MAN B&W 推出符合Tier III 排放标准的柴油机
陈新
摘要：最近，IMO通过MARPOL公约修正案，修订MARPOL附则VI第13条和14条以及附录VII的修订案。具体规定：增加加勒比海域为NOx及SOx排放控制区。2020年1月1日之前，在北美海域、加勒比海域内航行时可以不满足第14.4条规定的硫含量限值。 所有前往这些排放控制区的船舶，需要实施Tier III NOx排放标准及更低的燃油硫含量标准。随着越来越多的区域被指定为排放控制区（ECA），意味着越来越多的船舶需要安装符合Tier III标准的柴油机，所以最近MAIN B&W 柴油机生产厂商推出符合Tier III NOx排放标准的柴油机。
关键词：Tier III NOx排放标准 排气再循环（EGR） 燃油添加水技术（WIF）
1简介
为了应对Tier III NOx排放标准，世界主要柴油机生产厂商 MAN B&W 推出符合Tier III排放标准的柴油机并在一些船舶进行试验。从2008年8月到2010年3月在马士基公司的
1 092TEU集装箱轮“ALEXANDER MAERSK”进行柴油机排气再循环（Exhaust Gas Recirculation）试验，取得了满意的结果。由于目前世界上只是应对Tier II标准，靠柴油机本身技术改造，如电喷，燃气燃烧技术等柴油机本身改造就能够达到。对于Tier III NOx排放标准，目前单靠柴油机本身技术改造已无能为力。所以，MAN B&W生产厂家推出符合Tier III NOx排放标准的两种柴油机：排气再循环柴油机（Exhaust Gas Recirculation）、排气NOx催化剂处理器柴油机（Selective Catalyst Reduction），目前世界上已经生产和应用。本篇主要介绍排气再循环柴油机（Exhaust Gas Recirculation）。
2排气再循环柴油机（Exhaust Gas Recirculation）简介
船舶柴油机燃烧排放有害物主要是柴油机排气排出的CO（一氧化碳）、HC、NOx（碳氢化合物和氮氧化物）、臭氧、PM（微粒，碳烟）等有害气体。为控制船舶对大气污染，IMO对于不同的柴油机提出不同的标准和要求。IMO Tier III排放标准“对于转速低于130转/分钟大型低速柴油机氮氧化物排放不能超过3.4克/千瓦”。
IMO Tier II已经实施（氮氧化物排放不能超过14.4克/千瓦）。对于在2016年1月1日安放龙骨的船舶实施IMO Tier III标准，虽然目前离实施还有一段时间，但已经引起各大柴油机厂商重视，着手准备。目前全球所有生产的柴油机都不符合新排放标准，不管是电喷还是液化气燃烧技术等都无法满足新要求。因此MAN B&W生产厂商在2009年推出和试验全新设计概念的柴油机：符合Tier III NOx排放标准的全新概念的排气再循环大型低速二冲程柴油机。从实际试验、测试来看，完全能满足IMO Tier III标准及要求。
3氮氧化物NOx的生成机理和降低生成方法
氮氧化物包括NO、NO2等，在燃料的燃烧过程中生成的氮氧化物主要是NO和NO2，其中，以NO为主。NO占90%以上， NO2占5%～10%。燃烧过程中NOx来源于燃料中的氮化合物和空气中的氮气的氧化过程，氮氧化合物NOx形成主要是受温度和氧的浓度因素影响。随温度和氧浓度的增加，热力型NOx的浓度在增加。因此，降低热力型NOx的基本原理就是降低柴油机扫气中的氧的含氧浓度、降低柴油机气缸燃烧爆炸温度以及缩短燃烧期高温区的停留时间等，降低柴油机燃烧温度和含氧量，就能降低氮氧化合物NOx形成。采用烟气再循环（EGR）、燃油参水（WIF）等技术都是利用上述原理来控制热力型氮氧化合物NOx的生成措施，达到减少热力型氧化氮NOx排放目的。
