（轮机工程专业论文）船用柴油机排放测试与计算分析研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 为了防止、控制和减少船舶造成大气污染，国际海事组织( i m o ) 近年来 加紧了有关法规的制定，并于2 0 0 8 年1 0 月通过了m a r p o l 公约附则的修 正案m e p c 5 8n o x 排放技术规则。本文基于新的船用柴油机排放技术规则的制 定，对新旧版排放测试方法和排放计算方法进行对比研究。 针对i m o 新版船用柴油机氮氧化物( n o x ) 排放控制技术规则，本文着重 介绍新旧版n o x 技术规则在排放测试和计算方法方面的不同点，并通过船用柴 油机的台架排放试验，对比分析了新旧版计算方法排放计算结果。同时对柴油 机不同排放测试循环的计算结果也进行了对比分析，以探讨不同用途柴油机排 放测试循环及排放限制水平的区别，并通过分析排放分担率找出控制柴油机排 放的重点工况。 研究结果表明：新版排放测试方法与旧版相比，在柴油机排放测试及认证 方面有少许变化，在排放计算方法方面排气质量流量、干湿修正系数及n o x 温湿修正系数都做了相应改进；船用柴油机在不同测试循环下的比排放值相差 不大。降低柴油机排放水平应重点控制排放分担率所占比重较大的工况点，十 三工况重点控制第6 、8 工况点，e 3 循环是第2 工况点，d 2 循环是2 、3 工况 点。 本文结合新版n o x 排放计算方法，分析了废气c 0 2 浓度，燃油成分和流 量、环境条件等参数偏差对排放计算结果的影响。以m a r p o l 公约附则修 正案为基础，介绍了几种船用柴油机实船排放检验方法，着重阐述了船用主 辅机的实船测试方法，并探讨了新版n o x 技术规则提出的实船简化测试循 环选项a g 的合理性。同时针对某轮辅机进行了实船排放测试试验，并对 新旧版计算方法得到的排放计算结果进行对比分析。 总之，本课题开展了船用柴油机排放测试与计算分析方面的研究，取得 的相关研究成果对我国船用柴油机排放测试技术的发展具有一定的指导意 义。 关键词：船用柴油机；氮氧化物；实船测试；排放计算方法；测试循环 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o ri m on e wt e c h n i c a lc o d eo nc o n t r o lo fe m i s s i o no fn i t r o g e no x i d e sf r o m m a r i n ed i e s e le n g i n e s ，t h et h e s i si n t r o d u c e dt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h eo l da n dn e w e d i t i o no fn o xt e c h n i c a lc o d ea b o u te m i s s i o nm e a s u r e m e n ta n dc a c u l a t i o n m e t h o d si nd e t a i l t h e nt h ee m i s s i o nr e s u l t so b t a i n e da c c o r d i n gt ot h eo l da n dn e w e d i t i o no fc a l c u l a t i o nm e t h o d sw e r ec o m p a r i s e da n da n a l y s e dt h r o u g ht h eb e n c h t e s t so fm a r i n ed i e s e le n g i n e a tt h es a m et i m et h ec o n t r a s t i v ea n a l y s i so ft h e e m i s s i o nr e s u l t so fd i f f e r e n tm e a s u r e m e n t c y c l ew a sc a r r i e do u t ， a i m i n g a t d i s c u s s i n gt h ed i f f e r e n c e so fd i f f e r e n tl e v e lo fe m i s s i o nr e s t r i c t i o n sa n de m i s s i o n m e a s u r e m e n tc y c l e ，a n df o u n dt h ek e ym o d e so fc o n t r o l l i n gt h ee m i s s i o no fm a r i n e d i e s e le n g i n et h r o u g ha n a l y z i n ge m i s s i o ni n