（轮机工程专业论文）基于gtpower的船用柴油机氮氧化物排放特性研究.pdf

中文摘要 摘要 目前，环境污染问题正日益受到人们的关注，国际社会和相应组织都制定了 相应的排放法规，以减少各主要排放污染物对人类和自然环境造成的危害。船舶 作为一种可移动的污染源，其排放控制法规的制定已经被提到议事日程上来。 m a r p o l 公约附则v i 防止船舶大气污染规则己于2 0 0 5 年5 月生效，这意味着对 船舶柴油机氮氧化物f n o x ) 排放的要求将更加严格，随之出现了各种控制柴油机 n o x 排放的方法。本文以g t p o w e r 软件为工具，模拟柴油机的工作过程，对船 用柴油机n o x 排放特性进行了定性和定量的分析研究。 首先，本文介绍了船用柴油机排放有害物情况以及法规的实施对船用柴油机 及其使用的燃油的影响。 其次，本文分析了柴油机n o x 排放生成机理，然后分析了各种影响n o x 排放 的因素，介绍了降低n o x 排放的各种方法。 然后，介绍了g t p o w e r 软件建模的基本过程，本文以6 2 1 0 z l d - 5 型柴油机 为例，建立柴油机燃烧模型，模拟柴油机缸内燃烧情况，并与实测数据进行对比， 证明了g t - p o w e r 软件的实用性。用软件模拟的手段代替实验，分别计算了喷油 提前角变化、压缩比变化和采用喷水加湿措施时，对柴油机性能及n o x 排放特性 影响。 最后，根据模拟计算的结果，给出了环保模式下降低柴油机n o x 排放的应对 措施，给船用柴油机的运行管理提供建议。 关键词：排放特性；g t - p o w e r 软件；压缩比；喷油提前角；喷水加湿 英文摘要 s t u d y o n n i t r o g e no x i d ee m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i co fm a r i n ed i e s e l e n g i n eb ym e a n so fg t p o w e r a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ep r o b l e mo fe n v i r o n m e n tp o l l u t i o nd r a w sp e o p l e sa t t e n t i o n i n c r e a s i n g l y t h ei n t e m a t i o n a lc o m m u n i t i e sa n do r g a n i z a t i o n se s t a b l i s hr e l e v a n tl a w st o r e s t r i c tt h ee m i s s i o na n dr e d u c et h eh a r mt oh u m a na n de n t i r o n m e n t m a r i n ev e s s e li s o n eo f r e m o v a b l ec o n t a m i n a t e ds o u r c e s 。e s t a b l i s h m e n to f l a wa b o u ti t se m i s s i o nc o n t r o l i sm e n t i o n e do ns c h e d u l e t h ec o d eo f a l r p o l l u t i o np r e v e n t i o nw h i c h i st h ea n n e xv io f t h ei n t e m a t i o n a lc o n v e n t i o nf o rt h ep r e v e n t i o no fp o l l u t i o nf r o ms h i p st a k e se f f e c t f r o mm a y2 0 0 5 i tm e a n st h a tt h ed e m a n da b o u tn o x - e m i s s i o no fm a r i n ed i e s e le n g i n e b e c o m e sm o r er i g o r o u s ，t h e na l lk i n d so fm e t h o d so fc o n t r o l l i n gn o x - e m i s s i o no f m a r i n ed i e s e le n g i n ea p p e a r b ym e a n so fg t - p o w e l l s i m u l a t i n ga d i e s e le n g i n ew o r k p r o c e s s ，t h i sp a p e rm a i n l ya n a l y z e