/摘要：本文結(jié)合工作實(shí)際，主要介紹目前在市場(chǎng)上應(yīng)用的船用柴油機(jī)高污染排放控制技術(shù)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一直以高熱效率以及高扭矩的優(yōu)異性，被廣泛應(yīng)用在船舶推進(jìn)領(lǐng)域。多年來(lái)，船用發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展也一直側(cè)重于強(qiáng)化其經(jīng)濟(jì)性、可靠性、機(jī)動(dòng)性等優(yōu)異性能的表現(xiàn)上，但由于轉(zhuǎn)速較低、燃燒爆壓高以及使用劣質(zhì)燃料等原因也存在著高污染排放（）、噪聲較大等問(wèn)題。隨著全球污染加劇，人們對(duì)生活品質(zhì)和環(huán)境要求的不斷提高，其中船舶柴油機(jī)廢氣排放已日益引起人們的重視。許多國(guó)家和國(guó)際組織積極采取各種有效措施，把限制船舶排放物對(duì)大氣的污染提到了議事日程。由于使用的燃料以及其自身特性原因，船用發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒時(shí)產(chǎn)生的氮氧化物（）和硫化物（），是主要高污染排放的根源。不論是發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升或污染排放成因的探討，最終還是都得回到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒工況的探討。污染排放的形成受到許多復(fù)雜因素的影響，許多研究都集中在優(yōu)化噴油嘴設(shè)計(jì)、調(diào)整噴油正時(shí)、改變?nèi)紵倚螤畹确椒?，根?jù)這些基本思路目前市面上出現(xiàn)的新型升級(jí)版發(fā)動(dòng)機(jī)基本上能滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。然而要達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，目前出現(xiàn)的技術(shù)主要集中在對(duì)排氣的凈化處理或者是使用新型燃料。關(guān)鍵詞：環(huán)境污染船用發(fā)動(dòng)機(jī)雙燃料1概述1.1船舶排放污染當(dāng)今世界，尤其是中國(guó)，環(huán)境保護(hù)已經(jīng)刻不容緩。近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，對(duì)石油資源的需求不斷增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年我國(guó)石油消費(fèi)量約為4.9億噸，由此造成的大氣污染也越來(lái)越顯著。主要表現(xiàn)在這幾年在中國(guó)部分城市冬季出現(xiàn)的嚴(yán)重霧霾現(xiàn)象越來(lái)越突出，出現(xiàn)頻率也越來(lái)越高。近年來(lái)已經(jīng)開(kāi)始注意的到船用柴油廢氣排出所造成的污染問(wèn)題，這些污染物質(zhì)夾帶致癌成份進(jìn)入人體，而導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)的疾病。而傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮行程末了時(shí)將柴油噴入，燃燒室中之燃油及空氣混合不均勻，因局部缺乏足夠氧氣燃燒，易形成一氧化碳（）以及黑煙，且燃燒不完全的燃料也轉(zhuǎn)化為排放至大氣中。噴霧中央為油氣過(guò)濃（）區(qū)域，使燃燒室的某些區(qū)域產(chǎn)生非常高的燃燒溫形成氮氧化物（）。同時(shí)，船用柴油機(jī)大量使用劣質(zhì)重質(zhì)柴油，其含有大量硫磺成份，經(jīng)燃燒后生成硫化物（）排入大氣。由于劣質(zhì)燃料的使用，也產(chǎn)生大量黑煙粒子（）。它們都具有強(qiáng)烈的腐蝕性，同時(shí)對(duì)人類(lèi)生理也有刺激影響，可造成較大危害。由于船用大型柴油技術(shù)升級(jí)，提高了過(guò)量空氣系數(shù)比，燃燒相對(duì)比較完善，因此在其污染排放廢氣中的一氧化碳和未燃徑的數(shù)量相對(duì)較少。其主要有害排放為成分氮氧化物（）、硫化物（）。