L23/30船用柴油机节能减排技术研究

赵富国，陈勇，胡绪昌，项卫东

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)

L23/30船用柴油机节能减排技术研究

赵富国，陈勇，胡绪昌，项卫东

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)

为了满足国际海事组织通过的MARPOL协定VI排放要求，实现TierIII限值，对当前船用柴油机节能减排技术进行了总结，提出了引擎排放内部技术、排气后的处理技术和集成能源综合利用技术，采取燃油-水乳化、加压空气加湿、废气再循环、SCR选择性催化、DOC氧化催化与PDF过滤器组合等方法，经验证表明，NOx、CO等废气排放量满足MOTierIII要求，可有效降低柴油机的污染排放。

L23/30船用；柴油机；节能减排；排放限值

0 引言

由于海上航运业的高速发展，带动了船舶产业的空前繁荣，全球对船用内燃机的废气排放提出日趋严格的法规限值要求。所以，节能减排是促使船舶内燃机技术提高的首要推动力。2008年，IMO(国际海事组织)通过会议达成了MARPOL公约附则VI部分内容的修订[1]，并于2010年7月1日自动生效。减排计划采取分段实施： TierII限值到2011年达标， TierIII限值到2016年实现[2]。

在此形势下，全球船用发动机科研院所和制造商竟相研发燃油经济性好、动力性强、可靠性高的，低排放、超低排放的船用柴油机。尤其是芬兰Wartsi公司[3]以及德国TU和MAN公司，在节能减排控制技术，研发应用推广领域一直处于领先地位。欧盟委员会2010年3月公布《2010-2020发展规划》，包括：增加研发投入、减少温室气体排放和提高能源效率、交通与航空[4-5]。欧委会资助了欧洲43个单位参加船用超低排放研究。并研发出一系列大幅减少NOX和PM污染排放，同时能够提高船舶内燃机的可靠性和热效率，有效降低CO2排放和能耗的内燃机集成新技术，为达到新的船用排放限制要求提供技术支持。

图1 IMO降低NOx排放的两个阶段

1 国际排放法的要求

1.1 IMO的排放法规

IMO海洋环保委员会修定了附则6的条款，条款指明在不同时空规定，硫氧化物(SOx)，颗粒物(PM)，氮氧化物(NOx)等污染排放要求和燃料含S量的规定，表1展示了IMO不同时空区域对NOx限制[6]。

迄今为止国际上规定最高含硫量是4.5%。为了更好地减少船用内燃机SOx排放量，IMO将北海，波罗地海定义为硫氧化物排放限制区。这些地区中，仅能应用含硫量不高于1.0%的燃油，至2015年1月1日不得超过0.1%[7]，否则运营商必须进行等量的排放废气交换。而美国2007年船用降低排放案规定，至2010年起船用停泊地含硫量限制为0.1%。

1.2 EPA

EPA对于美国注册的船舶颁布了严格的引擎排放TierII限值要求，并在2007年实施，对于MOTierI来说，该限制值NO2减少约26～41个百分点，并且限制包括颗粒物PM，一氧化碳CO，硫氧化物SOx,氮氧化物NOx等，EPATierII的要求限值如表1所列。

表1 EPA TierⅡ对一类和二类发动机排放限值

气缸扫气容积类别NOx+CnHm/g·(kW·h)-1PM/g·(kW·h)-1CO/g·(kW·h)-12．5<5．017．20．255．0<15．027．80．27515．0<20．02(<3．3MW)8．70．5515．0<20．02(>3．3MW)9．80．5520．0<25．029．80．5525．0<30．02110．55

对于Vd>30 L的发动机，EPA有可能会采用MOTierII的限值。图2是二者不同阶段排放值的比较。

图2 不同阶段排放值比较

2 船用柴油机的排放控制

2.1 排放控制技术策略

随着船用市场迅猛发展，及船用法规日益严格，近几年对船舶大功率引擎技术发展提出更高的要求。

2.1.1 降低引擎排放内部技术

随着MARPOL公约对大功率柴油机燃油消耗限值的日益严格，在引擎性能日益完善的基础上，利用先导喷射，推迟喷油及多次喷射技术，高压共轨喷射，参数优化，充量调节技术及先进增压器[8]等内部技术可以极大减少引擎排放，使颗粒物与氮氧化物排放比MOTierⅠ减少30%，从而满足TierⅡ限值[9]。

2.1.2 排气后的处理技术

在引擎内部处理基础上，采取DPF， SCR(如德国的SINOX成功应用在“NILSDACKE”号客轮与“伯卡公主”号游船上，使NOx排放降至2 g/kW·h，减少95%的NOx排放)[10]，EGR，氧化催化器，三、四效催化等排气后处理技术，完全能够达到Tier III及以上限值。