4排气再循环系统（EGR）
4.1排气再循环系统（EGR）是将柴油机产生的排气的一部分和柴油机压气端新鲜扫气混合后压入柴油机气缸内，由于再循环是柴油机一部分排气具有惰性，不参加柴油机缸内化学反应，即原来扫气含氧量进入柴油机缸内的含氧浓度被稀释，氧气浓度降低，从而也使柴油机燃烧周期可燃混合气的发热量降低。另外，由于排气中的CO2及水蒸气的热容量较大，增大了混合气的比热容，降低了柴油机缸内的高峰温度。这两者都使柴油机燃烧过程的着火延迟期增加，燃烧速率变慢，柴油机缸内最高燃烧温度下降，从而破坏了NOx生成所需高温富氧的条件，使柴油机的NOx 排放降低。具体实现是，排气再循系统（EGR）是将柴油机排气的一部分，经过冷却和洗涤器（Scrubber）除掉柴油机排气再循环的排气的硫和颗粒物，再次送回燃烧室中进行二次燃烧来达到减少氮氧化物排放的目的。EGR降低NOx的原因可从稀释的影响、热量的影响和化学的影响进行进一步的理论解释。从稀释影响来看，EGR是将排气的引入柴油机吸气端，使得氧气浓度降低，因而产生NOx的量得到降低。从热量影响来看，当排气与新鲜空气和燃油混合后，由于冷却循环的气体中CO2、水蒸气的比热大，会使峰值燃烧温度降低，进而NOx的量会降低。从化学影响来看，高温下，排气中CO2、水蒸气会发生裂解，这一裂解是一个高的吸热过程，会吸收一部分燃烧热量，使得燃烧峰值温度降低，制止了柴油机因燃烧温度过高造成的氮氧化物增加对排放影响。
4.2 EGR系统的任务就是使柴油机排气的再循环量在每一个工作点都达到最佳状况和满足Tier III新排放标准，从而使燃烧过程始终处于最理想的情况，最终保证排放污染物中的排放值最低。由于排气再循环量的改变会对不同的污染成分可能产生截然相反的影响，因此所谓的最佳状况往往是一种折中的，使柴油机相关污染物总的排放达到最佳的方案。也就是说尽管提高柴油机排气再循环率对减少氮氧化物NOx的排放有积极的影响，但同时这也会对颗粒物和其他污染成分的减少产生消极的效果。详见试验结果（如表1）：
4.3 燃油添加水（water in fuel 简称WIF）
为了进一步提高柴油机有效降低氮氧化物排放，在燃料油添加一部分水，增加了新型柴油机降低氮氧化物排放能力。从化学影响来看：高温下燃油中的水会蒸发，蒸汽会发生裂解，这一裂解是一个高的吸热过程，会吸收一部分燃烧热量，使得峰值汽缸温度降低，制止了因峰值燃烧温度过高造成的氮氧化物对排放影响。通过燃油加水技术，能得到令人满意的结果，试验结果（EGR+WIF）见表2：
70%柴油机负荷时EGR+WIF混合作用时的试验结果
表2
参考 EGR Tier111 EGR Tier11 WIF（50%） WIF（50%）+EGR 28%WIF 28%WIF+EGR
ERG率 % 0 37 18 0 37 0 37
WIF % 0 0 0 50 50 28 28
NOXg /kWh 17.4 3.4 12.3 10.4 1.3 13.5 2.0
CO /kWh 0.7 1.4 0.4 0.24 0.3 0.25 0.67
SFOC % 0 0.3 -2.6 2.4 3.9 0.4 2.5
5 性能分析及评估
从试验曲线可以看到EGR会增加柴油机燃油消耗率，但是可以接受。一氧化氮（CO）也增加，但符合要求。氧化氮大大降低，能够符合IMO Tier III排放标准。
6 增加EGE后，实际试验结果和评估
柴油机各个关键部位给予令人满意的结果。
7 新问题出现及应对
1）EGR的应用，酸性物质的增多，柴油机面临更苛刻的腐蚀和磨损环境，因此，要求润滑油具有更好的清净性能和抗磨损性能，对润滑油的功能添加剂清净剂、抗磨损性能添加剂、黏度指数改进剂的用量有更高要求，同时对所有的基础油要求质量更优。