因此，對(duì)船用柴油排放的限制，主要是對(duì)氮氧化物、硫化物以及煙塵顆粒的限制。1.2排放限制公約船舶污染排放控制為（國(guó)際海事組織）制定實(shí)施。1990年9月，在《防止船舶的空氣污染及燃油品質(zhì)》文件中提出了船舶污染排放控制指標(biāo)。1995年9月，第37次海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)會(huì)議提出新增“73/78公約”附則。附則分為兩章，共計(jì)19條和4個(gè)附錄。防止船舶大氣污染的目的是將船舶的排放量削減至現(xiàn)有水平的70%和50%，以及使用優(yōu)質(zhì)燃油。1997年，第39次海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)會(huì)議通過(guò)“73/78公約”附則，即“防止船舶造成大氣污染規(guī)則”。其適用于所有除游艇和漁船外，總噸位大于500噸的貨輪。同時(shí)，會(huì)議還通過(guò)了“船用柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)氮氧化物釋放控制技術(shù)規(guī)則”。2000年開(kāi)始，實(shí)施了嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。2008年10月，最新修正的公約附則，對(duì)排放以及使用燃油的含硫量提出了三個(gè)階段等級(jí)的限制要求，及i至。規(guī)定，和降到等效排放的減排技術(shù)均可接受。為滿(mǎn)足對(duì)船用柴油機(jī)有害排放等級(jí)的要求，國(guó)內(nèi)外各大船用柴油機(jī)研發(fā)制造企業(yè)均相應(yīng)在原有機(jī)型上做出了改進(jìn)，或開(kāi)發(fā)出新的滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)型。2有效較少的解決方案（排放等級(jí)）現(xiàn)代直噴式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮行程末段時(shí)，噴入燃油燃燒，造成局部濃油在預(yù)混燃燒階段溫度最高造成較高。研究的生成原理，得知生成的基本主要因素為瞬時(shí)燃燒溫度和氧氣濃度。溫度越高，氧氣濃度越大，則生成量越大?？刂频纳?，也就是最就是要控制燃燒反應(yīng)瞬時(shí)的溫度，以及控制氧氣過(guò)量系數(shù)。為達(dá)到此目的的方式都通稱(chēng)為缸內(nèi)處理技術(shù)。它們包括采用電子控制噴射技術(shù)，改進(jìn)優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)，改進(jìn)增壓技術(shù)以及采用可變噴氣/排氣定時(shí)等，來(lái)優(yōu)化燃燒過(guò)程。通過(guò)這些措施使得缸內(nèi)之油氣均勻分布，造成中間局部濃油較少，燃燒溫度也就降低，也相對(duì)降低。通過(guò)缸內(nèi)處理來(lái)改善柴油機(jī)性能和排放的方式還有很多。但無(wú)論采用何種方式，均可認(rèn)為其基本原理都為通過(guò)調(diào)整燃燒系統(tǒng)參數(shù)，改善燃燒環(huán)境來(lái)改善燃燒效果，從而提高排放性能。各大柴油機(jī)廠家都在此方面進(jìn)行了深入研究，此方法已證明適用于船用柴油機(jī)。從目前技術(shù)開(kāi)發(fā)以及應(yīng)用來(lái)看，缸內(nèi)處理技術(shù)能有效的減低了燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的排放，使柴油機(jī)排放滿(mǎn)足規(guī)定的排放等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。2.1共軌噴射技術(shù)共軌噴油技術(shù)的使用，解決了傳統(tǒng)噴油依靠凸輪軸進(jìn)行噴油定時(shí)帶來(lái)的無(wú)法根據(jù)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴油時(shí)間的缺陷。同時(shí)其先進(jìn)的電子控制系統(tǒng)可以根據(jù)柴油機(jī)的實(shí)時(shí)工況對(duì)噴油壓力和噴油過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合其他優(yōu)化方式，使得柴油機(jī)無(wú)論在油耗率上，還是在排上均達(dá)到了領(lǐng)先的水平。