2.1.3 综合利用能源集成技术

综合利用完善引擎参数优化，减少排放的技术，提高可靠性，通过能量回收技术和引擎系统的集成，更好地发挥引擎系统的经济性及效率的提升，降低维护成本和总排放。实现引擎超低排放和优秀性。

2.2 排放控制技术的达标方案

根据国际海事组织对NOx减排计划采取分段实施排放规定，利用单一或多种技术结合的方法解决限值问题。

2.2.1 实现MOTierII限值的达标方案

MOTier限值，即主要污染排放NOx相对于Tier减少20%的要求，可通过以下技术解决达标[11]:

(1)燃油喷射优化：可调喷油正时，预喷或迟喷多次喷射；高压共轨喷射；喷射率控制;

(2)燃烧过程优化：改变压缩比；miller循环，可变气门正时；电子控制技术；燃烧室结构优化;

(3)增压优化：两级增压；可改变涡轮面积。

(4)利用磁化器对进入柴油机的燃油发生磁化，在较小功率下比原机降低25%左右，尤其是在大功率情况下，使PM和CO排放量更少，最大可减少30%左右[12]。

2.2.2 实现MOTierIII限值的达标方案

为了满足MOTierIII限值，即NOx排放比Tier低80%目标，除了开发适用于MOTierIII限值的机内净化技术，还应配合以下技术手段[13]：

(1)SCR技术：催化还原NOx为N2和H2O;

(2)喷水技术：进气增压加湿，可降低NOx70%,燃烧室喷水乳化，可降低NOx50%;

(3)向气缸内直接喷入还原剂氨，使NOx转化为N2和H2O，从而达到Tier III排放标准;

(4)EGR技术：带冲刷废气再循环配合电控技术。MAN B&W发动机在75%的负载下，使用20%的EGR取得了50%～60%脱硝率。目前EGR是减少柴油机产生NOx的一种有效措施[14-15];

(5)气体燃料技术：纯气体引擎与双燃料引擎技术;

(6)DOC氧化催化与PDF过滤器组合[16]。

3 船用柴油机超低排放开发最新进展

欧委会和瑞士联邦政府资助的参与船用超低排放的发动机燃烧高效开发的项目，计划从2004至2008年研发出极大减少船舶引擎NOx、PM与CO2等排放，并提高引擎可靠性、经济性和效率，以达到降低油耗，延长引擎使用寿命，降低成本的新技术。

该研究项目分为燃烧、控制排放、管理学、联合循环、监控、增压、摩擦学、热流体力学等八门技术学科，开展了“极限”参数引擎的先进燃烧，机械热力学概念，复合式热引擎及能量回收技术，减少排放的后处理方法与内部处理技术，排放及性能监控传感器，智能引擎与自适应控制等技术的研发，实现了船用柴油机虚拟研发设计，系统集成优化仿真，开展了零部件设计。样机的成功开发，使台架的试验得以通过，并为新技术目标的实现和有效性进行了充分验证。最后利用船舶真实环境对新引擎的潜在优势进行了有关系统试验验证。

3.1 “极限”参数设计引擎研究

利用“极限”引擎参数设计，进一步减少了污染排放，提高了船用引擎的效率。

3.1.1 极限参数设计引擎机械学研究

(1)研发柴油机在极限机械负载与热负载下工作的零部件；

(2)在冲程，缸径为280 mm和200 mm的单缸试验机上进行试验；

(3)在研发过程中主要包含CFD的循环模拟，实验和研制轴承，燃油喷射体系，零部件材料等。

图3 带电液驱动阀门的极限值单缸发动机及光学测试原理

3.1.2 极限参数设计引擎热力学研究

(1)4冲程和2冲程引擎在极限负载下工作和新技术的研发；

(2)开发、设计相关的零部件，并进行验证；

(3)计算CFD参数及热力学模拟。

3.2 前沿燃烧概念的研究

完善燃烧新方法及新概念研究，要求研发大型燃烧室时空尺度较大的并具有极高精准度的低速引擎燃烧子模型，同时利用实验对这些模型进行验证，扩展丰富CDF工具，为更好地进行预知排放及燃烧室的设计。研究开发喷雾，均质混合燃烧新概念及排放形成的模型研制，便于排放模拟以及燃烧过程仿真试验验证等。

3.2.1 引擎运行过程的模拟

(1)研制2冲程大功率柴油机，尤其是旋流、温度、压力与实体机指标接近的喷雾、均质混合燃烧的实验仿真设备，对2冲程大功率柴油机燃烧系统的燃油经济性及排放形成的参数等开展研究;

(2)研制前沿燃烧技术缸内运行的仿真模型，开展引擎优化设计。

图4 大功率二冲程柴油机喷雾燃烧实验装置原理

3.2.2 排放形成仿真

(1)在CFD三维软件中嵌入已有的物理模型，并利用数据试验进行验证;

