（动力机械及工程专业论文）z6150ntzc族船用柴油机排放测试方案与测试分析.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 中文摘要 柴油机诞生一百多年来，由于能量转换效率高、功率密度大、机动性好等优点， 在各行各业特别是汽车和船用等获得广泛应用，其在动力性、经济性、可靠性等 主要使用性能上，已经达到很高的水平。但是，柴油机产生的噪声和排放的污染 物日益受到人们的重视，柴油机行业在2 1 世纪能否继续生存和发展的关键是能否 适应人类环境的要求。为了控制排放对人类环境的影响，世界各国对内燃机的排 放制定了相应的法规。 本文分析排放污染物产生机理及其危害，结合国内外柴油机在排放控制方面的 技术措施和防止船舶造成大气污染规则对船用柴油机的排放控制进行了综合 性的论述。 本文建立了发动机排放测试实验台架，制定了船用柴油机排放测试方案，以南 通淄柴船舶机械公司对其为满足排放要求而改进后生产的z 6 1 5 0 一n t z c 族船用柴 油机的排放进行了测试分析，对排放数据进行归纳分析，表明改进后z 6 1 5 0 一n t z c 族船用柴油机全面达到了m a r p o l 公约附则v i 要求的排放标准，整机性能也得到 了全面提高，达到了预期目标。 关键词：柴油机；排放；测试；分析 江苏大学工程硕士学位论文 d i e s e le n g i n eh a db e e ne m p l o y e dw i d e l yi nm a n yf i e l d ss i n c ei tb i r t h e da b o u t1 0 0 y e a r sa g o ，e s p e c i a l l yi nt h ed o m a i n s o fa u t o m o b i l ea n dm a r i n et r a n s p o r t i n g ，b e c a u s eo f i t sr e l a t i v e l yh i e ) t h e r m a le f f i c i e n c ya n do p e r a t i o nr e l i a b i l i t y b u ta tt h es a m et i m e ， n o i s e sa n de m i s s i o n sg e n e r a t e db yd i e s e le n g i n e sh a dg o t t e nm o r ea t t e n t i o n si nr e c e n t y e a r s t h ek e yp r o b l e mo fd i e s e le n g i n e sd e v e l o p m e n tw a sw h e t h e ri ta d a p t e dt h e r e q u i r e m e n to fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n a l o n gw i t ht h ew o r l de n v i r o n m e n tb e c o m i n g w o r s e ni n c r e a s i n g l y , m o s tc o u n t i e so ft h ew o r l dh a de s t a b l i s h e do w nl a w st or e s t r i c t t h ec o n t a m i n a t i o n g e n e r a t i o n t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h eh i s t o r ya n dd e d i c a t i o no fd i e s e le n g i n e s ，a n da n a l y z e d t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dt