（船舶与海洋工程专业论文）船用柴油机nox排放及其检测.pdf

摘要 本文以国际海事组织颁发的m a r p o l 公约附贝l j v i 正式生效为背景 通过分析船 用柴油机排气中各种有害物的形成机理及化学元素平衡关系 从柴油机结构 燃油和 进气条件等三方面分析了其对船用柴油机氮氧化物 n 0 x 排放特性的影响 阐明了测 定船用柴油机n o x 质量排放量台架试验的试验条件 仪器标准和测试方法 并对柴油 机气体排放量的计算方法以及所需参数的测量方法与测量设备选型等问题进行深入 地研究 由于船用柴油机一般都具有体积大 排气流量大以及测量困难等特点 使得排气 中n o x 的质量流量不能直接测量 而只能通过测量n o x 的体积浓度并确定排气质量流 量或体积流量 来计算排气中n o x 的质量流量 在参考文献l 的基础上 分析了该方 法的理论依据 推导并归纳了应用 简单碳平衡法 通用碳平衡法 和 通用氧平 衡法 计算排气质量流量及n o x 质量排放量的计算公式 并且分析了实际测参数中干 湿转化系数和n o x 大气修正系数的计算公式 以及各公式的适用对象和适用条件 在计算分析的基础上 本文以中文w i n d o w s 2 0 0 0 为操作平台 利用v i s u a lc h 6 0 语言为计算工具 进行软件系统的开发 实现了排放测量值的程序计算 利用v i s u a l c 6 0 的面向对象编程方式 将所用各功能进行模块化处理 使程序的可维护性好 易于修改 并且易于扩展 利用w i d o w s 2 0 0 0 提供的资源进行软件界面的可视化设计 使系统具有良好的界面和人机交互功能 此外 通过对大量新造柴油机和使用中的柴油机排放测量值进行统计比较 分析 了世界范围内排放控制日趋严格的总趋势 得出了将来实船排放测试的必然性 同时 提出了实船排放测试具体可行的实施方法 步骤以及测试循环点合理的简化方法 作 者还就实船测试中的特殊情况进行了分析 指出实船测试与台架试验的主要差别 关键词 船用柴油机 排放控制 排放计算 实船测量 a b s t r a c t a g a i n s t t h eb a c k g r o u n do fa n n e x o fi m oj n t e r n a t i o n a lc o n v e n t i o n m a r p o l w h i c hh a sc o m ei n t oe f f e c tr e c e n t l y t h i sp a p e ra n a l y s e st h ef o r m a t i v e m e c h a n i s ma n dc h e m i c a ir e a c t i o no fd i e s e ie n g i n ed e l e t e r i o u se m i s s i o ng a s e s n o xe m i s s i o nc h a r a c t e ro fm a r i n ed i e s e je n g i n ej sa n a l y z e dj nt h ea s p e c t so f e n g i n es t r u c t u r e f u e lo i ia n da i ri n t a k i n gc o n d i t i o n t h ec o n d i t i o no ft h es t a n dt e s t t h es t a n d a r do fi n s t r u m e n t sa n dt h em e a s u r e m e n ta r ed e s c r i b e dc l e a r l y s e v e r a i a v a i l a b l em e a s u r em e t h o d so fe n g i n ep a r a m e t e r sa n d c h o o s eo fm e a s u r ed e v i c e s a r ea l s os t u d i e d d i r e c tg a s e o u sf l o wm e a s u r e m e n ti sad i 仟i c u l tt a s kb e c a u s em a r i n ed i e s e i e n g i n ei sl a r g e ri ns i z ea n dg r e a ti nc a p a c i t yo ft h ee x h a u s tf l o w s ot h eo n l y m e t h o dt om e a s u r en o xm a s sf l o wr a t ei st om e a s u r en o xc o n c e n t r a t i o ni nt h e e x h a u s ta n dt h ee x h a u s tm a s sf l o wr 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 