（光学工程专业论文）大功率船用柴油机nox排放测试计算及预测方法研究.pdf

摘要 由于具有较高的热效率和可靠性，柴油机是最主要的船舶主机，在未来的 2 0 年或更长的时间内，这种状况不会得到太大的改变。人们在利用柴油动力船 舶为自身创造着财富的同时，也正一步步地污染着我们赖以生存的空问。船舶 作为一种可移动的污染源，其排放控制法规已经被提到议事日程上来。据有关 机构估计，从事国际贸易的船舶所产生的氮氧化物占世界氮氧化物排放总量的 4 ，而硫化物占7 。为了限制船舶柴油机的排放，国际海事组织制定了船用柴 油机n o 。排放的控制标准，即m a r p o l 7 3 7 8 防污公约附则v i - - “防止污染空气规 则”，此附则已于2 0 0 0 年1 月1 日生效。 船舶柴油机的氮氧化物主要是由于大气中的氮在柴油机燃烧过程中被氧化 而成。研究表明高温、富氧以及燃烧产物在高温区的停留时间是决定氮氧化物 排放量的三个决定因素。针对以上影响因素，本文提出了四种降低船用柴油机 氮氧化物排放的措施：1 ) 降低最高燃烧温度，2 ) 燃烧乳化油，燃油和水混合喷 射，3 ) 废气再循环，4 ) 氧化氮的机后处理。并钳对每种方法所能引起的负面 影响进行了讨论。 m a r p o l 公约附则v i 规定的n 0 。的排放标准为柴油机单位制动功率排气中n o 。 的质量流量( 单位：g k w h ) ，因此要想对被测试的柴油机的n o ，排放进行判定， 必须得到排气中n o ；的质量流量和柴油机的制动功率。由于大功率船用柴油机本 身所固有的体积大、排气流量大以及测量困难等特点，使得排气中n o 。的质量流 量不能直接测量，而只能通过测量n o 。的体积浓度并确定排气质量流量或体积流 鼍，才能推算出排气中n o 。的质量流量。本文讨论了用碳氧平衡法计算排气质 量流量的过程，同时介绍了自己设计的计算氮氧化物排放的程序。 考虑到船用柴油机氮氧化物的排放量与其主要影响因素之间的高度非线性 关系，本文提出了采用b p 神经网络来预测氮氧化物的排放。将发动机运行时的 最高爆压；、最高燃烧温度t 。和纯度r 作为神经网络的输入数据，将氮氧化 物的排放量作为输出数据。通过计算验证，该方法获得了令人满意的结果。 奉文的一个重要内容是剥m a r p o l 公约中的n o ；修正系数k h d i e s 进行了讨 论。提出扫气空气温度不应出现在n o ，环境状况修正公式中，而应将大气压力包 括在其中。并通过计算得出了新的修正系数公式。 本文最后对测试船用柴油机n o 。排放的主要仪器和测试过程进行了简单的 介绍。 关键词：船用柴油机；氮氧化物；排放；神经网络 a b s t r a c t d u et ot h e r e l a t i v e l y h i g h t h e r m a l e f f i c i e n c y a n d o p e r a t i o n r e l i a b i l i t y d i e s e le n g i n e s w i l ls t i l lb et h em a i ne n g i n ei nt h en e a r f u t u r e c o n s i d e r i n gt h ed e t e r i o r a t i n ge n v i r o n m e n t a lp r o b l e mc a u s e db yt h e e m is s i o n sf r o ms h i p s ，p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h ep o l l u t i o n p r o b l e m so fm a r i n ed ie s e le n g i n e s u n d e rt h i ss i t u a t i o n i m oi s s u e dt h e a n n e xv io fm a r p o lc o n v e n t i o r ，w h i c hh a sb e e nc a r r i e do u ts j n c ej a n u a r y 1 ，2 0 0 0 r e s e a r c hp o i n t so u tt h a tt h et h r e ek e yf a c t o r s ，w h i c hd e t e r m i n et h e n o 。e m i s s i o n s ，a r em a x i m u mp e a kt e m p e r a t u r e ，r i c ho x y g e nc o n c e n t r a t i o na n d t h ed u r a t i o ni nw h i c hc o m b u s t i o np r o d u c t ss t a ya th i g ht e m p e r a t u r ez o n e t h e re b yt h i s p a p e rp u t s f o r w a r df o u r w a y s t or e d u c en o 。