（轮机工程专业论文）基于bp神经网络的船舶柴油机氮氧化物排放预测.pdf

摘要船舶柴油机作为船舶动力装置，对航运经济有非常重要的支持作用，但是，由其产生的排放污染不容忽视，而且越来越为严重。为了控制船舶柴油机的排放污染，国际海事组织修订7 3 7 8 防污公约的1 9 9 7 年议定书7 3 7 8 防污公约1 9 9 7年缔约国大会决议已经于2 0 0 5 年5 月1 9 同正式生效，开始其在船舶柴油机排放方面的控制作用，本文正是基于此文件开展了船舶柴油机n o x 排放的相关研究。首先，本文阐述了船舶柴油机n o x 的生成机理以及国际控制法规，并介绍了当前船舶柴油机n o x 排放测试的具体步骤、注意事项和计算方法。然后，简要介绍了人工智能和b p 神经网络的基础知识，并利用b p 神经网络的高度非线性拟和功能，将其引入到船舶柴油机n o x 排放测试工作中。针对b p神经网络的自身特性，进行了试验设计、实际试验、测取数据等一系列现场试验工作，在设计试验过程中，又引入了正交设计法，使试验测取的数据更具有科学性。在此基础上，在m a t l a b 环境中编制程序，利用测取的训练网络用数据建立了相应的b p 神经网络，再利用测取的网络测试用数据对建立的b p 神经网络进行了船舶柴油机n o x 排放预测和该网络的泛化能力的分析。最后，针对本次试验和b p 神经网络的具体情况，对进一步提高神经网络模拟船舶柴油机n o x 排放的有关方法作了讨论。关键词：船舶柴油机；n 0 x 排放：b p 神经网络：误差分析t h ep r o g n o s t i c a t i o no fn o x e m is s i o no nm a r ir ed i e s e ie n g i n eb a s e do nb pn e u r ain e t w o r ka b s t r a c tm a r i n ed i e s e le n g i n ep l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nn a v i g a t i o ne c o n o m ya sd y n a m i c a le q u i p m e n t b u tt h ee m i s s i o n - p o l l u t i o np r o d u c e db yi tc a n n o tb ei g n o r e d ，a n dt h et r e n do ft h ep o l l u t i o ni sm o r ea n dm o r es e r i o u s i no r d e rt oc o n t r o lt h ee m i s s i o n - p o l l u t i o n 。i m oh a sp r o m u l g a t e d t h ep r o t o c o lo f1 9 9 7t oa m e n dp a r p o l7 3 7 8r e s o l u t i o n sa d o p t e da t1 9 9 7c o n f e r e n c eo fc o n t r a c t i n gg o c e r n m e n t st om a r p o l7 3 7 8 a n dt h i sp r o t o c o lh a sb e c o m ee f f e c t i v ef r o mm a y 19 2 0 0 5 t h ca u t h o ro ft h i sd i s s e r t a t i o nd i ds o m es t u d yo nm a r i n ed i e s e le n g i n en o x e m i s s i o nb a s e do nt h ep r o t o c 0 1 f i r s t l y , i te x p a t i a t e st h em e c h a n i s mo f t h em a r i n ed i e s e le n g i n en o xp r o d u c i n ga n dt h ei n t e r n a t i o n a lc o n t r o lc o d e ；i n t r o d u c e st h et e s tp r o c e s s e s 、n o t i c e sa n dc a l c u l a t i o nm e t h o d so f t h em a r i n ed i e s e le n g i n en o x - e m i s s i o nc a r r i e dc u r r e n t l y s e c o n d l y , i tb r i e f l yi n t r o d u c e st h ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n db pn e u r a ln e t w o r k ，a n dt h e ni m p o s e st h en o