l m e t h o dt og e te x h a u s tm a s sf l o wr a t ew i t hc a r b o n o x y g e nb a l a n c em e t h o db a s e d o nr e f e r e n c e 1 t h i sm e t h o di ss u m m a r i z e dt oc a l c u l a t en o xe m i s s i o nf r o mt h e m a r i n ed i e s e ie n g i n e as e to ff o r m u l aa r es t u d i e d w h i c hc a l c u l a t ee x h a u s tm a s s f l o wa n dn o xm a s se m i s s i o n sw i t hs i m p l ec a r b o nb a l a n c e g e n e r a lc a r b o n b a l a n c ea n do x y g e nb a l a n c em e t h o d s c a l c u l a t i o nf o r m u l af o rd r y w e tc o e f f i c i e n t a n dn o xa m b i e n tf a c t o ra r ei n c l u d e d 0 nt h eb a s i so fa n a l y s e sa n dc a l c u l a t i o nm e n t i o n e da b o v e t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h es o f t w a r eo fe m i s s i o nc a l c u l a t i o nw i t hc i a n g u a g ei nw i n d o w s 2 0 0 0e n v i r o n m e n t o w i n gt ot h es u p e r i o r i t yo fo b j e c t o r i e n t e v e r yo p e r a t i o n m n c t i o ni sm o d u l a r i z e d t h i sm e t h o dm a k e sp r o g r a me a s i l ym a i n t a i n e da n d m o d r e d m o d u l ec a nb eu s e do v e ra g a i n w h i c hm a k e sp r o g r a me a s yt oe x p e n d v i s u a id e s i g no fs o f t w a r ei n t e r f a c eu t i l i z e sw i n d o w sr e s o u r c e w h i c hm a k e s s o f t w a r es y s t e maf r i e n d l ya n de a s i l yo p e r a t e d f u r t h e r m o r e t h ee m i s s i o no fm a d n ed i e s e ie n g i n ei sm o r ea n dm o r es e v e r e b yt h e r e s u l t so fs t a t i s t i c a lc o m p a r i s o n sb e t w e e nm u l t i p l ee n g i n et e s t sb y m a n u f a c t u r e so fn e we n g i n eu n d e rt e s t b e dc o n d i t i o n sa n dm u l t i p l ei n s e r v i c e e n g i n e s t h em a j o rd i f f e r e n c eb e t w e e no n b o a r dt e s ta n dt e s t b e dj sp o i n t e do u t a n dt h ei n e v i t a b i l i t yo fe m i s s i o nm e a s u r e m e n to n b o a r di sb r o u g h tf o r w a r d t h i s p a p e rd i s c u s s e st h ep o s s i b l ec o m b i n a t i o n so fi o a dp o i n t s t h es p e c i f i e dt e s tc y c l e s s t e p sa n dt h es p e c i a lc