g r e d i e n tw e i g h t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc o m p a r i n gw i t ht h en e wa n do l de d i t i o no fc a l c u l a t i o n m e t h o l d s ，t h e r ew e r es o m ei m p r o v e m e n t so nt h ee m i s s i o nm e a s u r e m e n ta n d c e r t i f i c a t i o n i nt h ea s p e c t so fe m i s s i o nc a l c u l a t i o n ，t h ee x h a u s tg a sm a s sf l o wa n d t h en o xh u m i d i t yc o r r e c t i o nf a c t o ra n dd r yt ow e tc o r r e c t i o nf a c t o rh a db e e n i m p r o v e d t h ee m i s s i o nr e s u l t sw h i c hw e r ec a l c u l a t e db yd i f f e r e n tm e a s u r e m e n t c y c l eo fm a r i n ed i e s e lh a dl i r l ed i f f e r e n c e a c c o r d i n gt ot h ee m i s s i o ni n g r e d i e n t w e i g h ta n a l y s i so fd i e s e le n g i n e ，t h ew a yo fr e d u c i n gt h ee m i s s i o nl e v e lo fd i e s e l e n g i n ew a st oc o n t r o lt h em o d ep o i n t sw h o s ee m i s s i o ni n g r e d i e n tw e i g h ta l el a r g e r t h a no t h e r s t h es i x t ha n de i g h t hm o d ep o i n ts h o u l dc o n t r o l l e df o rt h i r t e e nt e s t c y c l e ，a st h es e c o n dm o d ep o i n tf o re 3t e s tc y c l ea n dt h es e c o n da n dt h i r dm o d e p o i n tf o rd 2t e s tc y c l e i nt h i sp a p e r , c o m b i n i n gw i t hn e we d i t i o no fn o xe m i s s i o nc a l c u l a t i o nm e t h o d ， t h ei n f l u e n c eo ft h em e a s u r e m e n td e v i a t i o n so fc 0 2d r y c o n c e n t r a t i o n ，f u e l c o m p o s i t i o na n dm a s sf l o wa n da i rc o n d i t i o no ne m i s s i o nr e s u l t sw a sa n a l y s e d b a s e do nt h ea m e n d m e n to fm a r p o lc o n v e n t i o na n n e xv i ，t h i st h e s i si n t r o d u c e d s e v e r a lm e t h o d so fm a r i n ed i e s e le n g i n er e a ls h i pe m i s s i o nt e s t ，a n de m p h a t i c a l l y e x p o u n d e dr e a ls h i pm e a s u r e m e n ts c h e m eo fm a i ne n g i n ea n dg e n e r a t o re n g i n e 玎 武汉理工大学硕士学位论文 t h e nd i s c u s s e dt h er a t i o n a l i t yo fr e a ls h i ps i m p l i f i e dt e s tc y c l eo p t i o na - gw h i c h w e r ep