船用柴油机节能减排技术发展思路

船用柴油机节能减排技术发展思路　

李国瑞　（７１１研究所，上海２０１１０８）　

摘要：高温和富氧既是柴油机气缸内燃烧所需要的条件，也是氮氧化合物生成的因素。该文建议通过柴油机燃烧　机理分析寻求既保持柴油机高效工作，又能降低氮氧化合物的解决方案，并提出开展船用柴油机再制造以提高资　源利用率。　关键词：船用柴油机；氮氧化合物排放控制；资源利用　中图分类号：Ｕ６６４．１２１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００５－９９６２（２００８）０３－００ｔ５－０３　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｒｉｃｈ　ｏｘｙｇｅｎ　ａｒｅ　ｔｈｅ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｉｎｎｅｒ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｉｎ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅｓ，ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｃａｕｓｅ　ｏｆ　ＮＯｘ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ａ　ｐｒｏｐｏｓａｌ　ｏｆ　ｓｅｅｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｔｏ　ｋｅｅｐ　ｔｈｅ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅｇ　ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉ－　ｃｉｅｎｃｙ　ｗｈｉｌｅ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ＮＯｘ　ｂｙ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｎ　ｅｎｇｉｎｅｓ，ａｎｄ　ｔｈａｔ　ｒｅ—ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｏｆ　ｍａｒｉｎｅ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅｓ　ｃａｎ　ｇｅｔ　ｍｏｒｅ　ｂｅｎｅｆｉｔ　ｏｎ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍａｒｉｎｅ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ；ＮＯｘ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｒｅｓｏｕｒｃｅ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　

１船用柴油机节能减排技术是船舶工　

业节能减排的核心技术之一　

建设资源节约、环境友好型船舶工业需要考虑　

在船舶建造阶段和全寿命使用期内的资源消耗和对　环境的影响。这是因为船舶使用期内的资源消耗和　

有害物排放也是由船舶设计建造阶段所赋予的“先　天性”因素决定的。在船舶设计建造阶段，一般以　

船舶设计自重、造船中的单位产量能耗、钢材利用率　等作为资源有效利用的衡量指标。而在船舶使用阶　

段，船舶动力装置的工作特性对船舶运营阶段的资　源利用和有害物排放会产生更大、更深远的影响。　

在可以预见的将来，船用柴油机仍将是最主要的船　

舶主辅机原动力。因此，船用柴油机节能减排技术　的发展直接关系到船舶工业资源利用和对环境的影　响。随着石油资源的日趋匮乏，全球对环境保护要　

求的提高，这种影响将越来越大。　以环境保护要求为例，现行有害排放物限值的　

制定主要考虑对地区生态环境的影响。船用柴油机　主要在大洋中工作，对地区生态环境影响较小，由此　

造成国际海事组织所定有害排放物限值与港口、码　头所在地（大都为人口密集地区）的地方法规所定　

限值间有明显差异。目前执行的国际海事组织关于　

《船用柴油机氮氧化合物控制技术规则》中，对于转　速小于１３０　ｒ／ｍｉｎ的低速柴油机限值为１７　ｇ／ｋＷｈ，　

作者简介：李国瑞，男，研究员。１９３９年生，１９６２年毕业于上　海交通大学船舶内燃机专业，长期从事船用柴油　机研究开发工作。　对于转速大于２　０００　ｒ／ｍｉｎ的柴油机限值为９．７　ｇ／　

ｋＷｈ，对于转速介于上述两者之间的柴油机限值为　

４５．０×ｎ　ｇ／ｋＷｈ（ｎ为转速，单位为ｒ／ｍｉｎ）。而　

现行地方法规中，欧洲非道路用柴油机（０～３　０００　ｒ／　ｍｉｎ）和美国环保署船用规定（ＵＳＥＰＡ４０ＣＦＲ９４）对柴　油机氮氧化合物和碳氢化合物排放总和限值为７．２　

ｇ／ｋＷｈ，而且即将推出控制更严格的新标准。在新　

的环保法规中，将把有害排放从对地区性的影响拓　展为对全球环境的影响，对全球有害物排放将实行　总量控制。在这种情况下，国际海事组织对船用柴　油机的有害排放限值必将逐步趋严，船用柴油机必　

