TierⅢ法規(guī)對船用柴油機增壓器布置和設計的影響

左彤梅，秦建平，李澤勝 編譯

（中國石油集團 濟柴動力總廠，山東濟南250306）

增壓發(fā)動機的開發(fā)最初是受功率密度增加和比質量降低的驅動，副效應是發(fā)動機的效率也同時獲得提高。

自20世紀末開始，世界對環(huán)保方面的關注與日俱增，推進全球排放立法。這使得發(fā)動機開發(fā)商的開發(fā)路線圖上又增添了額外的目標。由于噴油和進氣系統的持續(xù)改進，在過去已取得令人印象深刻的重大技術進步，可以做到在恒定的功率輸出下降低CO、NOx、炭煙、CO2排放和比油耗而對發(fā)動機整體僅有微小影響。

1 IMO TierⅡ方案

2011年以后，所有敷設龍骨的船舶必須達到IMO Tier II的排放限值，即發(fā)動機制造必須考慮符合相應的NOx排放標準。在特定的發(fā)動機技術環(huán)境下，過去這些年所存在的挑戰(zhàn)是NOx與SFOC之間的平衡問題，見圖1。米勒循環(huán)結合可變氣門正時和共軌技術是滿足Tier II階段NOx減排要求的正確方案，對功率輸出和燃油消耗沒有負面影響。

圖1 NOx排放與燃油消耗之間的基本平衡

4沖程發(fā)動機的米勒循環(huán)—進氣門早關—縮短了壓縮沖程，在活塞上止點處得到較低的壓縮溫度，降低了燃燒溫度，因而減少了NOx的形成。在部分壓縮過程必須舍棄的情況下，為保持進氣量和功率輸出恒定，就需要更高的進氣壓力。

在兩沖程發(fā)動機上可使用與排氣門遲關差不多類似的方法。壓縮過程縮短造成峰值點火溫度降低，必須由更高的進氣壓力來補償。

從Tier I階段發(fā)展到Tier II階段，四沖程發(fā)動機進氣壓力從以前的大約0.4MPa提高到了0.5MPa，具體視發(fā)動機類型而定。當今，MAN公司的中速Tier II 7L48／60共軌發(fā)動機采用新型 TCA增壓器，在110%最大持續(xù)功率工況時壓比已達到5.6，見圖2。

圖2 TCA增壓器壓氣機圖譜中的7L48／60共軌發(fā)動機TierⅡ運行線

在低速機項目上，掃氣壓力水平已提高了大約0.025MPa。根據單個發(fā)動機的布置數據，壓比水平已達4.4。

2 IMO TierⅢ條件

自2016年起，所有敷設龍骨的船舶必須達到IMO TierⅢ的排放標準，這意味著發(fā)動機開發(fā)必須符合未來顯著降低的NOx排放限值，即與TierⅠ標準相比降低80%。根據迄今為止獲得的經驗，可滿足該限值的技術存在于發(fā)動機機內措施（為達到TierⅡ標準已經開發(fā)）和附加的后處理措施之間的臨界區(qū)域中。

ECA地區(qū)之間即將形成清晰的差別。TierⅢ階段將開始在沿海地區(qū)實施更低的NOx排放限值，這些地區(qū)之外適用TierⅡ限值。因此又出現了額外的挑戰(zhàn)，即在ECA地區(qū)內幫助滿足TierⅢ要求的特殊設備能夠在ECA地區(qū)之外關停不用，這樣可以利用TierⅡ的能耗指標優(yōu)勢。

ECA地區(qū)將自2015年開始引入燃料含硫量限值，這對上述方法形成支持。在ECA地區(qū)之外，重油可一直使用到2020年，之后使用量會普遍減少，見圖3。