u tf o r w a r di nn e we d i t o no fn o xt e c h n i c a lc o d e m e a n w h i l e ，t h ee x p e r i m e n t o fr e a ls h i pe m i s s i o nm e a s u r e m e n tw a sc a r r i e df o rt h eg e o fo c e a ns h i p a n dt h e e m i s s i o nr e s u l t sg o ta c c o r d i n gt ot h eo l da n dn e wc a l c u l a t i o nm e t h o l d sw e t e c o m p a r i s e da n da n a l y s e d i nc o n c l u s i o n ，t h et h e s i sf o c u s e do nt h es t u d yo ft h ee m i s s i o no fm a r i n ed i e s e l e n g i n e t h er e l e v a n tr e s e r c hr e s u l t so b t a i n e dh a ds o m ed e g r e eo fg u i d i n gs i g n i f i c a n c e f o r t h ed e v e l o p m e n to fe m i s s i o nt e s t i n gt e c h n i q u eo fm a r i n ed i e s e le n g i n e k e y w o r d s ：m a r i n ed i e s e le n g i n e ；n o x ；t e s to n b o a r d ；e m i s s i o nc a l c u l a t i o nm e t h o d ； t e s tc y c l e 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学和其它教育机构的学位和证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了感谢。 龋盗墅嗍掣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留交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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签孙蒋孚新( 签孙殊日期叼石汐 武汉理上人学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 船用柴油机排放标准及发展趋势 1 1 1m a r p o l 公约附则及其修正 2 0 世纪7 0 年代以来，由于环境污染的日益严重和人们对环境状况的日益 关注，内燃机有害排放物对大气造成的危害受到了人们的高度重视。世界各国 及地区相继以法规的形式对内燃机排放物予以强制性限制。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，船用柴油机造成的排放污染也不断加 剧。同时由于船舶柴油机在海上营运时具有流动性强、扩散性大、持续时间长 的特点，船舶柴油机废气排放对生态环境造成的严重危害己经受到了国际海事 组织、国际海事环保委员会、世界卫生组织及其他机构和各国政府的高度重视， 并己制定了严格的排放措施来限制船舶柴油机的废气排放。 为了防止、减少和控制船舶造成大气污染，国际海事组织近年来加紧了有 关法规的制定，国际海事组织( i m o ) 从1 9 8 8 年开始审议防止船舶排放物污染 大气的有关事项，于1 9 9 7 年9 月1 5 至2 6 日在i m o 总部伦敦召开的 m a r p o l 7 3 7 8 缔约国大会上，批准了修订m a r p o l 7 3 7 8 的1 9 9 7 年议定书。 该议定书新增了m a r p o l 7 3 7 8 公约附则防止船舶造成空气污染规 则，制定了船舶柴油机排放控制标准。附则中包括大会决议2 船舶柴油 机氮氧化物排放控制( 简称n o x 技术规则) ，决定“n o x 技术规则”的规定应 作为强制性要求【4 】。 2 0 0 4 年5 月1 8 同，萨摩亚群岛成为m a r p o l 7 3 7 8 公约的第1 5 个缔约国， 且各缔约国的商船总吨位占全世界的5 4 5 7 ，从而超过5 0 。按照 m a r p o l 7 3 7 8 公约第五条的规定，自2 0 0 4 年5 月1 8 日起1 2 个月后，即2 0 0 5 年5 月1 9 日起i m o 的m a r p o l 7 3 7 8 公约附则防止船舶造成空气污染规 则正式开始实施。 