船用柴油机技术发展趋势

20
未来拟采用的技术
进气喷水和排气SCR技术
通过在增压空气中喷水或加湿，利用水的汽化吸热，降低缸内 燃烧温度，大幅度降低NOx排放。 在排气中设置选择性催化还原（SCR）装置，催化还原 NOx，使排气中的NOx降到最低。 此两项技术（也称为机外技术措施）已基本成为船用柴油机界 的共识，配合机内措施，能满足未来的排放法规对NOx的限制要 求。 无论何种机外技术措施都将导致油耗增加，因此对高压共轨和 高增压的结构形式及参数的选择需与机外措施一并考虑。
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
21
未来拟采用的技术
智能化综合技术
共轨技术、高增压技术和各种机外技术措施都围绕着各种 负荷段缸内油气混合、充分燃烧、控制燃烧温度、压力等要 求，以达到柴油机理想的热效率并降低有害物排放。单一技术 的ECU（电子控制单元）需要通过集成，形成共轨参数、增压 参数和机外措施的公共ECU ，完成对燃油压力、喷射时间和持 续时间、透平面积量、导入动力透平排气量等调控，构成完整 的智能控制系统。
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
25
结束语
受不断上涨的燃料价格影响和日益严格的排放法规限制，特别 是能效也将作为衡量船舶排放CO2的强制标准，因此船用柴油机技 术必将朝着提高燃油经济性和减少有害物排放的方向发展，在加 强技术创新的基础上，尽快形成应用技术和产品是本领域当前和 未来最主要任务。
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
8
大功率发动机性能的持续改进技术
q 中速机和高速机：
m 平均有效压力大幅度提高。 n 一级增压:最大爆发压力240bar，增压比5.5。 n 两级增压:最大爆发压力280 bar，增压比>6.0 。 n 活塞平均速度：中速机>11 m/s, 高速机>13 m/s。 n 中速机：燃油消耗率大幅度下降。
动作能够根据运行需要完全受控。
q 提供稳定的燃油压力、精确的燃油喷量控制、喷油器和
排气阀的独立受控操作等功能。
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
13
高压共轨技术
q 所有负荷和转速工况条件下都能做到排气无色； q 发动机起动时和加速加载时也可以做到排气无色； q 可优化喷油规律提高燃烧效率； q 可燃用各种不同品质燃油，油耗更低； q 零部件使用寿命应比常规系统零部件更长； q 批量生产的成本可接受。
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
6
船用柴油机技术发展的历程
2015 中国船舶重工集团公司第七一一研究所
7
大功率发动机性能的持续改进技术
q 低速机：
m 功率密度25年成倍增长 n 平均有效压力20～24 bar； n 活塞平均速度> 8.5 m/s； n 气缸压力160 ～ 170 bar， n 行程缸径比2.5 ～ 4.5。 m 热效率达到50 ～ 52％。
m 大功率低速---民船主机 m 中小功率中速---民船主机和辅机 m 中小功率高速---军船主辅机
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
2
概述
q 民船：主机和辅机向大功率发展
m 功率覆盖越来越齐全 m 缸数已含盖直列可利用的全部（4—9） m 缸径从160mm到900mm之间每10mm一款机型
q 军船：向大功率高功率密度方向发展
船用柴油机技术发展趋势
金东寒
2009年7月
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
概述
q 欧洲三大公司MAN、Wartsila、MTU的高、中、低速船
用柴油机占据全球90%以上的市场份额，技术水平处于 领先地位，并引领着技术发展方向。当前和未来，船用 柴油机仍是船舶占据主导地位的原动力。 q 特点：安全、经济、使用便利、功率密度高，其他动力 装置难以取代。 q 作用：主机和辅机
未来拟采用的技术
q 高增压技术
m 使用含钛材料，通过长短叶、前倾后弯叶轮，单级可输出压比 6、运行
效率80%，有取代二级增压的趋势。
RCF impeller
0.81 0.80 0.7 8 0.75 0.71
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
16
高增压技术
q 全负荷时压比提高、Pe增加； q 部分负荷时，可通过调节透平面积，提高经济性和减少
m 强化指标最高已到35，研制38---40 m 水下柴油机在高真空度大背压下提升功率
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
3
技术发展需求
q 低排放 q 高效率 q 低全寿命周期成本 q 高可靠性
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
4
技术发展需求
背景 q 海运的温室气体和有害物排放量巨大
m 温室气体排放量达11.2 亿吨，约占全球排放量之 4.5% ； m 其他有害物质在未来12年将增加30%。
q 油价总体平均增加较快
