（轮机工程专业论文）环境条件变化对船用柴油机氮氧化物（nox）排放特性影响的研究.pdf

摘要 随着世界经济的发展，人们环保意识的增强，用环境换经济的时代已经一去 不复返了，取而代之的是环境与经济兼顾、人与自然和谐、可持续发展的经济时 代。对船用柴油机排放限制的法规就诞生在这个大环境下。船舶作为主要的运输 ： 具，承担着世界贸易的9 7 ，而作为最主要船舶主机的柴油机其排放的有害 物的数量是巨大的。本文主要就环境温度变化对柴油机n o x 排放的影响和改变喷 油提前角来实现优化柴油机n o x 排放的方法进行了较深入定性及定量研究。 首先，本文介绍了船用柴油机排放有害物情况以及当前针对船用柴油机排放 的立法情况。 其次，本文分析了柴油机n o x 排放特性，然后介绍了根据各种影响n o x 排放 的因素，衍生出降低n o x 排放的各种方法，并给出各种方法的实际效果以及适用 范围。 然后，建立柴油机燃烧准维模型，借助g t - - s u i t 计算软件，模拟柴油机缸 内燃烧情况，用软件模拟的手段代替实验，计算了环境温度变化时，柴油机n o x 排放的变化情况，以及喷油提前角变化对柴油机n o x 排放的影响。 最后，在计算和查阅相关技术资料的基础上，给出了环境温度变化时的应对 措施和如何改变喷油提前角来实现最优化柴油机排放的方法。 关键词：排放特性；g t - - s u i t 软件；环境温度；喷油提前角 s t u d yo nn i t r o g e no x i d e s ( n 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 eb a s e do ne n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n a b s t r a c t a l o n gw i t hw o r l de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h ep e o p l e se n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n c o n s c i o u s n e s se n h a n c e m e n t ，t h et i m ew h i c ht r a d e st h ee n v i r o n m e n tw i t he c o n o m yh a s g o n ef o re v e r ，d i s p l a c e di st h ee c o n o m ys o c i e t yt h a tg i v ea t t e n t i o nt ob o t ho ft h e m ，t h e w o r l dw e l c o m e st h ee c o n o m i c a la n dc o n t i n u a lt i m ew h i c ht h ep e r s o na n dt h en a t u r ew a s h a r m o n i o u s t h el i m i t st ot h ee m i s s i o no fm a r i n ed i e s e le n g i n ea r eo nt h eb i r t hu n d e r t h i sb i ge n v i r o n m e n t t h es h i pu n d e r t a k e st h e9 7 o fw o r l dt r a d e ，b u ta sm a i ns h i p e n g i n e ，t h ed i e s e le n g i n e ，i t se m i s s i o ni sh u g e t h i sp a p e rm a i n l ya n a l y z e si n f l u e n c eo l l n o x e m i s s i o nw h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ea n da n g l eo fs t a r ti n j e c t i o nc h a n g e f i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h es h i p se m i s s i o na n d l i m i tl a w n e x t ，t h i sp a p e ra n a l y z e d d i e s e l e n g i n e n o x e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c ，t h e n i n t r o d u c e dn 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 re s t a b l i s h e st h em o d e lo fd i e s e le n g i n eb u r n s ，w i t ht h ea i do f g t - s u l ts o f t w a r e ，s i m u l a t e st h e d i e s e l e n g i n eb u r n i n g s i t u a t i o n ，c a l c u l a t e d n o x e m i s s i o nw h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ec h a n g e ，a sw e l la st h ea n g l eo fs t a r to f i n j e c t i o n f i n a l l y , i n t h ec o m p u t a t i o na n di nt h ec o n s u l tc o r r e l ! a t i o nt e c h n o l o g ym a t e r i a l f o u n d a t i o n ，t h ep a p e rg i v e so u tt h em e a s u r ew h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ec h a n g e ，a n d h o wt oa d j u s tt h ea n g l eo fs t a r to fi n j e c t i o nt oo p t i m i z 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 ：e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c ；g t - s u i ts o f t w a r e ；a m b i e n t t e m p e r a t u r e ；a n g l eo fs t a r ti n j e e t i o n 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：木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：；! 丕撞釜仕变丝型丛旦苤油扭氢氢丝翅( 丛q 1 ) 挂趑签性毖 堕的盟窒：。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：匆m 7 - 年) 月1 ，珀 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 不保密一( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：歹长伟 同期： 第1 章绪论 环境问题是当今世界各国面临的重大问题，大气污染、水污染、噪声污染已 成为世界的三大公害，大气污染不仅破坏了自然界的生态平衡、而且已严重危害 人们的身体健康，所以，防止大气污染已成为当务之急。船舶承担着9 7 的世界 贸易货物运输量，全球海上贸易年运量高达5 1 亿吨，而目前9 9 以上的船舶采 用柴油机作为主机【2 】，因此柴油机作为最主要的船舶主机，其排放的有害物的数量 是巨大的。而且，为了降低运营成本，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，相比其他用途柴油机，其产生的有害物较多。 因此，限制船用柴油机排放的国际和地方公约相继出台，( ( m a r p o l ) ) 公约附则 ( 防止船舶造成空气污染规则) 已于2 0 0 5 年5 月生效，甚至部分国家和地区港 口对进出该港口的船舶征收柴油机n o ，排放税，因此，降低船用柴油机排放的研 究就显得十分重要。 1 1 船用柴油机排气成份及其危害 下图为燃用重油的大型船用低速柴油机排气成分组成 3 1 圈1 1 低速柴油机排气成分组成 从上图可以看出二氧化碳( 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0 2 有害气体能对环境和人体造成巨大 的危害，从燃烧过程来看柴油机排气可分为两大部分： 一是无害产物，有二氧化碳( c 0 2 ) 、水( h 2 0 ) 、氮气( n 2 ) 和氧气( 0 2 ) ( 过 量的空气) ，其中： c 0 2 会造成温室效应，使全球的气候变暖，产生问接污染，因此也是一种有 害气体，也需要控制。 二是有害产物，它们包括一氧化碳( c o ) 、碳氢( h c ) 、氮氧化物( n o x ) 、 微粒子( 碳烟、碳氢粒子和铅化物) 、臭氧( 0 3 ) 、二氧化硫( s 0 2 ) 、臭气( 甲醛、 丙烯醛和未燃醇等) 它们所占废气总量的比例很小，但危害却很大 4 1 。其危害为： ( 1 ) 一氧化碳( c o ) 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、燃油和空气混 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o 3 时，则可在3 0 分钟内使人致命。 ( 2 ) 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 经缓慢的氧化过程可生成n 0 2 。