须在保持高经济性的前提下，大幅度降低有害物排　

放。　

２　船用柴油机节能减排工作的技术难　

占　，Ｉ１、　船用柴油机排气中的有害成分主要是氮氧化合　物和硫氧化合物，二氧化碳也已被列入受控范围。　

硫氧化合物中硫的成分主要由燃油带人，通过　控制燃油中硫的含量，可以有效控制硫氧化合物生　

成量。　氮氧化合物中氮和氧都是大气中的主要成分，　只有在高温环境下氮才会被氧化形成二氧化氮、一　

氧化氮等氮氧化合物，并且随着温度的上升反应速　度加快。柴油机工作过程具有周期性燃烧工作的特　

点，在燃烧过程之间有排气、换气等过程，因而燃烧　室构件有良好的传热、冷却条件，柴油机气缸内燃烧　温度可以比采用连续燃烧方式的燃气轮机高得多。　

上海造船２００８年第３期（总第７５期）　一

１５—　为了完善燃烧过程，柴油机的燃烧都带有一定的过　量空气，高温、富氧的环境是柴油机热效率高的重要　

原因，同样也是氮氧化合物生成的重要条件，从而造　成柴油机的氮氧化合物排放居高不下。由氮氧化合　

物的生成机理可知，只要放慢燃烧速度，降低燃烧温　

度即可减少氮氧化合物的生成量，但同时会使燃油　

经济性变差。目前，借助于电控技术，船用柴油机设　定了经济性优先或排放优先两种工作模式。在海洋　

环境中按经济性优先模式工作，进入港口码头航道　

时换用排放优先模式工作，虽然燃油经济性较差，因　运行时间短，是目前可以接受的一种运行管理方式。　

显然这种措施不能满足未来的环保要求，特别是当　二氧化碳排放也被纳入有害排放总量控制后，燃油　经济性变差将直接导致二氧化碳排放增加。不计二　

氧化碳排放的“排放优先”模式将成为一个问题，需　要在总结柴油机已有节能减排技术的基础上寻求新　

的解决途径。　

３　船用柴油机节能减排技术现状　

船用柴油机节能减排技术分为机内技术措施和　

机外技术措施两大类。　３．１机内技术措施　

（１）减小喷油提前角　这是最容易实现的放慢燃烧速度的方法，但会　直接影响燃油经济性，调节范围较小。　

（２）水的利用　

水的利用有３种方式：使用乳化油、直接向燃烧　室喷水或向空冷器喷水。随着柴油机增压度的提　

高，压气机出口温度也随之提高，高增压柴油机采用　

喷水冷却增压空气的效果更好。水的汽化吸热可延　缓燃烧速度，降低最高燃烧温度，减少氮氧化合物生　成量。同时水汽化后的膨胀作功能力在气缸内和增　压器涡轮内能得到部分实现，因而对燃油经济性的　