e m i s s i o n s ： r e d u c t l ( ) r 】o f t h eh i g h e s tc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e ，f u e le m u l s j f i c a t j o n ， e x h a u s tg a sr e c i r e u l a t i o oa n ds e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n a c c o r d i n gt ot h e 雌r p o lc o n v e n t i o n ，n o 。e m i s s i o n sa r ed e f i n e da sp e r e n g i n ep o w e ro fn o ，m a s sf l o wr a t e t h eo n l ym e t h o dt og e tn o 。m u s sf l o w r a t ei st ok n o wn o 。e o n c e n t r a t i o ni nt h ee x h a u s ta n dt h ee x h a u s tm a s sf l o w r a t e t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o dt og e te x h a u s tm a s s f lo wr a t eb vc a r b o n o x v g e nb a l a n c em e t h o d b e s i d e st h et r a d i t i o n a l c o m p u t a t i o n a lm e t h o d ，t h i s p a p e r a l s o d e m o n s t r a t e st h ep o s s i b i l i t yo fa p p l y i n gb pn e u r a ln e t w o r kt op r e d i c tn o ， e m is s i o n sf r o mm a r i r ed i e s e le n g i n e s v e r i f i e db ve x p e r i m e n t a ld a t a b p n e u r a ln e t w o r kh a sp r o v e dt oh eas a t i s f a c t o r ym e t h o di nt h ef i e l do fn o 、 e l m s s i o n sp r e d i c t i o n b yp o i n t i n g o u tt h u ta m b i e n t p r e s s u r es h o u l d t a k et h e p l a c e o f s c a v e n g i n ga i rt e m p e r a t u r ei nt h ef o r m u l ao fn o ，c o r r e c t i o nf a c t o rk h d i e s ， ab o wa n dm o r er e a s o n a b l ek h i ) i e sh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r d a tt h ee n do ft h i st h e s i s ，t h ef u n d a m e n t a le q u i p m e n t s p r i n c i p l ea s w e lla sm e a s u r e m e n tp r o c e s so fn o ，e m i s s i o n sf r o mm a r i n ed i e s e le n g i n e s a r eb r i e f l yi n t r o d u c e d k e yw o r d s ：m u r i n ed i e s e le n g i n e s ：n i t r o g e no x i d e s ：g m i s s i o n s ：n e u r a l n e t w o r k 大功率船用柴油机n o 。排放测试计算及预测方法研究 第一章k t a r p o l 公约对船用柴油机n o ；排放控制的强化 l _ l 柴油机在船舶动力装置中的地位 柴油机是最主要的船舶主机，在未来的2 0 年或更长的时间内，这种状况不 会有很明显的变化，这是由柴油机的以下特点所决定的：( 1 ) 在所有船用热机 厂r | ，船舶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。