近年来，发动机可见碳烟和废气排放测试设备已经得到广泛发展，法规机构对其关注度持续增加。由于有些发动机制造商靠近历史古迹区域的老城镇中心，促使其环保意识得到进一步增强。在过去的二十年间，大型工程的发展使发动机测试中心的排放控制设备的类型超过了10种。这些设备能够使发动机制造设计厂商在不受背压和排温限制时对排放进行测试。排放控制设备使得发动机可以在非典型工况下运行时进行测试，且避免排放可见碳烟到大气环境中。 这些测试中心可提供全自动化的排放控制设备，通常包含一个微粒碳烟治理功能，且通过使用催化设备对NOx、CO和其他的排放组份进行后处理。通常收集多种发动机的尾气至一个收集器中，目的是平衡废气压力。这种测试方式可使发动机的背压与排放控制系统彼此独立。收集器中装备有烟道气风扇和加热器使得烟道气经由多个通道进行分流。这种排列组合非常灵活，可以在烟道气体流动较低时仅保留一个或有限的流道。当更多的发动机进行测试时，烟道气体的量增加，将开放更多的流道，从而实现了较低的能耗。 本文介绍了一种多流道排放控制设备的尺寸和设计要求：每台发动机3000Kw功率对应20000kg/h的废气流量。不仅如此，本文回顾了需要的热功消耗，以及该排放控制设备的出口排放数值及测量方法。 关键词：排放控制；后处理；发动机 译者简介： 李垂孝，男，32，中国船舶重工集团公司第七一一研究所，工程师，研究方向：发动机性能。 翻译：李垂孝 校对：李翔

新的排放法规和不断变化的观念促使海运运营商开始研究降低柴油发动机可见和气态排放的新技术和解决方案。个体船舶的工作周期和操作偏好促使技术进一步复杂化。 为满足日益严格的排放要求而开发的新技术解决方案可包括流体喷射后处理、微粒过滤和完整的缸内解决方案。为了满足EPA Tier 4和IMO Tier III排放法规，GE运输公司开发了一种完整的缸内解决方案，无须采用排气后处理。 本文将详细介绍GE L和V250MDC发动机的开发，验证和开发过程中遇到的技术障碍。 这些发动机平台的开发始于2011年，采用V12和V16发动机，以及后续L6和L8变型机。 本文将讨论设计方法和平台验证计划。 在这些发动机投入商用之后，最初投入使用的设备出现了一些技术和操作偏好问题。 其中许多问题源于这些平台上采用的以满足新排放法规的新技术。这些问题通过各种方法得以解决，包括机械改进和引擎控制算法更新。目前，超过30台发动机成功投入收入服务，部分累计运行超过10,000小时。 本文将介绍GE运输公司满足EPA Tier 4和IMO Tier III排放标准的发动机的商业上发布的一些结果和经验教训。

在2016年赫尔辛基CIMAC会议上，推出了MAN B&W ME-LGI发动机概念，展示了低速船用柴油机可以使用各种低闪点，点燃特性差的燃料，比如甲醇。另外，在工业界众所周知，喷射前往燃料里混合水，可以降低柴油发动机的NOx排放。然而，之前的研究排放减少量都不够大，没有达到IMO Tier III的标准，因为点燃的问题限制了最高可用的水量。ME-LGI发动机使用柴油引燃，以确保即便是点火能力非常差的燃料的稳定的点燃和燃烧。使燃烧燃料和水的混合物，其中水的比例极大超过之前尝试的水平，成为可能。此篇论文展示了基于MAN B&W 4S50ME-LGI测试发动机的新颖的测试，测试地点是日本三井。测试了两种不同的水混合物：甲醇与水的混合物，柴油与水的乳浊液。首先，本文概括了测试装置，其次，本文陈述了测试结果，包括油耗变化、测量的放热率曲线，尤其是发动机排放的详细结果。甲醇与水混合物，燃料与水乳浊液都展示了可以获得非常满意的发动机性能，同时保持NOx排放大大低于IMO Tier III的标准，无须采用EGR或SCR系统。最后，本文将会讨论作为第三种NOx排放低于IMO Tier III的标准的技术方法的重要性和商业潜力。