根據(jù)公開(kāi)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，和傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，在低負(fù)荷和部分負(fù)荷工況下，共軌電子噴射柴油機(jī)排放最低僅為傳統(tǒng)柴油機(jī)的75%（見(jiàn)圖2）。2.2燃燒室形狀優(yōu)化中小型中高速發(fā)動(dòng)機(jī)上也同樣采用了優(yōu)化燃燒室空間，增加了油氣混合充分度，達(dá)到化燃燒優(yōu)化和降低有害污染物排放的效果。2.3改進(jìn)增壓技術(shù)更低的燃油消耗率和有害廢氣排放是新一代大型兩沖程和四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的兩大并列目標(biāo)。新型發(fā)動(dòng)機(jī)（圖4）運(yùn)用了米勒循環(huán)原理，及四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)進(jìn)氣門(mén)，兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上的排氣門(mén)，引入了一種特殊的定時(shí)系統(tǒng)。但是米勒循環(huán)過(guò)程在這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程有所不同。從原理上來(lái)說(shuō)，在壓縮行程期間，氣缸中的壓縮比變小，燃燒階段的起始溫度隨之下降，這將直接減少生成的。為了獲得相似的熱力循環(huán)環(huán)境，如缸內(nèi)壓縮終了壓力和缸內(nèi)空氣量（空氣過(guò)量系數(shù)），因此其中部分氣體壓縮過(guò)程必須轉(zhuǎn)移到增壓階段，使最終壓縮壓力獲得及之前相類(lèi)似的條件。這樣更高的增壓比就成為必須。因此也就需要更高效的增壓器。在四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)中，如果進(jìn)氣門(mén)及排氣門(mén)之間的掃氣梯度是足大的正梯度，則換氣過(guò)程對(duì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)的工作是有幫助的。這就是大的掃氣梯度可以通過(guò)更高的增壓器增壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，增壓系統(tǒng)效率通過(guò)具有中間冷卻功能的雙級(jí)增壓系統(tǒng)來(lái)提高，相對(duì)于單級(jí)增壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)最大增壓的潛力不受影響。曼柴油機(jī)及透平公司在新推出的系類(lèi)中，專(zhuān)門(mén)針對(duì)四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)雙階增壓開(kāi)發(fā)了一款渦輪增壓器，總增壓比大于10。3有效較少的解決方案（排放等級(jí)）前面討論了，通過(guò)優(yōu)化柴油機(jī)內(nèi)部、改善燃燒環(huán)境只能使目前市面的柴油機(jī)排放等級(jí)達(dá)到規(guī)定的排放等級(jí)的要求，離排放等級(jí)的要求還相距甚遠(yuǎn)。因此要使柴油機(jī)有害排放控制上有大幅突破到達(dá)排放的標(biāo)準(zhǔn)，還需要采用其他的技術(shù)。目前市面上主要有直接對(duì)尾氣進(jìn)行凈化處理的解決方案，也有廢氣再循環(huán)的解決方案。同時(shí)采用新型燃料也可以有效降低柴油機(jī)排放。這里重點(diǎn)介紹采對(duì)尾氣進(jìn)行處理的系統(tǒng)。3.1雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)通常指既可以使用柴油，又可以使用液化天然氣或者其他可代替燃料作為主要燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)。在當(dāng)今石化燃料過(guò)量使用，導(dǎo)致溫室氣體效應(yīng)不斷增大情況下，使用液化天然氣作為燃料可以大幅降低二氧化碳的排放，同時(shí)在和等有害排放上均可以達(dá)到了排放等級(jí)的要求。