2）EGR的应用，排气再循环造成柴油机进气颗粒物增加，磨损风险增加，所以在EGR系统中设有洗涤器（Scrubber）来去除再循环排气中的颗粒物。
3）WIF的应用，可能增加酸性腐蚀风险增加，通过洗涤器（Scrubber）来去除再循环排气中的含硫分燃烧后的产物。
8 如何改进和管理
1）当EGR量太小时，柴油机无法有效降低氮氧化物排放；而如果EGR量太大，则可能会导致柴油机燃烧恶化，运转不稳甚至熄火，碳氢化合物排放量增加。所以，必须根据柴油机的工况精确控制排气再循环量。一般情况下，柴油机在怠速和暖机时，由于混合气质量差，燃烧不稳定，所以柴油机机不需要进行排气再循环，在大负荷和全负荷时，考虑到发动机对输出功率的要求，也不进行排气再循环。
2）为防止柴油机采用EGR后磨损加剧，应选用高质量润滑油和低硫柴油。
3）EGR系统的任务就是使排气再循环量，在每一个工作点都达到最佳状况，从而使燃烧过程始终处于最理想的情况，最终保证排放物中的污染成分最低。由于排气再循环量的改变会对不同的污染成分可能产生截然相反的影响，因此所谓的最佳状况往往是一种折中的，使相关污染物总的排放达到最佳的方案。比方说，尽管提高排气再循环率对减少氮氧化物（NOx）的排放有积极的影响， 但同时这也会对颗粒物和其他污染成分的增加产生消极的影响。
4）EGR的另一副产品，就是烟灰会经燃烧室造成气缸润滑油中不溶物的增加、黏度的增大，造成柴油机的磨损。因此要求气缸润滑油具有较强的烟灰分散和处理的能力。EGR的应用带来润滑油的黏度增大主要是由于EGR中的烟灰经燃烧室进入润滑油造成的润滑油中不溶物增加而造成。润滑油的氧化变质也会造成黏度增长，但不是黏度增长的主要原因。使用更高性能的分散剂或提高分散剂的量所形成不溶物的粒径更小，改善烟灰对润滑油造成的黏度增长，同时对减小柴油机磨损有帮助。
5）含有H2SO3等酸性物质的排气返回柴油机燃烧室，会造成柴油机气缸中酸性物质的增加，气缸油碱值的快速消耗，活塞环、缸套的腐蚀和磨损（EGR容易造成冷腐蚀，尤其是在柴油机低温启动和怠速运转时、在超低负荷运行时具有增压器切断柴油机或具有可变喷嘴增压器柴油机进一步增加冷腐蚀风险，因此在柴油机任何工况，必须保证缸套温度大于露点温度）。当使用EGR时，顶环磨损会提高，顶环磨损中，由于硫等酸性物质带来的腐蚀性磨损对顶环、缸套磨损的影响比由EGR中的烟灰及润滑油对其的影响影响更大。因此要求润滑油提供更有效的碱性清净剂以中和这些酸性物质，防止其对柴油机造成的腐蚀磨损。除采用措施降低硫等腐蚀性物质的影响外，选用更高黏度指数的基础油或合成油以提高油品的HTHS黏度、降低黏度指数改进剂的用量，对改善阀系磨损同样也起着重要作用。通过提高清净剂量、降低燃料和润滑油中的硫含量、选择更优性能的基础油、降低黏度指数改进剂的用量还对改善顶环槽充碳率有利。
6）通过分析硫氧化物（SOx）的生成机理，可以清楚看到SOx生成是由于燃油中所含硫分燃烧后的产物。当柴油机缸壁温度低于水蒸气露点，则燃烧中生成的气态水液化并与SOx形成亚硫酸和硫酸，对金属造成腐蚀。所以在EGR系统中设有洗涤器（Scrubber），来去除再循环排气中的含硫分燃烧后的产物，同时必须保证在柴油机任何工况，保证缸套温度大于露点温度，避免酸性腐蚀（冷腐蚀）。
7）EGR+WIF这两者都使柴油机燃烧过程的着火延迟期增加，燃烧速率变慢，缸内最高燃烧温度下降，从而破坏了NOx生成所需高温富氧的条件，使柴油机的NOx排放降低。尽管提高排气再循环率对减少氮氧化物NOx 的排放有积极的影响，而如果EGR量太大，则可能会导致柴油机燃烧恶化，运转不稳甚至熄火，碳氢化合物排放量增加。当EGR量太小时，无法有效降低氮氧化物排放。只有通过最优化设计和闭环电脑控制，才能达到排气再循环率精准控制，在满足柴油机各种工况情况下又能满足IMO Tier III排放标准。