o n d i t i o no fn o xe m i s s i o nm e a s u r ef o ro n b o a r dt e s t n iz h i v o n a m a d n ee n g i n e e r i n g s u p e r v i s e d b yd o c t o rh 丝y i h u a i k e y w o r d s m a d n ed i e s e le n g i n e e m i s s i o n sc o n t r 0 1 e m i s s i o n sc a l c u l a t i o n o n b o a r dt e s t 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取褥的研究成果 论文 中除了特别加以标注和致谢的地方外 不包含其他人或其他机构已经发表或 撅写过的研究成果 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作 了明确的声明并表示了谢意 作者签名 论文使用授权声明 降型霉 本人同意上海海事大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 怍者签名 件 允许论文被查阅和借阅 学校可以上网公布论文的全 以采用影印 绒印或其它复剖手段保存论文 保密的论文 定 印 可 规 复 一 此 文 容 守 论 内 遵 交 分 后 送 部 密 留 或 解 睬 邸 臣 上海海事大学硕士学位论文船用柴油机n o x 排放及其检测 第一章绪论 1 1 实施新排放法规的意义及排放法规发展历史 大约4 0 年前人们开始认识到n o x 对大气环境及人类的危害 从上个世纪六十年 代起 在陆地上 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发动机排气有害气体处理技术的研究 对船舶柴油机而言 由 于其在海上的营运活动具有流动性强 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已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 并已制定了严格的排放措施来限制 船舶柴油机的废气排放 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 l 亿吨 船用柴油机造成的排放污染也不断加剧 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 在同样的情况下 其产生的有害物较多 因此加强 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 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 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 则v i 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v i 一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v i 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 附则v i 已于2 0 0 5 年5 月1 9 日起生 效 n o x 技术规则 规定到2 0 0 0 年1 月1 日或以后建造的输出功率超过1 3 0 k w 的 柴油机 均应使其废气排放达到附则v i 第1 3 条 3 a 项的标准 柴油机额定转速 n 1 3 0 r m i n n o x 1 7 0 9 k w h 柴油机额定转速1 3 0 r m i n n 啦 7 代入式 2 4 得 幽m d r r l 1 一c r h 一 恐h 一 2 s 同理可得 d c n i d t r l 1 c m i c c fc 文一致0 n i c 一c c d 一 k n fc 一c c 小 2 9 由于式 2 8 中还含有未知项c n 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 8 因此可假设d e n 0 于是式 2 9 可得 臼 羁 是 c 墨c c 胁 足c 脚 c 仇一是一坞 2 l o 若令口 知 c s p c o 则有 d c m d t r i l l e p 恐 a 一 焉 口一 1 由式 2 7 可得 口 墨 是 焉纠 置卢一也一墨 把式 2 9 代入式 2 8 可得 d e m d t 2 r 1 f 1 2 1 焉 马 玛 2 1 1 2 1 2 2 1 3 一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一氧化氮的形 成速度 因此 只要把该温度下的平衡常数值和0 2 n 2 o 及o h 的含量值代入式 