sq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l yt h en o x - e m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i co f m a r i n ed i e s e le n g i n e f i r s t , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es h i p se m i s s i o na n dt h ei n f l u e n c eo nt h ep r o p u l s i o n m a c h i n e r yo f m a r i n ed i e s e le n g i n eb yl i m i tl a w n e x t , t h i sp a p e ra n a l y z e sd i e s e le n g i n en o x e m i s s i o nt h e o r ya n dt h ef a c t o ro f n o x - e m i s s i o n , t h e ni n t r o d u c e sn o x e m i s s i o nc o n t r o lm e t h o d s t h e n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e p r o c e s su ie s t a b l i s h i n g d i e s e lm o d e l b y g t - p o w e r t a k i n gt h e6 2 1 0 z t j ) - 5e n g i n ea sa ne x a m p l e ，t h i sp a p e re s t a b l i s h sd i e s e l b u r n i n gm o d e lt os i m u l a t et h ec o m b u s t i o n c o m p a r i n gt h es i m u l a t e dr e s u l t sw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i tp r o v e st h eu t i l i t yo fg t - p o w e rs o f t w a r e u s i n gt h es o f t w a r e i n s t e a do fe x p e r i m e n t a t i o n , t h i sp a p e ra c c o t m t st h ee f f e c to fn o x - e m i s s i o na n dd i e s e l p e r f o r m a n c ew h e nt h ea n g l eo fs t a r ti n j e c t i o nc h a n g e s ，c o m p r e s s i o nr a t i oc h a n g e sa n d t h et e c h n o l o g yo f s p r a y i n gw a t e ra n da d d i n gw e ti sa d o p t e d f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs i m u l a t i v ec o m p u t a t i o n ，t h ep a p e rg i v e so u tt h e m e a s u r eo fr e d u c i n gn o x e m i s s i o ni ne n v i r o n m e n t a lp a t t e r n ，p r o v i d e st h ea d v i c ef o r t h eo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n to f m a r i n ed i e s e le n g i n e 英文摘要 k e yw o r d ：e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c ；g t - p o w e rs o f t w a r e ；c o m p r e s s i o nr a t i o ； a n g l eo f s t a r t i n j e c t i o n ；s p r a y w a t e r a d d s w e t 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：基壬g ! ：里q 塑壁b 的龃旦装渔扭氢氢丝塑挂丝挂世受窒：。 