国际海事组织(IMO) MARPOL附件六的Tier III NOx排放要求已经于2016年1月1日在北美和加勒比海地区生效。在排放控制区(ECA)内，要求NOx排放大致低于2g/kWh。目前经验证的可满足Tier III排放标准的技术路径主要包括：废气再循环(EGR)，选择性催化还原(SCR)，气体发动机。SCR技术的成熟度已经在商用车辆和发电站领域得到了证明。同时SCR也不影响发动机的燃油效率和可靠性。因此SCR已经被各国监管机构认可为最有前途的NOx控制手段之一。目前的SCR解决方案是直接在满足Tier II排放的柴油机上安装SCR后处理装置。在排放认证过程中，有必要确认原型发动机的NOx排放符合Tier II要求。为了减少运营成本，当船只驶出排放控制区后，SCR系统关闭，柴油机运行在Tier II排放模式。通过这种方式，NOx排放可以满足Tier III标准，但是运营成本由于在排放控制区内的尿素消耗而随之上涨。在本文中，基于虚拟标定与优化技术，建立了包含SCR系统的中速柴油机GT-power模型，并作为研究对象。以Tier III NOx排放要求和最低运营成本为优化目标，采用V最优DoE方法和非支配排序遗传算法(NSGA-II)研究了系统级优化运行MAP。在中国船机社(CCS)的监督下，采用D2试验循对对发动机和尿素喷射的优化运行MAP进行了测试。台架测试结果表明SCR系统后的NOx排放可以满足Tier III标准。同时，柴油机和SCR系统的综合运行成本减少了1.5%～3%。通过这种方法，船用柴油机可以以较低的运营成本满足Tier III标准，并且不需要在排放控制区和非排放控制区域之间切换SCR开关。这将更有利于全球环境的改善。

降低发动机排放是海洋工业多年以来排放控制技术发展的主要驱动力。在经过IMO、各国家和国际组织不同层级的讨论之后，未来很多年内该领域的发展将得到推动。目前主要的关注点是降低NOx、SOx、颗粒物(PM)、CO2、温室气体(GHG)和黑炭(BC)的排放。本文将对全球范围内二冲程发动机和四冲程发动机减排技术方案进行综述。 NOx排放遵循IMO Tier II法规且在排放控制区(ECA)内遵循IMO Tier III法规。后处理装置如EGR和SCR被认为是减少NOx排放的标准方案。未来，天然气和甲醇等燃料也将在燃烧过程中减少NOx的生成。由于SOx排放与燃料中的硫含量直接相关，PM排放也与硫含量存在关联，因此降低SOx和PM排放是IMO 2020 硫含量0.5%标准的出发点。由于CO2排放降低等同于节约燃料，因此CO2排放一直以来都受到关注，推动了许多能效提升技术和优化解决方案的发展。CO2与其他GHG重点关注加强能效设计指数(EEDI)要求，最新的IMO协议决定到2050整个海洋工业需要至少减少50%的温室气体排放。BC对气候，尤其是北极地区影响很大，因此越来越受到关注。 本文给出了对于排放控制研发项目的见解，以及对诸如带有在线数据诊断功能的低压SCR和高压SCR等解决方案的优势进行分析。 本文概述了最近的市场活动，表明造船厂和船东对NOx排放水平的关注增加，甚至低于IMO Tier III排放标准所要求的水平，以便与天然气或双燃料发动机等不同的发动机技术竞争。一些要求参考陆基NOx排放限值，如欧V要求海上推进装置满足NOx排放减少最高90%，最低1.8g/kWh。为了确保NOx减少达到90%，同时保持TBO和尺寸维持在MAN Tier III SCR系统的水平上，必须发展先进的装置以便在最低温度下运行，并节省作为还原剂的尿素溶液的消耗，以在整个运行工况下最大限度地减少不需要的氨泄漏至10ppm以下。 现场已在IMO Tier III排放标准下积累了超过50000小时的运行时间，涵盖了不同的燃料，如DMA，0.1%硫含量ULSFO，以及传统的高硫HFO。使用不同的燃料对SCR系统的性能有重大影响，例如从燃油或滑油中产生的未燃碳氢会覆盖SCR的表面。考虑到市场上存在的燃料和发动机类型广泛，SCR系统面临着各种各样的挑战，例如偏移的NOx还原率，由于催化剂中毒使SCR催化剂失活，背压增加与催化剂堵塞。此外，随着新燃料进入市场，尤其是2020年起满足0.5%硫含量的燃油，作者研究了不同的影响与应对措施，以保证在最小的NOx排放下安全、可靠地运行，这些将在后文详述。 本文的最后一章将讨论未来可能的排放法规，并介绍全生命周期减排技术方案的概述。

