船舶主机降低油耗方案浅析

船舶主机降低油耗方案浅析

陈怡然

摘要：船舶主机油耗的降低意义重大；提高Pmax/Pe比值可提高柴油机热工效率，降低油耗；主机选型中优先选择爆压较高的机型，选择合适的SMCR 点可有效降低油耗；螺旋桨大盘面化低速化会明显减少功率需求，同时提高螺旋桨效率，降低油耗。

关键词：船舶主机，降低油耗

0. 前言

船舶主机的油耗一直是船舶行业经常探讨的话题，受世界经济形势的影响，国际航运市场持续低迷，航运业运价下跌，波罗的海干散货指数（BDI ）不断创下新低。燃油消耗已成为航运成本的主要构成，低迷的运价让航运公司只能尽可能降低船舶主机的运营成本，所以如何降低船舶主机的油耗在当前成为一个行业性关注度很高的问题。同时，随着TierIII 排放标准的逐渐执行，主机的绿色性能指标也受到更多人的关注，油耗的降低使得船舶的排放以及EEDI 指数将得到提高。

降低船舶主机的油耗，方法有很多，比如船体线形优化、采用高效球鼻艏、螺旋桨选型优化、采用高效发动机、PTO 装置、废热回收装置等等。本文从船舶主机本身降低油耗的方案以及船舶推进系统提高螺旋桨效率等角度，对降油耗的方案进行了简单探讨。

1. 降低油耗方案

1.1 提高主机Pmax/Pe比值

据柴油机工作原理，爆发压力Pmax 是影响内燃机热效率的重要因素。在喷油量一定的情况下，Pmax 越高，指示效率ηi 也越高，燃油消耗率就越低。一般Pmax/Pe比值越大，ηi 就越高，提高Pmax/Pe比值有两个办法，一个是提高Pmax 值另一个是降低Pe 值。但是Pmax 不能无限提高，对于一款确定的机型，其零部件热负荷限制和机械强度限制决定了该机型的最大爆发压力Pmax 值，主机在运行期间不能超过该值。所以为了达到降低燃油消耗率的目的，可以在保持最大爆发压力的情况下让主机降功率使用，以此降低Pe 值，随之增大Pmax/Pee 值，或者根据MAN 机型的设计，选择新型的绿色节能机型MK9，以提高Pmax 。

1）提高Pmax

Pmax 越高，柴油机的热工效率越高，燃油消耗率越低。以MAN 6S50几种机型为例，缸径为500mm ，功率覆盖范围相差不大，最大爆发压力Pmax 如表1.1所示。

表1.1：6S50ME-C 柴油机爆压及功率范围

以某47000吨散货船主机推进系统设计为例，选用主机SMCR 点为7800kw ，108rpm ，选用主机CSR 点为7020kw ，104.3rpm 。以上三种机型功率和转速范围都可以覆盖该船需求，分别对不同机型机型的油耗进行计算结果如下表1.2所示。

表1.2：6S50ME-C 柴油机在选定SMCR 及NCR 点下的油耗

由上述油耗计算结果可以看到，在NCR 点（主机常用的运行功率）处采用6S50ME-C MK9.5机型，油耗比6S50ME-C MK8.1机型降低了6.6g/kwh，降幅达到

3.9%，十分可观。因此在同样的功率和转速范围下，要降低船舶主机的油耗，可优先选择Pmax 高的MK9主机。

随着Pmax 增加，柴油机受力部件（缸盖螺栓、活塞杆、连杆、十字头、轴瓦、曲轴等）承受的应力和载荷也相应增加，轴瓦及油膜工作状态也发生了改变；燃烧室部件（缸盖、缸套、活塞）热负荷提高。振动和噪音将会有所增加。为应对这些变化，柴油机需做较大修改。要降低已营运的船舶主机油耗，直接将将MK8.1结构的柴油机改用MK8.2或MK9.5的爆压是不可行的。如果在原MK8.1柴油机的基础上更改相应结构部件，将会有很多柴油机的主机运动部件以及燃烧系统都需要随之更改，代价相应较高，这是并不合算的。但是在新造船舶和主机时，主机的选型可以考虑选择爆压更高的MK9机型，以降低主机油耗。

2）降低Pe

已营运船舶的Pmax 受已选择的机型限制无法再提高，但我们可以在保持Pmax 的同时降低Pe ，使Pmax/Pe值相对增大，从而提高柴油机的经济性，这种措施不仅可以降低主机燃油消耗率，而且对延长柴油机寿命有益。

每一型号的柴油机，在设计上都有相应的功率和转速范围，船舶设计者根据船舶的性能来选择主机的SMCR 点。选取的SMCR 点不同，对于同一型号的主机，也会有不同的燃油消耗率SFOC(Specific Fuel Oil Consumption)，所以在机桨初步匹配设计时可以根据实际情况和柴油机特性选择合适的SMCR 点，尽可能选取燃油消耗率低的点，使得设计之初就获得较经济的动力。