n o 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，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，会导致气管和肺的功能障碍。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 在阳光紫外线作用并在定条件下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f “。由于n o x 无色无味，极易引起船员和其他人员中毒。 ( 3 1 臭氧 臭氧是刺激性很强的气体，它刺激人体的眼睛和呼吸道。空气中含有o 1 p p m 体积浓度的臭氧时，就会使人明显感觉呼吸困难，它影响植物的光合作用，是导 致森林病虫害的主要原因。但高空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。 f 4 1 碳氢化合物( h c ) h c 产生原因是燃烧温度分布不均，局部过高等。主要产生于油束边缘、油嘴 处、气缸壁、缝隙处、延迟喷射区和滑油等。其中烷烃无味，对人的口鼻粘膜有 刺激，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。 微粒中主要成份是碳，当其直径大于0 3p m 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。 ( 6 ) 二氧化硫( s 0 2 ) 对环境造成直接的危害，产生酸雨，导致皮肤疾病等。船用柴油机s 0 2 来源 二e 要是燃油中含有的硫。 s 0 2 生成量关系式为【5 】：s 0 2 = 2 1 9 s 一2 1 k g ( s 0 2 ) t ( 燃油) 】 其中：s 为燃油中含硫百分数 表1 1 燃油含硫量与排气中s 0 2 关系 硫禽量 排气中s 0 2 燃油型号 燃油量( t ) k g t 燃油 一般燃油 3 0 16 3 6 低含硫燃油 1 5 l3 0 8 1 ，2 限制船用柴油机n o x 排放的立法情况 1 2 1 国际法规 国际海事组织( i m o ) 1 9 9 7 年召开缔约国大会，会议形成大会决议。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1 3 条规定了船用柴油机氮氧化物 排放量的限制值f 6 】，具体如图1 2 所示： 2 0 1 8 1 6 一 置1 4 、 1 2 呈 1 0 8 6 _ 、 n i 1 3 0 ： 1 7 。0 ：g k w h - j i 3 0 - h a c 2u 洲心脚4 督悯 i 1 n 2 0 0 0 ： g 8 g k v t ：i ； 、 02 0 0 4 0 06 0 08 0 01 0 0 0t 2 1 3 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 02 2 0 0 发动机额定转速r t ( m m ) 图1 2 船用柴油机最火允许n o x 排放量 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 0 r m i n ( 2 ) 4 5 + n 。0 - 2g k w h 柴油机标定转速1 3 0 一 n 2 0 0 0 r m i n 适用范围： 每一台安装在2 0 0 0 年1 月1 曰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 同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 虑。 4 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 o 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；或 ( i i ) 采用由主管机关考虑到本组织制定的有关导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。 1 22 美国法规 美国自己制定了另一套更为严格的船用柴油机氮氧化物排放量的限制值 表1 2 美国制定的排放量限制值 系列2 排放标准 种类 气缸容积( d ) c on o x + t h c 微粒实行时间 d m 3 气缸f g k w h g k w h g k w h 1 功率3 7 k w 5 o7 50 4 02 0 0 5 d 0 9 0 9 d ( 12 5 0 720 3 02 0 0 4 1 2 d 2 5 5 ，0 7 20 2 02 0 0 4 2 5 d 5 0 5 0 7 2d 2 0 2 0 0 7 a 2 5 0 d 1 5 5 07 80 2 72 0 0 7 a 1 5 d 2 0 5 o b 7d 5 02 0 0 7 a 功率 3 3 0 0k w 1 5 d 2 0 5 o9 8d 5 02 0 0 7 a 功率3 3 0 0k w 2 0 d 2 5 5 ，09 ，80 5 02 0 0 7 a 2 5 d 3 0 5 01 1 o0 5 0 2 0 0 7 a + 系列1 同m a r p o l 公约附则第1 3 条 a 一于2 0 0 4 实行 第2 章柴油机n o x 排放特性分析 21 柴油机n o x 成因 柴油机排气中的氮氧化合物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 5 及n 0 3 等成份。 