作为减少NOx排放的有效方法，废气再循环（EGR）和米勒循环在低速二冲程发动机上被广泛研究以满足Tier III排放法规。本研究提出了一种配备有2个涡轮增压器的多模式涡轮增压系统以优化应用EGR和米勒循环应用。多模式涡轮增压系统可以转换为不同方案，包括相继增压、两级涡轮增压和单级涡轮增压。考虑到EGR和Miller的耦合，提出了一种多模式涡轮增压系统的重新匹配方法。对于相继增压模式，研究了流量分配对NOx排放和燃油消耗率（BSFC）的影响，并选择适当的流速分配以减少气缸旁通（CB）和废气旁通（EGB）的使用。对于两级涡轮增压模式，考虑到不同的米勒正时与EGR结合，研究了压比分配对NOx排放和BSFC的影响，选择适当的压比分配以减少EGR的使用。在某些负载下，单级涡轮增压模式用于满足Tier III排放法规。最后，提出了多模式涡轮增压系统的控制策略，优化了全工况NOx排放和BSFC。与目前采用CB的高压EGR方案相比，多模式涡轮增压系统减少了EGR、CB和EGB的使用。文章还讨论了改善NOx排放与BSFC间折中关系的潜力。

现代涡轮增压系统为船舶推进和发电用发动机的市场成功做出了重大贡献。这意味着涡轮增压器部件必须以高效率，高可靠性和低运营成本安全运行，并且必须按照严格的产品成本要求进行设计。这带来了空气动力学性能和机械阻力方面的挑战。过去几年,空气动力学和机械限制的扩大主要是大量使用先进数值方法的结果。为了满足要求，不同学科的工程师在设计过程的所有阶段评估和优化涡轮增压器的部件。本文介绍了涡轮增压器从初步设计阶段到最终设计阶段所涉及的学科目前使用的先进数值方法。所提出的方法已被应用于新型二冲程和四冲程发动机的轴流式涡轮增压器的开发过程中。由于工程师面临着多个多学科主题，不同学科和相应方法之间的相互关系也是这项工作的重点领域。本文表明，空气动力学和结构力学领域之间的密切合作对于进一步改进涡轮增压器部件至关重要。 如下文将会展示的，尺寸化涡轮部件的过程始于叶片的设计。本文展示了空气动力学的开发过程，始于初始叶片设计，终于完成满足空气动力学性能要求的涡轮和压气机。所呈现的流体动力学模拟基于最先进的完全3D求解器。 除了空气动力学性能外，还必须在早期设计阶段考虑机械限制。 此外，本文还介绍了流体结构交互（FSI）方法。这些计算用以防止压气机和涡轮叶片出现HCF问题。 除了包含空气动力学和结构力学方法的多学科主题外，本文还介绍了最先进的结构力学仿真，这些仿真是为了最终确定旋转和非旋转部件的几何形状而进行的。 从结构力学的角度来看，开发目标是为获得具有长保养间隔及最小的重量和变形的安全运行部件。为了实现这一点，应用了先进的模拟技术，并在本文中进行了介绍。除了有限元方法，共轭传热分析形式也被用于开发过程，这些计算能使预测零件的温度分布尽可能精确。由这些共轭传热计算获得的三维温度分布被用作不同的基于有限元仿真的输入，例如热机械疲劳和蠕变计算需要精确的温度预测。本文还将讨论其他重要的结构机械任务，例如非线性转子动力学和密封分析。这些任务由结构力学部门执行，但是像所展示的内容，最终的几何形状总是在不同学科的限制之间进行妥协。因此，拓展涡轮增压器部件开发限制需要不同学科之间的密切合作。

面对日益严苛的排放法规，柴油-天然气双燃料发动机开始在船舶动力系统中被广泛应用。与传统柴油机模式相比，气体模式下的缸内混合气浓度与点火能量对燃烧过程，特别是低负荷有影响显著。通常，对柴油模式下起动的双燃烧发动机，当负荷超过20%后会由柴油模式切换至气体模式。显然，如果一台发动机在气体模式下起动，则可避免切换过程，且发动机可以在全工况下均运行在气体模式，这大大有助于发动机运转操作便利性及进一步降低排放。而且，气体模式起动可以作为发动机在柴油模式起动失败时的备用手段。 本文提出了双燃烧发动机喷射控制策略及预喷控制策略，并成功验证了发动机在气体模式下的起动。通过平台试验研究了某船用中速微喷引燃双燃烧发动机在气体模式下的起动过程。该双燃料发动机试验平台包含了燃烧分析仪与排放分析仪，基于该试验平台优化了该发动机气体模式下起动策略，并验证了策略的可行性与可靠性。 试验结果表明，气体模式下起动的发动机性能与柴油模式起动下的性能是相当的。在足够的预喷燃料量与合适的过量空气系数下双燃烧发动机能够在气体模式下成功起动。气体模式起动过程包含4个阶段，分别为未点火阶段、预喷燃烧阶段、气体模式低速燃烧阶段和其他模式正常燃烧阶段。预喷的量越多，第三阶段燃烧越剧烈，发动机起动越快。另外，在怠速条件下为优化瞬态性能与排放可以适当减少预喷量。

