未来天然气将会是一种大范围替代传统柴油发动机的充满前景的燃料。然而，由于排气中的未燃甲烷的四面体的稳定结构和远低于燃烧界限（5%-15%）的含量浓度使其氧化成为难题。高温环境（>550℃）需要采用催化转化的方法对稀薄甲烷进行完全氧化，因此，在发动机的许多运行工况点，排气温度很难使未燃甲烷完全氧化。本研究中，一种新型的电场催化氧化系统被应用于稀薄CH4的氧化。超过1%的Pd/Co3O4催化剂，存在电场时稀薄甲烷（0.2%）的点火温度从358℃降低至293℃，稀薄甲烷完全转化的温度是350℃。另外，在保持相同的效率水平条件下，电场可以减小Pd量。相比于等离子技术，电场联合催化剂技术可使用输入电流3mA、输入电压不超过500V、功率超过37Kw的小容器达到更节能、更实用的效果。 研究证实，电场对稀薄甲烷氧化的影响超过Pd/Co3O4催化剂。电场提供自由电子来促进Co3O4中晶格氧的释放，因此加强了Pd的氧化。另外，在电场中钴元素氧化作为良好的“水槽”可以加速PdO表面的氢元素的分离，因而更容易激活甲烷活性。TPR结果证明，电场可以加强PdOx的还原性，在低温下CH4更容易氧化。采用in-situ FTIR技术，电场可以很大程度上促进CH4的化学吸附和脱氢作用，加速中间产品的化学反应，进一步加快稀薄CH4的催化氧化。最后，通过上述复杂研究提出了采用电场进行CH4的催化氧化机理。 关键词：天然气发动机;甲烷催化;电催化;排放 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

一方面，甲烷在能源和化工产品上是重要的资源，另一方面，它是一种造成全球变暖的温室气体。相比于其他碳氢燃料，稀薄燃烧气体机相比其他燃料可以产生更低的碳氧化物排放来实现热电联产。未来可通过减少废气中的未燃甲烷实现温室气体排放的减少。作为生产高速稀薄燃烧气体机的制造商，MTU通过提高发动机效率和降低甲烷排放为减少温室气体排放做出了重要贡献。当前应用的稀有金属作为催化剂来降低废气中的甲烷技术对废气中的水和硫化物非常敏感。废气中这两种组份的存在会使甲烷转化效率在一定涡前排温条件下急剧下降。将催化器放置在排气涡轮上游可以利用高温来提高催化效率。然而，面临诸如热应力、效率降低、机械性能衰减带来的额外挑战需要进行攻关研究。目前已经开展评估设计了一整套的涡前催化装置以提高稀薄燃烧气体机甲烷转化率。在发动机运行期间，通过对质量流量、温度、催化容积等变量影响规律的研究可以更好的理解催化器性能情况。同时，基于时间的涡前催化技术已经随整机运行超过400h。与此同时，在另外一个测试台架进行了对比试验，该台架采用新鲜和人工合成老化后的试验试制催化器样品。在真实废气温度条件下，涡前催化拥有很高的催化转化效率的潜力。热液老化效应受时间影响较大，增加催化容积可以改善该问题。然而会带来增大系统体积、成本提高、效率降低等不利因素。发动机测试得出了详细的关于涡前催化技术对发动机的实际影响情况。 关键词：天然气发动机；甲烷催化；后处理装置；排放 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

当可再生资源不能满足总体要求时，动力装置对可再生能源的需求急剧增加。对急需的动力装置而言,气体机是切实可行的选择。然而，在天然气或生物气体燃烧过程中，未燃燃料,尤其是甲烷将随废气排出。实践证明Pd-Pt/AI2O3催化转化器对甲烷催化效率最高，但很容易被废气中的水和硫污染，污染过的催化器是失效的,且转化效率非常低。可通过再生的技术手段实现催化器再生。根据文献表明，喷氢是最有效的再生方式。本文研究了在3种不同温度条件下，分析喷氢对Pd-Pt/AI2O3催化转化器的再生情况。已经在一台改装中速天然气发动机尾气中展开研究。通过分析催化器下游的甲烷转化和SO2浓度评价催化再生情况。试验方案包括H2的喷射浓度（1%-2.5%）和持续时间（10min-1h）。结果表明，激活催化器的最低排气温度是380℃，在甲烷转换方面，500℃的试验温度比较成功，但不具备长时间的再生效应。在所有的试验中，催化再生开始后废气中立即生成大量的SO2，这表明催化器中添氢后释放了SO2。进一步研究则需要针对改善再生过程及评估高温下的长效机制。 关键词：气体机；甲烷逃逸；催化转化；喷氢；排放 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

天然气燃料是一种含硫量低、在稀薄燃烧条件下可以取得高的热效率、低NOx排放的清洁能源，其具有广阔的市场前景。然而在稀薄燃烧技术路线中，一些燃料在燃烧过程中随废气逃逸至大气中。因为天然气主要成分是甲烷，甲烷的温室效应是CO2的21倍，即使很少的排放也需要高度重视。 借助后处理催化可实现大部分燃烧过程中未燃燃料的催化转换，对甲烷逃逸的处理是一个很大的挑战。甲烷中的HC很难被氧化，氧化反应需要很高的温度。 一些与甲烷激活相关的论文介绍了诸如特殊金属材料的选择及使用的催化器材料，同时确定了催化过程中反应器中合适位置所需的发动机废气温度，然后更有挑战性是诸如催化器性能因为废气中的水分和硫化物引起的衰减等问题。 众所周知,“Fit and Forget”技术方案的催化器并不能够解决上述问题，而是需要考虑发动机本体和排放控制技术相互依赖的整体方案，更多的在线检测技术等，调节发动机状态以实现短时间内再生催化器活性。 本文重点介绍了基于试验室及实际应用数据，对高功率高效天然气发动机甲烷逃逸的最新思考。 关键词：天然气发动机;甲烷逃逸;后处理催化;排放 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

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。