2 1 3 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 n o c n o es1 时 考虑玉 d t 的 初始值来加以说明 从方程式 2 1 3 可得 6 上海海事大学硕士学位论文船用柴油机n o x 捧放及其检测 d r 2 马 2 r l c o c 2 1 4 氧原子的平衡浓度由 c o 群 口 c 0 2 2 8 2 9 2 给出 式中k p o 是i 1d 2 0 反应的平衡常数 可由 二 3 i 纠0 3 e x p 已竽 a r m m 表示 然后 n o 原始生成速率可写为 如m d t 6 1 0 t e x p 6 9 0 9 0 t e o 2 c n z t o o l c m 3 j 2 1 5 式 2 1 5 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 n o 的生成速度高 即出 出的数值大 图2 1 是泽尔多维奇机理对空气混合物的计量结果 由图可见 n o 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l 时 生成量下 降 燃烧温度在过量空气系数略大于l 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间 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 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 原油和媒 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对 分子质量的含氮化合物n h 3 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 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 n 啪 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 0 7 上海海事大学硕士学位论文船用柴油机n o x 捧放及其检测 n c o 0 2 n o c 0 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 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 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 o 的含量 可见随着燃料中的含氮量增多 废气 中n o 的含量增加很快 r 赣 隶 聪 擐 过量空气系数 图2 1 n o 的浓度和过量空气系数 停留时问的关系 甲 2 糕 电 睽 避 g 盆 岳 r 巡 总的燃料一空气当量比 图2 2 燃油炉废气中n o 的含量 2 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 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 等反应生成氮化物 这些氮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 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 2 反应生成氮化物的反应方程主要有 c h n 2 h c n n c n 2 c n n c h 2 n 2 h c n n h c h 2 n 2 h 2 c n n c 2 n 2 2 c n 8 上海海事大学硕士学位论文船用柴油机n o x 排放及其检测 上述反应由于其活化能很小 故反应速度很快 上述反应所生成的氮化物进一步 与火焰中大量的o h o 原子团等发生下述方程所示的反应 生成n o h c n h 3 h n h 2 0 h c n o n c o h c n 0 1 2 c o n n 0 h n c 件h n o z n o o 瞬发n o 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 原子团的多少 第二是c h 等原予团与n 2 反应生成氮化物的速率 第三是氮化物之 间相互转换的速率 瞬发n o 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 i 2n 0 2 的生成机理 燃烧过程中由上述三种机理生成的n o 除了可与含n 原子中间产物反应还原为 n 2 外 还可以与各种含氮化合物生成n 0 2 与n o 的生成量相比 n 0 2 的生成量较 少 在火花点火发动机的排放中 n 0 2 与n o 的比值仅为百分之几 在柴油机的排放 中n 0 2 与n o 之比可达1 0 3 0 生成n 0 2 的反应过程十分复杂 如甲烷燃烧生 成n 0 2 