经过几百年的发展， 柴油机制造技术和制造工艺已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已有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 量有了很火的提高，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，并已经形成船舶自动 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n ，。 1 2 船舶柴油机与环境 当柴油机问世时，它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，随着增压压力的提高，废气涡轮 埔压器和增压系统、燃油喷射系统、燃烧过程的完善，柴油机热效率又提高了 l j 2 0 ，达到5 5 左右。可以说，就柴油机本身来讲，已经相当完善，在经济 性方面不可能再有很大的突破。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 o 。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。柴油机之所以热效率高，是因为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，柴油机循环热效率高。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当前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间的又一主题。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 o - ) 、水蒸汽( h ：o ) 、过剩的氧气( o 。) 及空气中原存的氮气( ) 等。其中c o z 会造成温室效应，使全球的气候变暖，也需要控制其排放量。有害 大功率i j 用柴油机n o x 排放测试计算发预测方法研究 成份是不完全燃烧和燃烧反应的中间产物，包括一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物 ( h c ) 、氮氧化物( n o 。) 、硫氧化物( s o ；) 和微粒( 由碳烟、未燃的燃油和润滑 油、硫酸盐等组成) 。它们占废气总量的比例很小，往往不超过1 5 ，但对人 类及生存环境的危害却很大。n o 。和s o ，会造成酸雨，使森林和庄稼等遭受严重 破坏。其中n 。0 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。在对人类的危害上， 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，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，同时，可造成呼吸系统失调， 引起肺水肿等疾病。s o 。对人的呼吸道系统有害，可导致心肺疾病。h c 是种复 杂的混合物，含有多种有机化合物，其中醛类和苯并芘进入人体会产生慢性中 毒或致癌。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。 c o 是种有毒气体，它会降低人体和动物的血液输氧能力。微粒主要是以碳粒 为核心的高分子化合物，上面附着了大量的致癌物质。上述这些有害成分中， n o 、s o 。和微粒的危害性最大，也最直接，因此其排放电就成了控制的重点0 3 。 当然，在不同地区和国家，由于船舶活动的频繁程度不同，由船舶造成的污染 程度也不同。据统讨，在挪威和瑞典由船舶活动所引起的n o 。污染占总污染量的 4 0 5 0 ，在波罗地海和英吉利海峡地区与此类似，而在美国的加利福尼亚地 区更为严重。因此，这些地区首先提出了船舶柴油机排放的控制要求和规定， 以限制船舶引起的污染危害。国际海事组织( i m o ) 也已介入这一问题，并提出 了限制措施。 1 3 船用柴油机的排放法规 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。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 染的限制也同益严格。面向2 l 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。海洋环境是一个整体，是全球生命支持系 统的个基本组成部分，也是一种有助于实现可持续发展的宝贵财富。为防止、 减少和控制船舶造成大气污染，国际海事组织( i m o ) 近年来加紧有关法规的制 订，现已制定“防止船舶造成大气污染规则”，作为( m a r p o l 7 3 7 8 公约附 j 1 0v 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 。排放量将减少3 0 ，s o 。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。