摘要：近年来各国在降低船舶运营成本及减少大气污染排放量等方面的设计和技术上都有很大的进步，目前船舶柴油机废气的利用主要在两个方面，一是废气通过废气涡轮增压器将其能量转换成进入气缸空气的压力，二是作为废气锅炉的热源。但却没有再利用经涡轮增压器后废气的动能，使得柴油机废气能量的利用率仍偏低。本论文的研究主题是降低船舶空气压缩机的启停频率，延长其使用时间；进一步提高船舶柴油机燃料的利用率并降低船舶海上运输成本；让系统能够进一步利用废气能量压缩空气，且在不影响柴油机正常运转的前提下;进一步优化船舶压缩空气系统。
关键词：柴油机；废气；压缩空气；可行性
0 引言
目前船舶压缩空气主要来自船舶空气压缩机。船舶上的压缩空气是船舶柴油机及其他船上许多设备，如分油机，锅炉等不可缺少的一部分。现船上由电动机带动的活塞式空气压缩机是使用最广的一种，其驱动主要靠电力驱动，消耗的电力主要来自船舶发电柴油机。而柴油机废气所含能量约占其消耗燃油量的17%左右，废气中二次利用的能量约为12%，由此可将废气与空压机结合实现能量的再利用；提升船舶燃油的有效利用程度，并可延长船舶设备的使用时间。
1 设计原理及简图
为了提高燃油的有效利用率，设计方案如下：其设计原理与废气涡轮增压器相似，在增压器后的废气或柴油机废气排出端旁通的废气，通过三通阀，一部分经处理后排到大气，一部分通过一套废气涡轮及传动机构，驱动废气涡轮带动轴转动，实现能量转化。为控制压缩机的速度，传动轴通过调速器或离合器使活塞式压缩机往复运动做功，如图1所示：
为控制压缩机的速度，传动轴通过调速器或离合器进行调速，经过活塞式空气压缩机一级、二级的压缩空气，在油气分离器等净化、处理、分离后，将干净，高质量的空气压送至空气瓶储存；可供外界使用。
图1设计原理简图
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2 结构及功能介绍
（1）废气涡轮及传动模块
废气涡轮
废气涡轮增压的方式主要有脉冲和定压两种。现大型远洋高级商船的主机，由于定压增压的排气总管体积较大，所以容积很大，船舶主机排出的废气，会迅速扩散，并很快稳定下来，因此采用定压增压的方式。在本设计中为了不影响船舶柴油机的正常工作，故采用定压增压的方式。
涡轮特性的计算主要是算出涡轮输出功WT，一般用 “等效流通截面积”为Fr的等效喷嘴代替实际涡轮。等效流通截面积Fr的计算如下式所示:
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涡轮效率一般取=0.85。
轴的连接方式
在本设计中，涡轮会被废气能量驱动产生转矩，带动涡轮传动轴一同转动，如果小型活塞式空气压缩机和涡轮端同轴，很难改变空气压缩机的转动转速，可能使活塞式空气压缩机超速运行。因此须将涡轮传动轴和空压机轴分为两根轴。为改变转速，还须安装相应的调速轴。
（2）调速装置
该系统中涡轮的转速较高，为使空气压缩机能适应涡轮的转速，因此添加调速装置；为提高系统的可靠性，采用的调速装置是：小型多级齿轮变速器。
多级齿轮变速器基本结构
如图2所示，多级齿轮变速器基本原理是通过齿轮间相互啮合，将主动轴动力传递给从动轴。在主动轴和从动轴上安装相应齿轮，齿轮随着轴同速转动，根据齿轮传动基本计算公式求得主动轮与从动轮的传动比。
图2 多级齿轮变速器
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多级齿轮变速器基本工作过程
齿轮变速器能控制压气机的轴转速，使压缩机能适应各种情况下涡轮的转速；由于转速突变会造成机械的损坏，为保证变速正常进行，需安装离合装置，变速前需使用离合。为在紧急情况下压气机轴能够迅速停转，需安装制动装置。综上，可将多级齿轮变速器概括为四个基本工作过程：启动运转、变速运转、制动停机和正常停机。
启动运转：
未启动时，离合器断开，中间轴和涡轮轴断开。启动时，三通阀转动到一定的角度，废气与外界连接断开，让废气排出管和废气再利用涡轮装置相连，废气通过涡轮使涡轮轴转动，当转速达到一定值时，推动离合装置和调速杆，使调速杠杆为低挡位，让中间轴与涡轮轴连接，中间轴通过齿轮传动带动压气机达到指定转速，完成启动工作。
变速运转：