摘要：最近，IMO通过MARPOL公约修正案，修订MARPOL附则VI第13条和14条以及附录VII的修订案。具体规定：增加加勒比海域为NOx及SOx排放控制区。2020年1月1日之前，在北美海域、加勒比海域内航行时可以不满足第14.4条规定的硫含量限值。 所有前往这些排放控制区的船舶，需要实施Tier III NOx排放标准及更低的燃油硫含量标准。随着越来越多的区域被指定为排放控制区（ECA），意味着越来越多的船舶需要安装符合Tier III标准的柴油机，所以最近MAIN B&W 柴油机生产厂商推出符合Tier III NOx排放标准的柴油机。
关键词：Tier III NOx排放标准 排气再循环（EGR） 燃油添加水技术（WIF）
1简介
为了应对Tier III NOx排放标准，世界主要柴油机生产厂商 MAN B&W 推出符合Tier III排放标准的柴油机并在一些船舶进行试验。从2008年8月到2010年3月在马士基公司的
1 092TEU集装箱轮“ALEXANDER MAERSK”进行柴油机排气再循环（Exhaust Gas Recirculation）试验，取得了满意的结果。由于目前世界上只是应对Tier II标准，靠柴油机本身技术改造，如电喷，燃气燃烧技术等柴油机本身改造就能够达到。对于Tier III NOx排放标准，目前单靠柴油机本身技术改造已无能为力。所以，MAN B&W生产厂家推出符合Tier III NOx排放标准的两种柴油机：排气再循环柴油机（Exhaust Gas Recirculation）、排气NOx催化剂处理器柴油机（Selective Catalyst Reduction），目前世界上已经生产和应用。本篇主要介绍排气再循环柴油机（Exhaust Gas Recirculation）。
2排气再循环柴油机（Exhaust Gas Recirculation）简介
船舶柴油机燃烧排放有害物主要是柴油机排气排出的CO（一氧化碳）、HC、NOx（碳氢化合物和氮氧化物）、臭氧、PM（微粒，碳烟）等有害气体。为控制船舶对大气污染，IMO对于不同的柴油机提出不同的标准和要求。IMO Tier III排放标准“对于转速低于130转/分钟大型低速柴油机氮氧化物排放不能超过3.4克/千瓦”。
IMO Tier II已经实施（氮氧化物排放不能超过14.4克/千瓦）。对于在2016年1月1日安放龙骨的船舶实施IMO Tier III标准，虽然目前离实施还有一段时间，但已经引起各大柴油机厂商重视，着手准备。目前全球所有生产的柴油机都不符合新排放标准，不管是电喷还是液化气燃烧技术等都无法满足新要求。因此MAN B&W生产厂商在2009年推出和试验全新设计概念的柴油机：符合Tier III NOx排放标准的全新概念的排气再循环大型低速二冲程柴油机。从实际试验、测试来看，完全能满足IMO Tier III标准及要求。
3氮氧化物NOx的生成机理和降低生成方法
氮氧化物包括NO、NO2等，在燃料的燃烧过程中生成的氮氧化物主要是NO和NO2，其中，以NO为主。NO占90%以上， NO2占5%～10%。燃烧过程中NOx来源于燃料中的氮化合物和空气中的氮气的氧化过程，氮氧化合物NOx形成主要是受温度和氧的浓度因素影响。随温度和氧浓度的增加，热力型NOx的浓度在增加。因此，降低热力型NOx的基本原理就是降低柴油机扫气中的氧的含氧浓度、降低柴油机气缸燃烧爆炸温度以及缩短燃烧期高温区的停留时间等，降低柴油机燃烧温度和含氧量，就能降低氮氧化合物NOx形成。采用烟气再循环（EGR）、燃油参水（WIF）等技术都是利用上述原理来控制热力型氮氧化合物NOx的生成措施，达到减少热力型氧化氮NOx排放目的。
4排气再循环系统（EGR）