n l i n e a r i t yf u n c t i o no ft h eb pn e u r a ln e t w o r ko nt h et e s t i n go ft h em a r i n ed i e s e le n g i n en o x - e m i s s i o n u p o nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eb pn e u r a ln e t w o r k ,c a r r i e st h et e s td e s i g n 、p r a c t i c ea n dd a t am e a s u r e m e n t ，a n das e r i e so fl o c a l et e s t a m o n gt h et e s t i n gp r o c e s s ，b r i n g si nt h ev a r i a b l ee d g eu n i f o r md i s t r i b u t i o na n de x p e r i m e n t a ld e s i g n ( u dd e s i g n ) ，i no r d e rt om a k et h et e s td a t em o r es c i e n t i f i ca n dp r e c i s e b a s e do nt h e s e ，u n d e rt h eh e l po fm a t l a bp r o g r a m ，u s e st h ed a t ag a i n e df r o mt h et r a i n i n gn e t w o r kt ob u i l db pn e u r a ln e t w o r k , a n dt h e nf o r e c a s t st h ed i e s e le n g i n en o x e m i s s i o na n da n a l y s e st h ea b i l i t yo ft h en e t w o r k f i n a l l y , u p o nt h ei n s t a n c eo f t h et e s ta n db pn e u r a ln e t w o r k ，d i s c u s s e st h em e t h o do fo p t i m i z i n gt h eb pn e u r a ln e t w o r ki no r d e rt os i m u l a t et h em a r i n ed i e s e le n g i n en o x e m i s s i o n k e y w o r d s ：m a r i n ed i e s e le n i g i n e ；n o x - e m i s s i o n ；b pn e u r a ln e t w o r k ；e r r o ra n a l y s i s大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文：基王堡抽丝囤终的监舶装池扭氲氢垡塑盐越亟羔l 生二。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：魏海波2 0 0 6 年1 月1 2 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库迸行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于：保密口不保密( 请在以上方框内打“4 ”)论文作者签名：魏海波导师签名：孙培廷r 期：2 0 0 6 年1 月1 2 日第1 章绪论1 1本文背景柴油机作为船舶动力以来，其造成的大气环境污染就已经开始，污染的程度正比于营运船舶的总吨位或总功率。在世界经济贸易持续发展的过程中，由于船舶运输具有的安全、低价和大运量等优点，其运输量不断扩大，船舶的数量或吨位逐年增加，到1 9 9 9 年，全球海上贸易运量达5 1 亿吨，船用柴油机造成的排放污染也不断加剧。由于船舶航行的路线一般远离陆地，造成的环境污染直末引起人们的高度重视。从二十世纪五十年代到六十年代，各发达国家工业的畸形发展，由于陆地上汽车的成倍增长，其排放的各种有害物质造成的大气污染不断加剧，为此，相继制定了一系列汽车尾气排放限制法规，这些法规有力地减少了汽车有害物质的排放量。到七十年代，各国政府更加重视环境的保护工作，花费了大量的人力、物力和财力，加强环境保护的立法和综合治理工作，并取得了显著的成效，环境污染的速度基本得到了控制，环境质量有明显的改善。例如，曾经公害污染严重的日本，从1 9 6 8 年到1 9 7 6 年问，在工业持续发展的情况下，大气中的飘浮物，硫氧化合物s o x 和c o 的含量不断下降。船舶柴油机功率大，其排放的有害物的数量是巨大的。而且，船用柴油机一般燃用重质的燃料油，成份复杂，有害物含量高，同样的情况，其产生的有害物较多。