在氮氧化合物n o x 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 是目前唯种能精确地加以预测的污染物，因此本文主要 计算n o 。 n o 的生成主要有四种途径 ( 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 ) n 2 0 途径； ( 4 ) 燃料氮途径。 内燃机只出现( 1 ) ，( 2 ) 两种途径，( 3 ) 主要是燃气轮机，第( 4 ) 种是燃煤时产生。 2 1 1 柴油机热n o 计算 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【7 】： n 2 + o 争n + n o ( 1 ) n + 0 2 睾n o + o ( 2 ) 以后l a v o i e 又增加下面一个反应 n + o h , - - 釜- - - - - n o + h ( 3 ) 3 由( 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0 较小，因此辞反应是整个n o 6 其中n o 生成机理方程式中的反应速率常数为 叶= 1 8 1 0 1 4 e x p ( 一3 8 亭_ 7 0 ) 譬= 3 8 1 0 1 3 e x p ( 一竿) 修“8 i o l o t e x p ( 一竿) k 2 = 3 8 1 0 9 t e x p ( 一2 0 8 2 0 ) 譬_ 7 1 1 0 1 3e x p ( 一竿) 哼= 1 7 1 0 1 4 e x p ( 一。2 4 辱6 0 ) 反应速率的单位为c m 3 t o o l s 。1 表2 1 n o 生成机理方程式中的反应速率常数 符号速率常数( c m 3 m o l s 。1 )温度范围( k ) 不确定因子或 k ； 7 6 1 0 1 3e x p ( 一t 3 8 0 0 0 ) 2 0 0 0 5 0 0 0 2 k i 1 6 x 1 0 1 3 3 0 0 5 0 0 02 0 ，3 0 0 k 时2 ， 2 0 0 0 5 0 0 0 瞄 6 4 1 0 9 t e x p ( 一t 3 1 5 0 j 3 0 0 3 0 0 03 0 ，1 0 0 0 k 时 2 ，3 0 0 0 k 时 1 5 1 0 9 t , e x p ( 一t 1 9 5 0 0 j 1 0 0 0 3 0 0 03 0 ，1 0 0 0 k 时 2 ，3 0 0 0 k 时 忌； 4 1 x 1 0 1 3 3 0 0 2 5 0 08 0 k2 o 1 0 t me x p ( 一下2 3 6 0 0 ， 2 2 0 0 4 5 0 0 2 2 12 柴油机瞬发n o 计算 1 9 7 9 年f e n i m o r ecp 发现在温度比已燃区低的火焰区也生成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。 n o c h + n 2 一h c n + n n 2 其简化后的反应机理如下： c h + n 2 一h c n + n c h 2 + n h 2 - h c n + n h h c n + o h c n + h 2 0 c n + o h n c o + h n c o + 0 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 2 柴油机n o x 排放特性分析 从n o x 生成的机理过程分析，n o x 生成和排放率取决于燃烧火焰温度、氧浓 度及氮与氧在高温的停留时间这三要素，而这三要素又与柴油机的结构参数及性 能、参数、喷射系统参数、进排气系统参数、柴油机工况及燃油质量以及各辅助 设备和系统的工作质量等有关【9 1 。换句话说，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、工作环境以及对其维护和技术管理有很大关系。 f 面将从理论上定性探讨这些因素对船用直喷式柴油机n o x 生成和排放率的 影响。 2 2 1 进气系统的影晌 柴油机进气参数( 压力、温度和湿度) 、过量空气系数及气阀正时等对船用柴 油机的n o x 均存在一定的影响。 2 2 11 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，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， 在多喷油时，可同时提高柴油机的经济性和功率。提高柴油机的平均有效压力的 日的【10 1 。 柴油机增压压力的高低用无量纲的增压比表示 2 。 p 0 一环境条件下大气压力或增压器进口压力 仇一增压压力 根据的高低，一般可将柴油机增压分为四级 低增压呢s 1 5 中增压= 1 5 2 5 高增压= 2 5 3 5 超高增压，3 5 现代船用低速柴油机增压比在3 o 左右。 按驱动增压器( 压气机) 所用能量的不同，可分为机械增压、废气涡轮增压和联 合增压柴油机。 