船用低速发动机技术现状及发展趋势
2020-06-11 19:07:00
来源：中国船舶报
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国际船舶网
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船用发动机被称为船舶的“心脏”，目前全球90%以上的远洋船舶采用的是低速发动机。在船用低速机领域，由于不掌握核心研发技术，我国目前只能以专利许可的方式进行生产；在船用低速机关重零部件方面，我国也是以专利制造为主，需要大量进口电控系统、燃油系统、增压器、轴瓦、活塞环等零部件，导致我国船舶工业始终存在“心脏病”问题。为有效解决船舶“心脏病”问题，我国船舶工业多年来在船用低速机及关重件自主研发方面进行积极探索，开展了大量富有成效的工作。为此，《中国船舶报》特开辟“船机之声”栏目，为读者提供良好的学术、技术交流平台，致力助推建立船用低速机创新发展技术体系，形成我国船用低速机研发体系和创新能力。——编者
资料图/ALASTAIR PHILIP WIPER
船用低速发动机产业现状
低速发动机一般指的是转速低于300转/分钟的往复式内燃机，可根据燃料的不同，分为低速柴油机和低速双燃料机。低速机具有功率大、效率高、寿命长、可靠性好、操作维修简便等优点，是远洋船舶的主要推进动力。据统计，世界海运量的90%由低速机作为动力驱动。
20世纪50年代，世界上有十余个低速机品牌。由于低速机研发投入大，需要全球服务能力，具备一定的规模才能产生效益，因此经历了一段合并、收购和消亡的过程后，到20世纪90年代，只剩下了3个低速机品牌：曼恩、瓦锡兰和三菱公司。其中，曼恩由原德国MAN和丹麦B&W两家的低速机业务合并产生，瓦锡兰的低速机业务收购自瑞士苏尔寿公司（Sulzer）。2015年，原中船集团收购了瓦锡兰的低速机业务，成立Winterthur Gas & Diesel（WinGD）公司。2017年，三菱公司的低速机业务与神户发动机公司合并，成立日本发动机公司（J-ENG）。目前，世界上3个低速机品牌分别为MAN ES（曼恩改名为曼恩能源方案公司）、WinGD和J-ENG。除J-ENG既有品牌也自己生产以外，MAN ES和WinGD都只负责低速机的技术研究和产品设计，通过许可，由授权专利厂制造。低速机专利厂大多位于中、日、韩三国，三国也几乎制造了世界上所有的低速机。其中，韩国产量最高，中、日产量相当。我国企业中，中国船舶集团有限公司旗下沪东重机有限公司在低速机制造市场的占有率超过了20%，位居世界第二，仅次于韩国现代。
排放法规促进低速机技术发展
低速机近年来技术发展的主要驱动因素是国际海事组织（IMO）的有害物排放法规。为满足2016年生效的氮氧化物第三阶段（Tier Ⅲ）法规要求，选择性催化还原（SCR）和废气再循环（EGR）技术在低速机柴油机上得到了应用。SCR技术市场占有率更高一些，目前正朝着机载紧凑方向发展。WinGD提出了集成SCR反应器与排气集管的SCR on-engine方案，大幅度减小占用机舱的空间。在我国低速机研发、制造单位与WinGD的合作下，首台采用该技术的低速机将于2020年在中国船舶集团旗下大连船用柴油机有限公司完成制造。
2016 年，IMO 海上环境�；の被岬� 70 次会议（MEPC70）将2020 年 1 月 1 日定为全球船舶燃油硫含量不应超过0.5%m/m 标准的实施时间。船舶安装废气清洗系统（EGCS）成为目前船东公司可接受的解决方案之一。按照使用模式，EGCS可分为开式、闭式和混合式�？较低持苯永煤Ｋ旧淼募钚远苑掀星逑�，清洗后的海水经处理后或直接排回大海，具有设备简单、初始投资和使用成本低等特点，但部分国家和港口在其控制区内限制开式系统的废水排放，包括我国。
2020年硫排放限制法规实施后，采用低硫燃料也成为可能的选项。采用低硫燃料消除了缸内湿式燃烧技术应用的阻碍，即燃料中硫与水作用后会腐蚀燃烧室部件的问题不复存在。因此，湿式燃烧技术近年来得到了发展。
MAN ES提出了两种湿式燃烧技术方案。一种是LGIM-W技术，将甲醇和水混合喷入缸内并用常规柴油引燃，该技术已在一台6G50ME机型上得到应用。另一种是PI FIW（Pilot Ignition Fuel-In-Water）技术，即将常规柴油引燃直接喷入缸内的乳化柴油。以上两种技术都可满足Tier Ⅲ要求。
JUMP（J-ENG Unique Marine Power）是J-ENG公司应对硫、氮氧化物和二氧化碳等减排要求的解决方案。该方案只使用船用轻油（MGO或MDO），通过分层缸内喷水技术结合燃烧过程的优化，在满足TierⅡ要求基础上，油耗比常规低速机降低了5%；加装低压EGR后，可满足Tier Ⅲ要求。2019年1月，J-ENG发布了第一台采用JUMP技术的UEC50LSJ成功运转的消息。