(2)通过检测获得大量引擎数据;

(3)实现了2冲程引擎化学动力学子模型的升级。

3.3 排放措施

研究表明，对于中速柴油机压力均值在2.6 MPa上下，负载在80%左右不增加燃油消耗率的前提下只采用机内净化处理技术，例如提高压缩比，电控高压共轨喷油等。可让NOx减少约20%。然而在油耗及功率不变的前提条件下，使得颗粒物与氮氧化物减少30%的排放，就必须采取必要的机内净化技术，如加水油乳化，两级增压，多次喷射和可变气门正时等。

利用先进CFD三维子模型软件的喷雾，燃烧，排放对MAN B&W 2冲程低速柴油机NOx和PM值进行了试验仿真和参数验证，并在热效应系统上应用与EGR或SAM各种组合时的排放分析。

3.3.1 缸内喷水燃烧技术

向气缸内加水；提高进气的水分含量；加水优化引擎运行的全工况。降低NOx的效率明显提高，可达50%～60%[11]。

3.3.2 湿空气动力(Humid Air Motors，HAM)系统

使湿度在大气中提高几倍，从而能有效减少NOx达70%～80%，如瑞典的Munters Euroform公司在1台6 000 kW的12PC2．6V型船用中速柴油机中采用HAM技术，能使NOx的排放量降低74%[3]。

3.3.3 用加湿法来降低NOx[17]

在4冲程引擎上试验油水混合喷射，使低速机NOx降低50%，高速机降低70%(2冲程引擎SAM验证数据)。

3.3.4 机内测量

研发重油燃烧颗粒形成的模型以及NOx与PM值的检测技法；检测分析2冲程和4冲程引擎NOx与PM值排放形成过程的特点；依据检测数据结果，科学评估NOx与PM值产生的方法论，优化模型存在的不足。

3.3.5 降低排放方法

凭借现有的废气再循环的EGR高压系统；积极开发CGR与EGR系统多种全配置试验样机。

3.4 排放后处理方法

3.4.1 新测量方法

船舶多缸柴油机的单缸排放检测技术；开发设计，制造，调试实体船检测装置样机；设计快速测量NOx用的特殊采样输送管。

3.4.2 后处理方法

NTP概念的潜能；湿法洗涤。

4 结论

我国在船用大功率柴油机的低排放低能耗研究方面，与国外相比，还有较大差距。需采取引进、吸收、创新，并积极开展船用柴油机低排放和超低排放控制技术的设计研发和应用。实现关键与核心部件的自主创新，追赶甚至超越国外的先进水平，以满足MOTierIII或更高标准的排放法规限制。

(1)以政府引导，国内的科研机构，发动机企业，船级社，各高等学府为主体的联合研发设计单位，应积极研究国际船用排放法规动向，及时制定出台相关标准的法规，减少IMO的MARPOL公约对我国船用引擎领域带来的不利影响。为船用柴油机的自主创新产品发布，通过船级社的产品认证做好充分准备。

(2)各联合设计研发单位，应加大投入积极研发降低船用引擎污染排放的控制技术，如高压共轨喷射技术，高效增压技术，一系列排放控制技术(DWI喷水燃烧系统，ECR，SCR系统等)，模块化设计，智能化等技术，包括燃料电池[18]以及HCCI均质混合气压燃烧技术的开发利用。培育船用柴油机系统集成优化仿真，虚拟研发设计，智能电子控制技术，燃料燃烧的多样化技术，低耗能低排放技术。形成船舶大功率柴油机配套产业链及排放相关技术的发展战略。

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StudyonEnergy-savingTechnologyofL23/30MarineDieselEngine

ZHAOFu-guo,CHENYong,HUXu-chang,XIANGWei-dong

(ChinaSatelliteMaritimeTrackingandControlDepartment,Jiangyin214431,China)

To meet the VI emission requirements of IMO MARPOL convention and achieve TierIII limits , the current Energy-saving Technologies of Marine Diesel Engine have been summarized. Engine emission technology,after-exhaust treatment technology and the comprehensive utilization technology of integrated energy have been proposed by means of watered fuel emulsion,pressurized air humidification,exhaust recirculation,SCR,DOC and PDF.The discharge of exhaust such as NOx,CO is proved to meet the requirements of MOTierIII.The pollution produced marine diesel engine can be effectively reduced.Various techniques might be combined to achieve the optional exhaust emissions.

L23/30 marine diesel engine;energy saving and emission reduction

2013-10-01修订稿日期2014-04-27

赵富国(1974～)，男，本科，高级技师，研究方向为船舶动力系统。

U664.121

A

1002-6339 (2014) 06-0533-05