航網

資訊

淺析船用柴油機排放后處理技術


導讀

隨著世界范圍內能源危機和日趨嚴峻的環境污染問題,如何滿足日益嚴格的排放法規要求,同時又使能量轉換效率提高進而達到降低噪聲和排放,提高安全性和可靠性;改善穩定性和舒適性等目標,既是主流船舶動力柴油機的生存壓力,也是發展動力。

Image

船用柴油機的有害排放是全球大氣污染的一個重要源頭,它主要包括碳氧化物、氮氧化物、硫化物以及積碳等。

由于船用柴油機燃燒后排放的廢氣中主要的有害排放物是 NOx,它們對人類有直接的或通過環境間接的危害。 

因此柴油機排放的最大問題是如何控制NOx 排放,世界上幾大柴油機制造廠如MAN、Wartsila 等都采取了相應的措施來減少NOx 排放,積極開發船用柴油機排放控制新政策和新技術。

Image


船用柴油機的排放法規

基于船舶動力系統燃燒后排放的嚴重危害,近年來多個國家以及國際組織開始制定限制其排放的法規,其中最重要的一個是國際海事組織(IMO)制定的關于船舶廢氣排放標準的《MARPOL73/78公約》附則Ⅵ,該標準于2005年5月19日正式生效。

在附則Ⅵ中對船用柴油機氮氧化物(NOx)的排放標準、檢驗與發證、測量程序及船上檢驗程序提出了具體規定。

之后MEPC又對附則VI進行了進一步地修正和完善,定義了包括三個級別的IMO船用柴油機排放法規體系,正在執行的附則VI內容被作為TierI 標準納入其中,并增加了更加嚴格的Tier II和Tier III。

國際海事組織(IMO)從2011年1月1日起實施IMO Tier II 排放法規,與IMO TierⅠ相比,IMO TierⅡ排放法規NOx降低20%,IMO TierⅢ降低 80%。

Image

2016年8月22日,環境保護部和國家質量監督檢驗檢疫總局聯合發布了GB15097-2016《船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第一、二階段)》,這是中國首次專門針對船舶發動機排放控制發布強制性國家標準。

該標準適用于額定凈功率大于37kW的第1類船機(額定凈功率大于或等于37kW且單缸排量小于5L)和第2類船機(單缸排量大于或等于5L且小于30L),包括柴油機和氣體燃料發動機,對氣體燃料發動機還專門提出了甲烷(CH4)排放限值。

Image


電控燃油噴射技術

通過電子控制的柴油機燃油噴射系統結構形式有很多,目前國內外最通用的是電控單體泵技術和高壓共軌燃油噴射技術,其他各類電控噴射系統技術仍在持續不斷地發展和完善中。 

1.電控單體泵技術

單體泵的結構主要由泵本體、燃油入口、燃油出口、電磁控制閥、拉桿、柱塞、墊片和彈簧等組成。

其工作原理為: 

當單體泵的電磁控制閥電源斷開時,拉桿處于自由狀態,燃油通過油路進入單體泵的內腔,然后在通過單體泵的回油管路排出,由于燃油持續不斷的循環,導致單體泵的腔 體壓力難以升高;

相反,當單體泵的電磁控制閥的電源打開時,電磁閥通過電磁力驅動拉桿快速動作,拉桿前端的錐形設計結構迅速將燃油回路封閉,燃油進入單體泵的內腔后,導致腔體壓力快速升高,進而在柱塞的往復循環作用下迅速形成高壓。

單體泵的燃油供給系統主要由柱塞式單體泵、電磁閥、燃油供給泵、驅動凸輪、燃油噴注器及輸油管路等組成,其結構組成如圖 1 所示。

Image

圖1 電控單體泵系統結構圖

燃油供給泵通過泵將燃油擠壓進入柱塞式單體泵,柱塞在油泵凸輪的驅動力作用下,迅速在單體泵的內腔形成高壓。

當電磁閥的電源通電時,電磁閥開始動作,燃油通過電磁閥進入高壓供油管路,當供油管路內的燃油壓力高于燃油噴嘴的動作壓力時,噴嘴被啟動,開始噴油;

