舰船动力装置在过去近百年中,经历了从蒸汽机推进到柴油机推进的重大变革。近几十年,随着船用燃气轮机的出现和核能的开发,舰船动力装置得到了极大的丰富,国外在舰船柴油机和燃气轮机等领域的技术发展迅速。
船用柴油机具有热效率高、功率范围广、较好的功率重量比和功率体积比等优点,因此在舰船动力装置中所占份额极大。在一般大中型民用船舶中,有90%以上使用柴油机做为主推进装置,一般称为主机,只有在一些军船和特种船舶和个别货船(比如一些LNG船和运煤船等)使用燃气轮机、蒸汽机等。
现代低速柴油机,以MC系列为例,其单轴功率为1 600~69 640kW,此范围满足了大部分船舶的推进要求。为与低速柴油机争夺市场,中速柴油机的输出功率也在不断提高,两者功率重叠范围不断扩大。现在中速柴油机可选范围为720~18 000kW。而高速柴油机功率在3 000kW以上时选择余地不大。
船舶发展的大型化与高速化,使得柴油机将进一步向高性能、大功率方向发展,并要求具有高的可靠性和耐久性。近10年,船用柴油机在高可靠性、低排放和高功率密度等方面取得了长足的进步,这与其在共轨喷油技术、电子控制技术和相继增压技术等领域的发展密切相关。
1. 共轨喷油技术
在MTU4000系列柴油机上应用的第一代共轨喷油系统的喷油压力为180MPa,第2代共轨喷油系统采用高压直列式燃油泵和引入式喷油器,与第1代系统最大的不同是每个引入式喷油器都配有燃油蓄压器,蓄压功能由这些蓄压器来完成,共轨的功能缩减为仅向蓄压器供油。蓄压器可在整个功率范围内产生180MPa的压力。
2. 电子控制技术
柴油机电子控制技术包括,增压系统和配气系统等采用电子控制,以及电子调速、气缸电子润滑和柴油机电子启动等,即对柴油机的工作运转等进行全电子控制。MTU公司的改进型4 000舰艇柴油机采用了新一代燃油共轨技术和电子控制技术,废气可不经过烟气再处理和不使用其他设备就可满足排放要求,达到了新的NOx排放限制,NOx排放量为7.2g/kW·h,粒子排放也很少。
3. 相继增压技术
舰船柴油机大多采用相继增压系统(STC),使柴油机在高转速时2台(多台)增压器能一起工作,低转速时1台增压器停转或部分增压器停转,以提高其效率,从而增大低转速时的柴油机功率,改善低负荷性能。
(本文作者单位:机械工业信息研究院)