圖3 ECA地區(qū)內外燃料含硫量限值對比

高度的靈活性可能成為必然要求，這取決于ECA地區(qū)內外兩種不同運行模式下對螺旋槳系統采取的優(yōu)化措施，并將對進氣系統產生較大影響。

3 其他條件和影響

考慮到低租船率、低用船負荷和高油價，船隊中的一部分會被暫時擱置起來，另一部分則進行低負荷運行（利用蒸汽緩慢地開動）。因此，CO2絕對排放量和油耗絕對值可能比標準巡航速度下數值的一半還低。

附加的廢能利用設備，如復合渦輪系統和柴油機—蒸汽渦輪聯合循環(huán)系統，在低負荷導向的運行狀態(tài)下是無利可圖的。然而，如果最終目標狀態(tài)著重于低排放推進和靈活的發(fā)電方式，則廢熱回收系統這個附加模塊能夠在高效環(huán)保的推進系統內進一步改善燃油經濟性，見圖4。

圖4 MRC－HRS廢熱回收系統，含動力渦輪

基本說來，不論遵從的是何種設計準則或理念，進氣系統必須通過優(yōu)化增壓器和動力渦輪性能來滿足運行工況的需要?？勺儨u輪截面技術（VTA）可使低負荷工況的優(yōu)化獲得最大的靈活性，包括達到高負荷的能力。PTG動力渦輪技術以高效率的TCR、TCA渦輪為基礎，在廢熱回收系統中發(fā)揮作用。TCR和TCA負荷優(yōu)化增壓器（比如采用VTA技術優(yōu)化）為進一步提高船舶運行經濟性打下基礎，比如可在全工況范圍內運行廢熱回收系統，見圖5。

圖5 可變渦輪（TCA增壓器）和動力渦輪技術

4 措施和方案選擇

未來目標是要解決ECA地區(qū)之內與ECA地區(qū)之外不同的排放法規(guī)標準在油耗優(yōu)化關鍵邊界條件上的沖突。以最低投資額和運行成本為基礎的投資回報率對顧客來說是最重要的驅動因素。雖然最終系統達標后其復雜性可能會增加，但是安裝的便利性和高度的可靠性卻可穩(wěn)獲保證。

根據目前的知識，現有技術如油水乳化、空氣加濕和強力米勒循環(huán)不能夠完全把排放降低到需要的水平。而且，大部分案例中燃油消耗都不可避免地顯著升高。即使對于雙燃料發(fā)動機（ECA地區(qū)內燃用氣體，ECA地區(qū)外燃用重油），其焦點仍是采用以下兩種主要方法升級目前的柴油機系列（低速和中速），二者均能滿足排放要求：

·以TierⅡ發(fā)動機的布置為基礎，增加SCR排氣后處理功能。

·安裝EGR裝置，與高壓增壓技術結合使用。

所有措施都不同程度地對現有的進氣系統產生顯著影響。以下詳細討論整體互動過程中得出的結論和增壓器方案。

5 SCR

選擇性催化還原（SCR）功能可以添加到排氣路徑內。一般說來，發(fā)動機布置參數不需要改變，只須具有一個足夠高的溫度水平（但不要太高）。該溫度要看燃料的含硫量。含硫量越高，SCR裝置進口處的溫度就必須越高以免發(fā)生爆振。從圖6可以看出，溫度大約在340℃即可。排氣溫度的不同，使得SCR裝置在低速機和中速機上的適宜位置也不同。

圖6 SCR進口處最低溫度要求取決于燃料含硫量

然而，即使是排氣溫度比低速機高出很多的中速機，其增壓器渦輪后的目標溫度水平也難以保證。所以需要一個控制系統，通過調整進氣壓力來動作。這種情況下，由于溫度太高，SCR不能放在渦輪進口的前面，但是這個位置對低速機可能比較方便，此時SCR如果安裝在低速機的渦輪后面，會導致對臨界比油耗的不利影響。如果使用兩級增壓器，SCR更好的位置是在兩個增壓級之間，因為較高的壓比使得低壓渦輪出口處溫度很低。

