TierⅢ法规对船用柴油机增压器布置和设计的影响

左彤梅，秦建平，李泽胜 编译

（中国石油集团 济柴动力总厂，山东济南250306）

增压发动机的开发最初是受功率密度增加和比质量降低的驱动，副效应是发动机的效率也同时获得提高。

自20世纪末开始，世界对环保方面的关注与日俱增，推进全球排放立法。这使得发动机开发商的开发路线图上又增添了额外的目标。由于喷油和进气系统的持续改进，在过去已取得令人印象深刻的重大技术进步，可以做到在恒定的功率输出下降低CO、NOx、炭烟、CO2排放和比油耗而对发动机整体仅有微小影响。

1 IMO TierⅡ方案

2011年以后，所有敷设龙骨的船舶必须达到IMO Tier II的排放限值，即发动机制造必须考虑符合相应的NOx排放标准。在特定的发动机技术环境下，过去这些年所存在的挑战是NOx与SFOC之间的平衡问题，见图1。米勒循环结合可变气门正时和共轨技术是满足Tier II阶段NOx减排要求的正确方案，对功率输出和燃油消耗没有负面影响。

图1 NOx排放与燃油消耗之间的基本平衡

4冲程发动机的米勒循环—进气门早关—缩短了压缩冲程，在活塞上止点处得到较低的压缩温度，降低了燃烧温度，因而减少了NOx的形成。在部分压缩过程必须舍弃的情况下，为保持进气量和功率输出恒定，就需要更高的进气压力。

在两冲程发动机上可使用与排气门迟关差不多类似的方法。压缩过程缩短造成峰值点火温度降低，必须由更高的进气压力来补偿。

从Tier I阶段发展到Tier II阶段，四冲程发动机进气压力从以前的大约0.4MPa提高到了0.5MPa，具体视发动机类型而定。当今，MAN公司的中速Tier II 7L48／60共轨发动机采用新型 TCA增压器，在110%最大持续功率工况时压比已达到5.6，见图2。

图2 TCA增压器压气机图谱中的7L48／60共轨发动机TierⅡ运行线

在低速机项目上，扫气压力水平已提高了大约0.025MPa。根据单个发动机的布置数据，压比水平已达4.4。

2 IMO TierⅢ条件

自2016年起，所有敷设龙骨的船舶必须达到IMO TierⅢ的排放标准，这意味着发动机开发必须符合未来显著降低的NOx排放限值，即与TierⅠ标准相比降低80%。根据迄今为止获得的经验，可满足该限值的技术存在于发动机机内措施（为达到TierⅡ标准已经开发）和附加的后处理措施之间的临界区域中。

ECA地区之间即将形成清晰的差别。TierⅢ阶段将开始在沿海地区实施更低的NOx排放限值，这些地区之外适用TierⅡ限值。因此又出现了额外的挑战，即在ECA地区内帮助满足TierⅢ要求的特殊设备能够在ECA地区之外关停不用，这样可以利用TierⅡ的能耗指标优势。

ECA地区将自2015年开始引入燃料含硫量限值，这对上述方法形成支持。在ECA地区之外，重油可一直使用到2020年，之后使用量会普遍减少，见图3。

图3 ECA地区内外燃料含硫量限值对比

高度的灵活性可能成为必然要求，这取决于ECA地区内外两种不同运行模式下对螺旋桨系统采取的优化措施，并将对进气系统产生较大影响。

3 其他条件和影响

考虑到低租船率、低用船负荷和高油价，船队中的一部分会被暂时搁置起来，另一部分则进行低负荷运行（利用蒸汽缓慢地开动）。因此，CO2绝对排放量和油耗绝对值可能比标准巡航速度下数值的一半还低。

附加的废能利用设备，如复合涡轮系统和柴油机—蒸汽涡轮联合循环系统，在低负荷导向的运行状态下是无利可图的。然而，如果最终目标状态着重于低排放推进和灵活的发电方式，则废热回收系统这个附加模块能够在高效环保的推进系统内进一步改善燃油经济性，见图4。

