船舶柴油機(jī)排放控制技術(shù)的發(fā)展與展望

0其他船舶柴油制造機(jī)構(gòu)隨著航運(yùn)業(yè)和船舶制造業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)際上對(duì)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排放的限制越來(lái)越嚴(yán)格。因此,排放已成為當(dāng)今推動(dòng)船用發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的第一驅(qū)動(dòng)力。2008年10月,在國(guó)際海事組織(IMO)的海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)(MEPC)會(huì)上通過(guò)了MARPOL(MARinePOLlution)協(xié)定附則VI的修正案,同意通過(guò)兩階段實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo):2011年達(dá)到Tier2限值,2016年達(dá)到更嚴(yán)格的限值Tier3(如圖1示)。在此形勢(shì)下,世界各國(guó)船舶柴油機(jī)制造商和研究機(jī)構(gòu)都在積極開(kāi)展船舶柴油機(jī)排放控制技術(shù)和低排放大功率柴油機(jī)的開(kāi)發(fā)研究。特別是世界兩大船舶柴油機(jī)巨頭MANB&W公司和Wartsila公司,一直走在低排放船舶柴油機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和排放控制技術(shù)研究及應(yīng)用的前列。近期,歐洲委員會(huì)在其第六框架下與瑞士聯(lián)邦政府聯(lián)合資助了以MANB&W公司和Wartsila公司為主,包括發(fā)動(dòng)機(jī)制造商、科研院所、船級(jí)社及用戶等在內(nèi)的歐洲43家單位參加的船舶超低排放燃燒的高效研發(fā)項(xiàng)目(HERCULES),研究開(kāi)發(fā)出了一系列大幅度降低船用發(fā)動(dòng)機(jī)氣體和顆粒排放,同時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和可靠性,從而降低油耗、CO2排放和發(fā)動(dòng)機(jī)生命周期成本的新技術(shù),為滿足日趨嚴(yán)格的船舶排放法規(guī)提供了技術(shù)保障。1國(guó)際排水條例的要求1.1歐洲船舶含硫量將得到明顯控制國(guó)際海事組織海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)通過(guò)的附則VI修正案,分別規(guī)定了在不同時(shí)期和區(qū)域NOx、SOx、PM等排放量的限制值以及對(duì)燃油含硫量的規(guī)定等。表1列出了IMO在不同階段對(duì)NOx的限值。目前國(guó)際上強(qiáng)制規(guī)定的最高硫含量為4.5%。為了降低船舶發(fā)動(dòng)機(jī)SOx的排放,IMO將波羅地海和北海規(guī)定為SOx排放控制區(qū)(SECA)。在這些區(qū)域中,僅能使用含硫量不超過(guò)1.5%的燃油,否則營(yíng)運(yùn)商必須進(jìn)行等量的廢氣排放交易。2007年美國(guó)船舶降低排放法案中規(guī)定,到2010年在美國(guó)港口?？康拇叭加椭械暮蛄肯揞~為0.1%。而歐洲最近也對(duì)歐盟含硫量指南進(jìn)行了修改,從2010年起船舶停泊地的含硫量規(guī)定為0.1%。據(jù)歐盟的一項(xiàng)調(diào)查表明,2005年僅歐洲沿海、近海航行的貨船排放CO2就達(dá)到250萬(wàn)t左右,接近歐洲大陸工業(yè)部門(mén)CO2總排放量的50%。預(yù)計(jì)到2020年歐洲船舶的CO2排放量將超過(guò)300萬(wàn)t,超過(guò)陸地工業(yè)部門(mén)270萬(wàn)t的排放量。為此,歐盟已經(jīng)醞釀和討論船舶減排問(wèn)題,計(jì)劃要在國(guó)際上率先出臺(tái)船機(jī)排放的相關(guān)規(guī)定和限制標(biāo)準(zhǔn),推動(dòng)國(guó)際社會(huì)達(dá)成共識(shí),促使國(guó)際上統(tǒng)一實(shí)施的船舶減排法規(guī)盡快出臺(tái)。1.2發(fā)動(dòng)機(jī)排放限制tier2美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)對(duì)于在美國(guó)注冊(cè)的氣缸掃氣容積Vd為2.5~30dm3的船舶頒布了更加嚴(yán)格的發(fā)動(dòng)機(jī)排放限制Tier2,并于2007年開(kāi)始生效執(zhí)行。該限值相對(duì)于IMOTier1來(lái)說(shuō),NO2大約要降低25%~40%。而且限值中包括NOx+CnHm、CO、PM等。表2列出EPATier2的所有限值。對(duì)于Vd>30dm3(3類)的發(fā)動(dòng)機(jī),EPA可能會(huì)采用IMOTier2的限值。1.3輔機(jī)負(fù)荷下nox值的加權(quán)NOx循環(huán)值是由在100%,75%,50%,25%以及10%(僅對(duì)衡速運(yùn)行的輔機(jī))負(fù)荷下根據(jù)E2/E3和D2循環(huán)測(cè)得的NOx值經(jīng)加權(quán)所得:式中:xi為不同循環(huán)時(shí)各負(fù)荷點(diǎn)的加權(quán)系數(shù),見(jiàn)圖2。