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 2 的主要 化学反应可以认为是n o 和h 0 2 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1 0 1 2 c m 3 m o l 幻 按照上面 化学反应方程式计算的n 0 2 与n o 的比值十分大 与一般化学平衡所产生的结果不 一致 这说明存在着生成的n 0 2 又转化为n o 的化学反应 实验表明 生成的n 0 2 中除过被冷流体淬冷的n 0 2 外 由此反应形成的n 0 2 可与燃烧区中的氧原予反应 重新生成n 0 即 n 0 2 4 o n o 0 在低温反应中 上面反应的速率常数为5 5 1 0 c m 3 t 0 0 1 s 在火焰后区 由 于氧原子减少 因而生成n 0 2 的反应比n 0 2 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 2 及n o 排放数量的测定实 例 对火花点火发动机 当量比等于0 8 5 时 n 0 2 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 由于柴油机 低负荷时及低转速时使生成的n 0 2 被冷流体淬冷的区域很大 故柴油机的排放中n 0 2 与n 0 之比可达3 0 2 2 船用柴油机n o x 排放的影响因素1 1 7 1 1 8 1 2 0 2 2 1 柴油机结构设计对n o x 排放的影响 根据用途和要求不同 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 按是否增压可分为增压 9 上海海事大学硕士学位论文船用柴油机n o x 排放及其检测 柴油机和非增压柴油机等 一般来说 低速柴油机曲轴的转速较低 因此相对于高速机来说 其最高温度的 持续时间较长 其生成的n o x 的数量也较多 正因为如此 m a r p o l 公约附则v i 中规定的n o x 质量排放量的限制标准中 小于1 3 0 r r a i n 的低速柴油机的限值规定为 1 7 9 k w h 较中 高速机的排放限制值高 甲 暑 糕 彘 桀 避 盆 甲 2 糕 畚 埒 避 盆一 图2 3 火花点火发动机的n 0 2 及n o 排放图2 4 柴油机的n 0 2 及n o 排放 如表2 2 所示 不论是四冲程柴油机还是二冲程柴油机 增压柴油机的平均有效 压力和平均指示压力比非增压柴油机高 相应的最高爆发压力和最高燃烧温度也高 根据前节的分析可知 其生成的n o x 也较多 即 其n o x 的排放量较高 另外增压 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 根据前节的分析可知 n o x 生成的条件之一是存在过量的氧气 一般 情况下 当燃烧室高温区混和气的过量空气系数应超过0 9 时 才能生成大量的n o x 因此 在增压柴油机的燃烧过程中 很多的区域能满足过量空气系数超过0 9 当最 高燃烧温度较高时 大量的n o x 就会生成 表2 2 柴油机的平均有效压力和平均指示压力 柴油机类型p m p a p c m p a 四冲程非增压0 7 5 1 1 2 0 6 0 o 9 2 柴油机增压0 9 5 3 5 0 8 0 3 o 二冲程非增压 0 6 5 o 9 5o 5 0 o 7 0 柴油机增压 o 8 0 2 0 3 0 7 0 1 8 0 注 p l 为平均指示压力 p c 为平均有效压力 不同的燃烧室型式对n o x 的生成量也有较大的影响 从结构上可将燃烧室分成 开式和分隔式燃烧室两种 柴油机燃烧室的型式和柴油机燃油的喷射形式是统一的 开式燃烧室采用直接喷射方式 相应的柴油机称为直接喷射式 直喷 柴油机 分隔式 燃烧室采用间接喷射方式 相应的柴油机称为间接喷射式 间喷 柴油机 问喷柴油机 燃烧前期的燃烧发生在过浓的预燃室或涡流室里 由于缺氧 t i p 其中的过量空气系 l o 上海海事大学项士学位论文 船用柴油机n o x 捧放及其检测 数较低 形成的n o x 量较少 在主燃烧室中进行的燃烧开始得较晚 且在较低的温 度下进行 生成的n o x 也比较少 这样 间喷柴油机具有较好的n o x 排放特性 而 直喷柴油机采用直接喷射 由于滞燃期的存在 燃烧初期的最高燃烧温度较高 可知 n o x 的生成量较多 但由于直喷柴油机具有油耗率低的优点 在能源危机的今天 还是得到了广泛的应用 尤其在船用大功率低速机和大功率中速机上 几乎无一例外 地采用直喷柴油机 在直喷柴油机上 可通过控制滞燃期的喷油量 提高压缩比或改 善喷入气缸燃油的雾化质量等措施 缩短滞燃期 控制燃烧的最高温度 以降低n o x 的生成量 具体情况在下节讨论 2 2 2 柴油机燃油条件对n o x 排放的影响 柴油机是将燃料的化学能转化为机械能的内燃机 燃料在柴油机的燃烧室内与空 气混合 燃烧 将燃料的化学能转化为热能 利用高温燃气的膨胀作用 通过活塞组 件的运动将气体力转化为柴油机的机械能 在混合气的形成过程中 燃油品质 燃油 的喷射压力 