4.1排气再循环系统（EGR）是将柴油机产生的排气的一部分和柴油机压气端新鲜扫气混合后压入柴油机气缸内，由于再循环是柴油机一部分排气具有惰性，不参加柴油机缸内化学反应，即原来扫气含氧量进入柴油机缸内的含氧浓度被稀释，氧气浓度降低，从而也使柴油机燃烧周期可燃混合气的发热量降低。另外，由于排气中的CO2及水蒸气的热容量较大，增大了混合气的比热容，降低了柴油机缸内的高峰温度。这两者都使柴油机燃烧过程的着火延迟期增加，燃烧速率变慢，柴油机缸内最高燃烧温度下降，从而破坏了NOx生成所需高温富氧的条件，使柴油机的NOx 排放降低。具体实现是，排气再循系统（EGR）是将柴油机排气的一部分，经过冷却和洗涤器（Scrubber）除掉柴油机排气再循环的排气的硫和颗粒物，再次送回燃烧室中进行二次燃烧来达到减少氮氧化物排放的目的。EGR降低NOx的原因可从稀释的影响、热量的影响和化学的影响进行进一步的理论解释。从稀释影响来看，EGR是将排气的引入柴油机吸气端，使得氧气浓度降低，因而产生NOx的量得到降低。从热量影响来看，当排气与新鲜空气和燃油混合后，由于冷却循环的气体中CO2、水蒸气的比热大，会使峰值燃烧温度降低，进而NOx的量会降低。从化学影响来看，高温下，排气中CO2、水蒸气会发生裂解，这一裂解是一个高的吸热过程，会吸收一部分燃烧热量，使得燃烧峰值温度降低，制止了柴油机因燃烧温度过高造成的氮氧化物增加对排放影响。
4.2 EGR系统的任务就是使柴油机排气的再循环量在每一个工作点都达到最佳状况和满足Tier III新排放标准，从而使燃烧过程始终处于最理想的情况，最终保证排放污染物中的排放值最低。由于排气再循环量的改变会对不同的污染成分可能产生截然相反的影响，因此所谓的最佳状况往往是一种折中的，使柴油机相关污染物总的排放达到最佳的方案。也就是说尽管提高柴油机排气再循环率对减少氮氧化物NOx的排放有积极的影响，但同时这也会对颗粒物和其他污染成分的减少产生消极的效果。详见试验结果（如表1）：
4.3 燃油添加水（water in fuel 简称WIF）
为了进一步提高柴油机有效降低氮氧化物排放，在燃料油添加一部分水，增加了新型柴油机降低氮氧化物排放能力。从化学影响来看：高温下燃油中的水会蒸发，蒸汽会发生裂解，这一裂解是一个高的吸热过程，会吸收一部分燃烧热量，使得峰值汽缸温度降低，制止了因峰值燃烧温度过高造成的氮氧化物对排放影响。通过燃油加水技术，能得到令人满意的结果，试验结果（EGR+WIF）见表2：
70%柴油机负荷时EGR+WIF混合作用时的试验结果
表2
参考 EGR Tier111 EGR Tier11 WIF（50%） WIF（50%）+EGR 28%WIF 28%WIF+EGR
ERG率 % 0 37 18 0 37 0 37
WIF % 0 0 0 50 50 28 28
NOXg /kWh 17.4 3.4 12.3 10.4 1.3 13.5 2.0
CO /kWh 0.7 1.4 0.4 0.24 0.3 0.25 0.67
SFOC % 0 0.3 -2.6 2.4 3.9 0.4 2.5
5 性能分析及评估
从试验曲线可以看到EGR会增加柴油机燃油消耗率，但是可以接受。一氧化氮（CO）也增加，但符合要求。氧化氮大大降低，能够符合IMO Tier III排放标准。
6 增加EGE后，实际试验结果和评估
柴油机各个关键部位给予令人满意的结果。
7 新问题出现及应对
1）EGR的应用，酸性物质的增多，柴油机面临更苛刻的腐蚀和磨损环境，因此，要求润滑油具有更好的清净性能和抗磨损性能，对润滑油的功能添加剂清净剂、抗磨损性能添加剂、黏度指数改进剂的用量有更高要求，同时对所有的基础油要求质量更优。