h eh a r mo fe m i s s i o n sg e n e r a t e db yd i e s e le n g i n e s c o m b i n i n gt h et e c h n o l o g ya n dm e t h o d so fe m i s s i o nc o n t r o l ，a n dt h em a r p o l c o n v e n t i o n , i td i s c u s s e da l l - a r o u n dt h em e a s u r e so fe m i s s i o nc o n t r o lo fd i e s e le n g i n e s i nt h ew o r l d t h i sp a p e rs e tu pt h et e s tb e do fe m i s s i o nm e a s u r e m e n t ，e s t a b l i s h e dt h ep r o j e c to f t h et e s t ，a n d a n a l y z e dt h ee m i s s i o nd a t af o r m7 - 6 1 5 0 一n t z cf a m i l ym a r i n ed i e s e l e n g i n e so fn a n t o n g z i c h a im a r i n em a c h i n e r yc o m p a n y t h ec o n c l u s i o nw a st h a tt h e e m i s s i o no fz 6 1 5 0 - n t z cf a m i l ym a r i n ed i e s e le n g i n ew a sa c c o r d i n gw i t ht h e a n n e xv io fm a r p o lc o n v e n t i o na n dt h ed e s i g no b j e c t i v ew a sa c h i e v e d k e yw o r d s ：m a r i n ed i e s e le n g i n e ，e m i s s i o n s ，m e a s u r e m e n t , a n a l y s i s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：王玉权 - 0 年6 月f 日 指导教师签名哆 岬年多肋日 陧 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：干三杈 日期：却口7 年易, e lre t 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 柴油机的特点 第一章绪论 内燃机是目前世界上用途最广泛的一种动力机械，在运输车辆、船舶、农用 机械和工程机械用的动力装置均以内燃机为主。而柴油机自从阿道夫狄塞尔在 一百多年前发明以后，以其优良的动力性、经济性、耐久性在船舶上得到了最广 泛的应用，全世界9 5 以上的船舶都是以柴油机作为自己的动力。 与汽油机相比，柴油机缸内燃烧温度高，即热量是在高温下加入的，根据热 力学第二定律，高温下热量所含的有用功高于低温热量的有用功，因此，柴油机 问世后就以较高的热效率著称。今天，在所有热机中，柴油机热效率仍然最高， 特别是在过去十几年中，随着废气涡轮增压器和增压系统、。燃油喷射系统、燃烧 过程的完善，柴油机增压压力显著提高，柴油机热效率也提高了1 5 一2 0 ，达到 5 5 左右。可以说，就柴油机经济性本身来讲，己经相当完善，难以再有很大的突 破【2 】。 1 2 柴油机在未来船舶动力装置中的地位 柴油机作为最主要的船舶主机，在未来的2 0 年或更长的时间内，这种状况很 难有明显的变化，这是由柴油机的以下特点所决定的： ( 1 ) 在所有船舶用热机中，柴油机的热效率最高，已经达到5 5 左右。