该规则适用范围：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 同或以后经过重大改 装且输出功率超过1 3 0 k w 的柴油机。这里的“重大改装”是指下述三种情况之 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 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； 2 ) 柴油机的最大持续功率增加超过1 0 ； 3 ) 影响柴油机废气排放以至超出附则的排放限值的任何改装柴油机【3 1 。 该规则对船用柴油机排放的限制主要有两点： 1 ) n o x 限值 规定了船用柴油机n o x 排放的最高限值【5 】，如图1 1 所示。具体标准如下： 1 ) 1 7g l ( 、胁，n 1 3 0 r p m ： 2 ) 45 0 宰n 卜0 2 g l ( m ，1 3 0 n 2 0 0 0 r p m lil - 一 _ n qx 佃，k “二：上是 r 胛1 w 。w f 1 ，v jo r t 、v v o h h ”n i 、 l 、 t h e “m 0c u- v e ” 、 、_ - ? q1 0 0 01500盈oo r 越酣m g i n , s p d ( r p m ) 图1 1n o x 排放限值曲线 2 ) s 0 2 限值 针对s o x 排放，附则对船用燃料硫含量做了上限规定：即全球范围内船 用燃料的硫含量不大于4 5 ( m m ) ，并且在议定书生效以后，将监控世界范 围内燃油的平均硫含量。同时设立了s o x 排放控制区域( s e c a ) ，在s o x 排 放控制区内，所用燃料的含硫量不得大于1 5 ( m m ) 。船舶可使用经主管机 关按i m o 规则认可的废气净化系统或其它技术将船舶的废气中的s o x ( 以二氧 化硫计) 排放量减少到6 9 ( k w h ) 以内。至今，s e c a 区域包括波罗的海，北 海和英吉利海峡。 为了进一步控制和减少船舶柴油机有害污染物的排放，国际海事组织i m o 于2 0 0 7 年4 月在伦敦召丌了b l g 第1 1 次会议，随后于2 0 0 8 年2 月4 8 同召 开b l g 第1 2 次会议。会议上对m a r p o l 公约关于减少船舶对大气污染规则 的修正草案进行审谢6 1 。2 0 0 8 年3 月3 1 日在伦敦召开的国际海事组织海上环 境保护委员会m e p c 第5 7 次会议于4 月4 同闭幕，会议正式通过了 2 盼 协 悸 ” 住 傍 8 一5芒6j譬-c讳一呈膏coi一琶-xoz 武汉理t 大学硕士学位论文 m a r p o l 7 3 7 8 公约附则的修正案。2 0 0 8 年1 0 月6 日l or ，m e p c 第5 8 次会议在英国伦敦i m o 总部召开。此次会议由塞浦路斯的a c h r y s o t o m o u 先生 担任主席，会议成立了m a r p o l 公约附则和n o x 技术规则起草组，主要在 以下几个重要议题上取得重大进展【7 - 9 ： ( 1 ) 发动机新n o x 排放规则】 图1 2 发动机排放新标准 m e p c 通过了新发动机( 根据设备安装时间) 的更为严格的氮氧化物排放标 准( 如图1 2 ) 修正案： t i e ri 标准要求2 0 0 0 年1 月l 同之后至2 0 11 年1 月1 日前安装的发动机， 保证现有附则中的排放标准。 t i e r l i 标准要求2 0 11 年1 月1 日以后安装的发动机，根据发动机额定转速 n ，其n o x 排放标准在t i e ri 标准上降低1 5 5 籼1 8 ，具体标准如下： 1 ) 1 4 4g k w h ，n 1 3 0 r p m ； 2 ) 44 幸1 1 。0 2 ”g k w h ，13 0 n 2 0 0 0 r p m t i e r i i i 标准针对2 0 1 6 年1 月1 日以后安装的发动机，当船舶运行在指定的 排放控制区域( e c a s ) 时，执行如下标准，在控制区域外运行时则执行t i e r i i 标准。 1 ) 3 4g k w h ，n 1 3 0 r p m ； 2 ) 9 1 1 - 0 2 ) g k w h ，13 0 n 2 0 0 0 r p m 。 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 2 ) 船舶s o x 和p m 排放规定 为进一步减少船舶s o x 和p m 排放问题，在充分考虑环境、人体健康和经 济因素后，在m e p c 5 7 会议上通过了关于减少船舶s o x 和p m 排放的修正案， 即全球范围内船舶使用的燃油硫含量标准，如图l 一3 所示。 1 ) 2 0 1 2 年1 月1 日之前执行4 5 上限标准； 2 ) 2 0 1 2 年1 月1 日之后，执行3 5 上限标准； 3 ) 2 0 2 0 年1 月1 日之后，执行0 5 上限标准。 