现代船舶柴油机提高经济性的主要措施

提要柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机,使用挥发性价差的柴油或劣质燃料油作燃料,使得柴油机在船用发动机中取得了绝对领先地位,使得如何提高船舶柴油机经济性的研究成为发展趋势。

关键词:柴油机;经济性;消耗率

中图分类号:F55文献标识码:A

随着汽车保有量的不断增加和石油储备量的减少,石油危机的问题越来越警示人们,请节约能源。与汽油机相比,柴油机拥有较高的热效率和更广阔的应用范围,自七十年代以来,由于柴油机燃油大幅度涨价,燃油费用支出约占船舶营运成本的50%,使得很多研究者长期致力于提高柴油机经济性的研究。而现代船用柴油机近十多年在提高经济性方面取得的成效超过了过去几十年,各种节能措施相继出现并日趋完善。

1、采用定压涡轮增压系统和高效率废气涡轮增压器。在高增压柴油机上采用定压涡轮增压系统代替脉冲涡轮增压系统是现代柴油机的显著特点,同时也有利于提高增压器的效率。新型涡轮增压器的发展和使用,使增压器效率由六十年代的50%～60%提高于60%～76%,由此在提高了柴油机功率的同时,显著降低了柴油机燃油消耗率。

2、增大行程缸径比S/D。增大行程缸径比S/D的主要目的是在保持活塞平均速度Vm不变的情况下大幅度降低柴油机转速,以提高螺旋桨效率,从而提高动力装置的总效率。这是自石油危机以来提高柴油机动力装置经济性的重要措施。然而,增大S/D使柴油机结构复杂,造价增加,因而S/D的增加是有限度的。

3、提高最高爆发压力pZ与平均有效压力pe之比pZ/pe。由柴油机的理论循环研究与实践证实,提高pZ/pe可显著降低燃油消耗率。研究指出,当pZ/pe从7.8提高到12,油耗率可下降约12g/kw.h。因而,现代船用柴油机均采用这种措施降低油耗率。目前,有些柴油机的pZ已达15MPa,甚至18MPa。在保持pZ不变时降低pe值同样可降低油耗率,这也是目前广泛采用的节能措施。

4、增大压缩比?着。现代船用低速柴油机为了提高经济性,根据理论循环的结论仍然采用了在一定范围内适当增大压缩比的措施,把压缩比由10左右提高到16～19之间,提高经济性。

5、采用可变喷油定时(VIT)机构。VIT机构可在柴油机负荷变化时自动调整其喷油提前角,保证在部分负荷(通常为80%～100%负荷)时柴油机的pZ基本不变,而在50%～80%负荷范围内也有较高的pZ值(与无VIT机构比较)。

6、降低摩擦损失功提高机械效率?浊m。柴油机的摩擦损失约占机械损失的40%,因而降低摩擦损失是提高?浊m的主要途径。现代船用低速柴油机采用短裙和超短裙活塞、减少活塞环数量(如由5道减少为4道)及改善活塞环的工作条件等措施来降低摩擦损失,提高机械效率。

7、轴带发电机(PTO)。采用轴带发电机在航行期间可停止柴油发电机运转。此装置并不直接降低柴油机油耗率,但可提高船舶动力装置的经济性。这种装置的优点主要有:可使用油耗率较低的主柴油机供应电力,可节省柴油发电机运转时的滑油消耗,减少柴油发电机的数量与维修费用。

8、柴油机废热再利用。柴油机的废气和冷却介质带走了燃料总发热量中50%左右的热量。充分利用这一部分废热的能量,对提高整个动力装置的经济性有重要意义。如利用废气涡轮发电机组、废气锅炉发电机等。

9、改进喷射与燃烧技术。在高增压柴油机中缩短喷射持续期,改善雾化质量提高燃烧效率是该型柴油机的重大研究课题之一。为此,发展了高喷油压力(达100MPa～140MPa)、高喷油率以缩短喷射持续期的喷射系统,并采取优化喷射系统结构措施提高雾化质量,提高燃烧效率。目前,智能化的电子控制喷射柴油机已开始装船应用。

10、替代燃料。近年来,传统能源供应趋紧、温室气体减排压力不断增大,发展替代能源已成为世界共识。大力发展替代能源、改善能源结构已成为保障我国能源安全的必然选择。乙醇与汽油以一定比例的混合作为汽油机的燃料,在技术上已经成熟,且在国内外的实际应用中已取得了良好的效果。而将乙醇和柴油混合作为柴油机的燃料随着对柴油机环保标准的提高和节约替代石油资源的需要,也越来越引起重视。燃用乳化柴油燃油消耗率比燃用纯柴油时低,并且随着乳化油中掺水量的适量增加,节油率也增加,经济性得到一定的改善,而且NOx的排放比燃用纯柴油有很大幅度的降低,烟度也有较大程度的下降。

11、优化管理。在航行中,为确保柴油机处于良好的工作状态,提高经济性,在柴油机的日常管理中可以适当优化,如根据柴油机的温度和燃烧方式进行合理选择燃油;按不同船舶及货源情况选用75%～80%nb(标定转速)作为长期运转转速,降低燃油耗量;合理选择冷却系的温度;按柴油机特性选择工况等。

(作者单位:江苏海事职业技术学院)

主要参考文献:

[1]李文祥等.按使用工况改善重型柴油机经济性的研究[J].汽车技术,2008.5.

[2]周萍等.柴油掺水乳化对柴油机经济性和排放的影响[J].重庆工学院学报(自然科学版),2007.4.

[3]王贤.国内外机车柴油机经济性及改善措施[J].内燃机车,2009.1.