燃油的喷射规律等直接影响可燃混合气的形成质量 影响柴油机的放热 规律 从而影响柴油机n o x 的排放特性 下面从燃油的品质 燃油的喷射压力和燃 油的喷射规律等三方面阐述其对于船用柴油机n o x 排放特性的影响情况 2 2 2 1 燃用劣质燃油对柴油机n o x 排放的影响 在石油的精炼过程中 除可得到汽油 约为1 5 煤油 约为l l 呦及柴油 约为2 2 等轻质馏分外 还会产生约4 0 的重油 受到有限的石油资源的制约 为更有效地利 用石油资源 早在5 0 年代就开展了重油在内燃机中应用的研究工作 船用柴油机 尤其是船用二冲程低速柴油机是首批燃用重油的内燃机 到目前为止 重油在船用燃 油中己占据了主导地位 九十年代生产的船用柴油机几乎全燃用重油 重油属于低质 燃料油 由于其中芳香烃的含量较高 一般超过2 0 有些甚至超过3 0 杂质较多 使重油具有 粘度大 不宜输送 难于雾化 十六烷值较低 燃烧性能差和燃烧速度 慢等缺点 这些缺点直接或间接地影响柴油机n o x 的排放特性 重油的十六烷值越低 发火性能和燃烧性能越差 在燃油喷入燃烧室后 其形成 可燃混合气的时间较长 发火时刻拖后 滞燃期加长 相应的预混合气体的形成量较 多 而燃烧室内一旦发火 已满足燃烧条件的较多预混合气体会快速燃烧 即 柴油 机的预混合燃烧的强度加强 燃烧的最高温度较高 根据前节的分析可知 生成的 n o x 较多 解决的办法可采用减少预喷燃油的数量 提高雾化质量和提高压缩终点 燃烧室的温度等措施减少预混合气体的数量 缩短滞燃期 降低燃烧的最高温度 相 应的可降低n o x 的排放量 2 2 2 2 不同喷射压力对柴油机n o x 排放的影响 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 大量的试验研究表明 喷 射压力的提高 对降低柴油机的排气烟度有明显的效果 但对柴油机n o x 的排放特 性的影响比较复杂 下面从高压喷射对喷雾内过量空气系数 着火滞燃期和初期放热 规律等三方面予以分析 喷射压力对喷雾内过量空气系数的影响 根据燃料喷雾的动量理论分析 喷雾的贯穿距离x m m 与喷雾内的过量空气系 数九 k g k g 有以下关系 上海海事大学硕士学位论文 船用柴油机n o x 捧放及其检铡 j 2 c a p p a 五0 4 2 5 貉 o g 回 k l 岛一厂 a 2 o 425 p p 3s厍 x 2 17 2 一p 一 k n c p f d 其中 a p m p a 为燃油喷射压力与背压之差 t 为喷油开始的时间 d 为喷孔直经 p 为空气密度 pf 为燃油密度 c 为喷孔流量系数 x 为燃油喷油 贯穿距离 九为喷雾内过量空气系数 l m 为理论空气量 从公式 2 1 6 可知 在其它条件保持不变时 喷射距离与喷孔直经和喷射压力都 成正比 从公式但 1 7 可知 当其它条件保持不变时 喷雾内的过量空气系数与喷孔 直经成反比 如果提高喷射压力 贯穿距离将增加 为保持喷雾的形状与燃烧室保持 较好的配合 应保持一定的喷射距离 因此必需减小喷孔的直经 由公式 2 1 6 可知 喷雾内的过量空气系数会增加 由2 1 节分析可知 喷雾内过量空气系数增大将造成 燃烧室内n o x 生成量增加 相应增加了柴油机n o x 排放量 2 喷射压力与着火滞燃期和燃烧初期放热率的关系 对于燃油喷射压力超过2 0 m p a 以上的柴油机 除了压缩终点压力特别低以外 喷射压力对滞燃期无明显的影响 滞燃期主要受压缩终点温度的影响 燃烧初期的放热率与燃烧初期被烧掉的燃料数量成正比 初期烧掉的燃料多 燃 烧初期的放热量多 燃烧的最高温度高 反之 燃烧的最高温度较低 燃烧初期能被 烧掉的燃科量 k 曲可用下式表示 m 1 0 5 p 竺 鱼 生 工 2 18 r 一 厶 其中 p 为空气密度 p f 为燃油密度 x 为燃油喷油贯穿距离 空气量 将公式 2 1 6 代入公式 2 一1 8 可得出以下关系 吩 i 1 l 乃1 1 i t s c p 尸 f 5 h 为理论 2 1 9 其中 t 为燃烧的滞燃期 一为正比符号 在公式 2 1 9 中 因为 喷孔流量系数c 喷孔直径d 和滞燃期t 在喷射压力变 化时 可认为不变化 因此公式2 1 9 可简化为 坼毗 p o 2 2 0 从公式但 2 0 可知初期烧掉的燃油量与喷射压力成正比 喷油压力越大 初期烧 掉的燃油量越多 燃烧室的最高燃烧温度越高 同期生成的n o x 的数量越多 反之 生成的n o x 的数量较少 2 2 2 3 不同燃油喷射规率对柴油机n o x 排放的影响 由于直喷柴油机流动损失和散热损失较小 具有较高的热效率 最高可达5 5 因此 船用柴油机都采用直喷柴油机 但是 由于壹喷柴油机的燃烧粗暴 具有较高 的最大爆发压力和较高的最高燃烧温度 因此燃烧过程中生成的n o x 数量较多 下 面就不同供油 喷油 提前角和供油 喷油 规律对柴油机n o x 排放特性影响做以阐述 1 2 上海海事大学硕士学位论文船用柴油机n o x 捧放及其检铡 1 供油 喷油 提前角与n o x 生成量的关系 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 