当船舶在s o x 排放控制区域内( s e c a s ) 运行时，其所使用的燃油的硫含量 不能超过以下限值： 1 ) 2 0 1 0 年3 月1 日前执行1 5 上限标准； 2 ) 2 0 1 0 年3 月1 日后执行1 o 上限标准； 3 ) 2 0 1 5 年1 月1 日后执行0 1 上限标准。 g i o b a ii l 。一s o xe c a l i i 2 0 2 0 0 5 2 0 1 02 0 1 52 0 2 02 0 2 5 y e a r 图1 3 燃油硫含量标准 ( 3 ) n o x 技术规则 m e p c 5 7 会议批准了氮氧化物技术规则修订案，并在2 0 0 8 年1 0 月举行的 m e p c 5 8 会议上通过了修订的氮氧化物技术规则。新的技术规则包括新的第7 章，对2 0 0 0 年前发动机氮氧化物排放进行了规定。同时还包括对现有发动机的 直接测量和进行监测的方法以及发证程序，以及对适用等级i l 和等级l i l 的发 动机的测试程序。同时对n o x 排放测试结果的计算方法以及测试要求等进行了 修正。 我国作为i m o 缔约国成员之一，必须严格执行m a r p o l 公约附则的规 定，实施针对船舶氮氧化物n o x 排放的限值标准。2 0 0 6 年8 月2 3 同，m a r p o l 4 5 5 4 5 3 5 2 5 1 s o 4 3 2 ， o 赛l暑in 武汉理工大学硕士学位论文 公约附则在我国正式生效。为贯彻执行m a r p o l 公约附则的规定，中国 船级社c c s 在2 0 0 0 年公布了船用柴油机氮氧化物排放试验及检验指南，该 文件对排气污染物的限制和试验检测方法与i m o 的技术规则一致【4 9 1 。 1 1 2 其它排放标准 另外，我国除了执行m a r p o l 公约附则的氮氧化物排放标准外，对额 定净功率不超过3 7 k w 的非道路移动机械用柴油机用于船舶驱动，则参照 g b 2 0 8 9 1 2 0 0 7 非道路移动用柴油机排放标准执行，如表1 1 、1 2 所示，其中 第1 阶段于2 0 0 7 年1 0 月1 日执行，第1 i 阶段将于2 0 0 9 年l o 月lr 开始执行1 1 1 1 。 表1 一l非道路移动机械装用柴油机排放限值( 第1 阶段) 额定净功率c oh cn o xh c + n o xp m ( p 一) ( k w ) ( g k w h )( g k w h )( g k w h )( g k w h )( g k w h ) 18 5 p m 戤 3 78 42 1l o 81 o 8 s p m x 18 8 41 2 9 0 p 瑚x 8 1 2 3l8 4 表1 2 非道路移动机械装用柴油机排放限值( 第l i 阶段) 额定净功率c oh cn o xh c + n o xp m ( p 一) ( k w ) ( g k w h )( g k w h )( g k w h )( g k w h )( g k w h ) 18 婴m a x 3 75 51 58 0o 8 8 s p 啪。 18 6 69 5o 8 0 p m a x 8 81 0 51 o 相对于船用柴油机，在重型车用发动机排放法规方面，由于我国的道路状 况和车辆状况接近欧洲，因此我国的排放法规沿用欧洲体系。国家技术监督局 发布于2 0 0 1 年颁布了g b l 7 6 9 1 2 0 0 1 车用压燃式发动机排气污染物排放限值 及测量方法，该法规规定了我国重型柴油汽车( 总质量大于3 5 t ) 第一和第二阶 段( 等效欧i 、欧i i ) n o x 排放限值分别为8 0 9 k w h 和7 0 9 k w h ，采用e c e r 4 9 十三工况测试循环。我国大部分地区现阶段执行的重型车用柴油机排放法 规是国家坏境保护总局在2 0 0 5 年发布的g b l 7 6 9 1 2 0 0 5 车用压燃式、气体燃 料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法中的第三阶段( 欧i i i ) ， n o x 限值为5 0 9 k w h ，北京地区执行欧阶段排放标准，采用的是e s c 十三 工况稳态测试循环和e t c 瞬态测试循环。 5 武汉理工大学硕士学位论文 随着我国航运事业的快速发展，船用柴油机需求也存在较大的增长，为了 满足船用柴油机市场的需求，国内部分柴油机生产厂家在车用发动机的基础上， 对处在欧i i 的低排放水平的重型车用柴油机进行改装，使其能作为船用主辅机 及陆用发电机组原动机使用。这部分车用柴油机改为船用后应同时满足现阶段 m a r p o l 公约对n o x 的限值要求。 1 2m a r p o l 公约对船用柴油机的影响 1 2 1 对船用柴油机技术发展的影响 m a r p o l 7 3 7 8 公约附则的实施以及附则修正案在2 0 0 8 年通过，对 船用柴油机的发展产生了多方面的影响。