因此， 柴油机作为船舶主机，经济性更好； ( 2 ) 柴油机作为船舶主机具有较高的可靠性。经过一百年的发展，柴油机制造 技术和制造工艺己经达到相当完善的地步，特别是在过去的十几年中，柴油机设 计制造公司致力研究和改善柴油机可靠性，进行技术攻关，取得了很大进步； ( 3 ) 柴油机作为船舶主机也已有8 0 多年的历史，不但柴油机本身得到了很大 江苏大学工程硕士学位论文 的发展，而且也不断地开发与之配套的设备和系统，技术和质量有了很大的提高， 形成完善的现代柴油机船舶动力装置和船舶动力装置系统； ( 4 ) 自动化和计算机技术已经在船舶上得到广泛的应用，并己经形成船舶自 动化技术和计算机应用技术领域，特别是智能型船舶动力装置的开发，将使柴油 机船舶动力装置成为集高新技术和设备于一体的先进装置； ( 5 ) 此外，为数庞大的船舶轮机管理人员和船舶公司机务管理人员都积累了 丰富的柴油机及其动力装置的管理经验，形成从设备到管理人员在内的完整运行 体系。 因此，在未来的若干年以后，柴油机仍将船舶特别是民用船舶动力装置的首选 而被广泛应用。 1 3 柴油机排放对环境的影响 由于船舶柴油机经济性好，热效率高，油耗率最低，其所产生的c 0 2 也最少， 即从自然界获取的燃料最少，产生的废气总量也最少。但正是由于柴油机缸内燃 烧温度高，最大燃烧压力高，在燃烧过程中，除产生完全燃烧产物外，也同时产 生一系列其它物质，其中许多物质为环境污染物，从而带来了环境污染问题。船 舶柴油机环境污染问题已经成为制约船舶动力装置发展的主要问题。 如果说在过去2 0 年中柴油机经济性和可靠性是其发展的主要趋势的话，减少 船舶柴油机对环境的污染将是今后一段时问的又一主题。一个新的技术学科“柴 油机动力装置环境经济学”正在逐渐形成。船用柴油机气缸中排出的气体包括无 害成份和有害成份两部分。无害成份是排气的基本组成，它们是燃油和空气完全 燃烧的产物包括二氧化碳( c 0 2 ) 、水蒸汽( h 2 0 ) 、过剩的氧气( 0 2 ) 及空气中原存的 氮气( n 2 ) 等。其中c 0 2 会造成温窀效应，使全球的气候变暖，也需要控制其排放 量。有害成份是不完全燃烧和燃烧反应的中问产物，包括一氧化碳( c o ) ，碳氢化合 物( h c ) ，氮氧化物( n o x ) 、硫氧化物( s o x ) 和微粒( 由碳烟、未燃的燃油和润滑 2 江苏大学工程硕士学位论文 油、硫酸盐等组成) 。它们占废气总量的比例很小，往往不超过l o 一5 ，但对人 类及生存环境的危害却很大。n o x 和s o x 会造成酸雨，使森林和庄稼等遭受严重 破坏。其中n o x 还是一种非常活跃的气体，可上升到同温层，在大气中参与多种 会给生物环境带来祸患的化学反应，是一种很强的温室气体。 1 4 我国柴油机面临的挑战 近十几年来，我国船舶柴油机的生产量持续快速地增长，但由于种种原因， 柴油机运行状况不佳，污染物排放量相对较大。我国计划于2 0 0 7 年7 月1 日起执 行欧i i 排放法规，2 0 1 0 年7 月1 日起执行欧i i i 排放法规，而欧共体己于2 0 0 5 年执行欧i i i 排放法规，2 0 0 8 年执行欧v 排放法规。而对日益严格的排放法规， 柴油机的排放控制而临着前所未有的挑战。近几年，国内发动机生产厂家大力开 展柴油机排放控制技术的研究与应用，大部分新产品达到欧i 标准，但达到欧i i 甚至欧i i i 标准的厂家屈指可数。而临未来史严格的排放法规，必须不断地对柴 油机排放控制技术进行深入研究，并加以推广应用，才能迎接新的挑战。 3 江苏大学工程硕士学位论文 第二章柴油机的有害排放物和生成机理 2 1 柴油机排放物的种类与危害 柴油机排气中包含着多种成分，主要是由碳、氢、氧等元素组成的柴油完全 燃烧后生成二氧化碳( c 0 2 ) 、水蒸汽( h 2 0 ) 、过剩的氧( 0 2 ) 和存留下的氮( n 2 ) 。从 毒物学的观点看，这些基本成分是无害的。