非增压柴油机进气终了时，气缸内的压力般低于大气压力，如非增压四冲 程柴油机进气终了时的缸内压力为0 8 5 0 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。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 进气温度的高低一方面取决于环境温度，另一方面也取决于增压空气中间冷 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，从而也抑制了 燃烧温度的升高，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。详细情况将在后面进行定量的讨论。 2 2 13 进气湿度 当进气的湿度增大时，即空气中含有的水分增加，水分吸收进气流和气缸壁 面的热量而蒸发，降低缸内气体温度，从而压缩终点的温度将降低，抑制燃烧温 度而起到一定的减少n o x 排放率的效果。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 完全燃烧和降低气缸热负荷的目的，通常其过景空气系数均很大，一般在1 1 2 3 之忸j 【，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 这义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。 2 21 5 气阀正时的影响 气阀正时对船用柴油机有一定的影响，但对于既定的柴油机而言，通在制造 时就确定了一个最佳的气阀正时。通常高增压的四冲程柴油机其进排气阀开启提 前角和进排气阀关闭滞后角都大，气阀重叠角也大，这有利于提高换气质量，同 时增大进气充量，以降低气缸内的热负荷，有利于抑制n o x 的生成，但迸气充量 的增大，也使气缸中气体氧含量增大，从而有促进n o x 生成的趋势，折合的结果 影响不大。对于当代直流扫气二冲程柴油机，若排气阀的关闭时刻提前，让一部 分废气与新气掺混，利用废气中c 0 2 和h 2 0 的摩尔分子热量比n 2 和0 2 的摩尔分 子热量高的特点，抑制燃烧温升速率，可起到抑制n o x 生成的效果。 2 ，2 2 燃油喷射系统的影响 柴油机喷射系统的参数，如喷油正时、喷油压力、喷油速率、喷孔直径等对 1 0 n o x 的生成和排放均有影响。 2 22 1 喷油正时的影响 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，喷油器丌始喷油的瞬时到活塞上止点的曲 柄转角i 1 “。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j 下时。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，如接近与上止点或在上 止点之后，则尽管压缩行程的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| 二升，但其最高压力和温度都 将降低，从而抑制和减少n o x 的生成率和排放率，但由于燃烧是在膨胀行程中进 行，从而使燃烧向不完全方向发展且后燃严重，必将带来油耗率、排气温度、其 它污染物( p m ，h c ，c o 等) 的增大。 22 2 2 喷油压力的影响 当代船用柴油机朝高压喷射方向发展，当今船用柴油机主要有柱塞泵式喷射 系统和高压共轨柴油机。 柱塞泵式喷射系统是当代柴油机最基本的一种燃油喷射系统，其基本组成是 高压油泵、喷油器和高压油管。高压喷油泵是柱塞泵，它一般可产生6 0 3 0 0 m p a 的高压。 苏尔寿r t - f 1 e x 柴油机，其最大特点是燃油经由公共油路喷射【1 2 】。所谓公共油 路是一筒形的燃油加压装置，它与各气缸相连接。燃油在公共油路内被加压至10 0 0 b a r 高压后，随着喷油电磁阀的开闭喷入各汽缸。 m a nb & 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 l l 3 】。 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 生成的影响是复杂的： 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f 时滞后，综合的效果是n o x 排放量降低，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 22 3 喷油规律的影响 喷油泵单位凸轮轴转角的供油量( “妒) 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( 4 舻) 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，同时克服其晟高的燃烧温度高、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： a 在滞燃期中，在满足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以引起过高的最高燃烧温度。 