同時(shí)基于通常市場(chǎng)上液化天氣和液體石化燃料在市場(chǎng)價(jià)格上的區(qū)別，使得使用做為燃料的運(yùn)營(yíng)船舶能有更好的經(jīng)濟(jì)性。因此雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)推出，對(duì)船東節(jié)能增效和對(duì)社會(huì)環(huán)境保護(hù)都做出了貢獻(xiàn)。公司研發(fā)的35/44機(jī)型此機(jī)型為四沖程中速柴油機(jī)，可使用液體石化燃料，同時(shí)也可以使用液化。它的燃燒模式有兩種：燃油模式，燃?xì)饽Ｊ健Ｔ谌細(xì)饽Ｊ较?，排放等?jí)能滿(mǎn)足排放等級(jí)的要求。（見(jiàn)圖5）同時(shí)，在燃?xì)饽Ｊ较露趸寂欧沤档土思s20%，如圖6。此外，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较碌呐欧艓缀鯙榱?。在不需要安裝任何其他設(shè)施或者處理的情況下即可滿(mǎn)足排放等級(jí)中關(guān)于排放的要求。和傳統(tǒng)燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，由于燃料的獲取，貯存和使用的存在差異，因此采用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的船舶的系統(tǒng)相對(duì)要復(fù)雜得多。同時(shí)對(duì)于船舶設(shè)計(jì)，建造和營(yíng)運(yùn)也提出了更高的要求。相信隨著液化天然氣存儲(chǔ)運(yùn)輸技術(shù)的不斷提高，以及液化天然氣加氣站的逐步建立，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)船舶的應(yīng)用將越來(lái)越多。3.2選擇性催化還原法（）3.2.1工作原理是選擇性催化還原的縮寫(xiě)，是一種尾氣處理方法。它可以將船用柴油機(jī)產(chǎn)生的的減少到符合排放要求的水平。在燃燒過(guò)程之后的廢氣管路中安裝反應(yīng)器，通過(guò)催化反應(yīng)被消耗掉。在反應(yīng)器中，在催化作用下被還原劑氨氣還原為氨氣和水。反應(yīng)器中的催化劑由含有大量通道的催化段組成，具有很大的表面積。如圖7所示：按照以下總反應(yīng)流程進(jìn)行還原：4432=4n2+6h2o222+43=4n2+6h2o22+432=3n2+6h2o出于安全考慮，氨氣通常以尿素水溶液的形式添加。氨氣噴入蒸發(fā)器時(shí)會(huì)分解成氨氣和二氧化碳：（2）2（）=（2）（s）+xh2o（g）（2）（s）=3（g）（g）（g）+h2o（g）3（g）+2（g）3.2.2系統(tǒng)和布置反應(yīng)器布置在廢氣管路上，反應(yīng)器中內(nèi)置催化還原載體。其主要過(guò)程為還原劑通過(guò)還原劑供給系統(tǒng)，經(jīng)控制系統(tǒng)定量注入反應(yīng)器前端的混合室中，還原劑及廢氣充分混合后一起進(jìn)入反應(yīng)器中。在催化劑載體的表面，廢氣中及還原劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到降低的目的。（1）還原劑供給系統(tǒng)過(guò)程使用的還原劑是無(wú)水氨氣（3）、氨水（253）或者尿素溶液（溶液32.5%或者40%）。無(wú)水氨氣屬于有毒的危險(xiǎn)物質(zhì)，而尿素沒(méi)有顯著危害，所以船舶使用尿素更方便。此外尿素供給系統(tǒng)沒(méi)有無(wú)水氨氣供給系統(tǒng)復(fù)雜，但是尿素的用量和存儲(chǔ)量更大。尿素還需要使用更為復(fù)雜的蒸發(fā)和混合過(guò)程，這會(huì)影響系統(tǒng)的布置。氨水（253）的處理方式及尿素類(lèi)似，盡管具有腐蝕性并且對(duì)健康和環(huán)境有害，但可以采取一些預(yù)防措施。噴射過(guò)程及所選還原劑無(wú)關(guān)，采用壓縮空氣進(jìn)行噴射。還原劑的噴射和混合必須有效進(jìn)行。任何未使用的氨氣（剩余氨）很可能在溫度降低時(shí)及廢氣反應(yīng)生成硫酸銨（44），并有沉積在廢氣系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，比如廢氣鍋爐。