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 己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：搭伟节弓月溯 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进行检索，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 不保密出请在以上方框内打“”) ：彳魄焉 基丁g t - p o w e r 的船用柴油机氮氧化物排放特性研究 第1 章绪论 1 ，1 柴油机在船舶动力装置中的地位 目前9 9 以上的船舶采用柴油机作为主机l ”，在未来的2 0 年或更长的时间， 这种状况不会有明显的变化，这是由柴油机的以下特点决定的：( 1 ) 在所有船用热 机中，柴油机的热效率最高，已经达到了5 5 左右，因此，柴油机作为船舶主机， 燃料经济性最好；( 2 ) 柴油机作为船舶主机具有高的可靠性，经过百年的发展，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于研究和改善柴油机的可靠性，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 得到了较大的发展，与之配套的设备和系统也得到了不断的开发，技术和质量有 了很大的提高，形成了完善的现代柴油机船舶动力装置和船舶动力装置系统；( 4 ) 随着自动化和计算机技术的发展，它们也已经在船舶上得到了广泛的应用，并已 经形成了船舶自动化技术和计算机应用技术领域，特别是智能船舶柴油机动力装 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 ) 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 其动力装置管理经验，形成了从设备到管理人员在内的完整运行体系 2 1 1 2 船用柴油机排气组成及污染物的危害 1 2 1 船用柴油机排气组成 船用柴油机燃用的碳氢化合物燃料完全燃烧时，只产生c 0 2 和h 2 0 ，没有其 它有害产物。但由于可燃混合气在燃烧前和燃烧中的极短时间内不均匀程度较严 重，在高温富氧的环境下易生成氮氧化物，且在高温缺氧的环境下燃油易发生裂 解，脱氢，发生不完全燃烧生成一氧化碳和碳烟颗粒，在低温及混合气过稀的条 件下易生成未燃碳氢化物，燃油中含有的硫可使柴油机在燃烧过程中生成二氧化 硫及三氧化硫。下图是某船用低速柴油机排气成分组成图p j ： 第1 章绪论 0 2 n zc t ) 2h 2 u n t _ j xs j xu uh cp m 四掰np p m p p m p p mn l g n m 3 1 4 0 - 7 6 245 51 1 5 0 06 0 06 01 8 01 2 0 图1 1 低速柴油机排气组成i 璺i f i g 1 ie x h a u s ti n g r e d i e n to f l o w - s p e e dd i e s e le n g i n e 从图1 1 可以看出二氧化碳( c 0 2 ) 、水( h 2 0 ) 、氮气( n 2 ) 、氧气( 0 2 ) 占到排气体 积总量的9 9 8 ，但是就是剩余的o 2 的有害气体能对环境和人体造成巨大的危 害。 1 2 2 柴油机排放污染物及危害 ( 1 ) 氮氧化物( n o x ) 船用柴油机排气中所含的氮氧化物( n o x ) 是柴油机燃烧过程中产生的氮的各 种氧化物的总称，它包括n o 、n 0 2 ，n 2 0 、n 2 0 2 、n 2 0 3 和n 2 0 5 等。其中，n o 约 占9 0 9 5 ，n 0 2 约占4 5 ，其它可忽略不计。进入大气环境的n o 经过 缓慢的氧化过程可生成n 0 2 。n 0 2 与血红蛋白的亲和力是氧气的2 0 0 0 0 0 倍，n o 与人体血液中的红血球结合，在血液中被氧化生成血红肮，使人感到缺氧，造成 中枢神经障碍。n 0 2 对粘膜的刺激性很强，除了会招致气管和肺的功能障碍外， 还会促进血液中生成血红肮。其一般症状为失眠、咳嗽、呼吸紧促、粘膜腐蚀， 严重时唾液带血丝，几天后因肺水肿而死亡。此外。n o x 和h c 在阳光中紫外线 的作用下。条件适宜时会发生一系列光化学反应而生成光化学过氧化物等有害物 质，形成一种毒性较大的浅蓝色烟雾，引起人体血液循环紊乱，引起肺癌等。由 于n o x 无色无味，极易引起船员和其他人员中毒 4 1 。 ( 2 ) 硫氧化物( s o x ) s 0 2 是燃油中的硫分在柴油机气缸内燃烧的产物。s 0 2 具有刺激性。直接危害 人体的眼鼻和喉粘膜，引起呼吸器官炎症。s 0 2 进一步氧化的产物s 0 3 与水分作用 产生成硫酸并形成酸雨，对农作物等造成危害。 基于g t - p o w e r 的船用柴油机氮氧化物排放特性研究 ( 3 ) 一氧化碳( c 0 1 c o 主要产生在缸内稀氧区，原因主要有油滴过大、雾化不良、燃油与空气混 合不良等。