1 1 1 船舶柴油机排气的组成船舶柴油机排气中包含的成份基本分为两大类：一类是燃料在空气中完全燃烧后的产物，基本成份是二氧化碳( c 0 2 ) 、二氧化硫( s 0 2 ) 和( h 2 0 ) ，还有过量的空气等，这些气体( s 0 2 除外) 对人体和生物不会造成直接的危害。另一类属于燃料不完全燃烧产物和有害的氧化物，它们包括一氧化碳( c o ) 、未燃碳氢h c 、氮氧化物n o x 、微粒子( 碳烟、高沸点可溶性碳氢和铅化物) 、臭氧( 0 3 ) 、臭气( 甲醛、丙烯醛和未燃醇等) 。第二类排放物不同程度都会对人体和生物直接构成危害，具有毒性和强烈的刺激性，有些成份( 如微粒子) 具有致癌作用。图1 1 是典型的船舶低速柴油机的排放图：鬈未89 7 “c 。3 铱s9 7 l c2 5 c n l0 5 s1 2 0m g n n i 2 徽鞑图1 1 典型的船舶低速柴油机的排放图表1 1 列出了瓦锡兰公司( w a r t s i l an s d ) 芬兰柴油机厂生产的w 6 l 2 0 c 型柴油机各工况下排气中主要有害气体的排放浓度( p p m ) 和单位功率的质量排放量( g k w h ) 。该机为四冲程、增压、空冷、燃油直喷、非逆转型船用柴油机，其缸径为2 0 0 m m ，行程为2 8 0 m m ，转速9 0 0 r m ，标定功率为1 0 2 0 k w表1 1 ”1 有害气体排放浓度和排量j 提1 0 8 2 ( 1 0 0 p e )8 1 0 ( 7 5 p e )5 3 8 ( 5 0 p e )2 6 9 ( 2 5 p e )成窃9 0 0 ( 1 0 0 n )8 1 9 ( 9 1 n )7 2 0 ( 8 0 n )5 6 7 ( 6 3 n )6 1 0 0 0 ( p p m )6 0 1 0 0( p p m )6 3 0 0 0( p p m )6 6 0 0 0( p p m )c 0 26 6 6 5 ( g k w h )6 6 1 2 ( g k w h )6 8 9 9 ( g k w h )7 4 7 1 ( g k w h )8 7 0( p p m )9 3 3( p p m )8 3 6( p p m )9 3 6 ( p p m )n o x9 4 4 7 ( g k w h )1 0 2 7 ( g k w h )9 1 8 5 ( g k w h )1 0 6 8 ( g k w h )2 5( p p m )2 6( p p m )1 0 6( p p m )2 1 9( p p m )c o0 1 7 4 ( g k w h )0 1 8 2 ( g k w h )0 7 3 8 ( g k w h )1 5 8( g k w h )1 0 6( p p m )1 4 4( p p m )1 5 3( p p r o )2 3 5( p p m )h c0 3 8 7 ( g k w h )0 5 2 9 ( g k w h )0 5 6 1 ( g k w h )0 8 9 2 ( g k w h )1 1 2 船舶柴油机排气的危害船舶柴油机排气中的有害气体排出并扩散到大气中。扩散到大气中的排气污染物，可通过化学反应、降雨冲刷及被土壤、动植物或人类吸收等途径消失。对于不同的气候和地理条件，它们消失的速度不同，即各种有害气体在大气中存在的寿命不同。对于大多数的有害气体，如c o 、n o x 、s 0 2 等，在大气中的寿命较短，但也有寿命很长的，如c h 4 、c 0 2 等，表1 2 列出了部分有害气体的寿命：表1 2 ”1 有害气体寿命气体种类平均寿命气体种类平均寿命n o3 3 0 小时c i t 4约7 年n 0 2l 2 天h c几小时到几天s 0 2约5 天c o约6 0 天0 3几小时c 0 22 4 年柴油机排气中的一些气体，对人体健康无宜接的伤害，但会造成气候的变化进而影响人们的生活。表i 3 给出了一部分气体的影响情况：袭1 3 气体影响情况温室气体c 0 2c h 4n 2 0f c c h l lf c c h l 2寿命( 年)2 4约71 5 06 51 1 0至暖势l3 21 5 01 4 0 0 01 7 0 0 0至暖势是评定温室气体对气候影响的重要指标。它给出了一个温室气体分子对气候变化影响和一个c 0 2 分子对气候变化影响的比值。从表中可以看出，虽然含氟的碳氢化合物的排量很小，但它们的危害确是惊人的，不但表现在它们的至暖势是二氧化碳的1 7 0 0 0 倍上，更重要的是它们的寿命都很长。下面简要叙述柴油机排气中的污染物对人体的伤害情况：( 1 ) 一氧化碳( c o ) ：一氧化碳是无色无味的气体，它与血红蛋白的结合能力是氧气的2 4 0 倍，当空气中的一氧化碳的质量含量超过o 1 时，会导致人体中毒。( 2 ) 二氧化碳( c 0 2 ) ：二氧化碳无色无味，略带酸味，无毒。它的危害主要是产生温室效应。( 3 ) 臭氧( 0 3 ) ：臭氧是刺激性很强的气体，它刺激人体的眼睛和呼吸道。空气中宙有01 1 0 6 的臭氧时，就会使人明显感觉呼吸困难，它影响植物的光和作用，是导致森林病虫害的主要原因。但高卒大气同温层中的臭氧却有过滤阳光中对人体有伤害的紫外线的作用。