每一種情況下都必須考慮氣體路徑內附加部件的壓力損失以及與其體積和質量相關的一些效應。考慮到這些，尤其是考慮到動態(tài)性能時，把SCR放在渦輪前（或放在兩級渦輪中間）似乎不利。

在經濟性方面，額外的催化劑消耗是必須考慮的不利因素。所以，有競爭力的方案一定是依靠ECA地區(qū)之外顯著降低的油耗和盡可能少的SCR運行（甚至沒有）來補償ECA地區(qū)之內增加的消耗量。因而最終的經濟性也是依路徑而定的。不過，對進氣系統的影響主要集中在高壓增壓部分，以便使用節(jié)省燃油的米勒循環(huán)，并為不可避免的壓力損失留出了余地。而且，增壓器必須支持前文闡述的溫度控制。

6 EGR

排氣再循環(huán)（EGR）功能可通過內部或外部措施添加。從內部來說，可通過調整氣門重疊—直接使部分排氣留在氣缸里—來修改氣門正時。因為NOx降低率是依賴溫度水平的，所以氣缸內溫度的增加—殘留排氣未予冷卻的結果—導致此類內部EGR的工作效率與外部循環(huán)方式的效率相比顯著較低。在這種情況下，所需的這部分排氣從氣缸后的整體氣流中分離出來，在氣缸入口前改道進入氣缸充量?？砂惭b一個排氣冷卻器來冷卻參加再循環(huán)的氣體部分。

因為空氣過量系數必須保持在一定的限值內，EGR占用的部分氣缸內容積必須由進氣系統提供相應較高的壓力來補償。當EGR率達到45%的范圍時，該項補償所需的壓力比超過了單級增壓器的能力范圍，尤其是在即使EGR使某些相關指標變壞也仍需要用高增壓效率來保持有競爭力的燃油消耗時。對進氣系統的這項影響使得中速機必須使用兩級增壓器，但低速機的臨界區(qū)域也已達到。

外部EGR可設計成高壓（HP－EGR）或低壓（LP－EGR）系統，見圖7。高壓EGR的循環(huán)路徑是這樣設計的，在氣缸出口處與渦輪進口處之間抽出排氣，在壓氣機出口與氣缸進口之間把這部分氣體混入壓縮空氣。相反地，對低壓EGR來說則是在渦輪出口和環(huán)保設備之間進行氣體分流，然后改向至吸氣系統。在ECA地區(qū)之外燃用重油時，每一種情況都可以采用一個氣體洗滌器來處理EGR分流氣體，不必一定與在ECA地區(qū)內燃用低硫燃料的情況相同。

不過，從這種區(qū)別可以進一步得出對進氣系統的不同要求。

圖7 兩級增壓系統高低壓EGR方案比較

（1）高壓EGR

因為EGR是可進行開關轉換的，為了優(yōu)化燃油消耗就需要具有高度的靈活性。使用EGR可造成進氣系統的流量減少，減少的部分與再循環(huán)的氣體部分相等。無論有無EGR裝置，為了得到同等的氣缸壓力，渦輪方面的流量面積必須是可以調整的。壓氣機圖譜的寬度必須留出足夠的喘振界限，給流量的變化留出余地。所有要求必須大尺度滿足，而且效率不能降低?？傊?，這使引入相繼增壓系統成為必要，即在某些極端情況下使用一個額外的增壓器，而且還需要額外的部件（EGR鼓風機）來克服氣缸進口與出口之間的掃氣壓差，但是必須按照重油氣體洗滌或低硫排氣洗滌的要求來改善標準的壓氣機材料性質。

（2）低壓EGR

雖然可開關的EGR不存在流量變化問題，但再循環(huán)排氣冷卻效率較低卻產生一定的影響。與從外界吸氣相比，作為有限的熱交換率的后果，吸氣溫度較高是不可避免的。這樣，壓氣機與渦輪的功率平衡所受到的負面影響，必須通過更高的充氣效率來補償。進一步來說，EGR對材料無甚影響（從HP－EGR角度來說，對鼓風機有影響），而是影響動態(tài)工作中的進氣系統。出于對高效率的需要，必須避免任何由腐蝕造成的效率降低，即必須格外關注材料的選擇、鍍層的制備和清潔工作。