附则v i 规定的n 0 。平均排放率如表卜l 盔塑兰塑旦鉴些垫翌旦：壁堕型堕：! 簦垦塑型查鲨堕塞 和图卜1 所示。我国有关船用柴油机方面目前所使用的标准是g b 2 6 7 8 7 及其排 放试验方法g b 8 1 8 9 8 7 ，当平均有效压力p e 3 0 0 k p a 时，n 0 ，排放限值如表卜2 所示。 至 2 o z 表卜im a r p o l 公约中n 0 ，的排放标准 t a b l e1 1n o 。e m i s s i o n ss t a n d a r do fm a r p o lc o n v e n t i o n 柴油机标定转速n ( f f m i n ) 图卜1y l a r p o l 公约中n 0 。的排放标准 1 一ln o 。e m i s s i o n ss t a n d a r do fm a r p o lc o n v e n t i o n 表卜2 我国船用柴油机n 0 ；排放限值( g b 2 6 78 7 ) i 、a b l e 卜2n o 。e m i s s i o n ss t a n d a r do fm a r i n ed i e s e l e n g i n e i nc h i n a 1 4 m a r p o l 公约附则v l 的实施对船用柴油机发展的影响 1 4 i 对船舶柴油机使用燃料的影响 大功率船用柴油机n o 。排放测试计算及项测方法硎究 船用柴油机废气中氧化硫( s o ；) 排放物的多少主要是由燃油中的硫分所决 定的，燃油中的硫分在柴油机燃烧过程中氧化为氧化硫( s o 。) 。为了控制氧化硫 ( s o 。) 的排放，在m a r p o l 公约附则v i 中，对燃料的含硫量做了明确的规定， 即不得大于4 5 ( m m ) ，并且设立了氧化硫( s o 。) 控制区，在氧化硫( s o , ) 控 制区内，所用燃料的含硫量不得大于1 5 ( m m ) ，废气中的氧化硫( s o 。) 含量 不得大于0 。6 9 ( k w - h ) ( 折合成二氧化硫( s 0 2 ) 计) ”1 。, m a r p o l 公约附则v i 对燃料含硫量的规定对目前主要以低质燃料油为主要燃料的船舶柴油机来说将 存在重大的影响。低质燃料油的使用是船舶柴油机发展中的一项重要技术成就， 它可以大幅度降低船舶营运成本，同时可以合理使用石油资源，由于中东地区 石油的储量占世界石油储量的6 6 4 ，以其为原料生产的低质燃料油的含硫量较 高，甚至可能高达5 ，为了满足m a r p o l 公约附则v i 的要求，特别是在氧化硫 ( s ( ) 。) 控制区内，降低燃料含硫量是减少废气中氧化硫产物的唯一有效方法。 当然，进行脱硫处理后，燃料的价格也会上升，燃料费用增加。另外一种除去 废气中氧化硫的方法是水洗，但是，在每一条船上装设庞大的氧化硫处理设备， 不论从经济角度，还是从环保角度，都是不可取的。采用其他清洁燃料当然可 以满足m a r p o l 公约附则v i 的要求，但以目前的技术水平和生产，运输，贮存 能力，还不可能全面取代石油产品。 1 4 ，2 对船舶柴油机的影响 影响氮氧化物( n o ，) 生成的主要因素是柴油机气缸中的燃烧过程，它和柴 油机的结构、丁作过程参数、运行工况、各辅助设备和系统的工作质量都有关 系。控制氮氧化物( n o 。) 排放的方法主要是机内处理和机后处理。机内处理方 法的关键是控制燃烧过程，目前的主要途径是开发污染物排量低的直喷式燃烧 室，以寻求同时满足排放标准和提高柴油机的热效率，另外，推迟喷油、废气 再循环( e g r ) 、采用可变控制机构以及缸内喷水等方法也能达到目前规定的排 放标准，但会使柴油机的热效率下降，运行经济性变差，并且，排放标准更加 严格时，这些方法难以满足要求。采用机后处理方法虽然不会影响柴油机的热 效率，但设备的增加必然引起船舶初造价的提高和船员维护管理工作的增加。 尽管如此，在可以预见的未来或更长时间，柴油机仍将是最主要的船舶推进发 动机。 1 5 我们面临的挑战 我国政府对m a r p o l 公约附则v i 的问题十分关注，中国船级社( c c s ) 已组 织召丌了m a r p o l 公约附则v i 研讨会，并组织专家对于有关问题进行研究，对 其中明显不利于我们的条款( 如试验条件参数) 将向i m o 提出修正建议案。尽 管前面分析中提到m a r p o l 公约附则v i 的实施可能对我们有一定的不利影响， 但是一个国际公约，既然已经公布实施，就必须不折不扣地执行。通过建国5 0 年来特别是改革丌放2 0 年来的发展和积累，我们也初步具备了完成此项工作的 奎翌兰堕望鉴迪塑型坠塑垫型蔓盐竺墨堡型查鲨型塞 物质和技术条件，事实上，这也是我们改善环境状况、扩大影响的一个机遇与 挑战。主要有以下几个方面： 1 我们有能力完成满足m a r p o l 公约附则v i 要求的检验发证工作。m a r p o l 公约附则v i 实施是一项十分复杂而且技术含量很高的工作，它涉及到测试、计 算、检验、发证以及对现有发动机的重新调整、试验工作。