( 4 ) 碳氢化台物( h c ) ：其中烷烃无味，对人的口鼻粘膜有刺激，有麻醉作用；烯烃略带甜昧，是形成烟雾的因素之一，同烷烃一样，对人的口鼻粘膜有刺激、麻醉作用；芳香烃具有特殊的气味，对神经系统有伤害，多环的芳香烃被怀疑有致癌作用。( 5 ) 一氧化氮( n o ) ：无色气体，易与人体中的血红蛋白结合，其结合能力是一氧化碳的1 0 0 0 倍，但在空气中，一氧化氮将被氧化成二氧化氮。( 6 ) 二氧化氮( n 0 2 ) ：呈红褐色，i 捌其强烈的刺激气味对肺和心肌有很大的伤害，也是地面附近大气中形成臭氧的主要因素之一。( 7 ) 二氧化硫( s 0 2 ) ：无色气体具有强烈的刺激气味，是形成酸雨的主要成因。( 8 ) 微粒：微粒中主要成份是碳，直径大于0 3 ui l l 时，人在呼吸时，可被吸入肺部，并在肺里滑动，会造成肺组织的伤害。( 9 ) 铅：含铅物质对血液、骨髂和神经系统有损害作用，它的作用是一个较慢的过程。1 2 本文研究的主要内容及章节安排根据柴油机的工作原理及现代船用柴油机的工作特点可知，在柴油机的有害排气中，氮氧化物和微粒的排放量较大，从表一可知：n o x 的排量是c o 和h c的1 0 2 0 倍。因此，如果减少了船用柴油机n o x 的排放量，也就抓住了船用柴油机有害排放物造成环境大气污染的主要方面。与此同时，加强船用柴油机有害物排放量的限制，强化立法工作，对于保护环境是必要的。本文正是针对船舶柴油机n o x 排放展开了相关的研究工作。本文正是针对船舶柴油机n o x 排放展开了相关的研究工作。1 2 1 研究的主要内容本文立足于国际海事组织的修订7 3 7 8 防污公约的1 9 9 7 年议定书7 3 7 8 防污公约1 9 9 7 年缔约国大会决议，分析了船舶柴油机n o x 的生成机理以及减少排放的技术措施和国际控制法规，并介绍了当前船舶柴油机n o x 排放测试的具体步骤、注意事项和计算方法，本文主要是利用b p 神经网络的高度非线性拟和功能，将其引入到船舶柴油机n o x 排放测试工作中，进行了实际试验，并编制程序建立了相应的b p 神经网络，进行了神经网络预测和误差分析。1 2 2 本文的章节安排第l 章绪论。主要介绍了船舶柴油机排气组成、造成的危害以及污染现状，突出了控制船舶柴油机n o x 排放的重要性，并在此基础上提出本文研究的主要内容。第2 章船舶柴油机n o x 排放的控制现状及趋势。2 0 0 4 年5 月1 8 同，m a r p o l 公约附则在萨摩亚群岛得到批准，达到了生效条件，并已于2 0 0 5年5 月1 9 日起生效。船舶柴油机氮氧化物的排放控制将会越来越严格，而现有的船舶柴油机氮氧化物的测量又非常复杂，如何简化现有的测试方案，是现有船舶柴油机氮氧化物排放研究的重点。第3 章船舶柴油机n o x 排放测试及计算方法。详细介绍在实际测量船舶柴油机氮氧化物排放实验中的测试项目和要求、测试设备的校准和安装、具体的测试步骤、测试过程的控制以及测试数据分析时依据的工况和加权系数。并详细介绍该公约给出的两种船舶柴油机n o x 计算方法，即方法1 ( 碳平衡法) ，方法2( 通用法或称为碳氧平衡法) 。第4 章b p 神经网络。神经网络具有强大的人工智能模拟功能，能完成较为复杂的数据处理、分析工作。b p 神经网络强大的非线性拟合作用使得它能运用于各个领域的数据处理和分析，指导人们的生活和实践。而现有计算机程序m a t l a b 的工具箱( 1 0 0 lb 0 x ) 中包含着b p 神经网络的应用功能，使得利用b p 神经网络对船舶柴油机氮氧化物排放预测成为一种可能。第5 章船舶柴油机n o x 排放的b p 神经网络预测。将船舶主机的可能持续运行区域作为试验工况范围，利用变边界的均匀试验设计法，对一船用中速柴油机进行n o ；排放台架试验，获得数量少但具有代表性的试验样本。在充分研究b p 神经网络理论基础上，利用台架试验测试样本，提出完整的基于b p 神经网络的柴油机n o x 排放预测建模方法。并对预测出的柴油机n o 。排放特性进行分析。第6 章结论与展望。总结本文主要研究内容及研究成果，对柴油机n o 。排放b p 神经网络预测中有待进一步研究的问题进行探讨和展望，提出进一步研究的方向。6第2 章船舶柴油机n o x 排放的控制现状及趋势2 1 船舶柴油机n o x 的生成机理船舶柴油机排气中的氮氧化物n o x 是指各种氮氧化物的总称，其中包括n o 、n o z 、n 0 3 、n 2 0 、n 2 0 3 、0 4 、n 2 0 5 等。在柴油机中，燃料经燃烧后从排气管排出的氮氧化物中约有9 0 9 5 是n o ，n 如有少量存在，其它成分可以忽略不计。从发动机排出的n o 与大气中的氧气相遇后将进一步氧化为n 0 。对柴油机来说要控制的氮氧化物主要是n o 的排放量，而对人类直接造成危害的成分是n o 。n o 与未燃碳氢h c 在一定条件下会形成光化学过氧化物，由此而引起的环境污染也不可小视。n o x ( n 0 + n 0 。) 的生成来源有两方面：一方面与空气中存在氮氧元素有关，另一方面，在燃料中也可能存在微量的氮化物。