启动完成后，进入正常运转状态。遇到特殊情况，压缩机需更高的转速时，则需进行变速运转。
在变速时，为防止速度变化对轴的影响，先断开离合器，让中间轴和涡轮轴和压气机轴均断开，然后推动调速杠杆到所需转速挡位后，再连接离合器。整个传动轴将在新的传动比带动下以不同的转速运转。
制动停机：
当需紧急制动时，推动制动杠，制动装置贴合在压气机轴上，推动中间轴和涡轮轴离合断开，利用摩擦使得压气机减速至停机。
正常停机：
当需停止压缩机时,三通阀动作，关闭通往涡轮的管路，供气不足，涡轮轴转速逐步下降，当下降到一定转速时，推动制动装置，此时轴间转速差小，对轴的冲击小，之后断开离合器，将调速杆调至空挡完成正常停机工作。
(3)空气压缩机的选择
活塞式空气压缩机：
如图3所示：空气压缩机开始运行时，活塞下行，第一级压缩的吸入阀打开，排出阀关闭，新鲜空气在内外压差的作用下进入气缸，然后吸气阀关闭，活塞上行压缩空气；当气缸内空气压力达某一值时，排出空气阀打开，经一级压缩的空气到达级间冷却器，密度增大，再进入二级压缩气缸再进行类似的工作；最后经后冷却器冷却后，进入空气瓶。
图3 空气压缩机简图
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空气压缩机的能量损失
余隙容积
余隙容积的大小常用VC来表示。在实际循环中，当活塞从上止点下行时，上一个行程残余在余隙容积中的空气首先膨胀，吸气管中的空气压力只有大于气缸内的压力时，吸气阀才能打开。由于在实际循环中有这样一个降压膨胀的过程，吸气行程减小，按吸气压力Ps计算，吸气容积由V p减小到V'，使容积流量降低 。余隙容积的影响用容积系数来衡量:
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吸气预热
过一段时间，压缩机工作后，阀门、汽缸和活塞的温度会升高，气体在吸入过程中会被加热，体积增大，从而导致实际流量下降，部分损失加热损失。它使压缩机容积流量减少的程度可用温度系数来衡量。一般=0.90-0.95。
吸、排气阻力
由于活塞空气压缩机在运行的过程中，进排气阀优节流现象，会使活塞式空气压缩机能量进一步损失。吸排气损失占压缩机能量损失中很大一部分。
泄漏
由于吸入密封、排气阀和活塞环造成的漏泄，会导致容积流量损失。一般用气密系数来衡量，对于状态良好的压缩机来说，=0.9-0.98。
(4)冷却系统
空压机的冷却
冷却水由淡水泵通过管路送至一级低压缸的吸入及排出阀，冷却后的淡水在流经级间冷却器后进一步冷却，再流经高压缸的吸入及排出阀，流经后冷却器，最后返回船舶冷却系统。一级冷却器对一级压缩空气进行初步冷却，节省总体压缩耗功，二级冷却器对排出的压缩空气做最终冷却，使压缩空气体积减小，利于空气瓶储存。
空气压缩机的冷却主要有：
滑油冷却：气缸内各部件动作需采用滑油进行润滑，气缸进行润滑过程中由于滑油的流动，可带走气缸内的部分热量，起到冷却的作用。
气缸冷却：在气缸和气缸体中间开设一定大小的冷却水腔或安装冷却水管流通冷却水进行冷却。
级间冷却：本设计采用二级压缩的空压机结构形式，虽可以在允许的范围内可以调节排气温度，且不会导致结构复杂，但成本高。
后冷却：压缩级完成工作后产生压缩气体，在二级排出管中加入冷却装置，气体冷却可使空气瓶能容纳更多压缩空气。
(5)感应控制模块
装置的启停
如图4所示，装置的起停靠空气瓶上的压力传感器来控制。当船舶压缩空气使用量较大时，辅空气瓶内的压力降低，当低于空气瓶设定的最低压力时，压力传感器将信号传递给三通阀，三通阀动作，废气通过三通阀到达涡轮，驱动涡轮旋转，从而带动压缩机运动，向辅空气瓶打压缩空气。当空气瓶内的压力达到辅空气瓶所设定的最大压力时，压力传感器会将信号传递给三通阀，将废气排向通往大气的一侧。并监测离合器与压缩机的压力数据，实时上报至船舶集控室电脑监控系统。
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图4压力传感器布置
3 三通阀开度控制
图5三通阀开度控制图