影响较小，这是柴油机节能减排很重要的一项措施。　

７１　１研究所对高增压柴油机进行过喷水对燃烧过程　

影响的实验研究，并完成电控喷水系统的研究分析　和系统设计。喷水试验是在一台小型柴油机上进行　

的，当水油质量比达到１：１时，氮氧化合物排放量下　降７５％左右，增压器压气机压比提高４％左右，显示　

了增压器作功能力的提高。国外大量的试验研究报　告也得出了相似的结果。所需的水可利用柴油机冷　却水的热量通过海水淡化方法制取。　

（３）排气回放技术（ＥＧＲ）　

利用柴油机部分排气回放入进气空气中以提高　进气温度，是用于改善柴油机冷启动性能和减少启　动阶段碳氢化合物（白烟）生成量的重要措施。近　

年来，利用废气对燃烧的阻滞作用，在柴油机部分工　况工作时也采用柴油机排气回放技术来降低氮氧化　合物的生成量。通过部分工况有害排放的减少，降　

低各工况加权计算后的有害排放总量。由于柴油机　在部分工况时的燃烧过量空气系数比高工况时大，　

这种情况下适当引入排气不会对经济性造成很大影　响。　（４）智能柴油机技术的应用　

智能柴油机技术包括高压共轨燃油喷射系统、　电控液压气阀传动机构和计算机控制系统等技术的　

应用。　燃油高压喷射是柴油机提高燃油雾化质量、改　

善燃烧过程的重要方法。传统柴油机的喷油泵依靠　

燃油凸轮推动柱塞泵工作，其工作特性与柴油机转　

速和负荷有关，当转速、负荷下降时供油特性恶化，　对燃油经济性和排放性能都带来不利影响。目前规　

定的有害排放限值都是按若干个工况的排放加权计　算的结果，高压共轨燃油系统消除了不同工况下燃　

油喷射质量的差异，有利于全工况工作过程的优化。　采用电控液压气阀驱动机构替代传统的凸轮气阀驱　

动机构，使气阀正时方便可调。　

通过多年来对工作过程的研究和试验验证，工　

作过程优化技术已较成熟，智能化技术使船用柴油　机能兼顾经济性和排放性的综合要求，实现综合性　

能优化运行。　３．２机外技术措施　

（１）代用燃料　

采用柴油代用燃料的目的，一是根据各国能源　供应情况，合理调整本国能源消费结构；二是减排。　目前已采用的代用燃料有液化石油气（Ｉ￣ｐＣ）、液化　天然气（ＬＮＧ）和煤层气等气体燃料，以及正在开发　

中的二甲醚、甲醇等液体燃料。这些代用燃料的共　

同特点是易于形成混合气并完全燃烧，不需要如柴　油完全燃烧所需要的高温富氧条件。但是，使用代　

用燃料需要港口码头有相应的设施，目前这种条件　

还是欠缺的。作为能源的合理使用，在石油资源日　趋紧缺时，将优先满足船舶和航空等运输业的使用　

需求，预计会在陆上（包括陆上交通运输）率先采用　代用燃料，船用柴油机除这类代用燃料的运输船外，　使用代用燃料还有待时日。　

（２）排气后处理　排气中的氮氧化合物在某些催化剂作用下，会　

一１６一　李国瑞：

船用柴油机节能减排技术发展思路　发生还原反应，还原成无害物质排出。这类催化剂　

大都是贵金属，对船用大排量柴油机来说，一般使用　氨作为还原剂，但后处理装置尺度庞大，价格也不便　

宜，实际应用还较少。　４船用柴油机节能减排技术的发展思路　

综上所述，船用柴油机节能和减排还未能找到　两全其美的解决方案。目前船用柴油机的调试参数　都是在满足排放法规的最低要求下尽量提高燃油经　济性，以应对柴油价格的上涨。为此，需要寻求新的　节能减排技术途径。　

４．１从柴油机氮氧化合物生成机理研究着手，寻求　燃烧过程高效和低有害排放的技术措施　

目前所公认的氮氧化合物生成机理中，高温富　

氧条件下氮和所生成的氮氧化合物持续进行氧化过　程，最后形成以一氧化氮和二氧化氮为主的氮氧化　

合物，其他成分不参与反应，对过程也不起影响。在　上海交大开展的燃油溶气喷射研究中，燃油中溶人　

二氧化碳后，不仅因燃油雾化质量提高改善了经济　性，而且试验结果还显示氮氧化合物生成量也明显　减少。联系到排气回放（排气中也富含二氧化碳）　

对降低氮氧化合物生成量的影响，这些现象提供了　

一个启示，即是否二氧化碳对氮氧之间的反应过程　

产生了影响。对此需做深入的研究，从机理上作分　

析解释，寻找既降低排放又不降低经济性的影响燃　烧过程的介质。　４．２发展船用柴油机再制造业，寻求资源有效利用　

和进入船用低速柴油机研发领域的技术途径　再制造业利用旧机回收、改制，能使柴油机制造　中的资源利用率大幅度提高，并节省大量生产工时。　

近年来，船用柴油机技术指标不断提高，作为强化度　指标的平均有效压力几乎已翻了一番。这主要是由　

于影响性能的关键部件如增压器、增压系统、燃油系　统等的改进而取得的。为保证柴油机的可靠性和使　用寿命，其主要构件的热负荷和机械负荷与提高性　能前基本相当，甚至还有所下降，因此正常使用到期　

的船用柴油机，其大型结构件包括机座、机身、气缸　体及曲轴等都可以考虑回用。再制造业需要有研发　

部门对再制造船用柴油机作总体设计、部套选型和　

回用部件的修改设计。在船用低速柴油机主要采用　国外两大品牌的情况下，再制造业是我国进入低速　柴油机设计开发领域的一个易于实施的台阶。再设