前者产生的氮氧化物称为“热氮氧化物”( t h e r m a ln o x ) ，后者称为“燃料氮氧化物”( f u e ln o x ) 。当燃料中存在含氮元素的添加剂时，排气中的燃料氮氧化物会占有一定的比例，在柴油机中一般很少使用这类添加剂。下面从化学反应速度和化学平衡的角度来介绍一下n o x 的生成机理。2 1 热氮氧化物( t h e r m a in o x ) 的生成机理在高温燃烧过程中，由空气中的氮和氧进行反应而生成的氮氧化物称为“热氮氧化物”。因其形成的机理相当复杂，对其反应过程的理解是在6 0 年代中后期以后才取得了进展。目前已被广泛接受的理论称为采尔道维奇( z e l d o v i c h ) 原理。应用他的化学反应部分平衡和平衡理论及化学反应动力学研究中获得的有关化学反应速度常数数据，不仅可以用来解释热氮氧化物的生成机理，而且还能使热氮氧化物的生成速度的预测成为可能。根据采尔道维奇理论，如果可燃混合气在氧气过剩区燃烧，n 0 的生成反应可用以下两个基本公式表示：蝻驴m ；- 4 n o 手n( 2 1 )册岔_ n o + o( 2 2 )如果燃烧区域的燃料过浓，式( 2 1 ) 中的0 浓度很低，这种情况下由于燃料自身裂解和其它中间反应产生的o h 和n 将对n o 的生成起很大影响，即可附加基本反应式：bn + o h + _ n o + h( 2 3 )k r 3其中：k f l 、k f 2 、k f 3 、k r l 、k r 4 、k l i 3 分别为正向反应速度常数和逆向反应速度常数。表2 1 列出了这些常数的一组数据【1 8 】：表2 1 氮氧化物反应常数内容速度常数温度范围不确定性因子或( k )移号( c m3 m 0 1 s )k f l2 0 0 0 一5 0 0 02，触坩k p 卜半k f 23 0 0 5 0 02 0 ，3 0 0 k 时1 6 1 0 1 32 ，2 0 0 0 - - 5 0 0 0 k 时k f 33 0 0 3 0 0 03 0 ，1 0 0 0 k 时a m 坩r e x _ 爿2 ，3 0 0 0 k 时k r l1 0 0 0 一3 0 0 03 0 ，1 0 0 0 k 时川9 丁o x 一爿2 ，3 0 0 0 k 时k r 23 0 0 2 5 0 0士8 0 4 1 1 0 1 3k r 32 2 0 0 一4 5 0 02z o 4e x p 一罕通常把含有式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 的基本反应过程称为采尔道维奇机理，如果把式( 2 3 ) 也包括在内即称为扩大的采尔道维奇机理。基本反应式( 2 2 ) 中必需的n 可直接由n 2 分解得到，也可能由基本反应式( 2 1 ) 产生。前者需要的反应能量为89 4 5 6 2 k j t o o l ，后者仅需3 1 3 9 5 k j m o ! ，所以由基本反应式( 2 1 ) 生成n 更容易些。根据化学反应平衡原理，n o 的生成反应速度为：d n o d t = k f l n ： o - k r l n o n + k f 2 n 0 2 一k r 2 n o 0 + k f 3 n o h 卜k r 3 n o h ( 2 4 )其中： 表示组份的浓度。经整理化简，最后得到n 0 生成率方程为：d n o d t = 6 1 0 ”t 1 ” o 。 “2 i n ： e x p ( 一6 9 0 9 0 t ) ( m o l l s )( 2 5 )从方程可以看出：n o 的生成率是温度t 、氧气浓度 0 。 和氮气浓度 n 。 的函数。由于氮气在进入气缸到随废气排出气缸的全过程中，除了微量的氮气与氧发生反应外，不参与任何其它形式的化学反应，因此可近似地认为氮气的浓度不发生变化，可按常数处理。这样n o 的生成率就仅是温度t 和氧气浓度 如 的函数。氧气的浓度可用过量空气系数来表示。当过量空气系数不变时，在不同温度下的n o浓度随时间变化的规律如图2 1 所示；当温度不变时，在不同过量空气系数下的n o 浓度随时问变化的规律如图2 2 所示。从图2 i 可看出，温度对n o 的生成率影响很大，几乎每变化1 0 0 度，n 0 生成率变化一个数量级，燃烧初期。n o 的浓度增加较快，n o 的生成率较高，末期n 0 的浓度几乎没有变化，n 0 的生成率很低。从图2 2 可以看出，过量空气系数越大，柴油机燃烧各时刻的n o 浓度越高，随着燃烧过程中氧气的不断消耗，相对过量空气系数急剧减少，n 0 的生成量也相应减少，直至n o 浓度不再变化。n o ( p p m )图2 1t ( s )9n o ( p p m )10 1 0 1t 0 21 0图2 2( s )从以上的分析可知：氮氧化合物的形成有两个条件，其一是足够高的温度及持续时问，其二是较高的氧气浓度。二者中，足够高的温度是前提，是主要的条件，如果燃烧的最高温度较低，就是氧气的浓度再高，形成的n 0 x 也很少。2 1 2 燃料氮氧化物( f u e in o x ) 的生成机理石油经精炼以后得到的各种燃料所含氮化物种类和数量随原油产地的不同及燃料种类不同有较大差异。燃料中所含的氮化物主要有氮苯、氮萘等盐基类物质和氮的非盐基类环状化合物。