为了满足m 触姆o l 7 3 7 8 公约对船 用柴油机排放标准的要求，在未来若干年内，船舶柴油机技术研究开发的目的 将是在不降低柴油机热效率的前提下降低柴油机的有害排放物，即船用柴油机 动力装置的环境经济性。这样，在船用柴油机的设计和使用上必然会带来相应 的改动，甚至有可能在某种程度上制约船用柴油机的发展【1 3 1 。 要降低船用柴油机的排放，满足排放法规的要求，关键是要降低n o x 排放。 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 ) 排放的方法主要是机内处理和机后净化。机内处理方 法的关键是有效的控制燃烧过程，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问，柴油机仍将是最主要的船舶推 进发动机。 1 2 2 对船用柴油机使用燃料的影响 使船用柴油机的排放降低，满足排放法规的要求还应关注的是降低燃油中 的硫含量。 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 6 武汉理工大学硕士学位论文 定的，燃油中的硫分在柴油机燃烧过程中氧化为s o x 。为了控制s o x 的排放， 在已经开始实施的m a r p o l 公约附则中，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s o x 控制区，在s o x 控制区内，所用燃料 的含硫量不得大于1 5 ( r n m ) ，废气中的s o x 含量不得大于0 6 9 9 k w h ( 折合成 s 0 2 计) ，而在2 0 0 8 年1 0 月已经通过的附则修正案对燃料的硫含量和s o x 的控制更加严格。 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三分之二，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 公约附则的要求，特别是在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 1 4 j 。 燃油标准的新要求将对我国航运业、炼油业及船用燃油供应产生如下重大 影响。 ( 1 ) 低硫燃油炼制势必造成能源消耗的增加，并且将增力h c 0 2 的排放量。这 与目前争执较大的温室气体的排放控制要求相抵触。而且脱硫处置大大增加炼 油厂的炼油成本。据悉目前只有美国已经拥有脱硫技术但价格异常昂贵。 ( 2 ) 对馏出燃油的需求将导致全球船用燃油供应格局的改变，炼油企业将不 得不增加馏出燃油的产出。对原油的来源也需要慎重，因为原油的硫含量高势必 将增大低硫燃油的生产成本。 ( 3 ) 燃油成本的增加将导致船舶运营成本增加，严重损伤船东的利益。 采用其他清洁燃料当然可以满足m a r p o l 公约附则的要求，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 2 3 对船用柴油机润滑油的影响 新型船用柴油机考虑到了发动机部件的冷却问题，其较低的工作温度降低 了对润滑油高温性能的要求，但是冷却之后的温度却逐渐接近酸性气体的露点， 从而加剧了设备的腐蚀。而且随着气缸压力的增加，酸性气体的冷凝点也相应 增高，这对船用油的碱值及其保持性提出了更高的要求。使用高碱值的船用润 7 武汉理工大学硕士学位论文 滑油已经成为必然。 但是随着海洋环保法规的出台，船用燃料油的生产和使用将得到进一步规 范。船用燃料中的硫含量被限制在4 5 ，并且在规定海域不允许使用硫含量大 于1 o 的燃料，这将意味着船用润滑油不需要很高的碱值，同时要限制油品灰 分含量，从而与上述船用润滑油高碱值的发展趋势形成了矛盾。 解决矛盾的办法是调整船用润滑油的配方构成和改进添加剂技术。清净剂 是船用润滑油的主要添加剂，为限制油品灰分，需要使用高性能的低灰或是无 灰添加剂。船用润滑油配方既要具备更强的中和酸性物质的能力和粘度控制能 力，以保证在高温工况下需要的油膜厚度，也要具备更强的清洁能力，以保证 活塞及活塞环的清洁，确保油品性能【1 2 】。 为了满足排放法规限值，船用润滑油将向低灰分、低金属含量发展，同时 还要考虑到新型船用柴油机的尾气后处理系统对其组成的限制。 1 3 本文研究的背景及意义 1 3 1 研究背景 随着世界经济的不断发展，车船保有量与日俱增，使得世界面临着能源紧 缺与环境保护的双重压力。与此同时，随着人们环保意识的不断增强，控制车 船的有害排放的要求日益强烈，车船的排放污染已引起国际社会的广泛关注。 在陆域上，世界各国纷纷制定符合各国国情的汽车尾气排放相关法规和标 准，带动了相关减少和控制汽车发动机排气有害气体处理技术的研究。在海域 上，由于船舶在海上的营运活动具有流动性强、扩散性大、持续时问长的特点， 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，在同样 的情况下，其产生的有害物较多。