中国船级社目前已 建立了有关测试机构，组织编写了检验、测试、发证程序及相关法定文件，对 检测人员及验船师进行了理论和现场培训，并按i s 0 9 0 0 1 建立检验与发证质量 控制体系。目前许多国家政府如：柬埔寨、伯利兹、马耳他、利比里亚、马绍 尔、巴拿马、圣文森特、巴巴多斯等已授权中国船级社执行船用柴油机n o 。排放 控制发证工作，芬兰、日本、韩国及国内部分柴油机制造厂已向中国船级社申 淆船用柴油机n 0 ，排放控制的前期发证榆验。 2 改革开放2 0 多年来，通过不断地引进开发，我们的船用柴油机制造技术 和制造工艺已经达到了相当高的水平，可以生产出世界上最先进的船用柴油机， 完全能够满足m a r p o l 公约附则v i 的要求，在世界船用柴油机领域站稳脚跟， 并不断地扩大自己的市场。 3 环境保护问题已经得到了各方面的重视。目前，我国已有了以中华人 民共和国环境保护法为主体的环境法规体系，与m a r p o l 公约附则v i 相对应， 我困已经制定了相当于欧i 和欧i i 的汽车尾气排放法规已开始实施( 推出时间 是2 0 0 0 年和2 0 0 5 年) ，这两个法规的实施，将对我国解决港口城市和近海海域 大气污染起到积极作用。人类的生存和发展的是为了提高人的生活质量，优化 人类的生存环境是提高人的生活质量的重要标志。 大功率船用柴油机n o 。排放测试计算及预测方法研究 第二章船用柴油机n o ，生成机理及其排放控制技术 2 1 氮氧化物的生成机理 2 1 1n o 的生成机理 燃烧过程n 0 的生成基本上分为3 种方式，根据产生机理的不同分别称之为 热力型( t h e r m a l ) n 0 也称热n 0 或高温n 0 、燃料( f u e l ) n o 以及瞬发( p r o m p t ) k o 。热力n o 主要是由于火焰温度下大气中氮被氧化而成，当燃料的温度下降时， 高温n o 的t i i 成反应会停i t ，即n o 会被“冻结”。燃料n o 是含氮燃料在较低 的温度释放m 来的氮所形成的；瞬发n o 是形成热力和燃料n 0 以外的其他机理 所形成，主要是由于燃料产生的原子团与氮气发生反应所产生。高温n o 的主要 来源是诸如发动机等大多数燃烧设备。燃料n 0 主要来源是在低温燃烧条件下燃 烧含有大量有机氮化物的燃烧设备。最高温度不超过1 6 0 0 k 的湍流扩散火焰中 瞬发n o 则成为n 0 的主要来源。参与n o 生成的化学原子团很多，反应方程十分 复杂。以甲烷燃烧生成n o 为例，参加化学反应的物质达5 2 种，正逆反化学方 程总数达2 3 5 个。故此处在叙述n o 生成机理时仅对主要化学反应作一介绍。 1 高温n o ( t h e r m a ln o ) 的生成 在燃料空气混合气的燃烧过程中，分子氮被氧化为n o 的机理首先由泽尔多 维奇( z e l d o v i c h ) 于1 9 4 6 年提出，其后又被进一步完善。现在普遍使用的是 用_ 卜列三个化学反应方程描述的，被称之为扩展的泽尔多维奇( z e l d o v i c h ) 的 机理“ ，即 o + n 2 = n o + n n + 0 2 = n 0 + 0 n + o i = h + n o 把质量作用定理用于式( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 可得 d ( c m j ) l m = k ，l c ( ，c 2 + k ，2 。q + k ，3 c c o t l k 6 l c n o c 一k 6 2 c n o c 。一k 6 3 c 肌) c ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 2 1 ) 式中c m ，。”，。2 ，c o i l ，依次为各成分的物质的浓度，单位m o l c m 3 k k ，：，k ，依次为化学反应方程式( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 的正向反应速率常数 丘。k 。k 。，依次为化学反应方程式( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 的逆向反应速率常数。正 逆反应的反应速率常数如表2 一l 所示。 化学反应方程式( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 达到化学平衡时，同一反应的正向与逆向 反应速率相等，如用下角e 表示各成分平衡时的含量，并把 盔些兰塑旦鉴塑垫翌旦：翌! 垫型蔓堡竺墨堕型查堡型至 表2 1 扩展的泽尔多维奇机理中的反应速率常数 t a b l e2 1r e a c t i o nr a t ec o n s t a n ti nt h ee x p a n d e dz e l d o v i c hp rjn c i p l e 符号速率常数c m a ( m o l s ) 1温度范围k k f l 7 6 1 0 ”* e x p ( 一3 8 0 0 0 t ) 2 0 0 0 5 0 0 0 6 4 1 0 9 * t * e x p ( 一3 1 5 0 t ) 3 0 0 3 0 0 0 4 1 * 1 0 1 3 0 0 2 5 0 0 1 6 1 0 1 3 3 0 0 5 0 0 0 k 1 5 1 0 9 * t * e x p ( 一1 9 5 0 0 t )1 0 0 0 3 0 0 0 k b l2 4 1 0 “* e x p ( 2 3 6 0 0 t )2 2 0 04 5 0 0 注：t 为反应时的温度，单位为k 。 