b 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。 曲轴转角 图2 1 不同形线凸轮喷油率曲线对比 在上图中可以看出，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 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 易于生成和排放率将增加。 22 2 4 喷子l 直径的影响 从某种意义上讲喷油器喷孔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i 剧时精心选用小喷孔、多孔数的喷嘴。喷i l 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微粒的排放，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i l 数目的多少影响参与预混合燃烧的油量，当喷 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，损害经济性。 2 2 3 柴油机结构的影响 根据不同分类标准，柴油机可分为多种类型。如按工作循环可分为二冲程和 四冲程柴油机；按曲轴转速可分为低速、中速和高速柴油机：按增压与否，可分 为增压柴油机和非增压柴油机等。 2 2 3 1 转速的影晌 在喷油提前角一定时，转速的增大，意味着提前喷油的实际时间缩短，使参 加预混合燃烧的燃油量较少，初期放热量和放热率峰值较低，从而使最高燃烧温 度较低。同时，以时间计的燃烧持续时间较短，缸内高温的持续时间较短，即氮 处于高温时间较短。这两方面都促使n o x 的生成率和排放率降低。所以低速机生 成的n o x 较高速机要多。在( ( m a r p o l ) ) 公约附则中规定的n o x 排放限制标 准中，我们也能看出，在小于1 3 0 r m i n 时，n o x 排放限制值是1 7 9 k w h ，随着转 速升高，其排放限制值也降低，也就是说，转速越高，排放限制越严格。 2 2 32 增压的影晌 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。 22 3 3 压缩比的影响 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 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缓，燃烧火焰温度降低，从而减少和抑制n o x 的生成率 和排放率，但将造成柴油机的经济性和动力性受到损害，同时柴油机的低温起动 性能也将受到到影响。 2 2 3 4 气缸直径的影响 当今船舶向大型化，专用化发展，船用柴油机气缸直径也随之增大，而气缸 相对散热面积( f v ) a t , j 、，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，再者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，使得人缸径柴油机的n o x 生成和排放率比小缸径柴油机大得 多。 2 2 3 5 燃烧室形式和结构的影响 柴油机燃烧室分为开式燃烧室和分隔式燃烧室。船用直喷式柴油机都采用开 式燃烧室为主，采用开式燃烧室的柴油机，其多为直接喷射方式，通常油气的混 合原理是基于空间雾化混合，为提高雾化质量，常用的燃烧室的形状为浅盅形凹 顶活塞与倒钟形气缸盖、浅盘形和浅m 形活塞顶与平底气缸盖帽配合。直喷开式 柴油机过量空气系数大，存在滞燃期，气缸内最高燃烧温度高，这些都有利于n o x 的生成。而采用分隔式燃烧室的柴油机，l j 期燃烧发生在预燃室或涡流室内，过 量空气系数低，n o x 产生量较少，而其后发生在主燃烧室内的燃烧比较平缓，最 1 4 高燃烧温度低，进一步改善了柴油机的n o x 排放。但是，分隔式燃烧室与开式燃 烧室的柴油机相比，油耗率较大。所以，在以节能为主题的今天，开式燃烧式得 到了广泛的应用。其排放性能采用其他方法来进行改善。具体在下一章讨论。 2 24 燃油品质的影响 燃油的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，因此船用柴油机工作中，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，致使预混合燃烧期间长，然 油着火后气缸中的气体的压力与温度急剧上升，促进柴油机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 制预混合然烧，从而降低船用柴油机n o x 的生成率和排放率。 22 5 柴油机工况的影响 2 2 5 1 负荷特性 柴油机负荷特性是指在转速固定不变的情况下，柴油机的各项主要性能指标 和上作参数随负荷变化的规律。船舶上的发电机就是在负荷特性下工作的。发电 机的转速不变，其负荷随船舶用电量的变化而变化。当负荷增加时，为了发出更 大的功率，就要多向气缸内喷油，柴油机多是采用延氏喷油时间来实现的，这样， 缸内的燃烧时间变长，最高温度持续时间也相应变长，n o x 生成率和排放率变大。 