但是，柴油机所用的柴油燃料常含有 其它成分和添加剂，而且在气缸内的燃烧总是不完全的，因此，柴油机排气中还 含有不完全燃烧产物和燃烧反应的中自j 产物。其中有一氧化碳( c o ) ，碳氢化合物 ( h c ) ，包括未燃烧完全的中自j 产物、固体微粒( 碳烟，铅化物等) 和少量二氧化硫 ( s 0 2 ) 等有害排放物。同时空气中的氮气和燃料中的少量氮元素也会在燃烧室的高 温条件下与氧结合形成氮氧化合物( n o x ) 在排气中出现。 2 1 1 一氧化碳c 0 c o 是无色无味的气体，燃烧时呈蓝色火焰，毒性很大。它极易与人体内担 负输送氧的血红蛋白结合，降低人体和动物的血液输氧能力。而且亲合力要比氧 与血红蛋白的亲合力约强3 0 0 倍。因而，当c o 吸入人体后经肺进入血液，会很快 形成碳氧血红蛋白( c o h b ) ，使血红蛋白丧失运氧能力，导致人体内部缺氧，危害 中枢神经系统，造成感觉、反应、理解和记忆等机能障碍，以及头痛、头晕、四 肢无力等中毒现象，并可造成生命危险。一般情况下，c 0 在大气中可停留一至三 年，当其浓度在大气中达到1 0 p p m 时，就会发生慢性中毒现象，出现贫血、心慌、 呼吸道病变恶化等症状。当c 0 浓度在大气中达到3 0 p p m 时，人在4 - - 6 小时内就 会发生中毒事故；若c 0 浓度达到1 2 0 p p m 时，人在1 小时内就会死亡；浓度在1 时，人只能活两分钟左右。 4 江苏大学工程硕士学位论文 2 1 2 氮氧化物n o x 柴油机排出的氮氧化物n o x ，主要是n o ，也有少量的n 0 2 。n o 在大气中又可 氧化成n 0 2 。两种成分都是有毒的，n 0 2 的毒性为n 0 的4 5 倍。在对人类的危害 上，它们能引起呼吸道的刺激症状和炎症，可发生各种程度的支气管炎、肺炎和 肺水肿等。吸入n o x 后，可出现眩晕、无力、多发性神经炎症状。如果吸入高浓 度的n o x 可发生窒息现象。吸入n o ，轻则刺激眼睛，麻痹嗅觉，重则通过呼吸道 和肺进入血液，由于n o 对血红蛋白作用，与血液中的血蛋白结合转变为高铁红蛋 白，使血液输氧能力下降，可造成呼吸系统失调，引起肺水肿等疾病。而n 0 2 在人 气中的浓度达到2 0 0 p p m 以上时，人瞬时即死亡。造成缺氧等症状。 n 0 2 是一种褐色气体，有特殊性刺激臭味，是构成内燃机排气臭味的成分之 一，而且在柴油机废气中又占有很大比例，所以它是决定废气排放水平的主要因 素之一。当然n o x 较易扩散，遇雨水易溶解，其累积浓度不致过高，故单独对大 气的长期危害不及c 0 严重。 2 1 3 碳氢化合物h c 柴油机排出的碳氢化合物种类繁多，含有多种有机化合物，在常见浓度下大 部分碳氢化合物对人体健康的直接影响并不明显，但其中以五环组成的碳氢化台 物一苯并花和硝基烯的毒性最大，被认为是一种致癌物质。在排出碳氢化合物中 的酸类具有臭味，其中尤以甲醛最甚，对呼吸道和眼粘膜有刺激作用，对眼粘膜 的损害造成急性或慢性结膜炎，视力模糊；对呼吸道粘膜损害可发生鼻炎、咽炎 和支气管炎等。特别是当它和n 0 、在大气环境中受到太阳的强烈紫外线照射后， 产生一种浅蓝色的光化学烟雾，这种烟雾强烈刺激眼睛和呼吸器官，诱发各种疾 病，对动物和植物也能造成很大的危害。 2 1 4 二氧化硫8 0 2 二氧化硫是具有强烈辛辣气味的刺激性气体，对眼结膜和上呼吸道粘膜有强 5 江苏大学工程硕士学位论文 烈的刺激作用，可导致心肺疾病。低浓度时可使呼吸道阻力增加，长期作用可引 起鼻炎、咽喉炎、支气管炎、嗅觉和味觉障碍及倦怠无力等。高浓度时可引起喉 水肿和声带痉孪而窒息。当二氧化硫在大气中的浓度达到l o o p p m 以上时，可以使 有生命的东西死亡，浓度为4 0 0 5 0 0 p p m 时，人迅即窒息而死。 排气中的s 0 2 含量与燃料中含硫量有关。柴油机比汽油机排气中的8 0 2 要多 些，燃烧重柴油的s 0 2 要比烧轻柴油时多些。但是，同其它发生源( 如煤燃烧) 所 排放的s o z 总量相比，内燃机排放的s 0 2 的比例还不到2 。