双燃料技术能够使用甲烷等新型清洁燃料，是解决硫和颗粒物等排放物的解决手段之一。MAN ES首先推出了高压燃气喷射的双燃料低速机GI系列，采用了扩散燃烧技术（Diesel 循环）。2015年，WinGD交付了首台采用低压燃气喷射的低速双燃料机flex-50DF，DF系列采用预混燃烧技术（Otto循环），氮氧化物排放低，无需后处理装置即可满足Tier Ⅲ要求，但扩散燃烧只能达到Tier Ⅱ标准。此外，低压燃气设备的成本也低于高压设备。由于技术和成本上的优势，WinGD DF系列快速赶超MAN ES的GI系列，目前市场占有率达到70%。2019年，中国船舶集团旗下上海中船三井造船柴油机有限公司交付的12X92DF额定功率达到了63840千瓦，成为世界最大功率的双燃料机，也是有史以来世界最大功率的Otto循环内燃机。
黑碳是造成全球变暖的第二大根源，仅次于二氧化碳，同时也是导致北极冰川融化的重要原因之一，船舶动力是北极黑碳的主要来源。国际船舶黑碳减排目前仍处于立法阶段，黑碳减排将是低速机面对的下一个技术难题。IMO黑碳排放措施研究通信组识别了41种黑碳减排措施，主要包括燃料类型、后处理技术、发动机类型、新型动力系统、船舶运行参数等五个研究方向，其中轻质燃油技术、颗粒捕捉器技术及其组合被认为是解决黑碳问题的重要手段。
“三化”成低速机技术发展方向
经过多年的发展，可以看出，智能化、低碳化、集成化是低速机技术未来重要发展方向。
近年来，智能船舶成为国际海事界新热点。IMO、国际标准化组织（ISO）等国际组织将智能船舶列为重要议题，国际主要船级社先后发布了有关智能船舶的规范或指导性文件。2016年，我国启动了“智能船舶1.0研发专项”。2018年年底，工业和信息化部、交通运输部、国家国防科技工业局三部委联合发布《智能船舶发展行动计划(2019～2021年)》，“推动船用设备智能化升级”是其强调的重点任务之一。低速机是远洋船舶最为重要的船用设备，其智能化技术已成为制约船舶工业跨越发展的关键瓶颈。
2018年4月，IMO MEPC 72届会议上制定了IMO海运温室气体（GHG）减排初步战略，确定将在本世纪尽快实现航运无GHG排放的愿景。2019年6月，MEPC 74届会议明确了船舶能效设计指数（EEDI）第三阶段的开始时间和削减率，整体上，开始时间有所提前，削减率有所提升。为应对温室气体减排要求和能效法规，世界各国在提高低速机能效和降低碳排放方面开展多种技术的研究。燃料方面，MAN ES正在开展氨低速机开发。氢、甲醇、生物柴油等零碳、低碳燃料也是国内外研究的热点。
系统集成方面，混合动力系统在内河船上已有典型应用，在远洋船舶上，低速机集成PTI/PTO,与辅机系统构成统一的船舶电网，再加上储能单元，形成了远洋船舶混合动力系统一般形式。应用储能单元可对负载“削峰填谷”，尽可能使主机在高效率工况下工作。在靠港时，停掉主机，使用辅机或储存的电能来操纵船舶，可以提高船舶能效、降低碳排放。国内外企业和研究机构都在开展远洋船舶混合动力系统的相关研究。
我国低速机技术获得长足进步
我国一直致力低速机自主化发展，历史上也曾有过自主品牌产品。在当前船舶工业转型升级、高质量发展的要求下，我国应该有自己的低速机品牌和自主的研发、制造、服务体系。通过收购一个成熟的低速机设计企业，获得一个较高起点，是实现我国低速机产业跨越式发展的有效的、可行的途径�；谝陨险铰钥悸�，2015年，原中船集团收购了瓦锡兰的低速机业务，成立了WinGD。与此同时，中国船舶集团旗下中船动力研究院有限公司牵头启动了船用低速机重大科研专项，积极开展国内外的研发协同。通过四年多来的夯基垒台，我国低速机技术有了长足进步，取得了丰硕的阶段性成果。
截至目前，400毫米缸径低速机双燃料机工程样机落实了装船订单；低速柴油机和双燃料机原理试验机在上海临港成功点火、运行，这两型机均为世界上指标最先进的原理试验机，它们的建成意味着我国已拥有世界最先进的低速机整机试验平台；低速机核心配套件研制也取得了可喜进展，电控系统实现了配机应用，增压器、油雾探测器取得了中国船级社的认可证书，形成了自主配套能力。
在科研专项的带动下，我国各单位坚持“政、产、学、研、用”的协同研发模式，积厚成势，努力提升我国低速机的创新能力，建设自主可控的低速机工业体系，补齐船舶工业高质量发展的短板，为增强我国船用动力乃至船舶工业的国际竞争力，力争实现我国低速机自主创新发展的“中国梦”不断奋斗。
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