船用低速二冲程柴油机废气排放控制技术

技术与应用 船用低速二冲程柴油机废气排 放控制技术 ·文／上海中船三井造船柴油机有限公司 李玉林 邓高雄 船用柴油机排放控 制技术已开始兴起 一 场技术革命。 7 ’■ _ 今为止，世界上约90％的贸易都是以 海运方式来完成的。随着全球环境的 恶化，船用低速柴油机废气排放已逐 步成为国际社会关注的热点，相应的船用柴油 机排放法规也日趋严格，如即将在2011年1月1 日开始执行的IMO Tier II以及预计将在2016年 开始实施的IMO 11er⋯排放规则，其No>寸{}放 限定值与『MO Tier I规范相比将分别降低20％ 与80％左右 。 鉴于此，船用柴油机排放控制技术已开始 兴起一场技术革命，MAN和 ／ARTSfLA两大世 界品牌船用低速二冲程柴油机专利商也在为降 低柴油机NOx、S0x排放等废气进行了不懈的 努力。柴油机Nox排放控制技术按其调整方法 来分，一般可分为机内排放调控措施和机外排 9j}气遵程 ． 压缩开始 压缩终止(TDC)膨塍过程 ． 气阀开胄 排气淘关闭 排气阀关闭 摊 鲤开启 扫气口开启 扫气口闭合 扫气口闭合 排气阀关闭 ，P，J 鼍_f 嘎f P_ -． - 图1船用低速二冲程柴油机米勒循环与传统形式的比较 48 造船I shipsources．com 2010／7 放调控措施： 柴 油机 SOX 排放控制技术 主要集中在燃 油品质的改善 和洗涤技术方 面。本文将这 些主要排放控 制技术发展介 绍如下。 扩展柴油机 内部调 整的 方法 内部调 整 方法属于机内 调控措施，按 技术特点可分 为 “干 式 工 艺”和 “湿式工艺”。其中 “干式工艺”调整 方法简单、有效，对柴油机的可靠性没有不良 影响，只是在燃油消耗上将稍微有所增加。因 此这些技术被广泛应用于世界各品牌船用低速 二 中程柴油机上，以满足即将实施的IMO Tier ll 排放规则。 “湿式工艺”技术相对比较复杂，其技术 的成熟性、稳定性在实船运转及商业推广方面 还存在着一些需要克服的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，但由于其降低 Nox排放效果明显，世界各国研究机构以及柴 油机厂家，都加大了对 “湿式工艺”技术应用 的投入与研究。 ◆ “干式工艺”技术 ◇延迟燃油喷射定时 延迟燃油喷射定时主要原理是降低气缸 内燃烧峰值温度与压力，从而降低NOx的 生成率，不过这样将略微增加燃油消耗量。 W~,RTSILA在RT3X试验机上的试验表明：柴 油机在1O0％负荷时，燃油喷射延迟曲柄转角 2。CA可以降低No×生成10％，即减少25％的 NOxa~E放，但是气缸爆炸压力将减少1Mpa， 燃油消耗将增加3％。为了兼顾燃油消耗与排 放，延迟燃油喷射正时一般与提高柴油机压缩 比以及电子控制技术结合起来应用。 ◇提高柴油机压缩比 提高柴油机压缩比，将增加柴油机的最大 压缩压力，这样在气缸内最高燃烧压力不变的 情况下，可以延迟柴油机燃油喷射定时，缩短 燃烧滞燃期，降低气缸内燃烧峰值温度，从而 降低燃烧过程中的NOx的生成率。根据MAN的 试验结果表明：压缩压力每增加0．1Mpa，柴油 机No }放将下降约0．18g／kWh。 提高柴油机压缩比，一般通过加厚活塞杆 端部的存气垫片或改变燃烧室形状来实现，如 === T === T 瞅 辙 壳 * 々 CFD软件模拟计算．直接加水喷射(DWI)与标准喷射曲轴转动1 2度后的NOx生成情况 直接喷水 标准喷射 氮氧化物分布情况 = NOx最高可下降5O％ 哮8 g／kWh 图 2 CFD模~．