當電磁閥的電源斷開時,供油管路內的燃油壓力迅速下降,導致針閥返回,噴嘴停止噴油工作。

高速強力電磁閥是該燃油供給系統中的核心部件,是系統噴油量多少和噴油時間如何的直接控制者,其工作不僅需要確保實時快響應和控制的靈敏度,而且還要求其可以持續不間斷地輸出一定程度的電磁閥驅動力,以保證燃油供給系統輸油管路的可靠性。

作為高壓動力提供源泉的驅動凸輪是該系統的另一核心部件,其凸輪型線的動作規律直接影響著該系統的供油規律。 

綜上所述,電控單體泵控制技術通過改進后,由為機械式升級為電磁閥控制式,可以實現多次實時噴射,不僅滿足國Ⅳ以上排放要求,而且滿足歐洲更嚴格的歐Ⅴ以上排放標準要求。

2.高壓共軌燃油噴射技術

基于目前的柴油機發展現狀,提高船用柴油機的缸內燃燒效率的方式主要有提高燃油噴射壓力和改善噴射速率特性等。

傳統的機械式燃油噴射系統受到系統結構組成和工作原理的限制,難以同時滿足上述情況,因此,在基于位置式的柴油機燃油電控噴射系統和時間式的柴油機燃油電控噴射系統逐步發展之后,一種更優的壓力-時間控 制式高壓共軌燃油噴射系統是柴油機界的發展趨勢。 

采用德國第二代CR高壓共軌燃油系統的康明斯ISBE185 32高壓共軌柴油機,其主要結構由高壓輸油泵、共軌管路、燃油噴注器、壓力變送器、控制器、執行機構等組成,其結構組成如圖 2 所示。

Image

圖2ISBE185 32柴油機高壓共軌燃油系統的組成

高壓共軌系統的工作原理為:

電動泵將燃油吸出,經過過濾器過濾后,然后通過電動泵輸送到分配泵高壓油泵,該燃油的一部分經潤滑和冷卻后,回流至燃油貯存箱; 

另一部分流入分配泵。

流入分配泵的燃油繼續增壓,然后通過輸油管路輸送至高壓共軌管路中。

在高壓共軌管路上設置一個油壓力變送器和一個油壓控制閥(PCV)。

該油壓控制閥主要用于將實際油壓調節至 ECU 的設定目標壓力。

當達到目標值時,燃油經高壓燃油輸送管路流入噴油器電磁控制調節閥和噴油器。

流入噴油器的燃油,其中一部分直接噴入燃燒室,進行燃燒做功并輸出動力;

另一部分沿著針閥的導向部分瀉出流回燃油箱。


廢氣再循環(EGR)技術

柴油機排氣的有害成分主要有CO、HC、NOx 和微粒, 其中HC和CO排放較低,由柴油機燃燒特點所決定,柴油機的 NOx 和 PM 排放之間存在一種此消彼長的 trade-off 關系,因此,柴油機排放的最大問題是如何兼顧NOx和PM排放的同步同效處理。

減少 NOx 主要包括從源頭加以控制和排放后處理兩種模式。

Image

為了使NOx的排放滿足歐Ⅲ標準,采用 EGR技術,不僅成本低而且控制NOx排放效果明顯,是目前較受歡迎的方案。

1. EGR 技術降低 NOx 的機理

柴油機排放中的氮氧化合物主要包括NO、NO?、N?O?、 N?O、N?O?、N?O? 等,其中NO占比最高。

根據澤爾多維奇(Zeldovitch)的理論,在柴油機氣缸內的高溫、高壓和供氧的情況下,NO 的生成按鏈反應機理進行,即O?↔2O 

O+N?↔NO+N 

N+O?↔NO+O 

N+OH↔NO+H 

廢氣再循環系統(Exhaust Gas Recirculation,EGR)如圖3所示,主要工作機理是通過往復循環補入一定量的廢 氣,提升氣缸中的惰性氣體含量,提高比熱容來降低混合氣的氧濃度,從而破壞高溫 NOx 的生成條件,有效抑制 NOx 的生成,減少廢氣排放中的污染物。

Image

圖3 廢氣再循環系統結構示意圖

EGR 系統主要 作用是優化廢氣的再循環量,確保其達到最佳工況,提高燃燒效率和廢氣后處理效率,滿足排放標注和節約能源。

2.EGR 控制原則

基于負荷增加多少與EGR量的正向比例關系。

根據柴油機工作的不同工況,確保EGR系統高效運行。

當柴油機處于怠速及低負荷運行工況狀態時,由于NOx排放濃度較低,為保證柴油機正常燃燒做功,EGR 不需要介入;