（2）尿素尿素被供給單元中的尿素泵從存儲(chǔ)艙中輸送到蒸發(fā)器/混合器中。供應(yīng)單元還配有一個(gè)清洗水艙和一個(gè)沖洗泵，用于沖洗尿素噴嘴。控制單元控制著尿素和壓縮空氣噴入蒸發(fā)器中。當(dāng)過(guò)程關(guān)閉時(shí)，尿素噴嘴將被清洗水沖洗，以防噴嘴堵塞。（3）無(wú)水氨氣無(wú)水氨氣3被歸類(lèi)為有毒物質(zhì)，對(duì)健康和環(huán)境有害。在正常的環(huán)境下，3是一種氣體，因此加壓液化后保存在氨氣艙中，氨氣的儲(chǔ)存艙和供應(yīng)系統(tǒng)部分（包括蒸發(fā)器）必須布置在遠(yuǎn)離機(jī)艙和居住艙室的單獨(dú)艙室內(nèi)。噴射供應(yīng)管線必須是雙壁管，并且通風(fēng)至室外。由于3直接用在還原過(guò)程中，所以不需要蒸發(fā)時(shí)間，蒸發(fā)/混合器可以替換為小型混合器。（4）氨水3水溶液（25%）屬于腐蝕性物質(zhì)，對(duì)環(huán)境有害。氨氣存儲(chǔ)艙和供應(yīng)系統(tǒng)部分（包括蒸發(fā)器）必須布置在遠(yuǎn)離機(jī)艙和居住艙室的單獨(dú)艙室內(nèi)。其用量和存儲(chǔ)量基本上及尿素相同。（5）吹灰系統(tǒng)為防止反應(yīng)器不被污染，需要安裝一個(gè)吹灰風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，以便通過(guò)壓縮空氣使反應(yīng)器保持清潔。吹灰風(fēng)機(jī)在過(guò)程中定期運(yùn)行，反應(yīng)器內(nèi)部部件上的煙塵被風(fēng)機(jī)吹松動(dòng)之后隨廢氣排出。（6）加熱系統(tǒng)反應(yīng)器和蒸發(fā)器因其部件的尺寸和重量很大，具有很大的熱容。該系統(tǒng)應(yīng)該在進(jìn)入排放控制區(qū)之前及時(shí)接通，已使反應(yīng)器和蒸發(fā)器獲得合適的工作溫度。但是，當(dāng)船舶進(jìn)港時(shí)，及發(fā)動(dòng)機(jī)處在停機(jī)狀態(tài)，此時(shí)溫度會(huì)緩慢降低。這意味著必須使用溫度保持所需水平或者加熱該系統(tǒng)。為滿(mǎn)足這一要求，該系統(tǒng)需要配備伴熱裝置或使用其他合適的加熱方法。圖8為常規(guī)四沖程中速柴油機(jī)的系統(tǒng)示意圖，采用尿素作為還原劑。主要有以下幾大件組成：反應(yīng)器、催化劑載體、吹灰系統(tǒng)、計(jì)量供給單元、混合裝置、尿素注入裝置、尿素存儲(chǔ)罐以及尿素輸送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。3.2.3的溫度控制過(guò)程的一個(gè)重要參數(shù)就是進(jìn)氣溫度。和氨氣必須在合適的溫度下才能在催化劑的作用下進(jìn)行反應(yīng)。這個(gè)溫度的下限取決燃油含硫量和廢氣中隨后生成的硫酸。硫酸在低溫下容易被氨氣中和。這會(huì)形成粘性產(chǎn)物（硫酸氫氨44），可能積聚在部件中。但是使廢氣保持高溫可以抑制這一反應(yīng)。當(dāng)燃油含硫量不高于0.1%時(shí)，310℃左右的高溫足以抑制該反應(yīng)。在較低的排氣壓力時(shí)，所需的最低溫度也會(huì)降低。另外一方面，溫度也不宜過(guò)高。因?yàn)檫@會(huì)催化劑中形成更多的3，隨后其會(huì)及水反應(yīng)成硫酸，從而產(chǎn)生額外的白色煙雨。同時(shí)在接近500℃左右的高溫時(shí)，3會(huì)隨著溫度的接近而發(fā)生氧化，這是一個(gè)多余的反應(yīng)，將會(huì)消耗更多的3。此外，催化劑材料會(huì)在溫度高于500℃～550℃時(shí)發(fā)生燒結(jié)。因此，為了確保操作可靠進(jìn)行，關(guān)鍵是使廢氣溫度保持在某一溫度范圍之內(nèi)。中速四沖程柴油機(jī)排氣溫度相對(duì)較高，在該系統(tǒng)中布置在渦輪增壓器后側(cè)，這樣便于靈活安裝布置。在工作過(guò)程中，即使是四沖程柴油機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷或是低溫度環(huán)境中，廢氣溫度仍然有可能會(huì)過(guò)低。為了將廢氣溫度提高到所需水平，可以使渦輪高壓側(cè)產(chǎn)生的部分廢氣在一個(gè)廢氣旁通閥（）的控制下通過(guò)旁路進(jìn)入到低壓側(cè)，使得進(jìn)入的廢氣達(dá)到