c o 与血红蛋白的亲和力是氧气的2 0 0 倍，c o 与血红蛋白结合生成羟 基血红蛋白，使血红蛋白失去携带氧气的能力，导致人体组织缺氧。空气中c o 体 积浓度超过o 1 时，就会使人中毒；超过0 3 时，则可在3 0 分钟内使人致命。 ( 4 ) 碳氢化合物( h c ) h c 的产生主要原因是燃烧温度分布不均或温度局部过高。主要集中于油束边 缘、油嘴处、气缸壁、缝隙处、延迟喷射区等。其中烷烃无味，对人的口鼻粘膜 有刺激，有麻醉作用；烯烃略带甜味，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 ) 微粒 微粒包含烟灰、滑油燃烧产物、硫酸盐和粒子等。产生原因有冷车启动、低 负荷、低压缩比和燃油滴漏入气缸等。微粒中的主要成份是碳，当直径大于o 3 p 面 时，若被人吸入肺部，会在肺里滑动，并造成肺组织的伤害。 1 3 限制船用柴油机n o x 排放的法规 国际海事组织( i m o ) 1 9 9 7 年召开缔约国大会并形成大会决议，为限制和控制 船舶向大气排放有害物质，通过了修订( 7 3 7 8 防污染公约( m a r p o l 公约) 的 1 9 9 7 年议定书。该议定书新增了( 7 3 8 3 防污染公约附则v i “防止船舶造成空 气污染规则”。其中第章第1 3 条规定对船用柴油机n 0 k 排放量加以限制，具体 如图1 2 所示： 第1 章绪论 2 0 1 8 i b 2 毛 蓍1 2 1 0 8 6 1 r l 、 l 一 一 j o挪枷6 0 08 0 0 1 1 3 0 0 1 2 0 0 1 0 1 6 0 0 1 8 0 02 咖2 2 0 0 发动机额定转速n ( r p m ) 图1 2 船用柴油机最大允许的n o x 排放量 f i g 1 2n o x e m i s s i o nl i m i to f m a r i n ed i e s e le n g i n e 氮氧化物排放量的最高限制曲线共分三部分， ( i ) 1 7 0g k w h柴油机标定转速n 1 3 0r m i n ( i i ) 4 5 0 + i r 0 2 9 k w h 柴油机标定转速1 3 0 _ n 2 0 0 0 r m i n ( i i i ) 9 8g k w h 柴油机标定转速n ? _ 2 0 0 0 r r a i n 上述规则的适用范围： 每一台安装在2 0 0 0 年1 月1 日或以后建造的船舶上且输出功率大于1 3 0 k w 的柴油机；以及每一台在2 0 0 0 年1 月1 日或以后经过重大改装且输出功率大于 1 3 0 k w 的柴油机。 这里的“重大改装”系指下述三种情况之一： ( i ) 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； ( i i ) 柴油机的最大持续额定功率增加超过1 0 ； ( i i i ) 影响柴油机废气排放以至超出附则v i 规定的排放限值的任何实质性改 装。 该项决议已在2 0 0 5 年5 月1 9 日生效。 在使用从精炼石油中提取的碳氢化合物的混合燃料时，试验程序和测量方法 应符合n o x 技术规范的要求，并对本附则i i 中所列的试验循环和加权因数加以考 - 4 - 基于g t - p o w e r 的船用柴油机氮氧化物排放特性研究 虑。 但允许在下列情况下使用柴油机： ( i ) 在发动机上使用由主管机关根据n 0 x 的技术规则规定认可的废气滤清系 统，将船上的n o x 排放量至少降至本款规定的极限值； ( i i ) 或采用由主管机关考虑到本组织制定的有关规则而认可的任何其他等效 的方法，将船上的n o x 至少降至本款规定的极限值5 1 。 1 4 法规的实施对船用柴油机动力装置的影响 1 4 1 对船用柴油机燃油的影响 船用柴油机废气中氧化硫( s o x ) 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被氧化为氧化硫( s o x ) 。为了控制氧化硫 ( s o x ) 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 x ) 控制区，在氧化硫( s o x ) 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 x ) 含量不得大于 0 6 9 k w h ( 折合成二氧化硫( s 0 2 ) 计) 6 1 。m a r p o l 公约附则对燃料含硫量 的规定对目前主要以低质燃料油为主要燃料的船用柴油机来说将产生重大的影 响。低质燃料油的使用是船用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，同时可以合理的使用石油资源。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 o x ) 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1 7 1 。