7 單級高壓增壓

在TierⅢ階段可能會把單級增壓器與SCR結合使用，以避免因使用兩級增壓系統而進一步增加后處理設備的復雜性。不過，高壓比和高效率也是需要的。

工作負荷狀態(tài)不會有顯著變化。所以，在優(yōu)化發(fā)動機布置以及相應的增壓器布置時，部分負荷性能也是相當重要的。在TierⅡ階段的結論中，某4沖程壓比范圍大大超過了5，滿負荷時最低效率為65%而部分負荷時效率達到68%，見圖8。某大型低速機也做了令人滿意的試驗，壓比達到4.4，最大持續(xù)功率工況時最低效率為67%，部分負荷時效率升高到69%，而在小缸徑發(fā)動機方面，最大持續(xù)功率工況時最低效率為64%，部分負荷時效率達到66%。

在這個重要的4沖程案例中，壓比限值由渦輪進口最高溫度和渦輪出口最低溫度（源于SCR對溫度水平的要求）得來。需要一個控制裝置在外界溫度較低時降低壓比來保證SCR進口溫度。

圖8 TCA增壓器單級增壓高壓比性能

所以，如果大規(guī)模采用低壓比的干預措施，則壓比比TierⅡ階段顯著增大對于燃油消耗來說就不是最佳情況了。

盡管如此，必須考慮到SCR的壓力損失。幾項優(yōu)化步驟已經使得壓比值比公布的使用范圍有所增加，該范圍與一定的效率水平相關，所以，未顯示出能夠獲得的最高值，見圖9。在渦輪方面，因壓比較高，采用縮短的葉片減小了流通面積以容納降低的體積流量。而且采用VTA技術以最高效的方式實施溫度控制。渦輪流通面積調大后得到了需要的效果，優(yōu)點是進氣效率卻不會降低。

如果需要克服所有不利條件進一步增加壓比，那么兩級增壓系統具有明顯優(yōu)勢。引入中冷概念后，與壓氣機壽命和性能相關的單級增壓限值幾乎不再存在。

8 兩級增壓的潛力

因為單級增壓的壓比和性能可能不足以滿足需要，所以在TierⅢ階段可能會把兩級增壓系統與EGR結合使用。在已經試驗過的4沖程案例中，選擇了雙軸設計，即在低壓級和高壓級采用兩個標準TCR增壓器，并給出了各種可能的設置。引入一個可控高壓渦輪旁通或者VTA方案來調節(jié)不同工況下的工作過程。可使用旁通管以防壓氣機喘振。圖10為可能的內部連接。

圖9 高壓比壓氣機特性的不斷開發(fā)

圖10 兩級增壓系統可能采用的內部連接

兩級增壓系統的較高效率主要取決于中間冷卻器。在本例中，整體壓比大約為6，因為節(jié)省了壓縮功，壓氣機效率與單級增壓效率的參考值相比提高近15%，系統展示出優(yōu)良的性能，見圖11。整體效率提高10%，這一大進步已經通過論證并有望實現。

圖11 通過級間冷卻改善壓氣機整體效率

該進氣系統的潛力為發(fā)動機提供了多種用途的前景，實際壓比（在實用強度限制內）幾乎沒有限制，因而達到從未有過的進氣效率水平?？衫脧娏γ桌昭h(huán)進一步降低NOx排放和／或增強掃氣功能以降低油耗，最終獲得發(fā)動機功率的提升。

9 挑戰(zhàn)

