船用中速柴油机IMO Tier III排放控制技术

王继勇,王增英,秦 娟

（潍柴重机技术中心,山东 潍坊 261108）

船用中速柴油机IMO Tier III排放控制技术

王继勇,王增英,秦 娟

（潍柴重机技术中心,山东 潍坊 261108）

本文介绍了IMO Tier II和Tier III排放法规，对船用中速机降低NOx排放的最重要的技术进行了分析和总结，指出了各种方法的优缺点，提出了组合实施的改进方案。

船用中速柴油机；Tier III；排放；IMO

0 前言

2008年10月，国际海事组织海洋环境保护委员会（MEPC 58）制订了针对NOx的排放法规。凡是在2011年1月1日后铺设龙骨的船舶必须满足IMO Tier II NOx排放法规，并且在全球海域强制执行。

表1 NOx排放限值

接下来的Tier III阶段对每个负荷点的NOx排放都有所要求（Not-to-Exceed要求），即排放循环内每个负荷点的NOx排放不能超过循环平均值的50％。其次，TierII排放法规的NOx检测点在发动机增压器后，但Tier III的检测点在轮船烟囱末端，这意味着发动机制造商需要对整个排气管负责。另外Tier III没有一个适用于各海域的NOx限值，其限值取决于船舶运行的区域，这与IMO Tier II显著不同。在排放控制区域（ECA区域），Tier III的NOx排放量比Tier I低80％；在非排放区域则执行Tier II排放。不同区域如图1所示。

为了满足IMO Tier III限值，各国采取了大量降低NOx排放的技术，既有机内的又有机外的。着眼于提供解决Tier III排放的技术路线，本文对船用中速机降低NOx排放的最重要的技术进行了分析和总结。

图1 现存的、计划的和正在讨论的排放控制区

1 船用中速柴油机降低NOx排量的技术概述

船用中速机降低NOx的方法可以简单概括为四大类：机内净化（Internal）、喷水法、废气再循环（EGR）和选择性催化氧化（SCR）。以Tier I NOx排放限值为基准，各种降低NOx措施的潜能如图2所示。SCR和EGR具有将NOx降低80％的潜能。机内净化和喷水法（例如乳化油法FEW和进气加湿法HAM）分别能将NOx降低30％～60％。

图2 各种降低NOx措施的潜能

使用喷水法减少NOx排量，所需要的水量是按照每下降10％NOx，需加入1 ％的水的规律运行。一般柴油机允许在全负荷下加入20 ％的水。这种混合从燃油角度来讲并没有什么限制。虽然喷水法法具有较大的潜力，但是考虑到要增加额外的设备，也不太实用。

对于机内净化，尽管也不能使NOx排放降低80％，但是有效地机内净化不但能够使SCR或者EGR发挥更大功效，还有利于提高发动机的经济性和可靠性，降低运行成本。一些发动机机内净化措施，例如电喷技术、可变进气和可变几何涡轮增压器，对Tier III的实现变得尤其重要。

2 船用中速柴油机NOx排放控制技术

2.1 机内净化

对于NOx的生成机理，目前研究的结果是：一般认为NOx是在高温富氧条件下产生的。当燃烧温度高于2300K时，如果缸内某一区域氧气浓度比较高，此时必然产生NOx。因此合理的燃烧过程是首先是降低初始燃烧温度，实现NOx排放下降，然后保持快速燃烧和较高的燃烧温度使整个燃烧过程缩短，改善燃油经济性。主要的发动机机内净化包括米勒循环、提高进气压力、可变配气正时和提高燃油喷射压力和喷油速率控制等技术。

米勒循环的核心是使气门在下止点之前关闭，这使得进气在被压缩前就得到膨胀和冷却、整个燃烧过程的温度降低，从而降低NOx排放。为了消除提前关闭进气门的影响、保证缸内进气量保持恒定，采用米勒循环时必须同时采用高增压措施。