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 对船用柴油机发展的影晌 第1 章绪论 影响氮氧化物( n o x ) 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、工作过程参数、运行工况、各辅助设备和系统的工作质量都有关系。降 低氮氧化物( n o x ) 排放的方法主要是控制燃烧技术和排气后处理方法。控制燃烧的 方法的关键是有效的控制燃烧过程，目前的主要途径是丌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，当排放标准更加 严格时，这些方法难以满足要求。采用排气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装置。 基于g t - p o w e r 的船用柴油机氮氧化物排放特性研究 第2 章船用柴油机n o x 生成机理及其影响因素 2 1 柴油机n o x 生成机理 柴油机排气中的n o x 是指各种氮氧化合物的总称，主要包括n o 、n 0 2 、n 2 0 3 、 n 2 0 、n 2 0 s 及n 0 3 等成份。另一部分与燃料中可能存在的氮有关，生成的n o x 称 为燃料氮氧化合物。在氮氧化合物中，其中n o 占氮氧化合物的9 0 至9 5 ，因 此弄清了n o 在不同条件下的生成量也就基本上确定了柴油机n o x 的排放总量。 在柴油机的各种排放物中，n o 是目前唯一一种能精确地加以预测的污染物。因此， 本文主要计算n o 的相关指标。n o 的生成途径主要有三种嗍： ( 1 ) 高温途径，即在已燃区产生的n o 称热n o ( t h e r m a ln o ) 或z e l d o v i c h - n o ； ( 2 ) 瞬发途径，即在火焰区产生的n o 称瞬发n o ( p r o m p t n o ) 或f e n i m o r e - n o ( 3 ) 燃料氮途径。 2 1 1 船用柴油机热n o ( t h e r m a ln o ) 计算 船用柴油机n o 的生成途径主要是高温途径，在内燃机典型的燃烧温度和接 近理论化学当量燃空比的条件下，n o 的生成服从扩充了的z e l d o v i c h 生成机理。 z e l d o v i c h 首先提出以下两个反应 9 1 ： 芒生 n 2 + o 竹 n + n o ( 2 1 ) 时 ；耄立 n + 0 2 巧 n o + o ( 2 2 ) 以后l a v o i e 又增加下面一个反应 釜 n + o h 巧 n o + h ( 2 3 ) 由( 2 1 ) 正向反应可以看出，要打开氮分子的三价键，必须有较高的活化能， 反应要进行的足够快，必须有高温。由于反应速率较小，因此辞反应是整个n o 生成反应的限速反应。 第2 章船州柴油机n o x 生成机理及其影响因素 其中n o 生成机理方程式中的反应速率常数为： t 1 + _ 1 8 10 1 4e x p ( 一等卫) l - = 3 8 10 1 3e x p ( 一竿) 七主= 1 8 10 10 t c x p ( 一萼盟) 七彳= 3 8 10 9 t e x p ( 一芈) k ，= 7 1x10 l t 二- = i 7x 10 i 3e x p ( 一半) 4e x p ( 一华 反应速率的单位为c m 3 m 0 1 s 。 同样还可以列出另一组反应速率常数 表2 1n o 生成机理方稃式中的反麻速率常数 t a b 2 1r e a c t i o nv e l o c i t yc o n s t a n to f n op r o d u c te q u a t i o n 3 基于g t - p o w e r 的船用柴油机氮氧化物排放特性研究 2 1 2 船用柴油机瞬发n o 计算 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 o 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n 2 与碳氢原子团c h 、c 2 、c 等反应生成氰化物，这些氰化物与火焰中大量 的o 、o h 等进一步反应而生成的n o ，称之为瞬发n o 。它不受z e l d o v i c h 机理 支配，而是通过c h 根生成f i o l 。反应机理如下： n 0 c h + n 2 - - hh c n + n n 2 其简化后的反应机理如下： c l + n 2 - h c n + n c h 2 + n h 2 一h o i 仆m h c n + o h - - * c n + h 2 0 c n + o h n c o + h n c 0 州d 2 _ c 0 2 + n o 其中第一个反应式是限速反应式，但是它的反应速率k 很难算出，所以瞬发 n o 很难算准，在浓混合气火焰中c h 根较多，有利于瞬发n o 的生成。 