所以由内燃机排出的 s 0 2 对大气污染影响不大。 2 1 5 微粒 微粒是柴油燃烧不完全的产物，以柴油机排放为最多。主要由碳烟、硫酸盐 和液态未燃碳氧化合物等直径在0 0 1 到数十微米之问的多孔性层状片晶构成的 碳粒组成。上面附着了大量的致癌物质。当微粒浓度达到6 0 0 u g 3 时，视程减 少到两公罩以内，使交通事故增加。最为严重的是其对入的呼吸系统危害很大， 造成呼吸道和心脏病的死亡率增加。碳烟微粒越小，其危害性愈大。l o u m 以上的 微粒，在大气中停留的时间短，经过口腔、鼻腔和上呼吸道的过滤作用，不易进 入人体的肺泡。而小微粒悬浮在空气中的时问长，尤其是l u m 以下的微粒，极易 进入肺部的深处，沉积十肺部和支气管内，导致慢性肺病。此外，附着在碳粒表 面和孔隙中的多坏芳香族碳氢化合物，亦称可溶苯，有强致癌作用，已引起人们 的关注。 上述这些有害成分中，n o x 、s ( h 和微粒是柴油机的主要排放物，危害性最大 也最直接，因此其排放也就成了控制的重点。 2 2 柴油机有害排放物的生成机理 内燃机排出的各种有害物质成分和数垦与发动机类型、所用燃油品质及其运 6 江苏大学工程硕士学位论文 转条件等多种因素有关。由表2 一l 中柴油机与汽油机有害排气成分比较可看出， 汽油机的c o 和h c 均比柴油机高，柴油机的n o x 与汽油机相当，而柴油机排出的 s 0 2 和微粒却比汽油机多。通常柴油机有害排放物控制主要关注的是n o 、s 0 2 和微 粒。 表2 - 1 柴油机与汽油机有害排气成分比较 排放物汽油机柴油机 c o 多少 h c 多 少 n o x 多多 s o z 少多 微粒 少 多 2 2 1 氮氧化物的生成机理 氮氧化合物n o x 是燃烧过程中氮的各种氧化物的总称，它包括n o ，n 0 2 ， n 2 0 3 ，n z o ，n 2 0 5 ，等，其中以n 0 的量最大，n 0 2 次之，其余的含量很少。n 0 2 和n 2 0 为红棕色气体，n 2 0 s 为白色晶体，其余均为无色气体。n 0 2 是n o 中部分地再与剩 余的氧气反应后生成的。一般把n o 按分子量换算到n 0 2 。所以，有时把n o x 写成 换算后的n 0 2 。 柴油机燃烧生成的n o x ，其中的氮大部分来自空气，小部分来自燃料。柴油 中的含氮量一般为5 x l o 一5 到5xl o - 3 ，它们的含量相差可达1 0 0 倍。而且柴油 中的氮以有机物的形式存在，易于分解，化学反应活性强，试验表明，柴油机排 气中的n o x 的排放浓度与柴油中的含氮量有密切的联系。因此在进行测定试验时， 必须使用测试用标准柴油，以排除来自燃料的影响。排气中的氮氧化物主要是由 空气中所含的氮在商温下氧化而成，其氧化反应过程由下式表示： n 2 + o = n 0 + n 0 2 + n = n 0 + o 7 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 江苏大学工程硕士学位论文 n + o h - - n o + h( 2 3 ) 上述反应中的氧原子是氧气在高温分解时产生的，氧原子的存在诱发了n 0 生成的连锁反应。由于在整个反应过程中，( 2 一1 ) 式起决定作用，所以氧原子的 浓度以及反应温度对n 0 的生成最重要。n 0 的生成还与反应时间有关。如果燃气 在富氧和高温条件下停留时问长，n 0 的生成量必然增加。随着膨胀冲程活塞下行 缸内温度下降，n o 生成率也迅速下降。但因逆向反应速率很低，n o 不能很快达到 相应的平衡浓度，因此其排放浓度大大高于平衡浓度。柴油机n 0 x 排放中n 0 占的 比重较大( 约占9 0 以上) 。由以上分析可以看出n o 的排放取决于： 1 ) 最高燃烧温度 2 ) 高温持续时间 3 ) 高温时缸内氧浓度 这三个因素与柴油机的喷油系统、进气系统、运转参数、燃烧室结构以及其 它参数等有直接关系，所以控制n 0 x 主要在这几个方面进行研究。 2 2 2 柴油机h c 的生成机理 内燃机的气态排放物中，碳氢化合物是最复杂的有害物质。