持24 h备车状态，通过上述标准计算，每年仅中油海281一条船可为船舶事业部节省大约1 460 t轻质燃油，如果船舶事业部所有船舶均采用经济航速，那么每年可以为船舶事业部节省达上千万元。按国家环保标准制订的技术标准估算，二氧化碳、二氧化硫、烟尘的排放量也将大大降低，很好地达到了节能减排的效果，实现了国家、公司双赢。

2 采用两级涡轮增压及VTA(Variable Turbine Area）涡轮增压技术

2.1 两级涡轮增压

以往的柴油机采用的是一级涡轮增压技术，其产生的压力相对较低，使压缩进汽缸的空气量有限，汽缸中的燃料不能充分燃烧。这不仅浪费了大量的燃料，也使柴油机的废气排放量偏高。瓦锡兰集团和MAN柴油机公司都成功开发出新型的涡轮增压技术，通过使用两级涡轮增压器来增大压力，增加汽缸中的空气量，解决一级涡轮增压器压力不足的问题。

两级涡轮增压系统是由两个大小不同的涡轮增压器串联组成。其工作原理是：利用船舶柴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 （第一级），然后再驱动体积较大的、增压度较低的涡轮增压器 （第二级）。低压比涡轮增压器的压缩机将周围的空气压缩，然后经过一个直接相连的冷却器，将压缩后的空气传送到高压比涡轮增压器的压缩机中；在此之前被压缩过的空气再次被压缩，再经过一个空气冷却器，传送到发动机汽缸。经过两次压缩，可以大大增加进入汽缸的空气量，从而使发动机中的燃料燃烧更充分，大大提高发动机的输出功率和功率密度，并大幅减少有害气体的排放量。该技术能大幅提高柴油机的效率，输出功率和功率密度能够提升近10%。根据公式：

式中ge——燃油消耗率；

Gt——柴油机每小时的耗油量/kg；

Ne——功率/kW。

这也就是说采用两级涡轮增压技术，在提高余热利用率的同时使燃油消耗率降低10%。图2为一级、二级涡轮增压器。

2.2 VTA(Variable Turbine Area）涡轮增压技术

涡轮增压柴油机的最大优点是可实现小排量、高功率、大扭矩，尤其是其扭矩输出增加明显。但由于涡轮介入程度取决于转速高低，在柴油机低负荷和低速运行下，涡轮增压器不能以最大的效率工作，因而压缩至汽缸内的空气量有限，不能使燃料充分燃烧。这是传统涡轮增压技术的严重缺陷。MAN柴油机 （Variable Turbine Area）涡轮增压技术即VTA，有效地解决了这一问题。VTA技术使得柴油机处在任何负荷和速度运行时，都能根据燃油的喷入量自动、持续、精确地匹配压缩空气的进入量，解决了传统涡轮增压器只能在事先设定的发动机负荷点实现最大效率的问题。这大大提高了燃料燃烧的效率，节约了燃油，大幅削减了碳氢化合物、二氧化碳、煤烟的排放量。据测算，其燃油节约量为4 g/kW·h，以船舶事业部8000HP船舶为例，如果采用VTA技术，8000HP船舶每小时可节省大约27 kg燃油，据资料显示全世界所有船舶的发动机都使用VTA技术，那么每年将减少排放约790万t二氧化碳。MAN柴油机公司已经成功地将VTA技术应用到大型涡轮增压器上，该涡轮增压器将安装在燃烧重质燃油的大型柴油机上。大连船用柴油机有限公司生产的6S50ME-B型柴油机和上海中船三井造船柴油机有限公司生产的SK80ME-C型柴油机，都将安装采用VTA技术的高效废气涡轮增压器。

3 使用共轨燃油喷射技术改进燃油喷射系统

为了节省燃油和使燃油在燃烧室中能够充分燃烧，控制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。该技术的工作系统由高压油泵、公共喷油管、喷油器、电控单元 （ECU）和管道传感器组成，见图3。与传统燃油喷射系统相比，外观结构上省去了凸轮轴、各缸独立高压油泵，省去了电子伺服调速器，省去了燃油泵齿条，共轨燃油喷射系统 （燃油、伺服）压力靠高压油泵上电控执行器控制，采用共轨技术 （燃油共轨、伺服油共轨），只需要设置少量的共用的2、3个齿轮驱动高压油泵，两个齿轮驱动伺服油泵。具体的工作原理为：在电控单元的控制下，高压油泵产生的高压将燃油送入公共油管，然后经公共油管进入高压油管，最后，在喷油器的作用下，将燃油喷入燃烧室。使用该技术可以明显提高柴油机功率和降低油耗，减少氧化氮排放。船舶事业部5000 HP以上船舶辅机基本上采用了电控共轨技术，主机还在进一步的改进之中。

传感器是电控共轨系统获取柴油机上工作状况的主要途径，在电控燃油系统中，通过各种传感器检测出发动机的实际运行状态，控制柴油机共轨燃油系统的基本传感器包括：共轨压力传感器、气流量传感器、增压压力传感器、水温传感器、燃油温度传感器、曲轴角度传感器、油门位置传感器等。

在电控共轨系统中，为了准确测量共轨内的压力，需要在共轨上安装压力传感器，传感器损坏将会造成控制系统误动作，必须保证各个传感器的清洁和保养，尤其是在恶劣状况下工作的传感器，应予以特别关注。

电控共轨系统的市场潜力很大，目前，Wartaila和MAN-B&W两大公司相继推出船用大缸径低速二冲程电控柴油机，而且都已装船营运,在国内，目前中波公司率先购置装备共轨式电控燃油喷射系统，随后宜昌船舶柴油机厂、大连船用柴油机厂、上海沪东重机股份有限公司也于近年相继引进了国外电控共轨燃油喷射设备及其柴油机的制造技术，但到目前为止，作为大型船舶柴油机燃烧控制部分的核心技术仍然掌握在一些发达国家手中。

4 结束语

在节能工作实践中，船舶事业部构建了新型的节能管理模式，将技术节能方法与现代管理学理论有机结合起来，技术节能措施与管理节能措施双管齐下，不仅增加了节能管理的科技含量与可持续性，也使中国石油海洋工程有限公司的节能管理工作上升到一个新水平。

结合中国石油海洋工程有限公司生产经营需求与目标，船舶事业部以经济航速与经营管理为切入点，建立了完善的绩效指标考核体系，建立长期积累与跟踪动态调整机制，通过一系列的配套制度的制订与实施，明确了技术节能与管理节能之间的目标与责任，实现了节能减排和生产经营的科学统一。

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Several Techniques of Energy Saving and Emission Reduction for Marine Diesel Engine

CAO Yong-shun（Ship Division of China National Petroleum Offshore Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300451,China）

It has a great influence on economy and environmental protection of ships to effectively control fuel consumption.Several related measures for marine diesel engine are introduced in this paper,including （1）adopting economical ship speed to reduce fuel consumption; （2） adopting two-stage turbocharging to boost diesel engine efficiency;（3） applying VTA turbocharging to raise fuel combustion rate;（4） applying common rail fuel injection to improve fuel injection system,increase diesel machine power and reduce fuel consumption.These measures have been applied in practice and have got good results.

fuel;marine diesel engine;energy saving and emission reduction;technical measure

TE951

B

1001－2206（2011）增刊－0091－03

曹用顺 （1986-），男，2008年毕业于集美大学轮机工程学院，现从事船舶技术工作。

2011-08-10