大功率柴油机的发展与可持续性

第26卷（2008）增刊内燃机学报TransactionsofCSICEVol.26（2008）Suppl收稿日期：2008-10-31；修回日期：2008-12-02。作者简介：奚国伟，教授，大功率柴油机分会主任委员，E-mail：[e-mail]。文章编号：1000-0909（2008）增-0096-0526-107大功率柴油机的发展与可持续性奚国伟(中船重工集团公司第七一一研究所，上海201108)摘要：本文从柴油机的经济性、可靠性、减少环境污染及设计更简洁使其零部件数量较少等方面，阐述了研制柴油机中需要考虑的因素。强调柴油机的研制应针对不同的用户需求，在多参数中作出选择，做到综合平衡，而不应片面强调某一指标的最佳。文中还列举了瓦锡兰公司在这方面的一些实例。关键词：大功率柴油机；可持续性；发展中图分类号：TK42文献标志码：ADevelopmentandSustainabilityofHeavy-dutyDieselEnginesXIGuo-wei(ShanghaiMarineDieselEngineResearchInstitute，Shanghai201108，China)Abstract：Thefactorswhendevelopinganddesigningdieselenginearebasedonfueleconomy，engineperformance，reliability，emissionsanddesigningthecompactdieselenginetodecreaseitcomponents.Thedevelopmentofdieselenginemustmeettherequirementsofcustomerstobalancedifferentissuesandgetthecomprehensivedecisionratherthanemphasizingoneparameter.SomeexamplesinWartsilaCo.arelistedinthispaper.Keywords：High-powerdieselengine；Sustainabilitylisted；Development引言世界经济的发展对动力的需求强劲，同时也促进了运输业的发展。运输业的发展又促进了内燃机产业的发展。大功率柴油机作为船舶和小型陆用电站的首选动力，近年来发展迅猛。然而，由于全球性的资源短缺，及人们对全球环境保护的需求日益强烈，这对大功率柴油机的发展提出了更具挑战性的要求。大功率柴油机的发展如何在经济性、可靠性、减少环境污染及设计更简洁使其零部件数量较少等方面在现有的水平下做到最佳的平衡，即，尽可能地提高经济性以最大限度地降低燃油消耗；尽可能地提高可靠性以减少需维修的时间，尽量减少零部件的更换数量；减少对环境的影响，尽可能地减少排放污染物和噪音对环境的污染；提高设计和加工水平，使大功率柴油机的结构更趋简洁，零部件数量更少。换言之，就是用尽可能少地占用资源，尽可能少地对环境污染来发展大功率柴油机，即使大功率柴油机的发展更具可持续性。当然，这些要求往往是相互制约的，对一台机器来说不可能所有单项指标都处于最佳。这就需要我们不断提高设计能力，针对不同的用途，使所使用的机器的综合水平处于最佳的状态。笔者最近看了一些资料，对此有所启发，在此向大家作一介绍，以期引起大家一些联想。以瓦锡兰公司为例，他们已经在2004年把公司产品的可持续发展定为公司的发展战略，并通过不断地创新来提高其产品的使用寿命和更好地符合环境保护的要求。表1为该公司的发展目标。从表中我们可以看出，瓦锡兰公司把发展气体发动机和生物燃料发动机放在了很突出的位置。此外，他们非常重视产品的设计阶段，从设计阶段着手来提高产品的使用寿命。本文主要从三个方面对瓦锡兰公司的一些做法作一介绍。