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 在其它条件保 持不变时 加大喷油提前角 就是在发火前喷入气缸较多的燃油 很显然在发火前形 成的预混合气体增多 这样会造成燃烧初期的燃烧粗暴 也就是预混合燃烧较强 提 高气缸内最高的燃烧温度 这样生成的n o x 较多 反之 减少喷油提前角就是降低 了预混合燃烧的强度 将有较少的n o x 生成 图2 5 给出了某一直喷柴油机在不同 的喷油提前角时 n o x 的排放规律 n o p p m 2 i 一一 吵 一 一一 一 二一 一 一 o4l1 2 图2 5l 较低的负荷2 满负荷 曲柄l 季角堰 从图2 5 可见 不论是在满负荷还是在部分负荷的条件下 随着喷油提前角的增 加 n o x 的排放量都增加 2 供油 喷油 规律与n o x 生成量的关系 喷油泵单位凸轮轴转角的供油量 d g 枷m 随凸轮轴转角m 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 d g 羽m 随凸轮轴转角m 的变化规律称喷 油规律 为保持直喷柴油机较高的热效率 同时克服其最高燃烧温度高 n o x 排放量大 的缺点 使柴油机n o x 的排放量达到m a r p o l 公约规定的排放标准 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 在 现代船用柴油机中 普遍采用的喷油系统为柱塞泵式 最近还出现了共轨式喷油系统 下面就这两种喷油系统在不同结构和负荷下的n o x 排放特性予以分析 柱塞泵式喷射系统是现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 喷油器是液压启阀式 其影响喷油规律的因素主要包括 凸轮线形 柱塞直经 喷油 器喷孔直经 柴油机负荷等 在喷油泵的其它参数相同时 凸轮的型线有陡缓之分 形线越陡 柱塞上行速度 越大 供油率越大 如图2 6 所示 柴油机滞燃期和燃烧初期喷入的燃油较多 会产 生较高的最高燃烧温度 n o x 的生成量较多 因此在设计凸轮的型线时 在满足喷 上海海事大学硕士学位论文 船用柴油机n o x 捧放及其捡铡 油压力的前提下 应适当选取凸轮型线的陡缓 轮平 凸轮转角 图2 6 不同凸轮喷油率的比较 在其它条件保持不变时 如果增大柱塞的直径 供油率增大 提高了供油初期的 供油量 很显然会造成n o x 的生成量增加 如果改变喷油器喷孔的直径 假设增大 喷孔的直径 从公式 2 1 8 可知 当发火时 满足燃烧条件的预混合气的数量增加 初期燃烧粗暴 最高的燃烧温度较高 生成的n o x 较多 柴油机靠改变喷入气缸的燃油量来调整负荷 柱塞式喷油泵按调节喷油量规律的 不同有三种形式 即 始点调节式 终点调节式和始终点调节式喷油泵 其调节方式 如图2 7 所示 t d ct d c t d c b t 夕 箍 工0 l 卜一 a 踮彳 乞彩f 翌 串擎 工 6 川li 1l 2 卜 图2 7 柱塞式喷油泵喷油量调节规律 图中a a 1 a 2 a 3 为供油始点 b b l b 2 b 3 为供油终点 s l s 2 s 3 为有效行程 a a l a 2 a 3 为几何供油提前角 不同负荷的调整是通过改变喷油持 续期的长短来完成的 增加负荷时 加长喷油持续期 减小负荷时 缩短喷油持续期 对于终点调节的柴油机 在各种负荷下 其供油提前角和决定n o x 排放特性的预混 合燃烧的强度均相同 因此n o x 的质量排放量不变 转速保持不变 对始点调节和始 终点调节的柴油机来说 负荷不同喷油提前角不同 其喷油提前角的最大值出现在负 荷最大时 因此 其n o x 排放量最多时 也就是其负荷最大时 共轨式燃油喷射系统又称电控喷射系统 是蓄压式喷射系统 这种喷射系统始于 7 0 年代 9 0 年代末已应用于实船上 共轨式喷射系统克服了传统的机械式喷油系统 的缺点 采用当今先进的电子控制和计算机技术 按柴油机不同的工作状况 按预先 或实时计算的最佳方案 控制喷油器的喷油动作 对柴油机的喷油提前角和喷油规律 进行控制 使柴油机一直保持在最佳的经济性和排放要求的运行状态下 其详细情况 1 4 上海海事大学硕士学位论文 船用柴油机n o x 捧放及其检铡 将在下节讨论 2 2 3 柴油机进气条件对n o x 排放的影响 根据柴油机进气形式的不同 可分为增压柴油机和非增压柴油机 为降低柴油机 的单位重量 现代柴油机普遍采用增压进气的方式 提高气缸进气的压力 使进入气 缸的空气密度增加 从而可增加喷入气缸的燃油量 达到提高柴油机的平均有效压力 的目的 按增压压力的不同 可分为低增压 中增压 高增压和超高增压柴油机 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0 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2 2 1 节 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 