為了優(yōu)化發(fā)動機的應用靈活性，需要使用新的兩級增壓器系列。與單級增壓相反，兩級增壓器格外適合各級低壓比的特征有：

·在壓比最低時優(yōu)化的部件特性；

·利用壓比的降低擴展工作容量；

·利用壓比的降低降低慣性；

·附件的空間和質量減至最小，布置緊湊；

·按照低壓比進行壓氣機和渦輪容量的匹配；

·部件框架尺寸范圍寬裕，可適應多種用途。

兩級增壓系統中不僅流量型部件受到影響，軸承類和罩殼類部件也是如此。尤其是在高壓級，由于高壓力水平下掃氣壓差增加，作用在軸承系統上的止推力也增加了。由于存在壓力，必須進一步優(yōu)化軸承漏氣量，而且必須保證所有外殼的密封性。

與兩級增壓相關的挑戰(zhàn)不僅來自增壓器，還來自安裝進氣系統后給整個發(fā)動機帶來的影響。附加的增壓級除了對空間和管路有要求外，還必須配備一個優(yōu)化的中冷器。壓力損失和中冷器溫度的不利影響可能會削弱優(yōu)良性能帶來的利益。較高的冷卻器出口溫度導致兩級增壓的優(yōu)良工況范圍顯著縮小，這會使低壓比優(yōu)化特性宣告無效，見圖12。

根據為EGR做出的各種考慮和使用類型，又明確了進一步的挑戰(zhàn)。在采用低壓EGR時，必須闡明壓氣機材料（對工況敏感）與預期排氣成分的匹配性，把加載幅度較大所導致的加速要求增大考慮在內。

高壓EGR的用途主要在于對其多樣性的期待，即容許在有與沒有EGR的情況下均可燃用優(yōu)化燃料運行。在渦輪方面，VTA的持續(xù)開發(fā)對覆蓋可預見的流量面積調整范圍是最基本的。工況運行線以單位空氣流量換算出的移動量必須可由寬裕的壓氣機圖譜覆蓋，見圖13，預計會在流量優(yōu)化外殼內裝備無葉片式擴壓器。與標準單級增壓器壓氣機圖譜相比較，其特征為峰值效率區(qū)域向壓比≤2的方向偏移，移動量高達3.5，工況范圍擴展達流量變化范圍的40%，見圖14，這已正是目標所在！

圖12 兩級增壓力系統的優(yōu)良性能取決于中冷器溫度

圖13 標準壓氣機圖譜帶有葉片擴壓器圖14 標準壓氣機圖譜帶無葉片擴壓器

10 結束語

最具前景的TierⅢ發(fā)動機布置方案，即添加SCR裝置或安裝外部EGR系統，均與增壓器的布置相關聯。SCR與單級增壓系統結合，而EGR則應與兩級增壓系統攜手。

每一種情況的主要挑戰(zhàn)都包括那些在不實行TierⅢ嚴格標準的地區(qū)降低燃油消耗的可開關措施。由于ECA地區(qū)之外仍在使用的TierⅡ限值和繼續(xù)燃用重油，所以源自NOx－SFOC平衡的燃油經濟性將是一個決定性因素。

即使已確定受SCR最低溫度要求的影響壓比會有一定增加，仍結合現有的TCA／TCR增壓器使用了SCR系統。VTA技術在SCR溫度控制方面乃至在ECA地區(qū)內外不同工況模式的優(yōu)化方面具有一定的靈活性。

專門設計的新型兩級增壓器系列將與EGR結合使用，其壓比已確定超過實際的單級增壓范圍，并因具有VTA特征和寬裕的壓氣機圖譜而更具靈活性。如果是一個較低的兩沖程壓比規(guī)格，在其單級用途的不斷開發(fā)中也可采用同樣的技術特征。如果為SCR確定了一個較高的壓比，則可使用兩級增壓系列。以增壓器經驗數據為基礎，可開發(fā)在掃氣階段充入排氣的EGR鼓風機技術。

［1］MAN Licence Days 2010syposium［Z］.

［2］周龍保.內燃機學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［3］陸家祥.柴油機渦輪增壓技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1999.