k 。睥c 2 ，k ，2 c 。幔，k ，3 c 。c o h 。分别记为r 1 r 2 ，r 3 ，则有 r l = k 俨q c 2 。= k 。崛。 r z = k 2 c 虬c 。2 。= 足6 2 c 似c q r 3 = k r 3 9 n ? c o i l ? = k b 3 cn o i ch 实验表明，在n 0 的生成反应中，除n 和n o 的生成时间相对较长外 可假定为瞬时平衡。把式( 22 ) ( 24 ) 代入式( 2 - 1 ) 得 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其他成分 d c q o d t 2 r i u c n c n ! 。c i l o c n 0 7 、+ r 2 c n c n ? 一c n o i cn o j + r 3 k n c n ? 一c , v o icn 丑1 ( 2 5 ) 同理呵得 d c n d t = r i 、一cq c n ! c n o c n o ? 、一r 2 c n c n ? 一c n o cm o ? 、一r 3 kn c n ? 一c n o l c n 0 。、 ( 2 6 ) 由于式( 2 5 ) 中还含有未知项c 。，故不能求解。实验证明c n 大大小于其它物质 的含量( 摩尔分数约为1 0 1 ) 。因此可假设d e 。d r = 0 。于是式( 2 - 6 ) 可得 c c ，= r 1 + r 2 c m c 崛+ 尺3 c 砌c 崛 j r l c n o c 他一r 2 一r 3 ( 2 7 ) 嚣令= c v cq ! ，8 = cn o | cv 9 7 ，鼬南 d c d d t = r 1 【1 一q 口 + r 2 口一声 + r 3 口一 ( 2 - 8 ) 出式( 2 - 7 ) 町得 大功率船用柴油机n o 。排放测试计算及预测方法研究 口= 【r l + r 2 + r 3 p r 1 卢一r 2 一r 3 】 把式( 2 - 9 ) 代入式( 2 - 8 ) 可得 出m ) d t = 2 r i 1 一卢2 b + r j i ( r 2 + r 3 ) ( 2 9 ) ( 2 一l o ) 。氧化氮形成速度远远低于燃烧速度，大部分一氧化氮是在燃烧完成后才 形成的。在靠近火焰主要反应区的下游划出一个火焰后区，将一氧化氮的形成 过程与燃烧过程分开，然后假设燃烧过程达到了平衡状态，由此我们便可以计 算出氧化氮的形成速度。因此，只要把该温度下的平衡常数值和0 。、n ：、0 及 o h 的含量值代入式( 2 - 1 0 ) ，就可以使一氧化氮的计算大为简化。 n o 生成速率对温度的强烈依赖关系可通过当c 。c m ( ( 1 时，考虑出。d t 的初始值来加以说明。从方程式( 2 - 1 0 ) 可得 出0 d t = 2 r i = 2 k ，1 。， ( 21 1 ) 氧原子的平衡浓度由 c ( = k ，( 。) ( c 。，。) “2 ( r t ) “2 1 给出。式中k 邶) 是圭o ：= o 反应的平衡常数，可由 z k ，f 。) ：3 6 1 0 3 e x p ( 掣) n ，i ，2 表示”1 。然后，n o 原始生成速率可写为 d c m ，d r = 6 1 0 t - 1 2 e x p ( 一6 9 0 9 0 t ) ( c o ，1 1 2 c ，t o o l ( c m3 s ) ( 2 1 2 ) 式( 2 - 1 2 ) 说明了n o 的生成速度与温度有密切关系，在高温和高氧含量条 件下，c 。的生成速度高，即出。研的数值大。 图21 是泽尔多维奇机理对c h 。和空气混合物的计量结果。由图可见，n 0 的生成量在燃料过多时，随氧气浓度增大而成比例增大，在过量空气系数略小 于1 时，生成量下降。燃烧温度在过量空气系数略大于1 附近出现最大值。 燃烧过程中，氮的浓度基本上是不变的，因而，影响n o 生成量的主要因素 是温度、氧气的浓度和停留时问。综上所述，可得到如下控制n o 生成量的方法： 1 ) 降低燃烧温度； 2 ) 降低氧气浓度； 3 ) 使燃烧在远离理论空气比条件下进行； 4 ) 缩短在高温区内的停留时间。 2 燃料n o ( f u e ln o ) 的生成 叁些垩塑旦鲞迪垫翌垒塑塑塑堕生竺垦蔓型互婆! 塑堑 燃料n 0 主要在含氮燃料的燃烧过程中生成。常见的含氮燃料有沥青残渣、 重质馏份油、原油和煤，其氮的质量分数依次为2 3 、l 4 、0 6 5 、1 2 。 ? 2 求 繇 蛙 。