LDWl与标准喷g~NOx生成情况 MAN在低速柴油机上所采用的Oros燃 烧室结构，其活塞顶部呈凸起的Co形 代替了原来的浅盆形结构，能有效减少 燃烧室容积，提高柴油机压缩比。 ◇采胃 “{#NOx喷油器” 采用 “低No×喷油器”，就是对喷油 器的几何形状、设计参数如：喷嘴的喷 油孔径，喷油孔的数量，喷射的角度等 参数进行优化。如MAN和 ，ARTSl 分 别推出的滑阀式喷油器以及Min—sac喷 油嘴，相对传统喷油器，改善了柴油机 的燃油雾化和燃烧特性，从而明显降低 了柴油机废气中碳氢化合物以及颗粒物 的含量。 ◇应用 CMiller)米勒循环技术 船用低速二>中程柴油机米勒循环技 术应用原理就是利用柴油机压缩过程中 排气阀推迟关闭，降低气缸内压缩温 度的特点，达到降低气缸内燃烧峰值温 度，从而减少NO×排放物的生成。至于 排气阀延迟关闭造成的压缩压力下降， 这可以由增加柴油机扫气压力来弥补， 如图1所示。 由于扫气压力要求增加，米勒循环 技术应用需要采用高效增压器，目前 ABB的A100一L系列增压器，以及三菱 的MET-MB系列增压器，其压缩比都已 经达到4 7左右，这为米勒循环在低速二 冲程柴油机的应用提供了有利条件。由 于米勒循环技术适应性强，技术限制较 低，目前已广泛应用于-tier II装置的船用 低速二冲程柴油机。 ◆ “湿式工艺 “技术 ◇燃油掺水乳化技术 E) 试验表明：对船用低速二冲程柴油机 来说，在高负荷运转时乳化油中每增加 1％的水量可约降低1％的NOx生成。为 了最大程度上降低柴油机Nox排放，需 要尽可能地增)JD~L化油中掺水的比例。 在使用轻柴油或蒸馏油时，为了增加乳 化油中掺水的比例，需要用添加剂来保 证乳化油的稳定性：而在使用重油时， 为了保证乳化油具有10—15oSt之间的 粘度要求，则需要对燃油进行加热，并 且加热温度有可能会超过现有150℃的 标准 (含50％水分时对应最高加热温 度为170~C)。此外，燃油掺水油乳化 (WFE)技术与电控技术相结合，将凸 现出更大的优势：首先，它突破了机械式 凸轮轴控制的柴油机在燃油喷射定时方 面存在局限性，能在低负荷时使用含水 量较高的乳化油，甚至还可以使用预喷 射、相继喷射等低负荷喷射模式；其次． 它能够灵活进行燃油掺水喷射以及不掺 水喷射之间的转换，同时可以根据喷射 的具体情况 (乳化燃油或燃油)，便捷 地调整到不同的喷油定时、喷油模式并 优化喷射控制特性。特别是，它能较好地 改善WFE)jN水比例受到燃油喷油泵最大 喷射能力限制的问题。 尽管WFE技术降低NOx排放的效 果显著，但在每降低10％柴油机NOx 排放物会增加1～2％的燃油消耗，废 气中颗粒物 (PM)也将增加。并且， WFE技术一般会受到燃油泵喷射能力 的限制。根据MAN公司在关岛的一台 1 2K8OMC—C柴油机上进行的WFE技术 试验，当加水比例达~U50％时，需要采 用K90MC—C的油泵才能满足燃油喷射 要求。 ◇直接喷水技术(D、M) 采用直接喷水 (DW I)技术的主 要原理在于提高气缸内的热容量，降 低气缸 内燃烧峰值温度 ，从而降低柴 油机NOx排放。试验表明，直接喷水 (DWI)技术，最高可以降低气缸内燃 烧峰值温度的5O％～60％，而对柴油 2010／7 shipsources．corn 造船工_业 49 技木与应用 图3 WaCoReG系统喷射示意图 预喷射 脉冲喷射 F,⋯Im⋯ 体 图4不同状况下的喷油模型 机运行不产生影响。如图2所示，根据 W~,RTSILA~CFD(计算流体力学)仿真 表明：在水的比例为燃油量的70％时， DWl能够把柴油机NOx排放降低为8g／ kw h的水平，即减少了50％的NOx的 排放。 直接喷水 (DW1)可采用单独的喷 水器或水、油组合式的喷射器。