2 2 5 2 推进特性 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 0 1 ： p = c n 3 p 螺旋桨吸收功率，即主机功率，n 主机转速，c 系数。 主机功率与转速成3 次方关系，当主机转速降低时，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n o x 排放量降低，所以n o x 排放量是转速与负荷综合的结果，有可能升高也有 可能降低。 1 6 第3 章各种降低n o x 排放方法分析 前一章已经讨论过影响柴油机n o x 排放的各种因素，基于这些影响因素，出 现出了相应降低n o x 排放的各种方法。主要可分为两大类：一是在n o x 还没有生 成之前，采取措施，从n o x 生成的根本原因上着手，减少n o x 的生成，称为机内 处理；一是在n o x 生成之后对废气进行物理、化学处理，以降低n o x 排放量，称 为机外处理方法【1 4 】。 3 1 机内处理方法 机内处理方法分为两大类；不加水处理方法和加水处理方法。 3 1 1 不加水方法 31 1 1 延后排气( 二冲程) 对于当代直流扫气二冲程柴油机，延后排气阀关闭时间，柴油机换气就会不 充分，气缸内会残留一部分废气，减少过量空气系数，利用废气中c 0 2 和h 2 0 的 摩尔分子热量比n 2 和0 2 的摩尔分子热量高的特点，抑制燃烧温升速率，可起到 抑制n o x 生成的效果。其原理类似于废气再循环。 3 1 1 2 提前进气( 四冲程) 四冲程柴油机不同于二冲程柴油机，它的进气和排气相对独立，在排气冲程 术端存在- d , 段时间的扫气过程，提前进气，同样会达到换气不充分，废气部分 残留在气缸内，从而实现抑制n o x 生成的效果。 31 13 延后燃油喷油定时 延后燃油喷油定时，燃油较晚进入气缸，最高燃烧温度和压力都将下降，从 而n o x 排放降低。喷油延迟角越大，也就是说喷油越晚，n o x 减少量越多，但同 时会以燃油的消耗率为代价【1 6 】。 此方法是降低n o x 排放最为直接和最简便的方法，可降低n o x 排放2 0 以 上，但增加燃油消耗率阻碍了此方法在船舶柴油机上的应用。 3 1 1 4 降低压缩比 船用柴油机压缩比的范围在1 2 1 8 之间，高压缩比将提高柴油机的动力性和 1 7 经济性，但同时高压缩比将导致较高的最高压力和温度，柴油机n o x 排放也将随 之升高【1 7 】。 3 1 1 5 优化燃油喷射系统 燃油喷射系统对气缸内燃油燃烧质量起着至关重要的作用，而燃烧质量的好 坏与柴油机排放又有着直接的关系。现在m a nb & w 公司的m e 型智能柴油机以 及w a t r t s i l 足公司的r t - - f l e x 系列柴油机无一例外的采用了高压电子喷油系统 【1 8 】，实现了无凸轮轴的设计。这样不仅优化了柴油机变工况下喷油系统适应性， 而且极大的提高了喷油压力，改善了缸内的燃烧，从而也改善了柴油机的排放特 性。 3 1 1 6 优化燃烧室形状 柴油机燃烧室的形状对柴油机缸内燃烧状况有着直接的联系，通过优化燃烧 室形状可以达到改善柴油机缸内燃烧状7 兄的目的，从而也改善了柴油机的排放特 性。 3 1 2 喷水加湿方法 3 1 2 1 进气加湿系统( c o m b u s t i o n a i r s a t u r a t i o ns y s t e m ) - - c a s s 水是以高压水雾的形式，在压气机后喷入增压空气的。有时要提高增压空气 的温度，以防止水雾凝结，加热就是通过空气冷却器来完成的【1 9 】。这种方法可大 大的减少n o x 排放，降低主机的热负荷并改善缸套清洁条件。这种进气加湿系统 具有结构简单，成本低和不增加燃油消耗率等优点，但列所喷水的质量要求比较 高。 该方法可降低n o x 排放5 0 6 0 ，同时燃油消耗率增长不大。此方法适用船 用大型低速柴油机等。 3 1 2 2 直接喷水法( d i r e c tw a t e ri n j e c t i o n ) 一d w i 水和燃油通过不同的喷嘴直接喷入气缸内。这种方法降低主机的热负荷并改 善缸套清洁条件，与其他喷水加湿方法比较，降低了水的消耗。在二冲程柴油机 上，这种方法比较有潜力，但应用于四冲程机上，则要考虑缸套的材料问题，尤 其是燃油的含硫量比较高时，低温腐蚀可能会发生【2 0 | 。 废方法可降低n o x 排放5 0 6 0 ，但是由于水直接喷入气缸，燃油消耗率增 加较大。为解决燃油消耗率增加的问题，日本三菱公司开发了油一水分层的方法， 采用此方法喷水，n o x 排放量随着水油比例的增大而减少，当n o x 摊放降低5 0 时，燃油消耗率仅仅增加1 5 。最大的水油比例为5 0 ，n o x 排放量降低6 0 ，当水油比例大于5 0 时，n o x 排放量降低不明显，而且燃油消耗率急剧上升。 3 1 2 3 蒸汽喷射法( s t e a mi n j e c t i o n ) 蒸汽喷射法主要有两种方法：一是通过向压缩后的空气中喷入低压蒸汽来实 现的；一是直接向缸内喷入高压蒸汽的方法。前者结构简单，低压蒸汽来源丰富， 比较容易实现。第二种方法虽然设备要求比较复杂，成本高，但是其具有降低缸 内热应力，减少燃油消耗率等优点，因此有较好的发展前景。 312 4 燃油乳化 实践证明燃油掺水乳化能较大幅度地减少n o x ，标准设计的发动机可以满负 荷时加入2 0 的水。从