蕊 彩 讨卧 训 - 遁州罕气鬟棘 圈2 1 n o 的浓度和过剩空气系数、 停留时间的关系 f i g u r e2 1n oc o n c e n t r a t i o n f o fe x c e s sa i rc o e f f i c i e n t a n ds t a y i n gt i m e 总的燃料一空气当量比 图2 - 2 燃油炉废气中n o 的含量 f i g u r e2 - 2n oc o n c e n t r a ti o ni n t h e e x h a u s to ff u e lf u f n a c e 燃料中的氮化物主要由n 与各种碳氢化合物结合成的环状化合物或链状化合物。 这些氮化物中的n 与空气中的n 相比，其结合键较小，在燃烧时易分解生成低 相对分子质量的含氮化合物n 地、h c n 、c n 等低分子含氮化合物。这些低分子含 氮化合物的氧化反应速度很快，与燃烧反应具有相同的数量级。燃料n o 在燃烧 区中其含量会超过其平衡计算值，而在火焰后区含量较小。 燃料n o 在化学当量比及贫燃料混合气中生成较多，而在富燃料混合气中生 成较少。燃料n o 的生成量受温度的影响较小。在低温度火焰条件下，如煤的流 化床燃烧，燃料n o 是n o 的主要来源，在温度升高时，高温n o 的含量会逐渐升 高，火焰达到高温条件时，高温n 0 成为主要来源。 燃料中的氮化物在燃烧时产生的低分子的活泼原予团n h 、h c n 、c n 可与含 氧物质迅速发生反应，其反应机理如下： n h + o = n + o h n h + o = o n + h h c n + 0 = n c o + h 奎型兰塑星堂鎏! ! 型竺：笙垫型苎盐竺墨堡型蔓鲨竺圣 c n + o 。- n c o + o n c 0 + o = n o + c o n c o + 0 2 = n o + c o + o 上述反应机理表明，燃料n o 的生成主要取决于燃烧过程中氧原子及氧的含 量。在富燃料混合气中燃料分解出的低分子氮化物由于缺氧，将还原成n 。，因 而富燃料混合气中，燃料n 转化为n o 的比例减少；贫燃料混合气与之相反。另 外，由于燃料中氮化物的热分解温度比火焰温度低，故燃烧时达到分解温度就 有燃料n o 生成，与火焰温度关系不大。 燃料中的含氮量越多，燃料n o 的生成量也就越多。图2 2 为燃料中含氮量 不同时燃油炉废气中n 0 的含量，可见随着燃料中的含氮量增多，废气中n 0 的 含量增加很快。 3 瞬发n o ( p r o m p tn o ) 的生成 实验表明，在富燃料混合气的火焰中，n o 的形成速度要远大于局部平衡值， 并且在反应区的附近有较高含量的h c n ，这些h c n 也在快速消失。燃烧过程n 0 的生成除了高温条件下空气中的氮被氧化而生成的n o 和由于燃料中含氮化合物 分解成的低分子氮化物被氧化而生成的n o 外，还有一种仅火焰的前段中的基于 分子与碳氢原子团c h 、c 。、c 等反应生成氰化物，这些氰化物与火焰中大量 的0 、o h 等进一步反应而生成的n o ，称之为瞬发n o 。 燃料中碳氢化合物分解生成的c h 、c 等原子团与空气中的n ：反应生成氰化 物的反应方程主要有 c h + n ：= h c n + n c + n 2 = c n + n c h ：+ - h c n + n h c h 。+ n 。= h n + n c 2 + = 2 c n 上述反应由于其活化能很小，故反应速度很快。上述反应所生成的氰化物 进步与火焰中大量的o h 、0 原子团等发生下述方程所示的反应，生成n o 。 h c n + o h = c n 十h 。0 h c n + o = n c 0 十h c n + o ：= c o + n n + o h = n o + h n + 0 2 = n o + o 瞬发n 0 的生成主要受三个因素的控制，第一是燃料中碳氢化合物分解为c h 等原予团的多少；第二是c h 等原子团与n 2 反应生成氰化物的速率；第三是氮化 物之间梢互转换的速率。瞬发n 0 主要发生在预混合富燃料混合气中，并且反应 速度很快，与停留时间无关，也与温度、燃料类型、混合程度无关。 2 1 2n o ：的生成机理 查型垩塑旦鉴塑! ! ! 些! ! 整型蔓生兰墨堡型查鲨竺塞 燃烧过程中由上述三种机理生成的n 0 ，除了可与含n 原子中间产物反应还 原为n 。外，还可阱与各种含氮化合物生成n 0 ：。与n o 的生成量相比，n o 。的生成 量较少。在火花点火发动机的排放中，n o 。与n o 的比值仅为百分之几，在柴油 机的排放中n o 。与n 0 之比可达1 0 3 0 。生成n o ：的反应过程十分复杂，如甲烷 燃烧生成n 0 ：的相关化学反应就达1 6 2 个，相关的原子团等达4 0 种，但是生成 n 0 ：的主要化学反应可以认为是n o 和h o ：之间的反应。即 n o + h 0 2 = n 0 2 + o h 此反应在低温下进行的很快，其反应速率常数大于i o “e r a 。( m o l s ) 。按照 上面化学反应方程式计算的n o 。与n o 的比值_ 分大，与一般化学平衡所的结果 不1 致。这说明存在着生成的n o 。又转化为n o 的化学反应。