趙富國，陳勇，胡緒昌，項(xiàng)衛(wèi)東

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

L23/30船用柴油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)研究

趙富國，陳勇，胡緒昌，項(xiàng)衛(wèi)東

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

為了滿足國際海事組織通過的MARPOL協(xié)定VI排放要求，實(shí)現(xiàn)TierIII限值，對當(dāng)前船用柴油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，提出了引擎排放內(nèi)部技術(shù)、排氣后的處理技術(shù)和集成能源綜合利用技術(shù)，采取燃油-水乳化、加壓空氣加濕、廢氣再循環(huán)、SCR選擇性催化、DOC氧化催化與PDF過濾器組合等方法，經(jīng)驗(yàn)證表明，NOx、CO等廢氣排放量滿足MOTierIII要求，可有效降低柴油機(jī)的污染排放。

L23/30船用；柴油機(jī)；節(jié)能減排；排放限值

0 引言

由于海上航運(yùn)業(yè)的高速發(fā)展，帶動了船舶產(chǎn)業(yè)的空前繁榮，全球?qū)Υ脙?nèi)燃機(jī)的廢氣排放提出日趨嚴(yán)格的法規(guī)限值要求。所以，節(jié)能減排是促使船舶內(nèi)燃機(jī)技術(shù)提高的首要推動力。2008年，IMO(國際海事組織)通過會議達(dá)成了MARPOL公約附則VI部分內(nèi)容的修訂[1]，并于2010年7月1日自動生效。減排計(jì)劃采取分段實(shí)施： TierII限值到2011年達(dá)標(biāo)， TierIII限值到2016年實(shí)現(xiàn)[2]。

在此形勢下，全球船用發(fā)動機(jī)科研院所和制造商竟相研發(fā)燃油經(jīng)濟(jì)性好、動力性強(qiáng)、可靠性高的，低排放、超低排放的船用柴油機(jī)。尤其是芬蘭Wartsi公司[3]以及德國TU和MAN公司，在節(jié)能減排控制技術(shù)，研發(fā)應(yīng)用推廣領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。歐盟委員會2010年3月公布《2010-2020發(fā)展規(guī)劃》，包括：增加研發(fā)投入、減少溫室氣體排放和提高能源效率、交通與航空[4-5]。歐委會資助了歐洲43個單位參加船用超低排放研究。并研發(fā)出一系列大幅減少NOX和PM污染排放，同時能夠提高船舶內(nèi)燃機(jī)的可靠性和熱效率，有效降低CO2排放和能耗的內(nèi)燃機(jī)集成新技術(shù)，為達(dá)到新的船用排放限制要求提供技術(shù)支持。

圖1 IMO降低NOx排放的兩個階段

1 國際排放法的要求

1.1 IMO的排放法規(guī)

IMO海洋環(huán)保委員會修定了附則6的條款，條款指明在不同時空規(guī)定，硫氧化物(SOx)，顆粒物(PM)，氮氧化物(NOx)等污染排放要求和燃料含S量的規(guī)定，表1展示了IMO不同時空區(qū)域?qū)Ox限制[6]。

迄今為止國際上規(guī)定最高含硫量是4.5%。為了更好地減少船用內(nèi)燃機(jī)SOx排放量，IMO將北海，波羅地海定義為硫氧化物排放限制區(qū)。這些地區(qū)中，僅能應(yīng)用含硫量不高于1.0%的燃油，至2015年1月1日不得超過0.1%[7]，否則運(yùn)營商必須進(jìn)行等量的排放廢氣交換。而美國2007年船用降低排放案規(guī)定，至2010年起船用停泊地含硫量限制為0.1%。

1.2 EPA

EPA對于美國注冊的船舶頒布了嚴(yán)格的引擎排放TierII限值要求，并在2007年實(shí)施，對于MOTierI來說，該限制值NO2減少約26～41個百分點(diǎn)，并且限制包括顆粒物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?qū)σ活惡投惏l(fā)動機(jī)排放限值

氣缸掃氣容積類別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

對于Vd>30 L的發(fā)動機(jī)，EPA有可能會采用MOTierII的限值。圖2是二者不同階段排放值的比較。

圖2 不同階段排放值比較

2 船用柴油機(jī)的排放控制

2.1 排放控制技術(shù)策略

隨著船用市場迅猛發(fā)展，及船用法規(guī)日益嚴(yán)格，近幾年對船舶大功率引擎技術(shù)發(fā)展提出更高的要求。

2.1.1 降低引擎排放內(nèi)部技術(shù)

