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自20世纪90年代以来,由于国际、国内市场需求的变化和产品的激烈竞争,我国低速柴油机已完全由MAN- B&W的MC/MC- C和WARTSILA- SULZER的RTA系列所取代,而且大部分为出口船舶推进动力配套。而且有些新机型,如大连船用柴油机厂的MAN-B&W7S60MC- C、沪东重机股份有限公司的MAN-B&W 6K80MC- C、7S80MC和宜昌船舶柴油机厂的SULZER RT- flex58T- B智能型船用低速大功率柴油机等,均代表了当代国际先进水平,并填补了国内空白,无论在国内还是在国际市场上都具有很强的竞争力。
尤其是其中有些首制机在我国成功制造,技术难度大,质量要求高,说明我国低速机的生产已达到很高的水平,而且已有能力生产缸径90 cm以下低速船用大功率柴油机。
我国大功率中速柴油机经历了引进、自行研制、再引进国产化、消化吸收和提高的过程。上世纪50-60年代引进前苏联部分机型,在此基础上开发研制了我国中速柴油机,自行研制的中速机缸径系列有150、160、170、180、290、210、230、240、280、300、390mm。这些机型的技术指标与当代国外先进的机型相比有较大的差距。
引进的品种很多,而且大多数气缸直径为200-300mm左右。在引进的机型中,上世纪90年代后期以来新引进的如DK20、L16/ 24、L21/ 31、L27/ 38、PA6等机型与国外产品的差距在逐步缩小外,大部分引进产品已逐步趋于老化,市场竞争力逐步缩小。我国中速柴油机的厂家有淄博柴油机总公司、陕西柴油机厂、镇江船用柴油机厂、安庆船用柴油机厂、重庆长江柴油机厂、新中动力机厂、沪东重机股份有限公司等,主要生产缸径165-400mm,单机功率147-9900 kW,转速500-1400 r/ min的中速柴油机。虽然通过引进中速柴油机,进行国产化、关键技术消化吸收、不断引进国外较新机型等,缩小了与国外的差距。但与国外中速柴油机相比,我国中速机仍存在着缸径分布密集,功率分布范围狭小,大功率柴油机较少,且功能单一,尤其是在可靠性、高增压技术、NOx排放控制、电控共轨燃油喷射等技术方面,还存在很大差距。
船用柴油机在机型发展方面总体看相对稳定,前几年,主要集中在提高机型可靠性方面,这是因为增压技术的发展,柴油机强化度提高很快,尤其是石油危机后,反映在降低燃油消耗率和燃用劣质燃料油为目标的经济性的强烈追求上,各国环境政策对柴油机的排放限制日趋严酷,而NOx、SO2等有害排放物的增加正是高强度与燃用劣质燃料油的副产品,而且这几种有害排放气体成分的含量,船用柴油机比汽车柴油机更甚。各柴油机厂商正在致力于下列共同追求的新型柴油机。
(2)高度强化。即大幅度提高其最高燃烧压力和燃油喷射压力。
(3)废气排放符合日趋严厉的排放法规要求。1997年船舶开始执行国际海事组织( IMO)制定的排放限值,各柴油机厂商采取工况控制或采取废气后处理,甚至重新设计以符合法规要求。
(4)综合经济性好。不仅仅追求的燃油消耗率与劣质燃料的使用,而是包括价格、运行成本、省力、少维修、推进效率等。
(5)总体结构趋于相同。气缸排列以直列和V形两种为主,既是技术目标,也是经济目标的要求。
(6)规范化的接口。尽量满足用户的要求,适合不同配套辅助装置以及监控系统的应用。
大功率低速柴油机广泛应用于散货船、油轮、集装箱船等大型远洋船舶上。