2）EGR的应用，排气再循环造成柴油机进气颗粒物增加，磨损风险增加，所以在EGR系统中设有洗涤器（Scrubber）来去除再循环排气中的颗粒物。
3）WIF的应用，可能增加酸性腐蚀风险增加，通过洗涤器（Scrubber）来去除再循环排气中的含硫分燃烧后的产物。
8 如何改进和管理
1）当EGR量太小时，柴油机无法有效降低氮氧化物排放；而如果EGR量太大，则可能会导致柴油机燃烧恶化，运转不稳甚至熄火，碳氢化合物排放量增加。所以，必须根据柴油机的工况精确控制排气再循环量。一般情况下，柴油机在怠速和暖机时，由于混合气质量差，燃烧不稳定，所以柴油机机不需要进行排气再循环，在大负荷和全负荷时，考虑到发动机对输出功率的要求，也不进行排气再循环。
2）为防止柴油机采用EGR后磨损加剧，应选用高质量润滑油和低硫柴油。
3）EGR系统的任务就是使排气再循环量，在每一个工作点都达到最佳状况，从而使燃烧过程始终处于最理想的情况，最终保证排放物中的污染成分最低。由于排气再循环量的改变会对不同的污染成分可能产生截然相反的影响，因此所谓的最佳状况往往是一种折中的，使相关污染物总的排放达到最佳的方案。比方说，尽管提高排气再循环率对减少氮氧化物（NOx）的排放有积极的影响， 但同时这也会对颗粒物和其他污染成分的增加产生消极的影响。
4）EGR的另一副产品，就是烟灰会经燃烧室造成气缸润滑油中不溶物的增加、黏度的增大，造成柴油机的磨损。因此要求气缸润滑油具有较强的烟灰分散和处理的能力。EGR的应用带来润滑油的黏度增大主要是由于EGR中的烟灰经燃烧室进入润滑油造成的润滑油中不溶物增加而造成。润滑油的氧化变质也会造成黏度增长，但不是黏度增长的主要原因。使用更高性能的分散剂或提高分散剂的量所形成不溶物的粒径更小，改善烟灰对润滑油造成的黏度增长，同时对减小柴油机磨损有帮助。
5）含有H2SO3等酸性物质的排气返回柴油机燃烧室，会造成柴油机气缸中酸性物质的增加，气缸油碱值的快速消耗，活塞环、缸套的腐蚀和磨损（EGR容易造成冷腐蚀，尤其是在柴油机低温启动和怠速运转时、在超低负荷运行时具有增压器切断柴油机或具有可变喷嘴增压器柴油机进一步增加冷腐蚀风险，因此在柴油机任何工况，必须保证缸套温度大于露点温度）。当使用EGR时，顶环磨损会提高，顶环磨损中，由于硫等酸性物质带来的腐蚀性磨损对顶环、缸套磨损的影响比由EGR中的烟灰及润滑油对其的影响影响更大。因此要求润滑油提供更有效的碱性清净剂以中和这些酸性物质，防止其对柴油机造成的腐蚀磨损。除采用措施降低硫等腐蚀性物质的影响外，选用更高黏度指数的基础油或合成油以提高油品的HTHS黏度、降低黏度指数改进剂的用量，对改善阀系磨损同样也起着重要作用。通过提高清净剂量、降低燃料和润滑油中的硫含量、选择更优性能的基础油、降低黏度指数改进剂的用量还对改善顶环槽充碳率有利。
6）通过分析硫氧化物（SOx）的生成机理，可以清楚看到SOx生成是由于燃油中所含硫分燃烧后的产物。当柴油机缸壁温度低于水蒸气露点，则燃烧中生成的气态水液化并与SOx形成亚硫酸和硫酸，对金属造成腐蚀。所以在EGR系统中设有洗涤器（Scrubber），来去除再循环排气中的含硫分燃烧后的产物，同时必须保证在柴油机任何工况，保证缸套温度大于露点温度，避免酸性腐蚀（冷腐蚀）。
7）EGR+WIF这两者都使柴油机燃烧过程的着火延迟期增加，燃烧速率变慢，缸内最高燃烧温度下降，从而破坏了NOx生成所需高温富氧的条件，使柴油机的NOx排放降低。尽管提高排气再循环率对减少氮氧化物NOx 的排放有积极的影响，而如果EGR量太大，则可能会导致柴油机燃烧恶化，运转不稳甚至熄火，碳氢化合物排放量增加。当EGR量太小时，无法有效降低氮氧化物排放。只有通过最优化设计和闭环电脑控制，才能达到排气再循环率精准控制，在满足柴油机各种工况情况下又能满足IMO Tier III排放标准。