2.2 选择性催化氧化（SCR）

SCR使用NH3将排气中的NOx转化为无毒的氮气和水。然而，NH3本身是有毒的不便于直接使用，因此目前普遍采用32.5％或者40％浓度的尿素替代NH3。尿素分别在排气管和催化器中进行两次化学反应。第一次是在炙热的排气中分解为NH3和CO2。降低NOx的反应发生在催化器中，NH3和NOx反应生成水和氮气。整个 SCR反应能够写作：

如果尿素的量超过了理论当量比就会产生NH3泄露。为了避免破坏环境，就需要完善尿素喷射的控制策略。可以通过使用NOx传感器形成一个闭环控制，但是这样需要在船上增加设备。也可以通过台架标定形成基于特性MAP图的控制策略，从而达到防止NH3泄露而不增加设备。

燃用重油的船用中速柴油机还需要解决更多的技术难题。首先，重油属于残渣油，其中含有大量灰分和硫。灰分会附着在触媒层上，如果不及时去除会堵塞催化器。其次，燃用重油后产生的硫化物会影响SCR的效率。在不同的硫化物含量下，低于某一温度，NH3会和氧化硫反应生成硫铵。温度曲线见图3。硫铵是粘性的固体物质，能够堵塞催化器，导致转换效率降低、排气被压增加。

由于船用中速柴油机效率比较高，涡后排温有时会接近甚至低于图3所示临界温度。一种解决方案是停止尿素喷射，在无NH3的情况下催化器本身能够承受高的硫含量。这种方案可以在非ECA区域实施。在ECA区域，必须使用提高排气温度的技术，可行的技术有进气旁通、排气旁通或者可变涡轮（VTA）技术。考虑到燃油消耗、购机费用和维修费用，对单级增压发动机首选排气旁通；对于用于定距桨或者两级增压发动机则首选VTA技术。

2.3 废气再循环

废气再循环（EGR）控制方式，根据发动机的转速、负荷、温度、进气流量、排气温度等参数控制EGR阀，排气中的部分废气经EGR阀进入进气系统。废气再循环 （EGR）是将一部分柴油机自身产生的废气冷却后再混入进气中，来降低过量空气系数和降低最高燃烧温度的原理来进行的。废气的热容量较高，吸热量大，在气缸中将进一步降低局部燃。基于EGR的IMO Tier III策略必须在发动机上安装一套EGR系统，其优点是初期投入少，占用空间小。但是另一方面，EGR技术也需要克服一些挑战。一套满足Tier III的可行的EGR解决方案应该包括以下几个方面：

图3 SCR所需排气温度以及典型的发动机涡后排温

（1）可控的两级增压系统。

（2）能够达到2200bar喷射压力的共轨燃油系统，并且具有多次喷射的能力以控制颗粒物排放。

（3）更高的缸内平均有效压力。

（4）耐沉积、耐腐蚀的EGR系统。

如图4所示，包括EGR洗涤、水处理器、EGR冷却器、EGR泵和EGR阀。洗涤器能够去除排气中的灰分和氧化硫，防止其堵塞、腐蚀EGR系统。通过冷却废气，降低进去气缸的冲量温度，有利于降低NOx排放。EGR泵能够解决部分负荷排气压力低于进气压力的问题，使EGR率在各个工况都可以灵活控制。EGR阀的开关易于控制，能够实现发动机在ECA区域内外的灵活切换。

图4 船用中速柴油机EGR系统

2.4 可行的技术组合

表2

3 结论

排放法规的不断强化推动着船用中速柴油机排放控制技术的不断革新。机内净化仍然是优化发动机的重要措施和基础。SCR或者EGR技术都具有使发动机达到Tier III的潜能，但是单一技术都无法使柴油机达到Tier III排放，达到排放限值是多种技术的综合应用。

[1]国际海事组织公约[S].

[2]周龙保.内燃机学[M].机械工业出版社.

[3]WEICHAI-MAN工程指南-GenSet_Tier II[S].