2008年12月奚国伟：大功率柴油机的发展与可持续性·97·表1瓦锡兰公司对发动机的发展目标Tab.1TheDevelopingTargetsofWartsila’sEngine目标环境得益2004年底的状态每年电厂用气体和生物燃料的发动机销售1000000kW与燃油相比，用气体和生物燃料排放污染少2004年为759000kW提高运行和维护的协议量，使其覆盖到新安装机器的20%提高了电厂的运行效率和计划性2004年运行和维护协议量占新电厂定单的30%和所有提交机器的14%可为各种发动机室提供综合的气体发动机设施在LNG船上使用去杂质气体取代蒸气，可提高效率和降低排放目前只在LNG船和海上平台使用与目前标准的推进器效率相比，能够提供效率提高10%的产品改进了船的整体效率，降低了燃油消耗和排放在船用动力上已经完成了一项环保打包项目发展具有极低排放的燃料单元样机并提供一批能使用生物燃油的发动机发展环境上可靠的解决方案第一个燃料单元样机的试验装置已经完成，第一批生物燃油发动机正在运行1产品和环境环境方面的要求主要与产品的使用有关。就发动机而言，它使用燃油和润滑油，产生机械能和热能，排出废气、废热及废水。表2为瓦锡兰产品对环境的影响。表2瓦锡兰产品对环境的影响Tab.2TheEffectaboutEnvironmentforWartsila’sProducts环境方面产品对环境的影响解决方案原材料的消耗所有产品自然资源的消耗提高产品的使用寿命；在制造中使用再生材料；强调材料的使用效率；改进材料的耐久性及使用自动滤器燃油和润滑油的消耗发动机及推进系统自然资源的消耗提高能量的转换效率，减少润滑油的消耗废气排入大气发动机空气污染降低排放，提高效率噪声和振动发动机和推进系统不舒适有效地噪声缓解方案和静音系统固体和液体的废弃物所有产品增加了垃圾填埋场的废弃物填埋量材料的循环利用；使用自动滤器及延长润滑油的使用时间废热的排放发动机增加了大气的热量使用热循环利用系统电能和热能动力解决方案增加了对环境改善的益处能量有效的解决方案1.1提高发动机原材料利用率通过提高发动机的使用寿命、降低单位功率质量比以及报废零部件材料的再利用来提高发动机材料的利用率。瓦锡兰发动机的使用寿命一般要超过25年，如W32机，1978年进入市场，已生产了4,500多台，目前几乎都在使用。对这些较早年代设计的机型，公司通过不断地改进，以改善其性能，满足环境保护的要求。至于单位功率重量比，中、小缸径的柴油机较1990年前有较大幅度地减少，但近10年其减少的幅度已经趋缓；大缸径柴油机的单位功率质量比近10年来减少幅度较大，如W46机10年里其单位功率的质量减少了10%以上。20世纪80年代末、90年代初船用中、高速柴油机开始采用模块化结构的设计，这一结构一改传统柴油机管路复杂、生产、安装、维修困难等不利因素，使柴油机的零部件数量大幅度减少。采用模块化设计的柴油机零部件数与传统的柴油机相比，约可减少40%左右，从而有效地节约了原材料资源。目前，模块化结构的柴油机已广泛地应用在柴油机上。一般的中、低速柴油机其使用寿命通常都在100,000~200,000,h，其间要经过数次大修，对大修更换下的零部件，应尽量做到再利用，以最大限度地减少原材料的消耗。1.2开发多种燃料发动机在燃料方面，由于石油资源的短缺，据目前比较流行的观点，在未来10~15年，全球的石油产量仍是供不应求，石油价格的持续上涨已是不争的事实，加上“国际气候框架协议”要求减少CO2的排放量，所以，许多国家投入了大量的人力和财力来开发新能源，以降低对石油的依赖度。对发动机而言，最明显的改变是增加天然气的使用。据报道，使用天然气比使用石油类液体燃料可减少25%的CO2排放量，比使用煤减少40%的CO2排放量。使用生物燃料也是一种趋势，但使用生物燃料更多的是政策层面的问题，·98·内燃机学报第26卷增刊而非技术层面的事。对发动机来说，开发可使用多种燃料的机器是其发展的趋势。瓦锡兰公司正致力于这方面的工作，他们力求根据用户的需求，使同一台柴油机既可使用重油，又可使用天然气，甚至又可使用生物燃料。