在船用 低速二冲程柴油机上，一般采用水、油 组合式喷射器方式。水和燃油的喷射是 在气缸压缩过程中以喷油器上两个内置 式喷嘴在针阀的作用下进行并行或独立 的喷射，燃油的喷射特性不受喷水开启／ 关闭影响，因而对喷油系统的运转性能 不产生影响。 50 造船I业 shipsources．com 2010／7 ◇ 直接喷水技术与 电控技 术相结合，可以使燃油喷射 系统受到电子技术对定时更 精确的控制和设定，提供喷 射更多水量的可能性，根据 W~,RTSILA的试验，DWI可 以以100％的水，即水~F,Fa的 比例为1：1进行喷射。但是 v、／ARTSILA认为：实船采用 DW『必须具备对水进行充分 处理和水量足够的提供能力 ◇扫气加湿(SAM)技术 扫气空气加湿就是提高 空气中的含水率，即将热态 水汽化成 为空气的组成部 分，这样可以减少气缸内氧 气含量，增加燃烧室的热容 量，降低燃烧高温，从而降 低废气中的NOx含量。一般 采用从增压器压气端出IZl位 置喷射海水，其喷射定时和喷 射量将根据柴油机的负荷由 电控程序控制，对扫气空气 进行加湿，加湿后的扫气空气 湿度接近100％。扫气空气加 湿后，将通过淡水分离装置 去除90％以上的盐分，以减少 对气缸的腐蚀作用。 水 喷射 与 内 部 废气 再 循 环 (WaCoReG ) 虽然，DWl技术可以在柴油机上单 独采用， ，ARTSILA认为：如与内部废 气再循环结合使用，通过对残余气体的 喷水冷却，即采~WaOoReG可以把减 少NOx的排放提高70％--80％。一般 来说，EGR会增加柴油机的热负荷。但 是，与水喷射方法相结合可以降低燃烧 室内总体温度水平，把柴油机的热负荷 保持在柴油机没有采用内部EGR运转 时一样的水平。WARTSILA同时认为： 采用WaCoReG，在气缸压缩过程中的 喷水要比单独采用DWl提早进行。由于 EGR是在燃油燃烧的源头上通过有效减 少气缸氧气含量，提高气缸进气的比热 容，减少燃烧速率以抑制NOx的生成。 如图3所示，为 ／ARTSlLA所采用的水 喷射与内部废气再循环结合WaCoReG (water cooled residual gas)技术。 对于该项技术 ，ARTSILA还认为：采用 改进扫气过程方法来降低气缸里的 “氧 纯度”更为合理。其措施就是当二冲程 柴油机采用内部EGR并在气缸开始压缩 时，通过减少扫气口的高度来减少气缸 扫气空气的流通量，使之有利于满足采 用较小的增压器来减少气体流的要求。 同时，降低的扫气口的高度也有利于使 得气体在气缸里能较好地膨胀并且改进 燃油的燃烧特性，有助于废热回收系统 回收热量。 全电子控制技术 以电子控制为标志的智能型船用柴 油机正时参数设定上具有的精确性和灵 活性，可以在全工况区域内通过软件柔 性控制燃油喷射与排气阀开启。因此可 以在柴油机 “硬件”基本保持不变的情 况下，通过软件程序改变参数设定，采 取低NO×排放燃油喷射、可变排气阀正 时以及部分负荷优化等，达到节能与环 保两者统筹兼顾。 ◆燃油喷射模式优化 电控柴油机可以通过软件程序控 制，根据柴油机运行情况以及排放控制 目标，实现不同燃油喷射模式的切换。 如图4所示为 ／A 厂slLA公司推出的 燃油喷射模型。其中采取脉冲喷射方式， 可以使柴油机NOx~EE放下降20％左右， 不过柴油机油耗也将相应上升10％左右。 ◆可变透平技术 可变透平技术是根据柴油机扫气压 力情况，改变喷嘴环面积，提高低负荷 处增压器效率，改善低负荷性能，降低 低负荷处燃油消耗，同时降低废气中碳 氢化合物 (HC)、颗粒物 (PM)与温 室气体CO2排放量，不过No }放将略 有上升。 (未完待续)圆