隨著MARPOL公約對大功率柴油機(jī)燃油消耗限值的日益嚴(yán)格，在引擎性能日益完善的基礎(chǔ)上，利用先導(dǎo)噴射，推遲噴油及多次噴射技術(shù)，高壓共軌噴射，參數(shù)優(yōu)化，充量調(diào)節(jié)技術(shù)及先進(jìn)增壓器[8]等內(nèi)部技術(shù)可以極大減少引擎排放，使顆粒物與氮氧化物排放比MOTierⅠ減少30%，從而滿足TierⅡ限值[9]。

2.1.2 排氣后的處理技術(shù)

在引擎內(nèi)部處理基礎(chǔ)上，采取DPF， SCR(如德國的SINOX成功應(yīng)用在“NILSDACKE”號客輪與“伯卡公主”號游船上，使NOx排放降至2 g/kW·h，減少95%的NOx排放)[10]，EGR，氧化催化器，三、四效催化等排氣后處理技術(shù)，完全能夠達(dá)到Tier III及以上限值。

2.1.3 綜合利用能源集成技術(shù)

綜合利用完善引擎參數(shù)優(yōu)化，減少排放的技術(shù)，提高可靠性，通過能量回收技術(shù)和引擎系統(tǒng)的集成，更好地發(fā)揮引擎系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及效率的提升，降低維護(hù)成本和總排放。實(shí)現(xiàn)引擎超低排放和優(yōu)秀性。

2.2 排放控制技術(shù)的達(dá)標(biāo)方案

根據(jù)國際海事組織對NOx減排計(jì)劃采取分段實(shí)施排放規(guī)定，利用單一或多種技術(shù)結(jié)合的方法解決限值問題。

2.2.1 實(shí)現(xiàn)MOTierII限值的達(dá)標(biāo)方案

MOTier限值，即主要污染排放NOx相對于Tier減少20%的要求，可通過以下技術(shù)解決達(dá)標(biāo)[11]:

(1)燃油噴射優(yōu)化：可調(diào)噴油正時，預(yù)噴或遲噴多次噴射；高壓共軌噴射；噴射率控制;

(2)燃燒過程優(yōu)化：改變壓縮比；miller循環(huán)，可變氣門正時；電子控制技術(shù)；燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化;

(3)增壓優(yōu)化：兩級增壓；可改變渦輪面積。

(4)利用磁化器對進(jìn)入柴油機(jī)的燃油發(fā)生磁化，在較小功率下比原機(jī)降低25%左右，尤其是在大功率情況下，使PM和CO排放量更少，最大可減少30%左右[12]。

2.2.2 實(shí)現(xiàn)MOTierIII限值的達(dá)標(biāo)方案

為了滿足MOTierIII限值，即NOx排放比Tier低80%目標(biāo)，除了開發(fā)適用于MOTierIII限值的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，還應(yīng)配合以下技術(shù)手段[13]：

(1)SCR技術(shù)：催化還原NOx為N2和H2O;

(2)噴水技術(shù)：進(jìn)氣增壓加濕，可降低NOx70%,燃燒室噴水乳化，可降低NOx50%;

(3)向氣缸內(nèi)直接噴入還原劑氨，使NOx轉(zhuǎn)化為N2和H2O，從而達(dá)到Tier III排放標(biāo)準(zhǔn);

(4)EGR技術(shù)：帶沖刷廢氣再循環(huán)配合電控技術(shù)。MAN B&W發(fā)動機(jī)在75%的負(fù)載下，使用20%的EGR取得了50%～60%脫硝率。目前EGR是減少柴油機(jī)產(chǎn)生NOx的一種有效措施[14-15];

(5)氣體燃料技術(shù)：純氣體引擎與雙燃料引擎技術(shù);

(6)DOC氧化催化與PDF過濾器組合[16]。

3 船用柴油機(jī)超低排放開發(fā)最新進(jìn)展

歐委會和瑞士聯(lián)邦政府資助的參與船用超低排放的發(fā)動機(jī)燃燒高效開發(fā)的項(xiàng)目，計(jì)劃從2004至2008年研發(fā)出極大減少船舶引擎NOx、PM與CO2等排放，并提高引擎可靠性、經(jīng)濟(jì)性和效率，以達(dá)到降低油耗，延長引擎使用壽命，降低成本的新技術(shù)。