中东产的原油中氮化物的含量约为o 0 9 0 2 2 ，精炼后的重油中的含量为o 0 5 0 1 ，轻柴油中的含量为0 0 0 2 0 0 3 ，煤油中的含量为o 0 0 0 1 0 0 0 0 5 ，汽油中的含量更低”1 。所以在一般情况下，内燃机所用的燃料在燃烧后不会产生大量的氮氧化物并对大气构成污染威胁。问题是为了某些特殊需要，有时会在燃料中加入一些硝基类盐以改善内燃机的燃烧性能，此时，应考虑到它会对排气中n o x 的排出量起不利影响。如果燃料中含有氮苯( 吡啶) 、氮萘( 喹啉) 、胺类等含氮化合物，n o 的生成有以下特点：1 氮的化合物进入燃烧带前被热分解生成低分子量的氮化物；2 分解后的产物产生n o 的生成速度与燃烧反应速度几乎相同；3 燃料氮氧化物的生成与环境温度之间的依存关系不如热氮氧化物那么大。燃料氮氧化物( n o ) 的生成过程首先是由热分解生成中间体i n ，然后再由中间体转化为n o 或n 2 和0 2 。含n 化合物( n ，) 型吗中间洲j 马马m n2 + o 关于r 和i n 究竟是什么成分，至今还没有完全搞清楚。燃料中的氮并不是全部转化成n 0 x ，燃料中氮含量越低，过量空气系数越大，转化率越高。2 2 船舶柴油机氮氧化物排放控制现状2 2 1国际社会控制排气污染法规目前，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1 0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【6 】：n o x 占7 ( 也有资料说是1 4 ) ，s o 。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、人类对环境要求的只益严格，船用柴油机废气控制必然被提到我们的议事日程上来。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( m e p c ) 会议上就一些问题达成了一致，以m a r p o l 公约附则v i 的形式出台了防止船舶造成大气污染规则。该规则主要内容有：1 排放标准n o x g k w h 】船用柴油机d 2 e 2 e 3 c 1 模式iii* 1 1 n 1 n 。m 。h一。”p 1 “”n ，f 一_ 、1 3 0 一 n 2 0 0 0r p m 一4 5 * n 一“。g k w hn 声2 0 0 0r p m 一，d 鲁譬w h、图2 3图中曲线为“防止船舶造成空气污染规则”第1 3 条规定的船用柴油机氮氧化物排放量的最高限制线，曲线共分三部分：( 1 ) 1 7 0g k w h柴油机标定转速n 1 3 0r m i n( 2 ) 4 5 o a n 。02g k w h柴油机标定转速1 3 0 n 一2 0 0 0r m i n加埽坩m佗m864202 适应范围( 1 ) 安装在2 0 0 0 年1 月1 日以后新建的船上、作为非应急设备( 救生艇、仅作为在应急情况下使用的机器或设备) 使用、输出功率大于等于1 3 0k w 的船用柴油机。( 2 ) 在2 0 0 0 年1 月l 同以后、对输出功率大于等于1 3 0 k w 的柴油机进行大的改造时。大的改造是指：用2 0 0 0 年1 月1 日以后新造的柴油机替代原有的柴油机；或进行如在“n o x 技术规则”中规定的、对柴油机进行的实质性的改装；或柴油机的最大连续工作标定值被提高百分之十。对2 0 0 0 年1 月1 日以后制造的船用柴油机，应按照船级社制定的船用柴油机试验和检验程序，进行测定n o x 排放量的台架试验和发证检验，如果被检验柴油机的设计和装配满足m a r p o l 公约附则v i 规定的n o x 排放限制，被检柴油机将被签发e i a p p ( e n g i n ei n t e r n a t i o n a la i rp o l l u t i o np r e v e n t i o n ) 证书，只有获得e i a p p 证书的船用柴油机才能被准许安装在船上。在i m o 排放控制规则中，实际上目前只限于n o x 控制。按会议规定，它的生效条件是：有1 5 个国家，且其商船总吨位占全球5 0 以上，并且是缔约后1 2 个月【1 1 。2 0 0 4 年5 月1 8 日，m r p o l 公约附则v i 在萨摩贬群岛得到批准，达到了生效条件，并已于2 0 0 5 年5 月1 9 日起生效。该公约目前对船东和制造厂已经具有了约束力，现在在船舶订购合同中，必须要有排放条款，因此排放控制规则已经在产品上生效。在海洋环境保护委员会( m e p c ) 2 0 0 0 年的两次会议上美国代表甚至要求把n o x 的排放指标从附则v i 规定的现行值上再减少2 5 到3 0 。与此同时，按计划，附则v i 生效后，每隔5 年将对n o x 排放限值修正一次。因此i m o 将再次讨论新的n o x 排放限制标准。所以从长远来看，排放不但要控制，而且会越来越严格。