2 1 3 燃料n o ( f u e l n o ) 的生成 燃料n o 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 、1 4 、0 6 5 、1 2 。 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 第2 章船用柴油机n o x 生成机理及其影响冈素 对分子质量的含氮化合物n h 3 、h c n 、c n 等。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 在燃烧区中的含量会超过其 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，如煤的硫 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 o 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子团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【1 1 l ： n h + o = n + o h n h + o = o n + h h c n + o = n c o + h c n + 0 2 = n c o + o n c o + 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。在富燃料混合与中燃料分解出的低分子氮化物由于缺氧，将还原成n 2 ，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。 2 2 船用柴油机氦氧化物排放的影响因素 柴油机排气中的n o x 是氮气在高温下燃烧的产物，称之为热氮氧化合物。其 中主要是n o ，占9 0 9 5 。n o 的生成机理服从扩充的z e l d o v i c h 机理可以看出， 影响n o 生成的主要因素有三个：( 1 ) 温度；( 2 ) 氧气浓度；( 3 ) 高温持续时间【1 2 】【1 3 】。 缸内混合气体燃烧时，在火焰前锋后面的高温己燃气体中，氮和氧原子或分子之 间发生化学反应生成n o x ，但它们达不到化学平衡，化学反应朝正反应方向发展， 基丁g t - p o w e r 的船用柴油机氮氧化物排放特性研究 即向生成n o x 的方向进行。燃气的温度越高，持续时间越长，氧浓度越高，生成 的n o x 越多。进人膨胀行程后，燃气温度迅速下降，到某一温度时n o x 在化学反 应上“冻结”，使n o x 排出机外的浓度远远高于化学反应的平衡值。上述三个因素 又与柴油机的结构参数、性能参数、喷射系统参数、进排气系统参数、柴油机工 况、燃油质量以及各种辅助设备和系统的工作质量等相判1 4 】。即n o x 的生成不仅 和柴油机的设计、结构形式有关，还和它们的用途、工作环境以及对其实施的维 护和技术管理有很大的关系。图2 1 是影响船用柴油机n o x 排放的因素列表l ”j ： 进气系统的影响因素 柴油机工况的影响 燃油喷射系统的影响 燃油品质的影响 柴油机结构参数的影响 进气压力 进气温度 进气湿度 过量空气系数 喷油正时 喷油压力 喷油规律 喷孔宣径和数目 柴油机类型 增压程度 压缩比 气缸直径 燃烧室形式结构 图2 1 柴油机n o x 排放的影响冈素列表 f i g 2 ii n f l u e n c i n gf a c t o ro f n o x e m i s s i o no f d i e s e le n g i n e 柴油机x捧放的影响因素 第2 章船川柴油机n o x 生成机理及其影响冈素 2 2 1 进气系统的影晌 2 2 1 1 进气压力 当代船用柴油机绝大多数都采用废气涡轮增压器，且朝高增压方向发展。高 的增压度会使进气压力提高，在有中冷器的条件下，将使进入气缸的空气量增加， 增大喷油量，可同时提高柴油机的经济性和功率，从而实现提高柴油机平均有效 压力的目标【m l 。现代船用低速柴油机增压比在3 0 左右。非增压柴油机进气终了时， 气缸内的压力一般低于大气压力，如非增压四冲程柴油机进气终了时的缸内压力 为o 8 5 o 9 5 大气压，过量空气系数一般为1 2 1 7 ，二冲程机更低，过量空气系 数一般为o 8 1 5 。而对于增压柴油机来说，根据增压压力的不同，进气终了时缸 内压力最高可超过三个大气压力，四冲程柴油机的过量空气系数一般为1 5 1 9 ， 二冲程柴油机的过量空气系数一般为2 o 2 5 。 根据上面的分析可知，增压柴油机n o x 的排放量比非增压柴油机n o x 的排放 量多。柴油机进气压力的增大，一方面提高气缸内温度，有利于n o x 的生成；另 一方面，空燃比将趋向增大，从而气缸中富余的氧增加，促进n o x 的生成【1 7 1 。因 此，进气压力的增大有利于n o x 的生成。 2 2 1 2 进气温度 柴油机的进气温度主要与两个因素有关，即环境温度和增压空气中间冷却器 的冷却度。