該研究項(xiàng)目分為燃燒、控制排放、管理學(xué)、聯(lián)合循環(huán)、監(jiān)控、增壓、摩擦學(xué)、熱流體力學(xué)等八門技術(shù)學(xué)科，開展了“極限”參數(shù)引擎的先進(jìn)燃燒，機(jī)械熱力學(xué)概念，復(fù)合式熱引擎及能量回收技術(shù)，減少排放的后處理方法與內(nèi)部處理技術(shù)，排放及性能監(jiān)控傳感器，智能引擎與自適應(yīng)控制等技術(shù)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了船用柴油機(jī)虛擬研發(fā)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)集成優(yōu)化仿真，開展了零部件設(shè)計(jì)。樣機(jī)的成功開發(fā)，使臺架的試驗(yàn)得以通過，并為新技術(shù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和有效性進(jìn)行了充分驗(yàn)證。最后利用船舶真實(shí)環(huán)境對新引擎的潛在優(yōu)勢進(jìn)行了有關(guān)系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 “極限”參數(shù)設(shè)計(jì)引擎研究

利用“極限”引擎參數(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步減少了污染排放，提高了船用引擎的效率。

3.1.1 極限參數(shù)設(shè)計(jì)引擎機(jī)械學(xué)研究

(1)研發(fā)柴油機(jī)在極限機(jī)械負(fù)載與熱負(fù)載下工作的零部件；

(2)在沖程，缸徑為280 mm和200 mm的單缸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)；

(3)在研發(fā)過程中主要包含CFD的循環(huán)模擬，實(shí)驗(yàn)和研制軸承，燃油噴射體系，零部件材料等。

圖3 帶電液驅(qū)動閥門的極限值單缸發(fā)動機(jī)及光學(xué)測試原理

3.1.2 極限參數(shù)設(shè)計(jì)引擎熱力學(xué)研究

(1)4沖程和2沖程引擎在極限負(fù)載下工作和新技術(shù)的研發(fā)；

(2)開發(fā)、設(shè)計(jì)相關(guān)的零部件，并進(jìn)行驗(yàn)證；

(3)計(jì)算CFD參數(shù)及熱力學(xué)模擬。

3.2 前沿燃燒概念的研究

完善燃燒新方法及新概念研究，要求研發(fā)大型燃燒室時空尺度較大的并具有極高精準(zhǔn)度的低速引擎燃燒子模型，同時利用實(shí)驗(yàn)對這些模型進(jìn)行驗(yàn)證，擴(kuò)展豐富CDF工具，為更好地進(jìn)行預(yù)知排放及燃燒室的設(shè)計(jì)。研究開發(fā)噴霧，均質(zhì)混合燃燒新概念及排放形成的模型研制，便于排放模擬以及燃燒過程仿真試驗(yàn)驗(yàn)證等。

3.2.1 引擎運(yùn)行過程的模擬

(1)研制2沖程大功率柴油機(jī)，尤其是旋流、溫度、壓力與實(shí)體機(jī)指標(biāo)接近的噴霧、均質(zhì)混合燃燒的實(shí)驗(yàn)仿真設(shè)備，對2沖程大功率柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性及排放形成的參數(shù)等開展研究;

(2)研制前沿燃燒技術(shù)缸內(nèi)運(yùn)行的仿真模型，開展引擎優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4 大功率二沖程柴油機(jī)噴霧燃燒實(shí)驗(yàn)裝置原理

3.2.2 排放形成仿真

(1)在CFD三維軟件中嵌入已有的物理模型，并利用數(shù)據(jù)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證;

(2)通過檢測獲得大量引擎數(shù)據(jù);

(3)實(shí)現(xiàn)了2沖程引擎化學(xué)動力學(xué)子模型的升級。

3.3 排放措施

研究表明，對于中速柴油機(jī)壓力均值在2.6 MPa上下，負(fù)載在80%左右不增加燃油消耗率的前提下只采用機(jī)內(nèi)凈化處理技術(shù)，例如提高壓縮比，電控高壓共軌噴油等?？勺孨Ox減少約20%。然而在油耗及功率不變的前提條件下，使得顆粒物與氮氧化物減少30%的排放，就必須采取必要的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，如加水油乳化，兩級增壓，多次噴射和可變氣門正時等。

利用先進(jìn)CFD三維子模型軟件的噴霧，燃燒，排放對MAN B&W 2沖程低速柴油機(jī)NOx和PM值進(jìn)行了試驗(yàn)仿真和參數(shù)驗(yàn)證，并在熱效應(yīng)系統(tǒng)上應(yīng)用與EGR或SAM各種組合時的排放分析。