中国是一个造船大国，拥有丰富的内河水路运输。然而，由于船舶运输引起的空气污染越来越严重，尤其是对河流沿线城市。2015年，为了升级国内内河水路船舶排放法规，中国出台国I和国II（船舶发动机排气污染物排放限值测量方法，GB15097-2016）排放法规，国I法规已在2018年6月1日实施，国标规定了排放控制区域，对内河及近海区域船舶的排放要求更严。为了满足新的排放标准，上海船用柴油机研究所在拥有中国自主品牌的6CS21柴油机的基础上开发了6CS21TS。该发动机具有低排放、良好的经济性及功率密度。试验研究在采用两级增压及高压共轨的6CS21TS柴油机上进行，其具有更高的进气压力，为了能同时降低排放和油耗，采用了强米勒循环。另外，在6CS21TS上研究了可变气阀正时、进排气旁通和高压涡轮旁通的影响。6CS21TS在上海船用柴油机研究所的中速柴油机试验台架上进行了大量的试验，与6CS21相比，6CS21TS进气压力提高2bar，功率提升14%，NOx排放下降12%，油耗下降11.6g/kWh。此外，对6CS21TS满足国I（2018年6月实施）和国II（2021年6月1日实施）排放要求的技术解决方案进行仿真计算，提出了内河和近海运行的船机满足排放法规的技术路线图。上海船用柴油机研究所对6CS21TS两级增加结合EGR进行了仿真计算，结果表明，采用两级增压结合EGR技术的6CS21TS柴油机能满足国II排放标准，同时具有高功率密度及良好的经济性。

国际航运业面临着越来越严格的排放监管，特别是向大气排放限制。随着国际海事组织（IMO）于2016年1月1日开始实施《国际防污公约》附件6规定的氮氧化物（NOx）排放限值，有关海洋排放物的法规变得更加严格。根据这些法规，在2016年1月1日之后，在美国和加拿大排放控制区运行的船舶必须满足Tier III排放限值，这意味着在ECA区域其NOx排放限值比Tier I降低80%。从2021年1月1日起，这些限值也适用于北海和波罗的海沿海。除非某些发动机更换方案外，Tier III的NOx排放限值仅适用于新船。为此，船东、船厂、发动机制造商和设备供应商必须在新造船规划阶段仔细考虑设备的选择和认证，也要考虑到船舶未来运营成本。所有利益相关者都需要了解不同技术解决方案对减少NOx排放和如何满足需求的影响，因为这是造船计划成功的关键因素。装有SCR系统的船用柴油机认证按照IMO于2017年7月7日发布的指南MEPC.291(71)进行认证。根据本指南，SCR是船用柴油机的一部分。该指南允许2种方法对装有SCR系统的发动机进行认证，即方案A和方案B。但是，必需注意根据方案B进行的认证并不意味着从对催化剂本身进行认证，它被视为发动机的一部分。按照方案B的方法，可以在未安装SCR系统的试验台架状态下对发动机进行试验。除此之外，可使用柴油发动机废气或模拟气体来测试按比例缩小的SCR系统。将组合系统安装到船上后，需要对船上的柴油机和SCR系统进行确认测试。考虑到符合Tier III要求的实际船舶数目不断增加，本报告介绍了在测量和认证配备有SCR和其他NOx减排技术的船用柴油机气体排放控制方面的最新实践经验。根据实例，本报告旨在指出对可能出现故障的关注，并试图指出认证过程中需要改进的地方。所提供的实例不仅给出了在船上确认测试期间，在排放量和废气分析方面的实际困难，而且还概述有关知识产权的法律问题：例如，最近许多案例，其中造船厂已订购符合Tier II的发动机，并已授权一家独立的SCR制造商作为组合系统（发动机和SCR），申请符合Tier III的EIAPP证书，为了获得证书，需要发动机制造商提供大量数据，但这些数据可能不会向其他方透漏。