如图2 8 所示 龃皿 从图2 8 中可见 柴油机在增压后功率提高 但同时n o x 的排量也增加了 如 图中1 和2 所示 由2 1 节的分析可知 最高燃烧温度越高 生成n o x 的数量越多 当进气的温度每下降1 0 c 柴油机的平均循环温度将降低2 5 因此 降低柴油机的 进气温度能有效地降低循环的平均温度 也就是能有效地降低循环的最高燃烧温度 从而降低柴油机n o x 的质量排放量 柴油机增压压力相同 且具有相同的输出功率 的情况下 对增压空气进行中间冷却将比不进行冷却能明显地降低n o x 的排放量 如图中的2 和3 所示 从图2 8 中的3 和4 还能看出 随着增压压力的增高 随着输 出功率的增加 n o x 的排放量也随之增加 上海海事大学硕士学位论文 船用柴油机n o x 捧放及其检测 2 3 减少n o x 排放量的途径 为了满足制定的 防止船舶造成空气污染规则 要求 必须对船用柴油机废气排 放进行有效的控制 通常有两种途径 一是从根本上改善燃烧特性和降低燃油中的含 硫量 使柴油机少产生上述有害气体 通过调整与燃油燃烧有关的各组件结构或参数 的数值 降低燃烧最高温度及持续期 减少高温区的过量空气系数 从而减少n 0 x 的生产量 达到降低排放的要求 其二是通过对柴油机排气的后处理 以降低废气直 接派入大气的程度 通过排气后处理技术 分解 氧化或还原排气中的n 0 x 从而达 到降低柴油机n 0 x 排放量的目的 下图显示了目前在降低排放方面的主要技术成果 图2 9 船用柴油机排放控制技术 2 3 1 减少缸内n o x 的生成量 从前两节关于n o x 生成机理和影响因素的分析可知 减少柴油机缸内n o x 生成 量的措施主要是降低缸内燃烧的最高温度 缩短最高温度的持续期 降低高温区或高 温时刻的过量空气系数 达到减少n o x 生成量的目的 本节重点介绍目前较为先进 的 广为各柴油机制造厂家采用的降低船用柴油机n o x 排放量的主要技术措施 它 们包括 延迟喷射 运用排气再循环技术降低过量空气系数 共轨式燃油喷射系统 燃烧室内喷水等 2 3 1 1 延迟喷射 从2 2 2 3 节中关于喷油提前角与n o x 的关系可知 增大喷油提前角 发火前 喷入气缸的燃油量多 爆燃严重 最高的燃烧温度较高 n o x 的生成量较多 反之 n o x 的生成量较少 因此减小喷油提前角 可减少缸内n o x 的生成量 减小喷油提 前角 虽然会使燃烧的最高温度降低 n o x 的生成量减少 但会造成后燃严重 排 温提高 柴油机的热效率下降 因此 为了在降低n o x 排量的同时 保持柴油机较 上海海事大学硕士学位论文 船用柴油机n o x 捧放及其检测 高的热效率 在减小喷油提前角的同时 配合提高压缩比的技术措施 来满足要求 柴油机的压缩比是指气缸总容积和气缸压缩室容积的比值 由于柴油机是压燃式内燃 机 保证一定的压缩比 是保证柴油机正常发火运行的前提 因此 一般船用增压柴 油机的压缩比在1 4 1 6 之间 从2 1 的分析可知 柴油机燃烧的最高温度及持续期 是生成n o x 的主要条件 为减少n o x 的生成量 应尽可能保证柴油机在具有较高的 热效率的前提下 降低燃烧的最高温度 从而缩短滞燃期 降低燃烧的最高温度 降 低滞燃期可通过改善燃烧品质 提高可燃混合气的形成质量和提高缸内温度等措施来 实现 而提高压缩比 最高可达1 9 2 0 可不同程度地提高压缩终点的温度和可燃混合 气体的形成质量 这样在保证发火点不变的情况下 适当地减小喷油提前角 这样可 减少滞燃期内喷入气缸的油量 降低最高燃烧温度 使柴油机的热循环接近定压循环 在配合增加压缩比而减小喷油提前角技术措施的同时 为了满足柴油机在各工况下都 能在保持较高热效率的前提下 降低n o x 的排放量 提供了可交排气阀正时机构 通过调节不同工况的排气阀正时 满足降低柴油机n o x 排放的需要 2 3 1 2 运用排气再循环技术降低柴油机n o x 的排放量 排气再循环 e g r 是指让柴油机一部分排气回流到进气管 与新鲜空气混合后进 入气缸作为工质参加气缸内的热循环 柴油机燃烧室中氧气的浓度较高 允许也需要 较多的再循环排气来降低n o x 的排放 一般情况 直喷柴油机的再循环量可以超过 迸气总量的6 0 非直喷式柴油机的排气再循环量可达3 0 排气再循环的作用之 一是能降低燃烧室内的过量空气系数 按照2 1 节的分析可知 过量空气系数降低会 减少缸内n o x 的生成量 这是降低柴油机n o x 排放的主要方面 作用之二是形成较 稀的混合气 使燃烧初期的燃烧强度降低 从而降低燃烧的最高温度 从而减低缸内 n o x 的生成量 2 3 1 3 采用共轨式燃油喷射系统 共轨式燃油喷射系统是区别于柱塞泵式喷射系统的全新的燃油喷射系统 系统主 要由唯一的高压油泵 共用的高压燃油管 喷射控制单元 喷射执行单元和喷油器等 组成 图2 1 0 示出了一种应用于实船的共轨式燃油喷射系统 图2 1 0 共轨式燃油喷射系统 与常规喷油系统相比 如图2 l l 所示 共轨式喷油系统在各种工况下能保持供油 压力不变 1 7 上海海事大学硕士学位