由于船舶日趋大型化、巨型化与自动化以及对船舶主机的经济性、可靠性的要求日益提高,大功率二冲程低速柴油机的技术发展呈现出整体优化的趋势,具体表现在以下几个方面:
(1)单机、单缸功率越来越大,单机最大可达到11万匹马力。
(2)进一步降低燃油消耗率,二冲程低速柴油机的燃油消耗率已降低到164g/ kW·h。
(3)平均有效压力已达1190-1195MPa,爆发压力在1510-1515MPa。
(4)采用高压比、高效的新型增压器,如ABB公司研制的4P型增压器,压比高达5∶1。
(5)采用电子调速器系统、电控燃油喷射系统、高压共轨燃油喷射系统、智能化电子控制系统,进一步提高低速柴油机的可靠性,改善低负荷性能,降低油耗,控制NOx排放,以及安全保护控制等。
中国有著名的柴油机生产厂家如下:
1、潍柴(创于1946年,中国名牌,中国驰名商标,中国企业500强,中国最早生产柴油机的厂家之一,潍柴动力股份有限公司)
2、玉柴(于1951年,中国名牌产品,中国驰名商标,全球最大的独立柴油发动机生产基地之一,广西玉柴机器集团有限公司)
3、锡柴(始于1943年,中国驰名商标,中国名牌,国家高新技术企业,最具竞争力品牌,一汽解放汽车有限公司无锡柴油机厂)
4、上柴(于1947年,中国名牌,中国驰名商标,高新技术企业,国有控股上市公司,十大柴油机品牌,上海柴油机股份有限公司)
5、全柴(成立于1949年,中国驰名商标,国家重点高新技术企业,安徽省著名商标,安徽省百强企业,安徽全柴集团有限公司)
6、常柴(中国驰名商标,中国名牌产品,大型上市公司,中国最具影响力品牌之一,中国500最具价值品牌,常柴股份有限公司)
7、康明斯(创于1919年美国,全球最大的独立发动机制造商之一,大型跨国公司,十大柴油机品牌,康明斯(中国)投资有限公司)
8、中油济柴(于1920年,中国驰名商标,我国最早生产柴油机的厂家之一,行业最具影响力品牌之一,济南柴油机股份有限公司)
柴油机具有热效率高的显著优点,其应用范围越来越广。随着强化程度的提高,柴油机单位功率的重量也显著降低。为了节能,各国都在注重改善燃烧过程,研究燃用低质燃油和非石油制品燃料。此外,降低摩擦损失、广泛采用废气涡轮增压并提高增压度、进一步轻量化、高速化、低油耗、低噪声和低污染,都是柴油机的重要发展方向。
1882年德国人狄赛尔(Rudolf Diesel)提出了柴油机工作原理,
1896年制成了第一台四冲程柴油机。一百多年来,柴油机技术得以全面的发展,应用领域起来越广泛。大量研究成果表明,柴油机是目前被产业化应用的各种动力机械中热效率最高、能量利用率最好、最节能的机型。装备了最先进技术的柴油机,升功率可达到30~50kWh/L,扭矩储备系数可达到0.35以上,最低燃油耗可达到198g/kWh,标定功率油耗可达到204g/kWh;柴油机被广泛应用于船舶动力、发电、灌溉、车辆动力等广阔的领域,尤其在车用动力方面的优势最为明显。全球车用动力"柴油化"趋势业已形成。在美国、日本以及欧洲100%的重型汽车使用柴油机为动力。在欧洲,90%的商用车及33%的轿车为柴油车。在美国,90%的商用车为柴油车。在日本,38%的商用车为柴油车,9.2%的轿车为柴油车。据专家预测,在今后20年,甚至更长的时间内柴油机将成为世界车用动力的主流。世界汽车工业发达国家政府对柴油机发展也给予了高度重视,从税收、燃料供应等方面采取措施促进柴油机的普及与发展。
一、国外柴油机技术的现状与发展