2船舶動(dòng)力排放控制技術(shù)2.1排放控制技術(shù)隨著船舶市場(chǎng)的快速發(fā)展,以及船舶排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格,近年來(lái)對(duì)船用大功率發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展提出了越來(lái)越高的要求。2.1.1先進(jìn)增壓及增壓系統(tǒng)隨著日趨嚴(yán)格的大功率發(fā)動(dòng)機(jī)排放法規(guī)的要求,在發(fā)動(dòng)機(jī)性能持續(xù)改進(jìn)的基礎(chǔ)上,采取高壓共軌燃油噴射(共軌壓力>200MPa)、先進(jìn)增壓器及增壓系統(tǒng)(可調(diào)增壓器、大增壓器效率>70%~72%、增壓壓力>0.5MPa、兩級(jí)增壓>0.6MPa、相繼增壓系統(tǒng)等)、可調(diào)氣門(mén)正時(shí)(如Miller、Atkinson、TINER等)、低排放燃燒、以及清潔燃料燃燒等內(nèi)部技術(shù),大幅度降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放,可使NOx排放比IMOTierⅠ降低30%以上,達(dá)到TierII的要求。2.1.2排氣后處理技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部技術(shù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步采取氧化催化器、尾氣顆粒凈化器DPF、選擇性催化還原SCR、三效催化(3-WayCat)+廢氣再循環(huán)EGR、NOx吸附還原催化器等排氣后處理技術(shù),可以滿足TierIII及更高的排放法規(guī)的要求。2.1.3成和能量回收利用技術(shù)綜合利用改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能、提高可靠性、降低排放技術(shù),通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成和能量回收利用技術(shù)(熱電聯(lián)供、聯(lián)合余熱循環(huán)WHR、能量?jī)?chǔ)存和混合動(dòng)力等),進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)效率、降低總排放(NOx、CO2、SOx、PM等)、并降低維護(hù)保養(yǎng)成本等,實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)秀性能和超低排放。2.2新法律法規(guī)對(duì)應(yīng)的解決方案應(yīng)對(duì)IMO對(duì)NOx不同階段的排放限制規(guī)定,應(yīng)采取不同的技術(shù)解決方案。2.2.1滿足檢察官要求的解決方案IMOTierⅡ的要求,即NOx排放量比TierⅠ降低20%的目標(biāo),可以僅通過(guò)下列內(nèi)部技術(shù)措施方案即可實(shí)現(xiàn):(1)燃燒過(guò)程①M(fèi)iller循環(huán)/可變氣門(mén)正時(shí);②改變壓縮比;③燃燒室優(yōu)化設(shè)計(jì)。(2)燃料噴射①高壓共軌;②可變噴油正時(shí),多次噴射;③改變共軌噴油率形狀。(3)優(yōu)化和性能①2級(jí)增壓;②可變渦輪面積。2.2.2外部技術(shù)措施為實(shí)現(xiàn)IMOTierⅢ的要求,即NOx排放量比TierⅠ降低80%的目標(biāo),除研究適合于IMOTierⅢ的要求的內(nèi)部技術(shù)外,還需結(jié)合下列必要的外部技術(shù)措施:(1)供水措施①燃油-水乳化;②增壓空氣加濕。(2)強(qiáng)制措施選擇性催化還原(SCR)。(3)廢水處理帶沖刷的廢氣再循環(huán)。(4)氣體和體燃料①雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)(DF&ME-GI);②純氣體發(fā)動(dòng)機(jī)。3高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和可靠性新技術(shù)歐洲委員會(huì)和瑞士聯(lián)邦政府資助的包括歐洲43家單位參加的船舶超低排放燃燒的高效研發(fā)項(xiàng)目(HERCULES),研究周期:2004年至2008年,目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出大幅度降低船用發(fā)動(dòng)機(jī)氣體和顆粒排放,同時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和可靠性,從而降低油耗、CO2排放和發(fā)動(dòng)機(jī)生命周期成本的新技術(shù)。該項(xiàng)目共分為熱流體動(dòng)力學(xué)、燃燒、增壓、聯(lián)合循環(huán)、排放控制、監(jiān)控、摩擦學(xué)、管理等8個(gè)技術(shù)領(lǐng)域,開(kāi)展了“極限”參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)和機(jī)械學(xué)、先進(jìn)燃燒概念、多級(jí)智能渦輪增壓技術(shù)、能量回收及復(fù)合式熱發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、降低排放的內(nèi)部方法和先進(jìn)的后處理技術(shù)、排放及性能監(jiān)控新傳感器、以及自適應(yīng)控制智能發(fā)動(dòng)機(jī)等技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究。