3.3.1 缸內(nèi)噴水燃燒技術(shù)

向氣缸內(nèi)加水；提高進(jìn)氣的水分含量；加水優(yōu)化引擎運(yùn)行的全工況。降低NOx的效率明顯提高，可達(dá)50%～60%[11]。

3.3.2 濕空氣動力(Humid Air Motors，HAM)系統(tǒng)

使?jié)穸仍诖髿庵刑岣邘妆?，從而能有效減少NOx達(dá)70%～80%，如瑞典的Munters Euroform公司在1臺6 000 kW的12PC2．6V型船用中速柴油機(jī)中采用HAM技術(shù)，能使NOx的排放量降低74%[3]。

3.3.3 用加濕法來降低NOx[17]

在4沖程引擎上試驗(yàn)油水混合噴射，使低速機(jī)NOx降低50%，高速機(jī)降低70%(2沖程引擎SAM驗(yàn)證數(shù)據(jù))。

3.3.4 機(jī)內(nèi)測量

研發(fā)重油燃燒顆粒形成的模型以及NOx與PM值的檢測技法；檢測分析2沖程和4沖程引擎NOx與PM值排放形成過程的特點(diǎn)；依據(jù)檢測數(shù)據(jù)結(jié)果，科學(xué)評估NOx與PM值產(chǎn)生的方法論，優(yōu)化模型存在的不足。

3.3.5 降低排放方法

憑借現(xiàn)有的廢氣再循環(huán)的EGR高壓系統(tǒng)；積極開發(fā)CGR與EGR系統(tǒng)多種全配置試驗(yàn)樣機(jī)。

3.4 排放后處理方法

3.4.1 新測量方法

船舶多缸柴油機(jī)的單缸排放檢測技術(shù)；開發(fā)設(shè)計(jì)，制造，調(diào)試實(shí)體船檢測裝置樣機(jī)；設(shè)計(jì)快速測量NOx用的特殊采樣輸送管。

3.4.2 后處理方法

NTP概念的潛能；濕法洗滌。

4 結(jié)論

我國在船用大功率柴油機(jī)的低排放低能耗研究方面，與國外相比，還有較大差距。需采取引進(jìn)、吸收、創(chuàng)新，并積極開展船用柴油機(jī)低排放和超低排放控制技術(shù)的設(shè)計(jì)研發(fā)和應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵與核心部件的自主創(chuàng)新，追趕甚至超越國外的先進(jìn)水平，以滿足MOTierIII或更高標(biāo)準(zhǔn)的排放法規(guī)限制。

(1)以政府引導(dǎo)，國內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)，發(fā)動機(jī)企業(yè)，船級社，各高等學(xué)府為主體的聯(lián)合研發(fā)設(shè)計(jì)單位，應(yīng)積極研究國際船用排放法規(guī)動向，及時制定出臺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的法規(guī)，減少IMO的MARPOL公約對我國船用引擎領(lǐng)域帶來的不利影響。為船用柴油機(jī)的自主創(chuàng)新產(chǎn)品發(fā)布，通過船級社的產(chǎn)品認(rèn)證做好充分準(zhǔn)備。

(2)各聯(lián)合設(shè)計(jì)研發(fā)單位，應(yīng)加大投入積極研發(fā)降低船用引擎污染排放的控制技術(shù)，如高壓共軌噴射技術(shù)，高效增壓技術(shù)，一系列排放控制技術(shù)(DWI噴水燃燒系統(tǒng)，ECR，SCR系統(tǒng)等)，模塊化設(shè)計(jì)，智能化等技術(shù)，包括燃料電池[18]以及HCCI均質(zhì)混合氣壓燃燒技術(shù)的開發(fā)利用。培育船用柴油機(jī)系統(tǒng)集成優(yōu)化仿真，虛擬研發(fā)設(shè)計(jì)，智能電子控制技術(shù)，燃料燃燒的多樣化技術(shù)，低耗能低排放技術(shù)。形成船舶大功率柴油機(jī)配套產(chǎn)業(yè)鏈及排放相關(guān)技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)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修訂稿日期2014-04-27

趙富國(1974～)，男，本科，高級技師，研究方向?yàn)榇皠恿ο到y(tǒng)。

U664.121

A

1002-6339 (2014) 06-0533-05