到日前为止，已 经从h c 中分离出2 0 0 多种化合物。包括燃油中的未燃烃类、裂解反应和再化合反 应的产物、燃烧和氧化反应的中间产物等。有研究认为，排气h c 中含烷烃、含烯 烃和芳烃占绝大部分。 碳氢化合物的生成机理很复杂，它是由多种因素形成的。烃类在空气中不能 燃烧或可、能完全燃烧，主要有以下几方面原因：局部温度或瞬时温度过低、压 力过低、混合气过浓或过稀超出了浓燃极限或稀燃极限、燃烧组织不良、窜机油 等，这主要取决于发动机的设计和运行因素，另一方面发动机润滑油也有相当的 作用。而所有这些都是生成碳氢化合物的原动力，现分别阐述如下： 2 2 2 1 混合气过浓 8 江苏大学工程硕士学位论文 柴油机的燃烧是不均匀的异相燃烧，即使过量空气系数相当大，混合气的局 部过浓或瞬时过浓仍然存在，特别是喷注的尾部和核心经常是以雾化不良和混合 气过浓的形式存在。喷注贯穿率过大，其前锋油堆积于燃烧室壁面而来不及与空 气完全混合时，也会形成局部过浓。从喷嘴压力室和残留在喷孔内的燃油渗入或 滴入燃烧室后，不能与空气很好混合，更是重要的碳氢化合物生成源。 各喷孔的喷注进入燃烧室后呈不对称的扇形。在涡流的作用下，相邻的两个 喷注可能产生相互重叠和干扰，从而形成局部的或瞬时的过浓混合气。 至于由于喷油压力低、喷孔过大、喷油初速小、燃油粘度和表面张力过大等 造成的雾化不良；雾滴直径过大而形成的混和气局部或瞬时过浓，更是难以避免 的。 总之，在柴油机的每循环喷油和燃烧中，尽管宏观上的过量空气系数不算小， 但其局部或瞬时的混合气过浓，超过可燃浓度是不可避免的。 在喷油结束时，喷嘴针阀流通面积减少，喷孔处的压力差下降，造成尾喷射 部分燃油雾化不良，而这正是碳氢化合物的重要排放源。这部分燃油引起的碳氢 化合物排放率取决于尾喷射燃油占循环喷油量的比例大小以及尾喷射燃油中末被 燃烧的部分所占比例的大小，而这些都与喷油压力等参数有关。要减少这两个比 例，有效的措施是提高喷油压力。 2 2 2 2 混和气过稀 一般来说，柴油机的实际空燃比超过理论空燃比一倍以上。在部分负荷和空 负荷时，将会超过1 6 倍，甚至更大。就完全平均来说，燃烧室内的混合气浓度 偏于稀燃一方。实际上在存在上述种种过浓混和气部位的同时，必然会存在相当 多的超过稀燃极限的混合气过稀区。例如：活塞的顶隙区，火力岸圆周侧隙区， 较深的气门凹坑内，相邻两喷注之间区域，喷注贯穿度不足时燃烧室近壁处等。 这些部位燃油较少，容易形成过稀区。 混和气的浓燃极限和稀燃极限与燃料性质、缸内温度和压力以及氧浓度有关。 9 江苏大学工程硕士学位论文 温度与压力越低，则混和气的可燃极限范围越小，混合气的浓燃上限越小，而稀 燃下限越大。 滞燃期中形成的过稀混和气产生的碳氢化合物排放，是碳氢化合物排放源中 相当重要的部分，特别是低负荷、高转速工况下。这部分碳氢化合物排放量与滞 燃期中形成的过稀混和气的数量有关。 2 2 2 3 混和气过冷或骤冷 混和气过冷或骤冷一般出现在靠近气缸壁或燃烧室其它壁面附近的混合气 中。混合气过冷和骤冷的温度是相对的。例如，当由于气流运动使正在燃烧着的 混合气突然转到靠近有冷却水冷却的缸壁缝隙时，火焰就可能因骤冷而形成不完 全燃烧，出现碳氢化合物。混合气的过冷或骤冷现象在发动机部分负荷或空负荷 及起动过程更是难以避免的。 如燃油喷注的尾部和核心部位经常是以雾化不良和混合气过浓的形式存在。 喷注贯穿率过大，其i i i 锋油堆积于燃烧壁面上而来不及与空气完善混合时，也会 形成局部过浓。贯穿率过小，易形成局部过稀。h c 排放浓度对柴油机燃烧状态与 燃油系统等的微小变化都相当敏感。且各种影响h c 排放浓度的因素之间又有着错 综复杂的相互影响。所以，各种对h c 排放浓度影响的规律性变化较大，离散性差。 值得指出的是：在碳氧化合物排放中除燃油成分外，润滑油的成分也占有相当 大的比例，所以，柴油机润滑系统的优劣也直接影响到碳氢化合物的排放浓度。 2 2 3 柴油机c 0 的生成机理 c o 主要足由于燃料燃烧时，0 2 相对不足，燃料中的c 不能完全燃烧产生的， 或由于混合气不均匀燃烧，混合气温度低，c 0 不能氧化而留在燃气中排出。