图4 MRC－HRS废热回收系统，含动力涡轮

基本说来，不论遵从的是何种设计准则或理念，进气系统必须通过优化增压器和动力涡轮性能来满足运行工况的需要。可变涡轮截面技术（VTA）可使低负荷工况的优化获得最大的灵活性，包括达到高负荷的能力。PTG动力涡轮技术以高效率的TCR、TCA涡轮为基础，在废热回收系统中发挥作用。TCR和TCA负荷优化增压器（比如采用VTA技术优化）为进一步提高船舶运行经济性打下基础，比如可在全工况范围内运行废热回收系统，见图5。

图5 可变涡轮（TCA增压器）和动力涡轮技术

4 措施和方案选择

未来目标是要解决ECA地区之内与ECA地区之外不同的排放法规标准在油耗优化关键边界条件上的冲突。以最低投资额和运行成本为基础的投资回报率对顾客来说是最重要的驱动因素。虽然最终系统达标后其复杂性可能会增加，但是安装的便利性和高度的可靠性却可稳获保证。

根据目前的知识，现有技术如油水乳化、空气加湿和强力米勒循环不能够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显著升高。即使对于双燃料发动机（ECA地区内燃用气体，ECA地区外燃用重油），其焦点仍是采用以下两种主要方法升级目前的柴油机系列（低速和中速），二者均能满足排放要求：

·以TierⅡ发动机的布置为基础，增加SCR排气后处理功能。

·安装EGR装置，与高压增压技术结合使用。

所有措施都不同程度地对现有的进气系统产生显著影响。以下详细讨论整体互动过程中得出的结论和增压器方案。

5 SCR

选择性催化还原（SCR）功能可以添加到排气路径内。一般说来，发动机布置参数不需要改变，只须具有一个足够高的温度水平（但不要太高）。该温度要看燃料的含硫量。含硫量越高，SCR装置进口处的温度就必须越高以免发生爆振。从图6可以看出，温度大约在340℃即可。排气温度的不同，使得SCR装置在低速机和中速机上的适宜位置也不同。

图6 SCR进口处最低温度要求取决于燃料含硫量

然而，即使是排气温度比低速机高出很多的中速机，其增压器涡轮后的目标温度水平也难以保证。所以需要一个控制系统，通过调整进气压力来动作。这种情况下，由于温度太高，SCR不能放在涡轮进口的前面，但是这个位置对低速机可能比较方便，此时SCR如果安装在低速机的涡轮后面，会导致对临界比油耗的不利影响。如果使用两级增压器，SCR更好的位置是在两个增压级之间，因为较高的压比使得低压涡轮出口处温度很低。

每一种情况下都必须考虑气体路径内附加部件的压力损失以及与其体积和质量相关的一些效应。考虑到这些，尤其是考虑到动态性能时，把SCR放在涡轮前（或放在两级涡轮中间）似乎不利。

在经济性方面，额外的催化剂消耗是必须考虑的不利因素。所以，有竞争力的方案一定是依靠ECA地区之外显著降低的油耗和尽可能少的SCR运行（甚至没有）来补偿ECA地区之内增加的消耗量。因而最终的经济性也是依路径而定的。不过，对进气系统的影响主要集中在高压增压部分，以便使用节省燃油的米勒循环，并为不可避免的压力损失留出了余地。而且，增压器必须支持前文阐述的温度控制。

6 EGR

排气再循环（EGR）功能可通过内部或外部措施添加。从内部来说，可通过调整气门重叠—直接使部分排气留在气缸里—来修改气门正时。因为NOx降低率是依赖温度水平的，所以气缸内温度的增加—残留排气未予冷却的结果—导致此类内部EGR的工作效率与外部循环方式的效率相比显著较低。在这种情况下，所需的这部分排气从气缸后的整体气流中分离出来，在气缸入口前改道进入气缸充量。可安装一个排气冷却器来冷却参加再循环的气体部分。

因为空气过量系数必须保持在一定的限值内，EGR占用的部分气缸内容积必须由进气系统提供相应较高的压力来补偿。当EGR率达到45%的范围时，该项补偿所需的压力比超过了单级增压器的能力范围，尤其是在即使EGR使某些相关指标变坏也仍需要用高增压效率来保持有竞争力的燃油消耗时。对进气系统的这项影响使得中速机必须使用两级增压器，但低速机的临界区域也已达到。