同时近年来随着海运事业的发展和陆上移动 机械排放法规的不断严格，船舶柴油机的排放污染比例有不断上升的趋势，国 际海事组织( i m o ) 2 0 0 0 年研究表明未来l o 1 5 年通过船舶运输的货物将以每 年1 5 3 的数量递增。那么在m a r p o l 公约附则的顺利执行的前提下，船 舶排放的s o x 在2 0 0 0 2 0 2 0 年间至少增加4 0 ，n o x 排放量增加6 5 7 0 t 1 5 。1 酬。 因此船舶排放污染已受到国际海事组织和世界各国政府的高度重视。 2 0 0 8 年1 0 月l o 同闭幕的i m om e p c 第5 8 次会议上通过的m a r p o l 公 约附则修正案与附则相比，第二阶段n o x 排放标准较第一阶段排放标准降 低1 5 5 - - 2 1 8 ；为了降低硫氧化物的排放，修正案对船舶燃料的硫含量限制 8 武汉理工人学硕士学位论文 也严格了很多。 m a r p o l 公约附则一防止船舶造成空气污染规则及其修正案，主要 对新造的船舶柴油机的n o x 排放规定了测试方法和排放标准，而未涉及占船舶柴 油机大多数的现有船舶柴油机( 2 0 0 0 年1 月1 日以前制造的_ ) 。必须对现有的船舶柴 油机实施排放控制，因为相对于公约范围之内的柴油机，现有船舶柴油机对环 境造成的污染更为严重，这主要体现在： ( 1 ) 数量上占优势：现有船舶柴油机数量上占绝大多数，要想全部被2 0 0 0 年1 月1 日以后制造的柴油机所代替，尚需很长一段时间，尤其是近几年装船的 柴油机，还有很长时间的使用期。 ( 2 ) 排放状况更为恶劣：由于技术等方面的原因，现有船舶柴油机排气中的 有害气体成分的含量一般来说均较新造船舶柴油机要高很多。 如果不对这些污染更为严重的现有船舶柴油机进行废气排放控制，那么对 新建造的柴油机实施排放控制将变得没有意义，在将来很长的一段时问内，空 气状况不会有明显改善。所以，从对环境的影响上来考虑，对现有的船用柴油 机也将会实施排放控制，这就要求进行排放实船检验【1 5 】。 目前，对船上的柴油机排放检验比较通用的办法是参数检查法，但是此方 法对船上n o x 排放检验存在一定的局限性。随着柴油机运行时间的增加和发动 机的磨损加剧，以及日常维修保养和相关零部件的更换，操作人员对有关参数 的不同调整，使用燃料的不同等，将对柴油机的排放性能产生很大的影响，如 何有效认定发动机的排放值是否仍在限制范围内，实船测试是比较可行的控制 方澍1 6 - 1 7 1 。 1 3 2 研究意义 目前我国按照m a r p o l 7 3 7 8 公约对船用柴油机n o x 排放进行控制。随着 m a r p o l 公约附则修正案的通过，今后我国也必须执行修改后的n o x 排放 技术规则，而对于新修改的技术规则，我们所做的相关研究还很有限。 对于现有装船使用的船舶柴油机，需要进行实船测试，在现有的技术条件 下，精确测量进排气流量十分困难。不管是i s 0 8 1 7 8 ，还是m a r p o l 公约附 则规定的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， 这种测试及计算方法并不复杂，但是对于如功率、油耗等重要参数的获取较为 困难。由于台架实验和实船测试存在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，存在诸如测试设备不便布置，测试中的偶然因 9 武汉理工大学硕士学位论文 素较多，以及工作状况难于稳定等弊端1 8 。1 9 】。开展实船测试方法的相关研究， 探讨如何更好的完成实船排放测试试验，对已装船的发动机排放水平进行评估 也是很有必要的。 鉴于此，本课题拟开展m a r p o l 公约附则修正案的船用柴油机排放测 试与计算分析研究： 一是在新版n o x 技术规则的基础上，开展柴油机排放测试实例研究， 提出指导性意见。 二是分析i m o 新旧版n o x 技术规则的主要区别，并通过柴油机排放试 验研究，对不同排放计算方法计算得出的排放结果进行对比分析，以探讨排放 测试参数的误差对使用新旧版排放计算方法所得结果的影响。 三是对不同测试循环( e c e r 4 9 十三工况和船机e 3 、d 2 循环) 下得出 的排放结果进行对比分析。 四是探讨并提出合理可行的实船排放测试方法。 总之，本课题致力于探讨i m o 新版n o x 排放技术规则在排放测试试验 中的实施以及实船排放测试方法，对我国今后更好的执行及制定排放法规都 有很强的借鉴意义。 1 4 本文研究内容 ( 1 ) 对比分析i m o 新旧版n o x 技术规则的异同。 ( 2 ) 对y c 6 m 和y c 6 a 两个系列中5 台船用柴油机在不同的试验循环、 喷油提前角情况下进行排放试验。通过试验结果的对比分析，探讨不同排气质 量流量计算方法的差异以及排放测试偏差对排放计算结果的影响。 ( 3 ) 采用i m o 新版n o x 技术规则计算方法，计算船用柴油机n o x 比排 放值，对比分析船用柴油机在e c e r 4 9 十三工况和e 3 、d 2 测试循环下计算结 果的差异，并通过三种测试循环排放分担率的对比分析，指出降低n o x 排放需 重点控制的工况。 ( 4 ) 探讨船舶柴油机实船排放测试方法，并对已装船的船舶辅机进行排 放测试试验与计算分析，同时对新版n o x 技术规则所提出的简化测试循环进 行合理性评估。 1 0 武汉理t 大学硕十学位论文 第2 章船用柴油机排放测试与计算 2 1 新旧版n o x 排放技术规则的比较 2 0 0 6 年8 月2 3 同，m a r p o l 7 3 7 8 公约附则在我国正式生效。为贯彻执 行m a r p o l 公约附则的规定，中国船级社c c s 在2 0 0 0 年公布了船用柴 油机氮氧化物排放试验及检验指南，该文件对排气污染物的限制和试验检测方 法与i m o 的技术规则一致。m a r p o l 7 3 7 8 公约附则中规定的n o x 技术规 则在下文被称为旧版技术规则。 2 0 0 8 年4 月国际海事组织于m e p c 5 7 次会议上正式通过m a r p o l 7 3 7 8 附则的修正案，其中包括船用柴油机氮氧化物排放控制技术规则的修订，修 订后的技术规则称为新版技术规则。 2 1 1 排放测试方法方面的比较 ( 1 ) m a r p o l 公约附则修正后的n o x 技术规则( 下文称新版技术规则) 较现行的n o x 技术规则增加了n o x 减排装置的前期发证检验。内容主要包括： e i a p p 证书应该包括柴油机n o x 减排装置，该装置应该作为柴油机的一部分， 记录在柴油机技术案卷中，同时，柴油机前期发证检验时，应该装上n o x 减排 装置。 ( 2 ) 新版技术规则增加了单个工况测试点的限制要求。在柴油机排放测试 中，每个测试点处的l l 丰i b 放值均不能超过限值的5 0 ，但不包括d 2 循环的1 0 工况、c 1 循环的1 0 工况和怠速工况。 ( 3 ) 新版技术规则更改了试验条件参数的范围，即增大柴油机组或族 认可的试验有效范围。试验条件参数由旧版的0 9 8 5 f a 5 1 0 2 ，变更为新版技术规 则的0 9 3 5 f a 5 1 0 7 。这是由于东亚地区气候条件限制，现有试验条件参数范围 对于试验条件要求过于苛刻，将参数适当拓宽有利于缓解这种情况。如大连地 区，从当年1 0 月至次年4 月，最高气温一般低于2 0 ，大气相对湿度一般低 于8 0 ，一年内相当长的时间将不能进行柴油机台架试验的n o x 排放测试， 拓宽后对应的发动机进气温度为1 0 - 3 5 ，相对湿度4 0 - 8 0 ，这样就符 合该地区的实际情况【2 1 1 。 武汉理- t 大学硕士学位论文 ( 4 ) 新版技术规则增加了关于进排气系统的相关限制。柴油机在额定功率 和全负荷工作时进气压力 3 0 0 p a ，在额定功率和全负荷工作时排气背压 6 5 0 p a 。 ( 5 ) 新版技术规则中对油品的规格要求做了改变。由旧版技术规则所要求 的第二版国际船用燃料标准i s 0 8 2 1 71 9 9 6 变更为新版技术规则所要求第三版 的国际船用燃料标准i s 0 8 2 1 72 0 0 5 ；油品的两种详细技术规格见表2 1 ，表2 2 ， 表2 3 ，表2 4 所示。与i s o8 2 1 7 1 9 9 6 相比，i s o8 2 1 7 - 2 0 0 5 的主要修改包括： 残渣油的规格从1 5 种减为1 0 种； 粘度指标的规定温度从1o o 调整到5 0 。c ； 残渣油水分的上限降低到0 5 ( v v ) ； r m a 3 0 、r m b 3 0 和r m d 8 03 个规格的密度上限略有降低； 增加了废润滑油的控制指标； r m h 、r m k 的灰分上限从0 2 0 ( m m ) 降低到0 1 5 ( m m ) ； 硫含量降低到与m a r p o l 公约附则v i 的要求一致。 表2 1i s 0 8 2 1 7 - 2 0 0 5 对船用馏分油的要求 特性单位极限d m x d m ad m bd m c 密度( 1 5 ) k g m 3 m a x 8 9 0 09 0 0 09 2 0 0 粘度( 4 0 。c )m m 2 sm a x5 5 6 o11 o1 4 o 粘度( 4 0 。c )m m v sm i n 1 41 5 残炭( 微量法，1 0 ) ( v v ) m a xo 3 0o 3 0 微量法 ( m m ) m a xo 3 02 5 0 特性单位极限d m xd m ad m bd m c 水分 ( v v ) m a xo 30 3 硫含量( m m )m a x 1 o1 52 02 o 总沉积物( m m )m a x o 1 0o 1 0 灰分( m m )m a x o 0 1o 0 1o 0 lo 0 5 钒 m g k g m a x 1 0 0 铝+ 硅 m g k g m a x2 5 闪点 o cm i n4 36 0 6 06 0 倾点，夏季 o cm a xo 6 6 倾点，冬季o cm a x一6 oo 浊点o cm a x 1 6 1 2