c 0 是烃类燃烧的中间产物和不完全燃烧产物之一。其生成反应按烃类氧化链反应过 程进行。由下式表示： 4 c h 2 + 5 0 2 = 5 c o + 2 h 2 0 + 蜘( 2 - 4 ) 在混合气达到一定的反应温度，并在氧化剂存在的条件下，c 0 将继续按键反 】0 江苏大学工程硕士学位论文 应机理进行反应，而生成燃烧产物c 0 2 ，即 o h + c o = c 0 2 + h( 2 5 ) 生成燃烧终产物c 0 2 和h 2 0 。如果燃烧过程中局部空间和瞬时存在下列条件之 一，则反应式( 2 - 4 ) 中c o 不能继续燃烧生成c 0 2 而就被排出机外，它们是： 1 ) 反应着的气体温度突然过低： 2 ) 反应着的气体突然缺乏氧化剂( 缺氧) ： 3 ) 反应物停留在适合于反应条件( 如温度、浓度等) 的时间过短( 由转速决定) 。 在燃烧室中，生成c o 的部位主要是富油区、稀燃熄火区和稀火焰区。燃烧恶 化时易形成富油区，是影响c 0 排放的主要原因。低负荷时或气流运动过强，也可 能使c 0 氧化中断，是c 0 排放率增加的另一原斟1 0 1 。 h c 和c 0 的浓度在柴油机排气中一般都很低。只有在接近冒烟界限时，才急 剧增加。 2 2 4 柴油机颗粒物的生成机理 柴油机微粒不是单一物质，而是由许多物质组成的复合物质。微粒的定义和 所采用的测试方法有关。美国环保局定义的柴油机排气微粒是：稀释到5 1 7 以 下的柴油机排气流过带有聚四氟乙烯树脂的滤纸时，被滤纸所过滤下来的所有物 质。按照这个定义获得的柴油机排气微粒包括：以碳元索为主的碳烟、未氧化或未 完全氧化的碳氢化合物、硫酸盐以及与硫酸盐结合的水和其它杂质。即微粒是在 取样状态下排气中除了水分以外的所有分散物质的总称。包括了排气中一切有边 界的物质，而不管其性质、组成、大小和形状。通常为了分析和说明柴油机微粒 排放的特性，常使用二氯甲烷为萃取剂，把微粒的组成分为可溶性有机成分和非 可溶性有机成分。非可溶性有机成分主要是碳烟，是由于柴油机燃烧时燃料与空 气混合不均匀，造成局部过浓，在高温缺氧情况下燃料裂解而生成。可溶性有机 物来自不完全燃烧的燃料和窜入缸内的润滑油。一般情况下，高负荷时，碳烟在 微粒中所占的比例很高，在低负荷时，则主要足碳氢化合物。 】1 江苏大学工程硕士学位论文 颗粒物形成过程非常复杂，但其形成的根本原因就是非均质燃烧。非均质燃 烧是指燃烧室中的混合气不均匀，或局部缺氧、或局部燃烧温度异常( 过高或过低) 的燃烧。资料表明：烃类燃油燃烧时，在高温缺氧的条件下，烃类经高温裂解、逐 级脱氢而成为碳基粒子一碳烟；在燃烧温度较低的局部，部分烃类未完全燃烧干 净，成为醛、醋、酮、酚等含氧的中间产物，或聚合成为大分予量的多环芳香烃， 最后成为碳基粒子。如果在燃烧过程中提高温度和缩短燃烧时间，燃烧的中间过 程会转变成高温裂解脱氢过程，最终以碳烟的形式成为颗粒物。 发动机的非均质燃烧造成了颗粒物的大量生成。柴油机颗粒是以碳元素为主 的碳烟、未氧化或未完全氧化的碳氢化合物、硫酸盐及水和其它杂质组成的混合 物。柴油机微粒中的碳烟和硫酸盐为不可溶性物质，碳氢化合物为有机化合物； 碳烟呈石墨状，对气体和液体都有很强的吸附性。颗粒中含有多种聚合多环碳氢 化合物，其中的多环芳香烃和多环芳香烃的硝基化合物已经证明具有很强的致癌、 致突变性。 综上所述，影响柴油机有害气体排放物生成的因素及相应的减少措施见表 2 - 2 表2 2 柴油机有害气体排放物生成原因及减少措施【q 产物生成原因减少措施 n o x 高温、富氧、持续时问分为机内和机外两种方法 s o a 燃油中的硫分发生氧化作用最有效的措施足减少燃油中硫的含肇 c o 过茸空气系数、燃烧温度、空气和燃加大过鼙空气系数，改善油气混合状况 油的混合情况 h c 燃烧过程中，一小部分朱燃烧的燃油减少滑油消耗 和滑油 碳烟局部高温、缺氧，燃油裂解并脱氢加大过量空气系数，改薛油气混合状况 江苏大学工程硕士学位论文 第三章船舶排放法规对柴油机排放的控制 3 1 柴油机是未来最主要的船舶主机 柴油机是目前最主要的船舶主机，在一段相当长的时间内，这种状况不会有 很明显的变化，而且经过近几十年的发展，船舶柴油机的热效率和可靠性得到很 大程度的提高，在所有船用热机中，船舶柴油机的热效率最高，已经达到5 5 左 右。