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
5
技术发展要求
环境法规： 2011年起：NOx比现在减少2.5g/kWh 2016年起：NOx在现有基础上降低80% 2010年起：CO2排放的EEDI指数首次在发达国家自愿 执行，评估后全球执行（中国反对：应区别对待）； SOx和颗粒排放也将更严格 (EEDI：Energy Efficiency Design Index：能量消耗除 以船舶吨重和航速)
q 面临的挑 战 :
m B S F C 和 未 来 排 放 法 规 之间 的 折 衷 。
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
9
未来拟采用的技术
q 目标
m 功率重量比高 m 柴油机运行可靠 m 高效、低油耗 m 排放低
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
10
未来拟采用的技术
q 高压共轨技术：公认的一项革命性技术
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
23
未来拟采用的技术
新材料应用技术
由于船用柴油机开始进入强化指标30（MPa·m/s) 的时代，对高 温、高压下的零部件密封、磨损、可靠运转和排放处理提出了空 前的要求，探索应用高可靠性和特种合金材料及化学物质，包括 航空航天材料将不可避免。如：
q q q q q
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
14
高压共轨技术
1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 常规系统 共轨系统
Engine load (%)
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
15
m 喷油规律可按需设置 m 采用蓄压筒建立高压，并防止压力波动
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
11
Wartsila W32CR柴油机共轨系统
1) 喷油器
2) 蓄压筒
3) 高压油泵 4) 带护套高压油管 5) 高压油泵驱动凸轮
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
12
RT-flex优点
q 柴油机燃油喷射定时、喷油率、喷油压力以及排气阀的
高压喷射技术
将喷射压力提高到2000bar以上，与高增压和共轨技术配合运行， 在各种负荷段，燃油和空气比最合理，混合效果佳：
q 燃烧充分，CO、颗粒和烟气排放低 q 热效率提高，降低燃油消耗和CO2 q 便于重油等劣质燃料使用，提高能效 q 燃烧压力和温度可控，减少NOx排放
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
26
谢谢！
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
27
高增压技术
q 提高柴油机功率，提高功率重量比 q 减少部分负荷的颗粒和烟气排放 q 减少部分负荷的CO2排放 q 提高动力响应特性 q 减少燃油和滑油消耗 q 部分负荷性能接近全负荷
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
28
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
22
未来拟采用的技术
燃料多样化技术
为了适应越来越严格的排放限制和特种船舶及海洋工程的需 要，清洁燃料、LNG和原油船用发动机技术已开始从早期的试验 研究向产品化发展，由于燃料成分的不确定性，关键技术突破和 实现途径还有很多困难，全球各著名船用柴油机公司如MAN、 Wartsila、Mak、Caterpillar研发的初级产品都在实际应用中暴露 出问题，对该技术的研究有待进一步深化。 无论燃料多样化技术如何发展，以柴油（重油、劣质油）为燃 料的船用柴油机将始终处于船舶动力的主导地位。
摩擦副表面喷涂贵金属 增压器叶轮采用含钛合金 透平叶片采用高镍基耐热合金 NOx催化还原需用含氨的化学材料 三元催化（降低CO和HC）需用铂铑族元素
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
24
未来拟采用的技术
循环利用技术
对环境友好、节能减排代表着发展方向：
q q q q q
冷却水再利用技术 冷起动和低负荷时的气缸加热及进气加热技术 过滤器自动清洗再利用技术 零部件再制造技术 颗粒捕获器去颗粒循环利用技术
排放，为各种负荷段燃烧提供需要的气量。
Open
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
Closed
17
高增压技术
船用大功率柴油机高工况运行Hale Waihona Puke Baidu的排气多余能量将通过动 力透平回收。
Open
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
Closed
18
船舶推进能源综合利用系统
中国船舶重工集团公司第七一一研究所
19
未来拟采用的技术