降低进气温度意味着压缩终了时的温度的降低，从而抑制了燃烧温度一 的升高，有利于抑制n o x 的生成率。因此采用高换热性能中冷器，增大冷却度， 对减少n o x 的排放有益。 2 2 1 3 进气湿度 当进气湿度增大时，即空气中含有的水分增加，水分因吸收进气流和气缸壁 面的热量而蒸发，使缸内气体温度降低，压缩终点的温度也随之降低，从而能抑 制燃烧温度并在一定程度上减少n o x 的排放率。下一章中的喷水加湿等方法就是 利用水蒸发吸热的原理来降低缸内温度，达到降低n o x 排放率的效果。 2 2 1 4 过量空气系数 船用柴油机，由于其燃油在气缸内的燃烧主要是非均相扩散燃烧，为了保证 基丁g t - p o w e r 的船用柴油机氮氧化物排放特性研究 完全燃烧和降低气缸热负荷的目的，通常其过量空气系数很大，一般在1 1 2 3 之间，从而空燃比较大，燃烧室内富余的氧量大，有促进n o x 生成的趋势，但这 又与柴油机的负荷有关，在较小负荷下，空燃比增大，混合气有较充足的氧，但 燃烧室的温度较低，从而n o x 的生成率小，排放率也小；在高负荷下，空燃比增 大，混合气有较充足的氧，而且燃烧室的温度升高，从而n o x 的生成率变大川。 2 2 2 柴油机工况的影响 2 2 2 1 发电机工况 柴油机运行在发电机工况时，柴油机的转速不变，负荷在变化，柴油机表现 出的是负荷特性，随着负荷的增大，柴油机的循环供油量也增大，从而将使柴油 机气缸内燃烧火焰温度和气缸内平均温度增高，而循环供油量的增大通常都是通 过延长喷射持续时间来完成的，从而燃烧的持续时间也随之延长，高温的持续时 间延长，所以，随着柴油机负荷的增大，n o x 的生成率和排放率将增大。研究表 明：n o x 随负荷的增大而增大的规律是，在低负荷区，随着负荷的增大，n o x 生 成率明显增大；而在高负荷区，随着负荷的增大，n o x 生成率的增加平缓且不明 显。这是因为，在低负荷时，循环的供油量较少，缸内的过量空气系数较大，所 以燃烧的氧浓度较大，n o x 生成三要素同时存在，所以促进了n o x 的加速生成， 而在高负荷时，尽管温度和高温持续时间延长，但氧浓度下降，富氧向缺氧方向 过渡，从而抑制了n o x 的生成率。 2 2 2 2 推进工况 在推进系统中，船、机、浆组成一个整体，柴油机与螺旋桨保持能量平衡。 主机功率与转速的关系为1 6 1 ： p = c n 3 p ：螺旋桨吸收功率，即主机功率 n ：主机转速 l ：系数 主机功率与转速成3 次方关系，在船舶处于机动航行状态下，随着主机转速 第2 章船用柴油机n o x 生成机理及其影响冈素 降低，功率将急剧降低，前面已经讨论过的n o x 排放量随转速的降低而升高，但 是主机的转速降低意味着主机负荷降低，负荷降低导致n o x 排放量降低，但轴系 的扭矩与转速的关系是平方关系，因此扭矩随转速降低的幅度较小，综合考虑， 随着柴油机转速和负荷的变化，n o x 生成率有可能增大也有可能减小。 2 2 3 燃油喷射参数的影响 2 2 3 1 喷油提前角 供油提前角是指在压缩行程中，喷油泵开始供油的瞬时到活塞上止点的曲柄 转角；喷油提前角是指在压缩行程中，喷油器开始喷油的瞬时到活塞上止点的曲 柄转角【嘲。在实际使用中，在要求不严格的场合下，可把二者统称为喷油提前角。 一般船用柴油机在制造时，通过试验按最小油耗率和最大持续功率来确定其一个 最佳喷油正时。喷油正时的早晚是相对活塞上止点而言的，其影响柴油机在滞燃 期内喷入气缸的燃油量的多少，从而影响燃烧的最高压力和温度。若喷油提前角 较大，即喷油过早，则柴油机在滞燃期内喷入气缸的预混合油量增大，一旦发火 燃烧，将使气缸内的压力与温度急剧上升，从而使气缸燃烧的峰值温度增高，有 力地促进n o x 的生成率和排放率；若喷油提前角较小，如接近于上止点或在上止 点之后，则尽管压缩行程终了的压力与温度上升，为滞燃期内喷入的燃油创造了 易于发火的条件，但因活塞随后越过上止点而下行，从而气缸的容积将增大，即 使预混合燃烧多，燃烧发生后的压力和温度急剧上升，但其最高压力茅盯温度都将 降低，从而抑制和减少n o x 的生成率和排放率。 2 2 3 2 喷油压力 当代船用柴油机朝高压喷射方向发展，其有利于提高船用燃油的雾化质量， 从而使得柴油机的燃烧趋向完全燃烧，提高了柴油机的经济性，同时减少了p m 等 微粒排放物。但提高喷油压力，将使喷孔处的压力差和喷注初速度增大，使喷油 持续期缩短，喷雾质量改善，进而燃烧速度加快，最高燃烧温度和压力也增大， 因而促进n o x 的生成和排放率的增加。直喷柴油机的燃油是依靠喷雾本身所拥有 的动量，在高速流动过程中，油束分裂成微小的油滴并卷入新鲜的空气以形成良 好的可燃混合气。大量的试验研究证明，喷射压力的提高，对降低柴油机的排气 基于o t - p o w e r 的船用柴油机氮氧化物排放特性研究 烟度有明显的效果，但对柴油机n o 。的排放的影响比较复杂。 m a n b & w 的m e 型电子控制柴油机，其燃油喷射压力也达到8 0 0 b a r t 2 0 。喷 油压力提高，雾束的雾化效果变好，可以形成良好的混合可燃气体，可大大降低 柴油机的排气烟度。