同时作为船舶主机的柴油机，经济性也得到改善。柴油机作为船舶主机己有 8 0 多年的历史，其间，不但柴油机本身得到了很大的发展，而且也不断地开发与 之配套的设备和系统，技术和质量有了很大的提高，形成完善的现代柴油机船舶 动力装置和船舶动力装置系统。另外，自动化和计算机技术已经在船舶上得到广 泛的应用，并己经形成船舶自动化技术和计算机应用技术领域，特别是智能犁船 舶动力装置的开发，将使柴油机船舶动力装置成为集高新技术和设备于一体的先 进装割1 2 1 5 1 。 3 2 防止船舶造成大气污染规则 3 2 i 出台背景 目前，全球共有排水量超过4 亿总吨，约8 万艘船舶，承担着9 7 的世界贸 易运输量，消耗世界能源的3 ，约8 5 0 0 万吨燃料。它们所占全球排放的比例分 别是：n 0 x 占7 ，s o x 占4 ，所以船用柴油机废气在世界各国的内河、码头、沿 海和公海上的任意排放，是不能等闲视之的。随着海上运输业的发展、船舶保有 量的增加、人类对环境要求的日益严格，船用柴油机废气控制必然被提到我们的 议事日程上来【阚。 在陆域上，从6 0 年代起，一些发达国家就已经制定了限制汽车尾气排放的相 关法规和标准，带动了有关减少和控制汽车发动机排气有害气体处理技术的研究。 江苏大学工程硕士学位论文 时至如今，世界各国都相继制定了限制汽车尾气排放的规则与标准，并制定了相 应的行动步骤。同时随着环境保护意识的增强，对陆用柴油机排气污染的限制也 日益严格。面向2 1 世纪，欧洲、美国、日本等地区和国家都将采用更严格的排放 标准。我国近年来也加紧环境保护的相关法规的制定工作，尤其是陆用燃烧装置 的大气污染物排放的控制，已有2 0 0 0 年的排放标准。船舶在海上的营运活动带给 海洋环境和大气环境各种有害污染物的排放，其具有流动性强、扩散性大、持续 时间长的特点。海洋环境足一个整体，是全球生命支持系统的一个基本组成部分， 也是一种有助于实现可持续发展的宝贵财富。 3 2 2 具体内容 对船舶柴油机而占，由于其在海上的营运活动具有流动性强、扩散性大、持 续时间长的特点，为防止、减少和控制船舶造成大气污染，1 9 8 9 年3 月，第2 6 届国际海事组织( i m o ) 海洋环境保护委员会( m e p c ) 会议上第一次提出了关于防 止船舶对大气污染的议题，经过近十年的时间，终于在1 9 9 7 年3 月的第3 9 届海 洋环境保护委员会( v i e p c ) 会议上就一些问题达成了一致，以“防止船舶造成大气 污染规则”作为c m a r p o l 7 3 7 8 公约附则v i ，于1 9 9 7 年9 月2 5 日获得缔约国 大会通过，并已于2 0 0 0 年1 月1 日生效，同时i m o 要求到2 0 0 0 年船舶n o x 排放 量将减少3 0 ，s o x 排放量减少5 0 ，作为减少船舶造成大气污染的第一个目标。 因为船舶柴油机主要的排放污染为废气排放中氮氧化物( n o x ) ，因而在m a r p o l 公约附则v i 第1 3 条中对氮氧化物( n o x ) 排放提出了具体规定。附则v i 规定的n o x 平均排放率如表3 - 1 。 这一规定适用于： 1 ) 每一台装在2 0 0 0 年1 月1 日或以后建造的船舶上，输出功率超过1 3 0 k w 的柴油机； 2 ) 每一台在2 0 0 0 年1 月1 日或以后经过重大改装的输出功率超过1 3 0 k w 的柴 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 油机。 这里的“重大改装”系指下述三种情况之一： 将柴油机换成2 0 0 0 年1 月1 日或以后制造的新柴油机； 柴油机的最大持续功率增加超过1 0 9 6 ： 影响柴油机废气排放以至超出附则v l 的排放限值的任何改装的柴油