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降低船用中速发动机的排放
编者按：新的排放法规是推进船用发动机性能研发的主动力。过去，主要是提高发动机的效率，而现在，由于更为严格的法规生效了，所以重心转到了降低发动机的排放上，特别是降低氮氧化物（NO,）和硫氧化物（SO,）的排放。本文介绍几种瓦锡兰为满足未来船用发动机排放标准而采用的技术和方法，包括发动机的内部技术、后处理方法和如何选择燃料的品质，及各种技术寿命周期成本的简略对比以及未来排放技术研发蓝图。此外，探索了由欧洲委员会提供资金、在框架纲要7中的Herculesβ计划及其在减排技术研发过程中的重要性。
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气水平对有效排量的减少进行补偿。针对这种理念所
针对船用发动机排放的IMOTierII标准于2011年1
月开始实施。其NO,排放限值相对IMOTierI的减少幅度为：二冲程低速发动机15%，四冲程中速机20%。
IMOTierI标准将于2016年实施，该标准仅应用于指定排放控制区域（ECA）。目前TierI预期的应用区域包括波罗的海、北海、以及美国和加拿大的近海区域等。TierI对NO,循环平均排放限度进行了大幅度的削减，为目前水平的80%。此外，除了10%负荷点外，新标准要求在排放循环各点测得的排放水平不得超过循环平均限值的1.5倍，这种新的限制对优化发动机低负荷特性极具挑战。因为通常为了降低颗粒和烟雾的形成，稍高的NO,排放是可以接受的。
由于2016年以后TierⅡI和这二种标准将同时存在，而且大部分船舶要频繁地在TierI和II区域之间航行，这就意味着发动机必须在各种环境条件下以最好的运行效率游刃有余地处理不同排放限定值。因此有必要针对不同运行方案，根据应用情况和客户的需要制定特定的解决方案，以期将寿命周期成本最小化。这对为满足未来排放标准而研发的解决方案是额外的要求。
除了即将实施的NO,限值外，IMO已经就未来燃料的硫含量作出了更严格的规定，从2010年7月起，硫排放控制区域使用燃油的硫含量从1.5%降低到1.0%，而从
2015年后会进一步限定在0.1%。排放控制技术的选择
①现有技术
要在发动机排气口减少排放可以采用机内技术。
后处理方法或者选择不同的燃料品质来解决。瓦锡兰针对IMOTier量所进行的研发工作，对上述三种方法都很关注。现已开发出多种NO,减排技术，其中有些已经实施。表1简单介绍了已有技术。
高压涡轮增压是指将极端米勒循环（进气阀早关闭）与二级涡轮增压系统相结合，这种技术可使NO,排放降低40%。通过提前关闭进气阀，降低了有效压缩比，从而导致下止点（BDC）以及燃烧时的温度下降。由于NO,的形成主要是受热而激发的，所以米勒循环在降低NO,方面具有不容小靓的潜力。要保持空燃比（热负荷）不变，则需在发动机进气冲程中，通过更高的扫
做的试验结果显示，当压气机总压比为9时，NO减少 40%。
表1现有的NO,减排技术
NO,减排技术
高压涡轮增压（二级增压）
低NOx燃烧调整废气再循环系统 Wetpac增湿技术 Wetpac乳化技术 Wetpac直喷水技术
NOR系统
燃料转换+双燃料操作
NO,潜在减少量约40% 约10% 约60% 约40% 约25% 约50% 约80% 约85%
通过提高压缩比可实现低NO,燃烧，同时，减缓喷油速率可尽可能减少燃烧室内的压力升高量。这样做的目的是为了尽可能地接近恒压燃烧（理论狄赛尔循环/ 等压循环），从而降低燃烧峰值温度，最终减少NO,排放。对活塞顶设计和喷油器的布置都作了相应的优化。 NO潜在的减排幅度可达10%~15%，但油耗略有上升。利用电子喷油器的灵活性可以在整个发动机运行范围内对燃烧予以协调以降低NO,排放。鉴于此，共轨技术也是该理念的一部分。
废气再循环（EGR）是一项在汽车制造业广范使用
的技术。通过将冷却的废气再循环送入燃烧室，可在不影响发动机热负荷的情况下降低有效空燃比。由于空燃比降低会导致氧气浓度的降低，所以可大大降低NO,排放（约为60%）。这种技术应用于船舶减排的主要缺点是与高硫燃料不相容（除非安装有效的净化设备），燃料消耗增加以及高废气再循环率时产生低负荷烟雾。
水可以作为一种减少NO,排放的方法。水蒸汽可以起到温度阻尼和稀释燃烧空气中氧气浓度的作用，从而减少NO,的形成。若将水直接喷入燃烧室，还可直接对燃烧过程进行冷却（蒸发潜热）。已经开发的各种“Wetpac”技术，如Wetpac增湿技术、Wetpac 乳化技术、Wetpac直接喷水技术可以将NO,排放降低 25%~50%。
选择性催化还原减排法（SCR）是最有效的降低 NO,排放的途径。向排气管中喷射尿素可以将NO,挥发分解后形成氨（NH，），在26型试验用发动机上安装瓦锡兰NOR（一氧化氮降解器）样机，结果显示这种技术