外部EGR可设计成高压（HP－EGR）或低压（LP－EGR）系统，见图7。高压EGR的循环路径是这样设计的，在气缸出口处与涡轮进口处之间抽出排气，在压气机出口与气缸进口之间把这部分气体混入压缩空气。相反地，对低压EGR来说则是在涡轮出口和环保设备之间进行气体分流，然后改向至吸气系统。在ECA地区之外燃用重油时，每一种情况都可以采用一个气体洗涤器来处理EGR分流气体，不必一定与在ECA地区内燃用低硫燃料的情况相同。

不过，从这种区别可以进一步得出对进气系统的不同要求。

图7 两级增压系统高低压EGR方案比较

（1）高压EGR

因为EGR是可进行开关转换的，为了优化燃油消耗就需要具有高度的灵活性。使用EGR可造成进气系统的流量减少，减少的部分与再循环的气体部分相等。无论有无EGR装置，为了得到同等的气缸压力，涡轮方面的流量面积必须是可以调整的。压气机图谱的宽度必须留出足够的喘振界限，给流量的变化留出余地。所有要求必须大尺度满足，而且效率不能降低。总之，这使引入相继增压系统成为必要，即在某些极端情况下使用一个额外的增压器，而且还需要额外的部件（EGR鼓风机）来克服气缸进口与出口之间的扫气压差，但是必须按照重油气体洗涤或低硫排气洗涤的要求来改善标准的压气机材料性质。

（2）低压EGR

虽然可开关的EGR不存在流量变化问题，但再循环排气冷却效率较低却产生一定的影响。与从外界吸气相比，作为有限的热交换率的后果，吸气温度较高是不可避免的。这样，压气机与涡轮的功率平衡所受到的负面影响，必须通过更高的充气效率来补偿。进一步来说，EGR对材料无甚影响（从HP－EGR角度来说，对鼓风机有影响），而是影响动态工作中的进气系统。出于对高效率的需要，必须避免任何由腐蚀造成的效率降低，即必须格外关注材料的选择、镀层的制备和清洁工作。

7 单级高压增压

在TierⅢ阶段可能会把单级增压器与SCR结合使用，以避免因使用两级增压系统而进一步增加后处理设备的复杂性。不过，高压比和高效率也是需要的。

工作负荷状态不会有显著变化。所以，在优化发动机布置以及相应的增压器布置时，部分负荷性能也是相当重要的。在TierⅡ阶段的结论中，某4冲程压比范围大大超过了5，满负荷时最低效率为65%而部分负荷时效率达到68%，见图8。某大型低速机也做了令人满意的试验，压比达到4.4，最大持续功率工况时最低效率为67%，部分负荷时效率升高到69%，而在小缸径发动机方面，最大持续功率工况时最低效率为64%，部分负荷时效率达到66%。

在这个重要的4冲程案例中，压比限值由涡轮进口最高温度和涡轮出口最低温度（源于SCR对温度水平的要求）得来。需要一个控制装置在外界温度较低时降低压比来保证SCR进口温度。

图8 TCA增压器单级增压高压比性能

所以，如果大规模采用低压比的干预措施，则压比比TierⅡ阶段显著增大对于燃油消耗来说就不是最佳情况了。

尽管如此，必须考虑到SCR的压力损失。几项优化步骤已经使得压比值比公布的使用范围有所增加，该范围与一定的效率水平相关，所以，未显示出能够获得的最高值，见图9。在涡轮方面，因压比较高，采用缩短的叶片减小了流通面积以容纳降低的体积流量。而且采用VTA技术以最高效的方式实施温度控制。涡轮流通面积调大后得到了需要的效果，优点是进气效率却不会降低。

如果需要克服所有不利条件进一步增加压比，那么两级增压系统具有明显优势。引入中冷概念后，与压气机寿命和性能相关的单级增压限值几乎不再存在。

8 两级增压的潜力

因为单级增压的压比和性能可能不足以满足需要，所以在TierⅢ阶段可能会把两级增压系统与EGR结合使用。在已经试验过的4冲程案例中，选择了双轴设计，即在低压级和高压级采用两个标准TCR增压器，并给出了各种可能的设置。引入一个可控高压涡轮旁通或者VTA方案来调节不同工况下的工作过程。可使用旁通管以防压气机喘振。图10为可能的内部连接。