实验表明，生成的 k 0 ：中除过被冷流体淬冷的n o ：外，由此反应形成的n o 。可与燃烧区中的氧原予反 应，重新生成n o 。即 n 0 2 + o = n o + 0 2 在低温反应中，上面反应的速率常数为5 5 1 0 ”c i n 3 ( m o l s ) 。在火焰后区， 由于氧原子减少，因而生成n o 。的反应比n o 。又转换为n o 的反应进行得快。 图2 3 及图2 4 所示为火花点火发动机和柴油机的n 0 ：及n 0 排放数量的测 定实例。对火花点火发动机，当量比等于o 8 5 时，n 0 。与n o 的最大比值为0 2 ( 对于柴油机这个比值较大) ，在低负荷时达到最大值，并与柴油机转速有关。 岍j 一柴油机低负荷时及低转速时使生成的n o ：被冷流体淬冷的区域很大，故柴油 机的排放中n o ：与n o 之比可达3 0 。 旦 瓢 啦 岳 惜 。 善 = 赫 彘 长 鼍 呈 图23 火花点火发动机的n o ：及n 0 排放图2 - 4 柴油机的n o 。及n o 排放 f i g u r e2 - 3n 0 2a n dn oe m i s s i o n so ff i g u r e2 - 4n 0 2a n dn oe m i s s i o n so f t h es p a r ki g n i t i o ne n g i n e t h ed i e s e le n g i n e 2 2 改善船用柴油机n 0 ，排放的措施 2 2 1 降低最高燃烧温度 一舔求鼯蛙一m距 查翌兰塑! ! 鉴塑! ! 型垦壁塑型堕笪竺丝堡塑互鲨竺塑 减少废气中n o ，最简单可行的方法是降低最高燃烧温度，这同时意味着柴油 机热效率将下降，燃油消耗率上升。延迟燃油的喷射，使发火点和燃烧后移， 将使燃烧最高温度下降。例如，w a r t s i l a 公司就曾将其v a s a 3 2 中速机的喷油始 点向后延迟5 6 。曲柄转角，才使该柴油机满足了i m o 对n o 。的规定。在实际 心用中，该机的喷油始点只向后延迟了3 。曲柄转角，以使燃油消耗率不至上升 太多，州时还采用其它方法降低n o 。 据计算，当采用喷射延迟的方法减少n o 。时，每减少1 0 n 0 。燃油消耗率会 上升2 左右。为了弥补由于喷射延迟引起的热效率降低，可采用下述不同的方 法： ( 1 ) 缩短燃油喷射时问，采用较高的喷油压力( 启阀压力达3 5 6 0 m p a ， 最高压力达1 4 0 1 5 0 m p a ) ，改善油头喷孔的结构，缩短喷油曲柄转角，以改善 雾化，完善燃烧混合物的形成，达到快速、良好的燃烧，使之发生在活塞下降 行稃的初期，避免后燃。 ( 2 ) 提高压缩比，采用较高的压缩比是又一个有效的措施，现在的趋势是 柴汕机循环向定压循环发展，压缩终点压力大大提高，定容燃烧压力升高很少， 燃烧主要是在定压情况下进行的。这种定压循环过程不同于柴油机发展初期的 空气喷射定压循环过程，它是在很高压力下的循环。采用高压比之所以成为可 能，是由于当代船用柴油机普遍采用长冲程、低转速，即使是将压缩比提高到 2 0 左右，燃烧室仍然具有一定的高度，并不影俐然油的喷射和燃烧混合物的形 成以及燃烧过程。 ( 3 ) 加强增压空气的冷却，降低空气进机温度，以降低循环平均温度。采 用这种方法虽然能够减少氧化氮排量，但同时也增加耗油量，并且其效果不太 明显。 2 2 2 燃烧乳化油，燃油和水混合喷射 向柴油机燃烧室喷水可以降低最高燃烧温度从而降低氧化氮的形成，至于 如何将水喷入燃烧室并不是最主要的，但水雾与燃气的混合越好效果也越好。 有的柴油机制造厂采用一个油头两个喷嘴( 一个喷油嘴、一个喷水嘴) ，也有的 厂家将油和水在系统中混合进行乳化，通过一个喷嘴向燃烧室喷射乳化油，另 种方式是采用两个独立喷射系统( 即一个喷油系统，一个喷水系统) 。 由于最大喷水量可达5 0 ，当采用一个系统和一个喷嘴时，通过喷嘴的容积 流量大大增加，因此系统的容积也相应地增大。显然，这样的喷射系统必须有 可靠的控制系统力能保证柴油机可靠地工作。 不管采用哪种加水系统，柴油机制造厂都面临着这样的问题：当柴油机停 车刑必须能够及时将水停掉，以防水引起的系统腐蚀。有的厂家( 如m a n b & w ) 规定，柴油机起动时，必须燃用非混合( 乳化) 油，以确保柴油机的机动性能。 2 2 3 废气再循环 奎里兰堂旦茎塑垫型生! ! 丝型堕主竺墨望型查鲨堡垒 将柴油机排气进行除尘处理后引入迸气系统，实行废气的再循环，也可以 降低氧化氮排放。利用1 0 废气量进行再循环可阻使氧化氮排放量下降3 0 ，而 不太影响燃油消耗率“1 。利用废气再循环并不是将废气中的氧化氮再次送入柴油 机以减少其排放量，而是从燃烧过程的热化学反应来阻止氧化氮的形成。在柴 油机废气中，其主要成分是氮气，但也含有水蒸气和二氧化碳。水蒸气和二氧 化碳的比热都比较大，这可以有效地降低火焰温度，减少氧化氮的形成。并且， 由于燃烧室中废气的增加，其含氧量减少，从而使氧与氮的接触机会减少，也 有助于降低氧化氮的生成。 但是，进行废气再循环也给柴油机的运行和管理带来一些问题：首先，废 气中含有颗粒杂质会引起活塞