2 2 2 现有测试方法及简化测试方案的提出由于在现有的技术条件下，精确测量迸排气流量十分困难，所以不管是i s 0 8 1 7 8 ，还是m a r p o l 公约附则v i ，规定的n o x 排放的测试方法都是废气成分测试和理论计算相结合的方法，即，先利用符合要求的测试仪器测出柴油机排1 2放物中c o 、c 0 z 、o z 、h c 、n o x 等成分的浓度，再利用柴油机的燃烧理论推算出n o x 排放的绝对值( g k w h ) ，最后将其与规定的n o x 排放标准进行比较，以判断柴油机的n o x 排放是否满足m a r p o l 公约的要求。由于i s 0 8 1 7 8 和m a r p o l 公约附则v i 主要对新造的船舶柴油机的n o x 排放进行控制，所以可通过台架试验对柴油机的n o x 排放进行测试，面对于现有的船舶柴油机而言只能进行实船测试。一般来说，台架实验和实船测试由于实验场所和环境的差异，它们在进行排放测试时的特点和要求差别很大。表2 2 列出了台架试验与实船测试的比较7 l ：表2 2 台架试验与实船测试的比较比较项目台架试验实船测试精度要求对测试精确度的要求较高对测试精确度的要求比台架试验低可布置性测试设备便于布置测试设各不便布置便携性对测试设备的便携性要求低对测试设备的便携性要求高坚固程度对设备的坚固程度要求低对设备的坚固程度要求高偶然因素测试中的偶然因素较少测试中的偶然因素较多稳定性工作状况易于稳定工作状况难于稳定正是因为有以上的特点，台架试验由于必须测量的参数太多，从而使测量设备笨重，如目前普遍采用的h o r i b a 测试仪，重达2 0 0 公斤，高1 5 米，价格高达1 0 0 万元，同时这种设备又相当娇气，需要定期进行校准，使得它们难以用于实船测试。因此，必须研究种新的测试方法即简化的测试方法，使测试的参数相对较少并且误差在允许范围之内，这样就可以利用便携式小型设备( 如日本岛滓n o x 测试仪) 进行实船测试。研究简化测试方法的另一个原因：独立备件公司如在供应替换原厂的备件时需进行排放检查，即使某种部件通过了检查获得了达标证明，以后具有同一规格、出自同一生产厂家的部件一般来说也不会自动获得批准。因为每次安装( 特别是在低速发动机上) 都有其独特之处，因此每艘修理好的船舶可能都需要进行排气检测。这样看来，实船测试必须降低成本，以满足进行大量实验的目的。2 3 本章小结本章将柴油机氮氧化物排放分成燃料氮氧化物、热氮氧化物，简要作了介绍其生成机理，然后介绍了针对这种排放，国际社会的控制现状，通过控制现状的介绍，可以发现，船舶柴油机氮氧化物的排放控制将会越来越严格，而现有的船舶柴油机氮氧化物的测量又非常复杂，如何简化现有的测试方案，是现有船舶柴油机氮氧化物排放研究的重点。1 4第3 章船舶柴油机n 0 x 排放测试及计算方法3 1 柴油机族、组认证根据m a r p o l 公约通则规定，为避免对每台发动机进行发证测试以证明其符合n o x 的排放极限，可采纳两种认可的概念之一，即发动机族或发动机组的概念。( 1 ) 发动机族概念用于任何系列化生产的发动机，该发动机作为产品使用，其设计证明具有相似的n o x 排放性能，并能在装船过程中无需进行对n o x 的排放造成不利影响的任何调整或改造：( 2 ) 发动机组概念用于具有相似用途的小系列生产的发动机，该发动机在上安装或使用过程中需要作轻微调整和改造，这些发动机通常是用于主推进的大功率发动机；( 3 ) 发动机制造厂最初可根据自己的决定确定发动机是否属于发动机族或发动机组的概念，通常适用类型应基于试验台试验后，柴油机是否将进行改造以及改造到什么程度。公约中规定了发动机族和组的运用原则，依照这一原则，生产厂家在试验前应确定发动机族和组所包括的机型，并确定具有代表性的母型机，若选定的母型机n o x 排放合乎规则限值，则其包括的其它机型也确定满足排放规定要求。3 2 测试项目和要求3 2 1 测试项目目前，柴油机排气中n o x 的质量流量还不能直接测量，只能通过测量n o x的体积浓度，并确定排气质量流量或体积流量，才能推算出n o x 的质量流量。这是一种间接的测试方法，也是相当繁琐和复杂的，但这是目前唯一使用的方法。其主要测试项目如下；( 1 ) 当对柴油机族的母型机进行测量时，首先要进行环境条件检验，只有当环境参数向在给定的范围之内时，才允许进行试验；( 2 ) 对测试时所用的燃油进行分析和化验，并确定其组分和各组分的质量份额( 主要包括燃油的含碳量，含氮量，含硫量，含水量，含氧量等) 以便计算单位质量燃油完全燃烧时所需的干空气质量；( 3 ) 利用氮氧化物测试仪器对柴油机废气中的氮氧化物容积份额进行测量，确定其体积百分含量p p m 值；( 4 ) 对废气的气体状态进行测量，确定废气的压力、温度等参数；( 5 ) 测量柴油机的有效功率，且该功率必须按公约规定进行校核；( 6 ) 对燃油消耗率进行测量及其它柴油机性能参数的测试；( 7 ) 对柴油机排气的二氧化碳、一氧化碳、未完全燃烧的碳氢化台物以及含氧量进行测量。3 2 2 测试要求( 1 ) 确定试验环境参数f a ( 仅适用于柴油机族母型机的测量)对于自然换气和机械增压式柴油机：l = ( 翔- ( 矧“7c 。，对于废气涡轮增压柴油机：五= 铲坫慨。，式中：只= p a 一凡，大气中干空气的分压力；p a = 大气压力，取1 0 1 3 2 5 k p a ；只= 大气中水蒸汽的分压力；瓦= 大气温度。