图9 高压比压气机特性的不断开发

图10 两级增压系统可能采用的内部连接

两级增压系统的较高效率主要取决于中间冷却器。在本例中，整体压比大约为6，因为节省了压缩功，压气机效率与单级增压效率的参考值相比提高近15%，系统展示出优良的性能，见图11。整体效率提高10%，这一大进步已经通过论证并有望实现。

图11 通过级间冷却改善压气机整体效率

该进气系统的潜力为发动机提供了多种用途的前景，实际压比（在实用强度限制内）几乎没有限制，因而达到从未有过的进气效率水平。可利用强力米勒循环进一步降低NOx排放和／或增强扫气功能以降低油耗，最终获得发动机功率的提升。

9 挑战

为了优化发动机的应用灵活性，需要使用新的两级增压器系列。与单级增压相反，两级增压器格外适合各级低压比的特征有：

·在压比最低时优化的部件特性；

·利用压比的降低扩展工作容量；

·利用压比的降低降低惯性；

·附件的空间和质量减至最小，布置紧凑；

·按照低压比进行压气机和涡轮容量的匹配；

·部件框架尺寸范围宽裕，可适应多种用途。

两级增压系统中不仅流量型部件受到影响，轴承类和罩壳类部件也是如此。尤其是在高压级，由于高压力水平下扫气压差增加，作用在轴承系统上的止推力也增加了。由于存在压力，必须进一步优化轴承漏气量，而且必须保证所有外壳的密封性。

与两级增压相关的挑战不仅来自增压器，还来自安装进气系统后给整个发动机带来的影响。附加的增压级除了对空间和管路有要求外，还必须配备一个优化的中冷器。压力损失和中冷器温度的不利影响可能会削弱优良性能带来的利益。较高的冷却器出口温度导致两级增压的优良工况范围显著缩小，这会使低压比优化特性宣告无效，见图12。

根据为EGR做出的各种考虑和使用类型，又明确了进一步的挑战。在采用低压EGR时，必须阐明压气机材料（对工况敏感）与预期排气成分的匹配性，把加载幅度较大所导致的加速要求增大考虑在内。

高压EGR的用途主要在于对其多样性的期待，即容许在有与没有EGR的情况下均可燃用优化燃料运行。在涡轮方面，VTA的持续开发对覆盖可预见的流量面积调整范围是最基本的。工况运行线以单位空气流量换算出的移动量必须可由宽裕的压气机图谱覆盖，见图13，预计会在流量优化外壳内装备无叶片式扩压器。与标准单级增压器压气机图谱相比较，其特征为峰值效率区域向压比≤2的方向偏移，移动量高达3.5，工况范围扩展达流量变化范围的40%，见图14，这已正是目标所在！

图12 两级增压力系统的优良性能取决于中冷器温度

图13 标准压气机图谱带有叶片扩压器图14 标准压气机图谱带无叶片扩压器

10 结束语

最具前景的TierⅢ发动机布置方案，即添加SCR装置或安装外部EGR系统，均与增压器的布置相关联。SCR与单级增压系统结合，而EGR则应与两级增压系统携手。

每一种情况的主要挑战都包括那些在不实行TierⅢ严格标准的地区降低燃油消耗的可开关措施。由于ECA地区之外仍在使用的TierⅡ限值和继续燃用重油，所以源自NOx－SFOC平衡的燃油经济性将是一个决定性因素。

即使已确定受SCR最低温度要求的影响压比会有一定增加，仍结合现有的TCA／TCR增压器使用了SCR系统。VTA技术在SCR温度控制方面乃至在ECA地区内外不同工况模式的优化方面具有一定的灵活性。

专门设计的新型两级增压器系列将与EGR结合使用，其压比已确定超过实际的单级增压范围，并因具有VTA特征和宽裕的压气机图谱而更具灵活性。如果是一个较低的两冲程压比规格，在其单级用途的不断开发中也可采用同样的技术特征。如果为SCR确定了一个较高的压比，则可使用两级增压系列。以增压器经验数据为基础，可开发在扫气阶段充入排气的EGR鼓风机技术。

［1］MAN Licence Days 2010syposium［Z］.

［2］周龙保.内燃机学［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［3］陆家祥.柴油机涡轮增压技术［M］.北京：机械工业出版社，1999.