當柴油機處于暖機過程中的工況時,由于柴油機的溫度尚低,NOx 排放濃度也較低,為避免EGR系統提前介入對燃燒不利,也不進行 EGR;

當柴油機處于大負荷、高速或油門全開的運行工況時,為保證柴油機持續不斷的動力輸出,也不進行EGR;

只有在加速工況狀態時,為確保柴油機的加速持續性及滿足排放標準,EGR 在過渡過程中介入。

3.EGR 系統分類

(1) 內部 EGR 系統

內部EGR系統的優勢主要體現在可避免柴油燃燒后的再循環廢氣對系統管道的腐蝕,進一步提高系統的壽命,節約后期維護成本。

但是該系統對EGR率難以實現精確量化控制,且廢氣不能進行再生冷卻,不利于減少氮氧化物的排放。

(2)外部 EGR 系統

外部EGR系統主要是通過專用管路將柴油機排放的廢氣導入進氣管路中,并在氣體進去柴油機氣缸前進行充分混合。

該系統的優勢能夠實現EGR率的精細化控制,通過加裝EGR冷卻器來降低廢氣的溫度,從而降低燃燒溫度,改善柴油機的排放,滿足排放標準要求。 

目前通用的外部EGR系統主要有進氣節流式EGR系統、文丘里混合式EGR系統、渦輪增壓一體式 EGR 系統、VGT式EGR 系統。


選擇性催化還原(SCR)技術

選擇性催化還原技術(Selective Catalytic Reduction, SCR)基本工作原理:

排氣從增壓器渦輪流出后進入排氣管中,同時由安裝在排氣管上的尿素噴射裝置將定量的尿素水溶液以霧狀形態噴入排氣管中,尿素液滴在高溫廢氣作用下發生水解和熱解反應,生成所需要的還原劑氨氣NH3,NH3 在催化劑的作用下將氮氧化物NOx有選擇性地還原為氮氣 N2,有時為了防止多余的氨氣逃逸造成二次污染,還需要在SCR催化劑后方設置促使氨氧化成氮氣的催化劑。

選擇性催化還原轉化器也被稱為氮氧化物催化轉化器。

如圖 4 和 5 所示分別為MAN公司使用的 SCR 系統結構和工作原理示意圖。

Image

圖4  SCR 系統結構示意圖

Image

圖5 SCR 工作原理示意圖

SCR 技術最大的優勢在于其脫硝率高,能夠滿足最嚴格的NOx排放標準。

但是對于常規的SCR技術,存在難以對 NH3 的噴入量進行精確控制,以提高NOx 去除量;

SCR技術使用的催化劑都是有毒的,使用后廢棄的催化劑難以處理;

余熱鍋爐的補燃和產氣量很難控制;

SCR組件制約著燃料品種的多樣性以及 NH3自身的污染特性等問題。

結束語

本文針對節能減排問題出現的柴油機發展新技術,通過討論可得出如下結論: 

①在排放后處理方面,各項新的技術不斷涌現,聯合凈化技術通過將獨立的機外凈化技術聯合使用,可以取得多種污染物的良好凈化效果。 

②基于柴油機自身熱效率較高的特點,通過持續不斷地優化提升柴油機本體結構、噴油、配氣結構、燃燒、增壓等各方面專業技術,達到提高柴油機熱效率的效果,既滿 足環保排放要求,又節約了能源。 

③隨著電子技術的飛速發展和計算機技術的廣泛應用,在日益嚴格的排放法規和越來越高的市場要求的雙重壓力下,柴油機的含“電”量不斷增加,各種新技術的應用使整個控制系統更靈活、更柔性、更加智能。

本文原創作者系:

①上海空間推進研究所  劉國棟  馬占華  王正 

②哈爾濱工程大學    宋恩哲

END

來源:網絡

友情鏈接

聯系我們

電話:025-85511250 / 85511260 / 85511275

傳真:025-85567816

郵箱:89655699@qq.com

蘇ICP備19031056號  江蘇云航物流科技有限公司 版權所有
日韩精品无玛免费专区,日韩精品无码免费专区,日韩精品亚洲专区在线影院