柴油机根据不同机型有各自的选型图，以MAN 公司的S50ME-C8.2柴油机为例，如图1.1为该机型的SMCR 点选型图。图中二维坐标中由L 1，L 2，L 3，L 4四点围成的区域就是该机型SMCR 点可选择的转速及单缸功率的范围。其中L 1—L 2线是最高转速，L 1点是该机型的最大功率点，也是该机型的NMCR 点（单缸功率为1660kw ，转速127rpm ），L 2点是该转速下的最低功率点（单缸功率为1330kw ，转速127rpm ）；L 3—L 4线是最低转速，L 3点是该转速下的最高功率点，L 4点是该机型的最低功率点。L 1—L 3线/L2—L 4线分别是该机型的最高/最低平均有效压力MEP （或p e ）。

图1.1：S50ME-C8.2柴油机SMCR 选型图

可以看出L 2—L 4线是该机型的最低平均有效压力MEP （或p e ）线，如果选用的主机SMCR 点在L 2—L 4线上，其燃油消耗率就是该机型最低的，最经济的。如表1.3所示，标准负荷优化情况下，SMCR 点（即100%负荷点），选型点在L 2—L 4线上的油耗为164.0g/kWh，相比选型点在L 1—L 3线上的油耗170.0g/kWh，要低6g/kWh，约降低了3.6%的燃油消耗率。

对于L1,L2,L3和L4各个点油耗的对比，我们还是以6S50ME-C8.2机型计算举例。若分别选取上述各个极限的点作为主机SMCR 点，计算得到的数据见表格

1.4。可以看到，等平均有效压力线L1-L3上的油耗是一样的，L2-L4上的油耗是一

样的，同时，选取Pe 值低的点作为SMCR 点，油耗相对较低。所以在新造船舶主机的SMCR 点的选择过程中，在满足船舶推进性能的前提下，尽可能的选择靠近L4的点（在降低Pe 的同时，降低转速，提高了推进效率），可以有效的降低主机油耗。

对于已营运船舶主机，如果要降低Pe 来降低主机油耗，首先需要确定船舶新的航速，燃油重新选择SMCR 点，降低功率点。通过调整主机的性能数据，如重新调整压缩比、匹配增压器、增压废气旁通、更新喷油正时和排气正时参数等，降低主机的使用功率，从而达到降低船舶主机油耗的目的。对于近来MDT 推出的DOT5机型，就是将转速和功率的范围向下各延伸了5%，使得Pe 值降低，同时最大爆发压力维持该机型的最大爆压，提高Pmax/Pe比值，已满足越来越多的低转速和低Pe 值运行的需求。

表1.3：S50ME-C8.2柴油机主要负荷点燃油消耗率

表1.4：6S50ME-C8.2柴油机主要负荷点燃油消耗率

在SMCR 优化点选定后，可以进一步进行负荷区优化，对于主机长期运行的低

负荷或中负荷区域，进行燃油优化，对较少运行的高负荷区域配置废气旁通，从而进一步降低油耗。

1.2 提高桨效率

船舶主机油耗的降低不仅跟主机本身有关，跟推进系统的效率尤其是螺旋桨的效率也是息息相关。螺旋桨转速降低、直径增大，可以提高推进效率，为了获得更高的推进效率，从而降低船舶主机油耗。

船用主机采用大功率低速柴油机作为主推进发动机，主机与推进轴系是直接联接的，没有减速齿轮箱，故而螺旋桨的转速与主机的转速相等。当前低速柴油机市场推出了更低转速的超长冲程机型，可以用于螺旋桨直径(d)更大、转速(r/min)更低的船舶。以下是某型油轮采用不同螺旋桨直径、转速和螺距对SMCR 点的影响。如图所示，直线所示为优化螺距比(p/d)后的不同直径(d)螺旋桨对SMCR 点的需求功率与转速关系；抛物线所示为给定直径d=6.8m的情况下，螺旋桨在不同螺距比(p/d)时对SMCR 点的需求功率与转速关系。

图2.1：某型油轮15.0kn 时螺旋桨直径和螺距对SMCR 的影响

由上图可以看出，原螺旋桨直径5.8m ，螺距比0.72，需求的最低SMCR 轴功率约为9900kw ，转速为131rpm ；而选用低转速的G50ME-B9.3后，螺旋桨可选大到6.8m ，需求轴功率为9050kw ，转速为95rpm 。轴功率的下降，主机的油耗也随之有效降低。 螺旋桨效率的提高需要对船的整体推进性能、航速以及综合运营需求进行综合考虑，它是一个复杂的计算过程，但是总的来讲，大的桨径，低的航速可以显著的降低船舶主机油耗。

2. 结束语

本文简单介绍了船舶主机降低油耗的几种典型方案，提高Pmax 以及降低Pe 都可以有效降低主机油耗。主机的选型中Pmax 越高，油耗越低；SMCR 点的选择越靠近低负荷区域，油耗越低；同时论述了提高螺旋桨的效率，降低转速增大直径都可以使油耗降低，使船舶的运行更具有经济性。

参考文献：

[1] S50ME-C Project Guide. Germany. MAN Diesel SE. 2008

[2] 盛振邦，刘应中. 船舶原理[M]. 上海，上海交通大学出版社，2003.

[3] MAN Diesel & Turbo. Propulsion of 46,000-50,000 dwt Handymax Tanker[P]. Denmark, 2013.

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