现代的调整高性能柴油机由于热效率比汽油机高、污染物排放比汽油机少,
作为汽车动力应用日益广泛。西欧国家不但载货汽车和客车使用柴油发动机,而且轿车采用柴油机的比例也相当大。最近,
美国联邦政府能源部和以美国三大汽车公司为代表的美国汽车研究所理事会正在开发新一代经济型轿车同样将柴油机作为动力配置。经过多年的研究、大量新技术的应用,柴油机最大的问题烟度和噪声取得重大突破,达到了汽油机的水平。
下面是国外柴油机应用的一些先进技术:
国外柴油机目前一般采用共轨新技术、四气门技术和涡轮增压中冷技术相结合,
使发动机在性能和排放限值方面取得较好的成效,能满足欧3排放限值法规的要求。四气门结构(二进气二排气)不仅可以提高充气效率,更由于喷油嘴可以居中布置,
使多孔油束均匀分布,可为燃油和空气的良好混合创造条件;同时,可以在四气门缸盖上将进气道设计成两个独立的具有为同形状的结构,以实现可变涡流。
这些因素的协调配合,可大大提高混合气的形成质量(品质),有效降低碳烟颗粒、HC和 NOX排放并提高热效率。
高压喷射和电控喷射技术是目前国外降低柴油机排放的重要措施之一,
高压喷射和电控喷射技术的有效采用,可使燃油充分雾化,各缸的燃油和空气混合达到最佳,从而降低排放,提高整机(车)性能。
采用涡轮增压增加柴油机的空气量,提高燃烧的过量空气因数是降低大负荷工况排气烟度、 PM
排放量以及燃油消耗的有效措施。有效的空——空中冷系统,可使增压空气温度下降到50℃以下,工作循环温度的下降有助于NOX的低排放和PM的下降,故目前重型车用柴油机都普遍是增压中冷型,不仅有助于低排放而且燃油经济性良好。此外,涡轮前排气旁通阀的应用,不仅能降低PM和CO排放,
还可以改善涡轮增压柴油机的瞬态性能和低速扭矩。
EGR是目前发达国家先进内燃机中普遍采用的技术,其工作原理是将少量废气引入气缸内,这种不可再燃烧的 CO2
及水蒸汽废气的热容量较大,能使燃烧过程的着火延迟期增加,燃烧速率变慢,缸内最高燃烧温度下降,破坏 NOX
的生成条件。EGR技术可使机动车NOX排放明显降低,但对重型车用柴油机而言,目前倾向于使用中冷EGR技术,因为其不仅能明显降低NOX,
柴油机后处理的目标是进一步改善PM和NOX的排放。目前主要采用加装氧化型催化转化器和研究开发 NOX
催化转化器以及具有良好再生能力的微粒捕集器。
柴油的生产和贮存条件,是保证柴油发动机(车)正常运转延长使用寿命和保持低排放的重要保证。例如瑞典的一级柴油使用中可减少CO排放达54%,HC和
NOX排放达10%,PM排放减少14%~47%。发达国家已普遍使用燃料清净剂,既能节省燃料,又能清除积碳、降低排放。
柴油加水掺合乳化剂,使其形成较为稳定的含水乳化柴油,
这类改进型燃料的使用可明显降低柴油机(车)的排放,尤其是NOX和PM。目前美国报道这方面进展较多,我国也在这方面进行研究,且已取得可喜进展。加水20%乳化柴油(70天不分层),在大型柴油机上100%负载工况下,功率不减,节油明显,动力输出比柴油上升4.3%,且烟度和NOX排放下降明显。然而,尽管这项技术对低排放有好处,但其潜在的问题如水结冰、
水对发动机的腐蚀等问题尚待解决。
柴油机排放的颗粒物中,有相当一部分来自馏分较重的机油的燃烧。
为了满足日益严格的柴油机(车)排放限值标准的要求,必须把来自机油的燃烧降至最低限度,即在保证发动机正常运转的前提下,最大限度地减少机油的消耗。为了降低柴油机的机油消耗,
活塞环的优化设计和制造及缸套间的科学配置非常重要。