建立和開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的計(jì)算模型和工程軟件工具,進(jìn)行零部件的設(shè)計(jì)。并研制出相應(yīng)樣機(jī),開(kāi)展臺(tái)架試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn),驗(yàn)證新技術(shù)的有效性及其目標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況。最后,還要對(duì)相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)船試驗(yàn),驗(yàn)證新一代船用發(fā)動(dòng)機(jī)的潛在優(yōu)勢(shì)。3.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^(guò)“極限”發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和降低排放。(1)極限設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械學(xué)研究①設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)在極限熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷下運(yùn)行的柴油機(jī)機(jī)械零部件;②在缸徑、沖程為200mm和280mm,Pz達(dá)40MPa、Pe達(dá)3.5MPa的單缸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行零部件的極限試驗(yàn);③研究工作包括CFD/循環(huán)模擬、零部件材料研究,軸承、燃油噴射系統(tǒng)研制和試驗(yàn)等。(2)極限設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)研究①二沖程和四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)在極限負(fù)荷下的運(yùn)行研究及其新技術(shù)開(kāi)發(fā);②進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算和熱力學(xué)仿真;③相關(guān)零部件設(shè)計(jì)、研制及試驗(yàn)驗(yàn)證等。3.2燃燒模型的實(shí)驗(yàn)研究改善燃燒的新概念和新方法研究需要開(kāi)發(fā)針對(duì)低轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)大型燃燒室的較大空間和時(shí)間尺度的、具有足夠準(zhǔn)確度的燃燒子模型和化學(xué)動(dòng)力學(xué)子模型,同時(shí)需要開(kāi)展驗(yàn)證這些模型的包括缸內(nèi)測(cè)量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究,拓展現(xiàn)有的CFD工具,使之更好的用于設(shè)計(jì)燃燒室和進(jìn)行排放預(yù)測(cè)。先進(jìn)燃燒概念研究包括(噴霧、燃燒和排放形成)模型開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證試驗(yàn)以及燃燒過(guò)程和排放形成的模擬。(1)噴霧燃燒試驗(yàn)①開(kāi)發(fā)先進(jìn)的缸內(nèi)工作過(guò)程仿真模型,進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化研究;②開(kāi)發(fā)了用于模擬大功率二沖程柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行條件(特別是壓力、溫度和渦流接近實(shí)機(jī)水平)的噴霧燃燒試驗(yàn)裝置(見(jiàn)圖3)。對(duì)大功率二沖程柴油機(jī)典型燃燒系統(tǒng)中的流動(dòng)、噴霧、燃燒和排放形成過(guò)程進(jìn)行研究。(2)物理模型的嵌入①通過(guò)測(cè)量,獲得大量的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù);②將現(xiàn)有的物理模型嵌入到3維CFD軟件中,并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證;③完成了二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)化學(xué)模型的改進(jìn)。3.3nox排放降低20%的技術(shù)措施研究表明,對(duì)于平均有效壓力為2.6MPa左右的中速柴油機(jī),在70%~85%負(fù)荷范圍內(nèi)燃油消耗率不增加的前提下,只需采取機(jī)內(nèi)措施(如電控高壓共軌燃油噴射、提高壓縮比、Miller氣門(mén)正時(shí)等),即可使NOx排放降低20%。