浅析船用柴油机排放后处理技术

随着世界范围内能源危机和日趋严峻的环境污染问题，如何满足日益严格的排放法规要求，同时又使能量转换效率提高进而达到降低噪声和排放，提高安全性和可靠性；改善稳定性和舒适性等目标，既是主流船舶动力柴油机的生存压力，也是发展动力。

船用柴油机的有害排放是全球大气污染的一个重要源头，它主要包括碳氧化物、氮氧化物、硫化物以及积碳等。

由于船用柴油机燃烧后排放的废气中主要的有害排放物是 NOx，它们对人类有直接的或通过环境间接的危害。 

因此柴油机排放的最大问题是如何控制NOx 排放，世界上几大柴油机制造厂如MAN、Wartsila 等都采取了相应的措施来减少NOx 排放，积极开发船用柴油机排放控制新政策和新技术。

基于船舶动力系统燃烧后排放的严重危害，近年来多个国家以及国际组织开始制定限制其排放的法规，其中最重要的一个是国际海事组织（IMO）制定的关于船舶废气排放标准的《MARPOL73/78公约》附则Ⅵ，该标准于2005年5月19日正式生效。

在附则Ⅵ中对船用柴油机氮氧化物（NOx）的排放标准、检验与发证、测量程序及船上检验程序提出了具体规定。

之后MEPC又对附则VI进行了进一步地修正和完善，定义了包括三个级别的IMO船用柴油机排放法规体系，正在执行的附则VI内容被作为TierI 标准纳入其中，并增加了更加严格的Tier II和Tier III。

国际海事组织（IMO）从2011年1月1日起实施IMO Tier II 排放法规，与IMO TierⅠ相比，IMO TierⅡ排放法规NOx降低20%，IMO TierⅢ降低 80%。

2016年8月22日，环境保护部和国家质量监督检验检疫总局联合发布了GB15097-2016《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)》，这是中国首次专门针对船舶发动机排放控制发布强制性国家标准。

该标准适用于额定净功率大于37kW的第1类船机（额定净功率大于或等于37kW且单缸排量小于5L）和第2类船机（单缸排量大于或等于5L且小于30L），包括柴油机和气体燃料发动机，对气体燃料发动机还专门提出了甲烷(CH4)排放限值。

通过电子控制的柴油机燃油喷射系统结构形式有很多，目前国内外最通用的是电控单体泵技术和高压共轨燃油喷射技术，其他各类电控喷射系统技术仍在持续不断地发展和完善中。 

1.电控单体泵技术

单体泵的结构主要由泵本体、燃油入口、燃油出口、电磁控制阀、拉杆、柱塞、垫片和弹簧等组成。

其工作原理为： 

当单体泵的电磁控制阀电源断开时，拉杆处于自由状态，燃油通过油路进入单体泵的内腔，然后在通过单体泵的回油管路排出，由于燃油持续不断的循环，导致单体泵的腔 体压力难以升高；

相反，当单体泵的电磁控制阀的电源打开时，电磁阀通过电磁力驱动拉杆快速动作，拉杆前端的锥形设计结构迅速将燃油回路封闭，燃油进入单体泵的内腔后，导致腔体压力快速升高，进而在柱塞的往复循环作用下迅速形成高压。

单体泵的燃油供给系统主要由柱塞式单体泵、电磁阀、燃油供给泵、驱动凸轮、燃油喷注器及输油管路等组成，其结构组成如图 1 所示。

图1 电控单体泵系统结构图

燃油供给泵通过泵将燃油挤压进入柱塞式单体泵，柱塞在油泵凸轮的驱动力作用下，迅速在单体泵的内腔形成高压。

当电磁阀的电源通电时，电磁阀开始动作，燃油通过电磁阀进入高压供油管路，当供油管路内的燃油压力高于燃油喷嘴的动作压力时，喷嘴被启动，开始喷油；

当电磁阀的电源断开时，供油管路内的燃油压力迅速下降，导致针阀返回，喷嘴停止喷油工作。

高速强力电磁阀是该燃油供给系统中的核心部件，是系统喷油量多少和喷油时间如何的直接控制者，其工作不仅需要确保实时快响应和控制的灵敏度，而且还要求其可以持续不间断地输出一定程度的电磁阀驱动力，以保证燃油供给系统输油管路的可靠性。