喷油压力的提高对柴油机n o x 生成的复杂影响表现在以下两 个方面：一方面，喷油压力的提高将提高雾束的贯穿度，从而导致雾束卷入的空 气量提高，由此相应的增加了n o x 的生成量，喷油压力提高，导致初燃期燃烧掉 更多的燃油，燃烧室的最高温度和压力都将升高，同期生成的n o x 也更多；另一 方面，喷油压力提高，雾束的雾化效果变好，燃烧速度快，喷油压力的提高可以 实现喷油正时滞后，综合的效果是n o x 乖l l e 放量降低，现代智能柴油机就是通过提 高喷油压力来实现降低n o x 排放量的。 2 2 3 3 喷油规律 喷油泵单位凸轮轴转角的供油量随凸轮轴转角的变化规律称供油规律；同理， 喷油器单位凸轮轴转角的喷油量随凸轮轴转角的变化规律称喷油规律。为保持直 喷柴油机的较高的热效率，同时克服其最高的燃烧温度高、n o x 排放量大的缺点， 直喷柴油机的喷油规律应具有以下两方面的特点： ( 1 ) 在滞燃期中，在最高爆发压力符合要求的前提下，喷入气缸的燃油量尽 可能少，以免过多的燃油同时燃烧而引起过高的最高燃烧温度。 ( 2 ) 在燃烧前期，喷入气缸的燃油量要适当，以控制n o x 的生成及燃烧噪声。 喷油率 第2 章船用柴油机n o x 生成机理及其影响冈素 在图2 2 中可以看出，凸轮1 的曲线较陡，喷油率比较大，凸轮2 的形线较缓， 喷油率较小。提高喷油速率，可缩短喷油持续期，改善燃油雾化和油气混合质量， 缩短燃油燃烧持续期和改善除n o x 以外的有害排放。但将使初期喷油量与后期喷 油量之比增大，因而参加预混合燃烧的燃油量增多，从而使总的燃烧持续期更接 近上止点，燃烧的最高温度和压力升高，因此n o x 易于生成且排放率将增加。 2 2 3 4 喷孔数目和直径 从某种意义上讲喷油器喷孑l 直径决定了喷油压力，而喷孔的长度和形状则决 定了燃油喷入气缸后的喷注形状。当代柴油机实现高压喷射的有效手段是在提高 喷油泵的供油压力的同时精心选用小喷孔、多孔数的喷嘴。喷孔直径的减小，有 利于进一步改善雾化质量，提高喷注的均匀度和细度，保证燃油更充分地燃烧， 从而提高经济性和减少p m 的排放，但意味着燃烧强度的加剧，使最高温度和压 力均升高，n o x 增加。此外，喷孔数目的多少影响参与预混合燃烧的油量，喷孔 数目减少时，将有利于减少初期喷油量，从而抑制燃烧的最高温度和压力，但减 少喷孔数目，势必造成喷射持续期的延长，从而加剧后燃，损失经济性。 2 2 4 燃油品质的影响 燃油品质对柴油机的燃烧过程有很大影响。由于柴油机n o x 主要的生成要素 之一是燃烧火焰温度，尤其是预混合燃烧的强度及其所形成的最高温度，而预混 合燃烧强度取决于滞燃期的长短，因此影响燃油发火性能的指标，对n o x 的生成 和排放率有影响。船舶为了降低营运成本，减少燃油费用，船用柴油机使用重油 作为燃料，重油具有密度大、粘度高，成分复杂、发火性能差等特点，船用重油 的十六烷值较低，一般在4 0 以下，特别是大型低速柴油主机所使用的劣质燃油， 其十六烷值一般在2 5 左右，因此在船用柴油机的工作过程中，其燃油在气缸中燃 烧前的滞燃期较长，从而在滞燃期中喷入气缸的燃油量较多，致使预混合燃烧期 长，燃油着火后气缸中气体的压力与温度急剧上升，促使柴油机n o x 的生成。因 而，提高船用燃油的十六烷值，即降低燃油的自然温度，可以缩短滞燃期，有利 于控制预混合燃烧，从而降低船用柴油机n o 。的生成率和排放率。 2 2 5 柴油机结构参数的影晌 基t - g t - p o w e r 的船用柴油机氮氧化物排放特性研究 2 2 5 1 气缸直径 现代船舶柴油机向大功率方向发展，柴油机气缸直径也随之增大，而气缸相 对散热面积( f ) 减小，气缸散热效率降低，从而使气缸内的平均温度增大。而当 代船用大缸径柴油机都采用的高增压，使得气缸内的热负荷增大。为降低热负荷 往往增大过量空气系数；同时大缸径柴油机都是低速机，从而燃油在气缸内的燃 烧时间延长。另外，大缸径柴油机往往采用重质或劣质燃油，因此促进n o x 生成 的三要素同时存在，使得大缸径柴油机的n o x 生成和排放率比小缸径柴油机大得 多。 2 2 5 2 增压程度 柴油机实现增压技术是柴油机发展史上一次质的飞跃，有了增压技术，柴油 机的功率得以大幅度的提高。增压柴油机的平均有效压力比非增压柴油机高，相 对的其最高爆发压力和最高燃烧温度也比非增压柴油机要高，所以n o x 排放量也 高。增压柴油机的过量空气系数也比非增压柴油机的大，增压柴油机的过量空气 系数一般为1 8 3 0 ，而非增压柴油机的过量空气系数一般不超过1 2 2 2 ，所以， 气缸内存在的过量氧气也比非增压的柴油机多，这样也有利于n o x 的生成。 2 2 5 3 压缩比 高压缩比在船用柴油机中也被广泛采用，船用柴油机压缩比的范围在1 2 1 8 之间，高的压缩比使柴油机气缸内的油气混合充分及燃气有较大的膨胀能力，从 而改善柴油机的经济性和动力性。但是增大压缩比将使压缩终点的压力和温度升 高，燃烧的最高压力和温度将随之升高，促进n o x 的生成。而减小船用柴油机的 压缩比，可使柴油机的燃烧平