然而,如果在不增加油耗和降低功率的情況下,要使NOx排放降低30%,就需要采取進(jìn)一步的機(jī)內(nèi)措施(如油水乳化、極限Miller氣門(mén)正時(shí)和2級(jí)增壓系統(tǒng)等)。利用具有先進(jìn)的噴霧、燃燒、排放子模型的3維CFD軟件對(duì)低速二沖程柴油機(jī)的排放進(jìn)行模擬和試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證,并應(yīng)用于熱效系統(tǒng)(ThermoEfficiencySystem,TES)與SAM或EGR的不同組合時(shí)排放的分析。(1)分散技術(shù)nox①缸內(nèi)噴水(DWI);②進(jìn)氣空氣加濕;③發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行全工況加水優(yōu)化。(2)添加濕值和nox①油水混合噴射(四沖程);②掃氣空氣加濕(SAM)(二沖程)。(3)顆粒排放特性測(cè)量①開(kāi)發(fā)重油燃燒的顆粒形成模型及顆粒與碳煙測(cè)量方法②測(cè)量并分析四沖程和二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒排放特征;③根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù),評(píng)估顆粒形成理論,修正現(xiàn)有模型。②設(shè)計(jì)、研制了各種EGR和CGR系統(tǒng)樣機(jī)。3.4排放處理(1)實(shí)船排放檢測(cè)技術(shù)①低溫等離子體(NonThermalPlasma,NTP)概念的潛能;①多缸船用柴油機(jī)各缸排放測(cè)量技術(shù);②實(shí)船測(cè)量設(shè)備樣機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試;③快速(<10ms)NOx測(cè)量用特種采樣輸送管設(shè)計(jì)。3.5發(fā)動(dòng)機(jī)類型：復(fù)合發(fā)動(dòng)機(jī)和熱發(fā)動(dòng)機(jī)①利用熱能回收系統(tǒng)的“熱”發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合循環(huán)概念;②渦輪復(fù)合式發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)仿真;③抗熱腐蝕/氧化的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件(活塞、缸套等)及其新材料。(2)發(fā)燒發(fā)動(dòng)機(jī)①通過(guò)詳細(xì)仿真和實(shí)物樣機(jī)試驗(yàn)研究“熱發(fā)動(dòng)機(jī)”概念;②利用動(dòng)力渦輪和蒸汽輪機(jī)的2沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的能量回收系統(tǒng)。3.6自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)①PTI渦輪復(fù)合系統(tǒng)的自適應(yīng)控制和振動(dòng)控制;②PTI渦輪增壓器建模及控制器設(shè)計(jì);③自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì);④樣機(jī)試驗(yàn)、測(cè)試。(2)智能機(jī)器人見(jiàn)圖4①大功率柴油機(jī)運(yùn)行影響因素分析;②根據(jù)目標(biāo)功能要求(如最佳油耗、防止磨損和降低排放),優(yōu)化運(yùn)行條件;③實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的智能控制。4加強(qiáng)船舶新法規(guī)和新產(chǎn)品在海國(guó)外開(kāi)展低排放船舶大功率柴油機(jī)研究,取得了很大進(jìn)展。相比之下,我國(guó)差距很大,應(yīng)加大投入,積極開(kāi)展船舶柴油機(jī)排放控制策略、控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究,滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求。(1)政府、行業(yè)協(xié)會(huì)、學(xué)會(huì)、船級(jí)社、企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)等,認(rèn)真研究國(guó)際船舶空氣污染排放法規(guī)的變化情況及其對(duì)我國(guó)船舶行業(yè)、特別是船舶發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域帶來(lái)的影響,積極研究應(yīng)對(duì)措施,制定和完善相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),減少國(guó)際新法規(guī)的變化對(duì)我國(guó)船舶制造業(yè)的影響。(2)國(guó)內(nèi)科研院所、大學(xué)、企業(yè)積極開(kāi)展降低船舶動(dòng)力的有害排放物控制技術(shù)研究,形成降低大功率船用柴油機(jī)排放的相關(guān)技術(shù)和配套產(chǎn)品(如Miller循環(huán)、高壓共軌燃油噴