船用柴油机NOX减排措施介绍及应用

江秋红

摘要：随着时代的不断发展，船用柴油机有害污染物的排放造成的大气污染引起了人们的高度重视，为了适应当前船舶动力减排要求不断提高的发展趋势，本文仅介绍当前各种减排技术及其效果，并在某机型上验证HAM及SCR减排技术对NOX的优化效果，为即将实施的TierⅢ排放要求确定本企业各机型柴油机采取的解决方案。

关键词：船用柴油机;环保;减排技术;NOX;优化效果

中图分类号：U664.121                                   文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）22-0046-02

1  船用柴油机有害物质排放现状及法规要求

船用柴油机因其燃油消耗低、扭矩大、使用寿命长的优势，成为了当今最为主要的船舶动力。近年来，船用柴油机排放物造成的环境污染越来越受到国际重视，出台了诸多关于限制柴油机排放物的法规公约。

海上环境保护委员会（MEPC）通过的船舶防污公约附则Ⅵ-修订版对船用柴油机废气中的NOX排放量做出了明确的规定： 2016年1月1日强制实施Tier III阶段法规，北美排放控制区和美国加勒比海排放控制区已全面实施，其他区域在2021年1月前也将陆续实施;2016年我国环保部发布船用发动机排气污染物排放限值及测量方法，对船用柴油机废气排放中的CO、HC+NOX化合物及颗粒物也提出了更高要求，柴油机减排迫在眉睫。

2  控制柴油机NOX排放的常见措施

2.1 现阶段控制柴油机NOX排放的常见方法已满足Tier II要求，NOX排放的减排效果如表1所示。

2.2 机内净化技术

2.2.1 延迟喷油定时  延迟燃油喷射定时，可以提高燃油喷射速率，降低缸内最高燃烧温度，缩短混合气体中氮、氧在高温下的停留时间，从而可以减少NOX的产生，利用此方法可以将废气排放中NOX含量降低10～15%。

2.2.2 压缩空气缸前冷却  柴油机进气系统采用增压技术后，由于气体经增压器压缩后温度升高， 必然会导致气缸内最高燃烧温度升高，废气排放中NOX含量增加。在进气增压系统中增加空冷器，可降低柴油机进气温度及缸内最高燃烧温度，减少NOX的生成量。试验表明柴油机进气温度每降低10℃，废气中NOX含量下降约1.64%。

2.2.3 提高燃油喷射效率  提高燃油喷射效率，保证油、气在缸内充分混合。通过调整柴油机喷油定时、喷油器的启喷压力、燃油喷射速度、喷嘴喷孔结构来减少滞燃期内可燃混合气的生成是降低NOX的有效途径。

2.2.4 米勒定时技术  米勒定时基本原理是：通过调整进气阀的开、关时点，控制空气进气量，在下止点前关闭进气阀，利用压缩空气的膨胀吸热降低缸内混合气体的温度和压力，从而达到降低缸内最高燃烧温度减少NOX生成量的目的。

如果在柴油機上采用米勒定时技术，必须进一步提高柴油机压缩比和提高空气的进机压力，才能既降低NOX生成量，又不影响柴油机其它机械性能。

2.3 STC可变喷油正时技术

合适的喷油延迟可明显改善NOX排放，并不导致油耗的显著上升;若喷油延迟过大，虽然能减少NOX生成，但必然会使排放物中CO和HC的比例上升，同时也会增加柴油机燃油消耗量。喷油正时的设定一般根据额定工况设置，忽略了部分工况的性能，采用可变喷油正时技术正好解决了以上问题，根据柴油机不同工况喷入需要的燃油，大幅降低了部分工况下的HC化合物、CO，PM的排放，NOX的排放也可降低10%左右。

2.4 VTA涡轮增压技术（可变涡轮流通面积）

涡轮增压柴油机的最大优点是可以进一步提高柴油机的机械效率，使柴油机的动力性更强，经济性更高。但涡轮增压的效果取决于柴油机的转速，若柴油机在低转速下运行，涡轮增压器不能发挥自身最佳效率，进入柴油机的压缩空气总量不足，不能使喷入气缸内燃料完全充分燃烧，会导致排放更加恶劣，这是传统涡轮增压技术一直以来的弊端。若采用VTA涡轮增压技术则可有效地解决这个问题，无论柴油机在任何工况和转速下运行，它都能根据柴油机的燃油喷入量自动、持续、精确的吸入适量的压缩空气，从而提高缸内燃烧效率，降低了HC化合物、CO，PM的排放量， NOX的生成量也可减少10%左右。

2.5 掺水技术

柴油机燃烧温度的高低决定了NOX的生成量，适当的降低缸内最高燃烧温度，可减少NOX的生成。水在降低燃烧最高温度减少NOX生成过程中可起到明显作用，当前使用的掺水技术主要有以下三种：

2.5.1 油水乳化技术  对燃油系统作适当改进使燃油在燃烧室前形成乳化，再喷入燃烧室参入燃烧，这样可降低NOX 20～30%，其缺点是乳化油的稳定性及油水配比对柴油机性能有影响，燃油系统需特殊设计。