多燃料技术就是要让用户针对其使用情况来选择是使用液体燃料、气体燃料还是其它燃料。表3是瓦锡兰公司针对其发动机所使用的燃料范围。表3瓦锡兰发动机的燃料范围Tab.3TheFuelRangeofWartsila’sEngine石油基液体燃料气体燃料生物燃料(举例)轻油(LFO)天然气(NG)菜籽油重油(HFO)液化天然气(LNG)棕榈油天然矿物油(CRO)压缩天然气(CNG)椰子油重粘度基油合成气生物柴油(B100)渣油(Orimulsion油)煤层气(甲烷)油水乳化剂1.3提高效率，降低排放发展高效率的发动机始终是业内人士关心的一个话题。这不仅是高效率发动机可以降低燃油的消耗，节约运行成本，而且它与排放直接有关，尤其是使用石油类燃料的发动机。因为，这类燃料中含有的硫和碳，经过高温燃烧产生SO2和CO2并排入大气。高效率发动机可直接降低SO2和CO2的生成量，进而可减少废气的排放量。图1为不同动力装置CO2排放量的比较。从中可以看出，由于柴油机，尤其是低速机的热转换效率最高，所以它的CO2排放量较锅炉和燃气透平要低。图1不同动力装置CO2排放量的比较Fig.1TypicalSpecificCO2EmissionsofVariousProcesses柴油机的热转换效率在过去30年里有了比较大的提高，大致从41%左右提高到现在的近50%，其中前20年的增长尤为迅速，几乎是从41%左右提高到了近49%左右，近10年该数值变化较慢。在柴油机内部提高热效率的通常手段有：提高缸内压力；提高压缩比；缩短燃油喷射期；优化气阀定时及改善燃烧过程等。但是，这些手段往往与降低排放的要求有冲突，需要综合平衡。对于电厂，如果采用热电联供，可大幅度地提高整个装置的热效率。以柴油机为动力的电厂，如采用热电联供的方式，其综合热效率可达75%~90%。使用气体发动机其排气污染要优于柴油机，尤其是NOx和SO2的排放。表4为不加排气处理装置时气体发动机与柴油机的主要排放物的比较。表4气体发动机与柴油机的主要排放物范围比较(不加排气处理装置)Tab.4TheComparingtheMainExhaustofGasenginewithDiesel排放物柴油机气体发动机NOx/10-6700-150060-130SO2/10-630-10000-3CO/10-620-150200-500HC/10-615-1001000-2000PM/(g/nm3)20-100下面就CO2、SO2、NOx、颗粒物(PM)和烟度等主要废气排放物对环境的影响、在发动机里的形成机理及如何降低它们作一简单的描述，列于表5。从表5可以看出，许多降低方法与提高热效率是矛盾的，而且有些方法相互之间也是有冲突的，这就需要我们针对不同的应用情况，做到综合平衡。1.4降低噪声发动机的噪音主要由空气辐射噪声、结构噪声和排气噪声组成。通过改进设计和采取特殊措施，可以极大地降低发动机的结构噪音；排气噪音可以通过加装排气消声器来解决。对于船用动力，其噪声范围应满足IMO的标准。优化材料的使用应是产品设计不断追求的目标。就柴油机设计而言，应在降低单位功率的重量与兼顾大修期及零部件的使用寿命之间取得平衡；就柴油机运行成本来说，燃油消耗是主要的，所以我们应优先考虑降低燃油消耗和降低排放；如何降低润滑油的消耗也是设计人员需要考虑的，瓦锡兰公司采用总体考虑的方法来设计活塞、活塞环和缸套的组合以降低润滑油的消耗，同时使用自净式的自动滤器取代更换滤芯式的常规滤器。2008年12月奚国伟：大功率柴油机的发展与可持续性·99·表5发动机主排放物形成机理、对环境的影响及其降低措施Tab.5TheFormingtheMechanismoftheMainExhaustofEnginesandEffectonEnvironmentandtheMeasureofDecreasingThem排放物对环境的影响形成机理降低的方法CO2使全球的气候变暖燃料中所含的碳在