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1-电动调节器；2-开关；3-限位开关；4-过载保护继电器；5-电机；6-空气瓶压力传感器；7-减少输出继电器；8-增加输出继电器；9-三通阀；10-来自船舶柴油机的废气；
三通阀开度的控制，借鉴的是柴油机冷却水温度控制系的原理图，两者的原理相似，唯一区别在于将柴油机冷却水温度控制中的温度传感器改为了压力传感器。其工作原理如下所示：
三通阀开度的控制如图5所示，该系统采用的是比例微分控制，它将测量压力传感器安放在空气瓶上。压力传感器的电阻值将随辅空气瓶内压力的增大而减小，经转换，就把空气瓶内压力的变化，成化例地转化成对应的电压信号。这个表示空气瓶内压力的电压信号与中位器调定的代表空气瓶内压力射定值的电压信号相比较:得到偏差值。这个偏差值经比例微分作用输出一个连续变化的控制信号送到脉冲宽度调制器，脉冲宽度调制器把PD输出的连续变化的控制信号调制成脉冲信号。若辅空气瓶内压力高于给定值，脉冲信号使“减少输出接触器7”连续通电，组合开SW1续闭合。若冷却水温度低于给定值，其脉冲信号使“增加输出接触器8”断续通电，组合开关SW2断续闭合
执行机构是一个三相交流伺服电机M5，在它的轴上两个互成90°的平板阀，由电机通过减速传动装置带动。一个阀控制来自船舶柴油机废气到涡轮，另一个阀控制废气通往大气。当SW1断续闭合时，“伺服电机M”5将断续正向(从操作手轮侧向电机方向看为逆时针)转动，关小旁通阀，开大到大气的废气，使辅空气瓶内的压力降低。当SW2，断续闭合时，伺服电机M将断续反向(顺时针)转动，使辅空气瓶内压力升高。这样，可保证空气瓶内的压力稳定在给定值或给定值附近。当辅空气瓶上压力传感器的压力测量值等于或接近给定值时，调节器无输出，“减少”和“增加”输出接触器均断电。SW1和SW2组合开关均断开，电机M停转三通调节阀的开度不变。
在“减少输出接触器”SW1，和“增加输出接触器”SW2的电路中串联了一个限位开关3和一个过载保护继电器4控制的开关Sr3。若某些故障使伺服电机M电流过大时，过载保护继电器动作，使开关Sr3断开。接触器SW1和SW2断电，其相应的组合开关断开，切断电机M电源，保护电机不会因过热而烧坏。限位开关3在一般情况下，其触头是合于A，当电机M带动三通调节阀中的平板阀转到接近极限位置时，触头A断开，使接触器SW1和SW2断电，切断电机M电源，防止平板阀卡紧在极端位置，使电机M回行时动作不灵敏，或因启动电流过大而引起过热。在接触器SW1和SW2的通电回路中，分别串联了SW1和SW2的常闭触头Sr2，和Sr1，其作用是互相连锁，防止接触器SW1和SW2同时通电。
4 系统的优缺点
(1)装置具体优势
在不影响柴油机的正常运行的情况下，通过这套装置得到的压缩空气可进一步节约资源，提高能源的利用率，降低船上空气压缩机的启停频率，延长其使用寿命；将压缩空气并入辅压缩空气系统，并且在不影响船舶柴油机正常运转的条件下，让系统获取到压缩空气；进一步优化船舶压缩空气系统；节约资源，保护环境。
(2)装置的缺点
由于增加了小型空气压缩机，电磁离合器，多级变速齿轮等，会使初期投资成本增加；增设装置大多为机械设备，会增加船舶的噪声，结构复杂；由于柴油机排气温度过高，会使涡轮的冷却及润滑变得困难。
5 结论
对船舶来说，采用新型节能环保技术、可再生的非化石燃料等，都能很大程度上降低船舶运输成本。主机废气压力能回收是节省能源的一种行之有效的方法。本文分别讨论了利用船舶废气驱动涡轮机来带动小型压缩机产生压缩空气的系统工作原理、系统各个部件的连接方式、系统的控制、系统的具体结构，系统的优势及可行性等。通过精密的改进设计降低船舶空气压缩机的启停频率，延长其使用寿命；加大了废气能量的利用率；提高船舶柴油机燃料的经济性并降低船舶航运的成本；减少有害物质排放，保护环境。
参考文献
[1]丰琳琳.二冲程低速柴油机工作过程与增压系统的计算研究[D].上海交通大学.2007
[2]王旭峰.船舶压缩空气系统的设计与实现[D].大连海事大学.2009
[3]林叶锦.徐善林.船舶电气与自动化[M].大连海事大学出版社.2014
通讯作者：
田海涛（1971.10--），男，汉族，山东邹平人，讲师，船舶轮机长，主要从事船舶管理教育
作者：
李太阁 李大伟 郑国华 李程 孙明宽：烟台大学海洋学院学生