2.5.2 直接喷水技术  通过分置式喷嘴直接将水喷入气缸，可降低NOX 50～60%，该方案优点为设备投资、维修费用都较低，缺点是需对柴油机上的气缸盖及活塞等零部件进行防侵蚀设计，否则残留水易对柴油机零部件产生侵蚀，降低柴油机的使用寿命和可靠性，存在一定的危险性。

2.5.3 采用HAM空气加湿技术  利用水蒸气加湿缸前增压空气，通过对进气系统中的增压空气加湿，加湿后增压空气进入缸内与燃油混合，这种混合油气可以降低燃烧最高温度，达到减少NOX生成量的目的。这种空气加湿原理是使用热水不断地冲刷的换热器表面，热水气化后变成水蒸气。同时压缩后的过热空气遇水蒸气放热，从过热空气变至饱和空气，使压缩空气温度降低，压缩空气经过加湿器的多层阻气装置，形成的冷凝水可以放出。因此，供给气缸内的饱和空气相对湿度可达到99%。这种空气加湿技术可降低50～60%的 NOX生成量，其优点是使用成本低。缺点是需在柴油机上的活塞、缸头等零部件需进行防侵蚀设计，否则残留水对柴油机零部件造成侵蚀，降低了柴油机的使用寿命及可靠性，存在一定的危险性。

2.6 废气再循环技术

废气再循环（EGR）是将柴油机产生的部分废气引入进气系统，与新鲜吸入的压缩空气混合后再进入到燃烧室内参与燃烧，增加反燃烧物质的热容量以及CO2、H2O和N2这种惰性气体，降低了进入缸内混合气体中氧气的相对密度，这样可使燃烧室内点火延迟，从而降低气缸内最高燃烧温度，减少NOX生成。柴油机废气排放物中大约60～70%的NOX是在高负荷的工况下产生的，此时将适量的废气引入到进气系统中参入再循环燃烧，对于减少NOX是有显著效果的。当引入进气系统中的废气再循环率达到15%时，排放物中NOX可以减少50%以上，当引入进气系统中的廢气再循环率达到25%时，排放物中NOX可减少80%以上，但随着引入进气系统中的废气再循环率不断增加，气缸内的燃烧速度会变得越来越缓慢，燃烧的稳定性也会越变越差，这样会导致废气排放物中HC等颗粒物越来越多，零部件的磨损也会加快，影响柴油机的使用寿命，柴油机油耗也会恶化2～4%及功率下降等。另外各工况EGR效率的控制、排气冷却、净化等技术问题难以解决，都是影响废气再循环广泛使用的重要因素。

2.7 废气后处理（SCR）

废气后处理是对废气中已生成的NOX进行净化处理，将废气中的NOX还原成N2和H2O，从而减少NOX的生成。对柴油机废气后处理最有效的方法是选择性催化还原法，简称SCR系统。它是将尿素喷入废气流或直接喷入燃烧室中，使氨能有选择性的与NOX发生化学反应，将其中的氮分离成为无害的N2和水蒸气。净化效果显著，最多可降低NOX达85～90%，另外CO和HC也有不同程度的降低。该系统既可以不用对柴油机本身结构做改变，也不影响柴油机的使用寿命、性能及油耗，但投入成本较高、经济性差，体积也较大对船舱空间要求有所提高。

3  某机型减排技术测试效果

根据上述减排技术的介绍，以下是以某机型为试验机，试验前将柴油机排放状态调至最差，排放主要对其进行HAM及SCR试验研究，验证HAM及SCR对降低柴油机燃烧产生NOX的排放效果。

3.1 HAM空气加湿试验

采用0.7MPa压缩空气给淡水加压后，通过直径为0.81mm（6个）和0.74mm（6个）的喷孔喷射至柴油机进气道中与中冷后的压缩空气混合，每个喷孔的流量为0.45L/min。按照推进特性运行，当工况为额定工况的75%以下时为开启6个喷孔，水的消耗量为2.7L/min。当工况为额定工况的75%以上时为开启12个喷孔，水的消耗量为5.4L/min，经计算混合空气达到饱和蒸汽要求。根据试验结果显示，HAM技术可以降低NOX排量44%，但距离Tier III的排放限值（2.395g/kWh）还是存在一定的差距，试验结果见表2。

3.2 废气处理（SCR）试验

废气后处理工作原理是将还原剂喷入排气管，使排气中的氮氧化合物在催化器的作用下与还原剂发生化学反应，氮氧化合物被还原成氮气和水，在本试验中后处理系统使用的是尿素作为还原剂。

试验表明：废气经催化还原（SCR）后可降低NOX排放量达85%，NOX排放加权值为2.08g/kWh，可以满足到达TierⅢ限值（2.395g/kWh）的要求，试验结果见表3。

4  结论

不论选择单一的减排措施还是使用组合式减排措施，都会在降低排放污染物的同时对柴油机或用户产生一些负面影响，故选择哪一种减排措施，都应从柴油机的结构性能、可靠性、经济性以及用户的使用要求等方面权衡利弊，选择最适合的减排措施满足市场对柴油机的使用要求。

参考文献：

[1]吴金源，董以敏.船用大功率柴油机排放净化与控制[J].铁道机车车辆，2003，23（Z1）.

[2]袁庭全.船用柴油机的排放控制[J].船舶，2005（1）.

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