对于被承认的有效试验，其加值应在下述范围之内：0 9 8 励s 1 0 2( 3 3 )( 2 ) 冷却系统应按参考的转速和负荷条件进行调整，进气空气的温度和冷却器的压力降应在制造厂规定值的+ 4 k 和+ 2 k p a 范围之内。所有的供船上使用的发动机应能在外界海水温度2 5 cf n ，满足附则v i1 3 ( 3 ) 项规定的n o x 允许排放标准。( 3 ) 排放量的计算是基于未修正的制动功率。所谓制动功率是指在发动机仅配有试验台运转所必需的标准附属设备时，曲轴输出端测量所得的功率。对于柴油机试验运转的非必需附属设备，应当从试验台上拆除。对于无法拆除的非必需附属设备，应确定它们在试验转速下吸收的功率，以计算未修正的制动功率。( 4 ) 试验发动机应采用具有进气节流功能的进气系统，以反应柴油机运转状态下清洁的空气滤器的状况，其作用应能代表相对于柴油机在相应的工作条件下的最大空气流量。( 5 ) 试验发动机应具有由制造厂确认的能在运转条件下反映排气背压的排气系统，其目的是能代表柴油机在相应的工作条件下的最大功率。( 6 ) 柴油机的冷却系统应能够维持柴油机在制造厂确认的工作温度下的正常使用。( 7 ) 用于试验的润滑油规格应作记录。( 8 ) 燃料的性能可能影响柴油机的废气排放。用于试验的燃料性能及组成成分应满足1 9 9 6 年的i s 0 8 2 1 7 中规定的适合柴油机类型的d m 级船用燃料。3 2 3 主要测量设备及要求除测试排气成分分析仪外，为测试船用柴油机氮氧化物的排放，还需要其他一些测量设备：( 1 ) n 功器柴油机台架试验中采用测功器来测量输出扭矩和功率。测功器作为负载，并通过测功器实现对工况的调节。测功器工作时应能满足下列要求：1 ) 应有足够的工作范围以满足柴油机不同试验工况的要求；2 ) 能在柴油机全部转速和负荷范围内稳定运转；3 ) 能平顺而又足够精确地调节负荷；4 ) 能足够准确地测定负荷。( 2 ) 油耗仪柴油机燃油消耗率的测量采用定容积法或定重量法。用容积法和重量法测定燃油消耗量，最重要的是时间的测定。人工测定时间易产生人为误差，所以最好采用自动测量。1 7( 3 ) 取样管气体排放物的取样管应合理制作并确定其位置按要求进行安装。3 3 测试仪器的校准、分析3 3 1试验台架上主要测量设备的精确要求所有测量仪器的校准应符合表3 1 和表3 2 所提出的要求且应与国内或国际标准接轨。表3 1在试验台上测量发动机相关参数的允许偏差允许偏差校准间隔器编号项目( 基于发动柴油机的最大的值)( 月)l发动机转速2 32扭矩2 33功率2 不适用4燃料消耗2 65空气消耗2 66废气流量4 5表3 ，2在试验台上测量的重要参数的允许偏差编号项目允许偏莽r + 绡对信、校准间隔期( 月)1冷却剂温度2 k32润滑剂温度2 k33排气压力最大值的5 34进口集合管压降最大值的5 35排气温度1 5 k36空气入l z l 温度( 燃料空气)2 k37大气压力读数的o 5 38吸入空气湿度( 相对的)3 19燃料温度2 k3姒r p o l 公约规定，发动机台架试验主要测试设备必须满足要求，并按期经相关计量单位校准确定其测试偏差符合测试要求。3 3 2 排放分析仪器要求m a r p o l 公约要求对仪器每三个月进行一次校准。多点校核由l o 个校准点组成。废气排放测量系统安装之前，应对所有分析仪器进行抗干扰试验。1 8仪器装配好之后应进行校准。首先进行泄漏试验，然后用校准气体按额定流量对照校准曲线进行校准。3 3 2 1分析仪器所需工作气体和标准气体表3 3仪器使用时所需的工作气体成分应用浓度供气压力流量备注9 0 1 0臭氧发生器0 2n o x 分析单元0 2 9 9 9 9 1 0 0 0m l m i nk p a工作时4 0 0 d h ，h et h c 分析单元h 2 ，h e1 5 0 2 01 0 5m l m i n氢离子火焰( f u e l )3 9 5 4 0 3 k p a工作时9 0 1 0空气改善燃烧a i r - r1 3 0m l m i n同上k p a9 0 1 0n 20 2 分析单元n 2 9 9 9 9 1 2m l m i n载气k p a表3 4仪器标定和测试所需的标准气体成分应用浓度供气备注n 2零点标定n 2 9 9 9 9 9 0 1 0 k p aa i rt h c 零点标定a i r r9 0 1 0k p a0 20 2 满刻度标定9 0 1 0 k p an on o x 满刻度标定9 0 1 0 k p a标定c oc o 满刻度标定9 0 1 0 k p ac 0 2c 0 2 满刻度标定9 0 1 0k p ac 3 h 8t h c 满刻度标定9 0 1 0k p a3 3 2 2 分析仪器的校准( 1 ) 仪器装配应经校准，并用标准气体检查校准曲线，当排气取样时应使用相同的气体流量。( 2 ) 预热时间应按照分析仪器制造厂的建议，若没有规定，建议至少对分析预热2 h 。( 3 ) 若必要，应调准n d i r 分析仪。( 4 ) 校准。1 1 对通常使用的每个操作范围应进行校准。2 ) 应采用氮气( 9 9 9 9 ) 或纯净合成空气，将c o ，c 0 2 ，n o x ，o