作为高压动力提供源泉的驱动凸轮是该系统的另一核心部件，其凸轮型线的动作规律直接影响着该系统的供油规律。 

综上所述，电控单体泵控制技术通过改进后，由为机械式升级为电磁阀控制式，可以实现多次实时喷射，不仅满足国Ⅳ以上排放要求，而且满足欧洲更严格的欧Ⅴ以上排放标准要求。

2.高压共轨燃油喷射技术

基于目前的柴油机发展现状，提高船用柴油机的缸内燃烧效率的方式主要有提高燃油喷射压力和改善喷射速率特性等。

传统的机械式燃油喷射系统受到系统结构组成和工作原理的限制，难以同时满足上述情况，因此，在基于位置式的柴油机燃油电控喷射系统和时间式的柴油机燃油电控喷射系统逐步发展之后，一种更优的压力-时间控 制式高压共轨燃油喷射系统是柴油机界的发展趋势。 

采用德国第二代CR高压共轨燃油系统的康明斯ISBE185 32高压共轨柴油机，其主要结构由高压输油泵、共轨管路、燃油喷注器、压力变送器、控制器、执行机构等组成，其结构组成如图 2 所示。

图2ISBE185 32柴油机高压共轨燃油系统的组成

高压共轨系统的工作原理为：

电动泵将燃油吸出，经过过滤器过滤后，然后通过电动泵输送到分配泵高压油泵，该燃油的一部分经润滑和冷却后，回流至燃油贮存箱； 

另一部分流入分配泵。

流入分配泵的燃油继续增压，然后通过输油管路输送至高压共轨管路中。

在高压共轨管路上设置一个油压力变送器和一个油压控制阀（PCV）。

该油压控制阀主要用于将实际油压调节至 ECU 的设定目标压力。

当达到目标值时，燃油经高压燃油输送管路流入喷油器电磁控制调节阀和喷油器。

流入喷油器的燃油，其中一部分直接喷入燃烧室，进行燃烧做功并输出动力；

另一部分沿着针阀的导向部分泻出流回燃油箱。

选择性催化还原技术（Selective Catalytic Reduction， SCR）基本工作原理：

排气从增压器涡轮流出后进入排气管中，同时由安装在排气管上的尿素喷射装置将定量的尿素水溶液以雾状形态喷入排气管中，尿素液滴在高温废气作用下发生水解和热解反应，生成所需要的还原剂氨气NH3，NH3 在催化剂的作用下将氮氧化物NOx有选择性地还原为氮气 N2，有时为了防止多余的氨气逃逸造成二次污染，还需要在SCR催化剂后方设置促使氨氧化成氮气的催化剂。

选择性催化还原转化器也被称为氮氧化物催化转化器。

如图 4 和 5 所示分别为MAN公司使用的 SCR 系统结构和工作原理示意图。

图4  SCR 系统结构示意图

图5 SCR 工作原理示意图

SCR 技术最大的优势在于其脱硝率高，能够满足最严格的NOx排放标准。

但是对于常规的SCR技术，存在难以对 NH3 的喷入量进行精确控制，以提高NOx 去除量；

SCR技术使用的催化剂都是有毒的，使用后废弃的催化剂难以处理；

余热锅炉的补燃和产气量很难控制；

SCR组件制约着燃料品种的多样性以及 NH3自身的污染特性等问题。

本文针对节能减排问题出现的柴油机发展新技术，通过讨论可得出如下结论： 

①在排放后处理方面，各项新的技术不断涌现，联合净化技术通过将独立的机外净化技术联合使用，可以取得多种污染物的良好净化效果。 

②基于柴油机自身热效率较高的特点，通过持续不断地优化提升柴油机本体结构、喷油、配气结构、燃烧、增压等各方面专业技术，达到提高柴油机热效率的效果，既满 足环保排放要求，又节约了能源。 

③随着电子技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用，在日益严格的排放法规和越来越高的市场要求的双重压力下，柴油机的含“电”量不断增加，各种新技术的应用使整个控制系统更灵活、更柔性、更加智能。

END