小型船用柴油機(jī)排放控制的措施研究

孔曉麗 宋 巖

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程系，江蘇南通 226010）

柴油機(jī)排出的廢氣是主要的大氣污染源之一。由于大氣污染日益嚴(yán)重，人類生存環(huán)境的日趨惡化，故對(duì)柴油機(jī)排放物的限制也越來越嚴(yán)格［1］。在航運(yùn)發(fā)達(dá)的國(guó)家（如挪威），在總的大氣污染中，NOX排放的40%～50%來自船舶。尤其是在港口和航線密集的海區(qū)，如英吉利海峽，船舶排放的廢氣可能是該地區(qū)的主要污染源。與此同時(shí)，為了降低營(yíng)運(yùn)成本，柴油機(jī)燃用非常劣質(zhì)的燃料油，SOX亦隨之增加。目前船用柴油機(jī)SOX的排放量平均在12g／kW·h左右，每年大約有850萬噸的SOX直接排入大氣［2］。可見，船舶柴油機(jī)的排放是影響全球空氣質(zhì)量和環(huán)境的重要因素之一。所以，如何降低其對(duì)環(huán)境的污染是當(dāng)前柴油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)中除了如何提高可靠性及降低燃油消耗和燃用高粘度低品質(zhì)燃油之外的一個(gè)最顯著的標(biāo)志。在未來的幾年中，船舶柴油機(jī)技術(shù)研究開發(fā)的重點(diǎn)將是降低柴油機(jī)有害排放物而又不降低柴油機(jī)的熱效率。

1 我國(guó)對(duì)船用柴油機(jī)排放的控制

目前我國(guó)船用柴油機(jī)方面所使用的標(biāo)準(zhǔn)是GB267－87及其排放試驗(yàn)方法GB8189－87，當(dāng)平均有效壓力Pe＞300kPa時(shí)，NOX排放限值如表1所示［3］。

表1 我國(guó)船用柴油機(jī)NOX排放限值（GB267－87）

2 Z6150ZLCZ－5型柴油機(jī)的改進(jìn)措施與參數(shù)調(diào)整

2.1 燃燒室的形狀與參數(shù)

燃燒室形狀確定為縮口ω形，喉口直徑與氣缸直徑為86.4／150，中間凸起的錐角為方案137°，壓縮比為14，唇口厚度為7mm。如圖1所示：

圖1 燃燒室的形狀與參數(shù)

2.2 供油系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整

2.2.1 供油系統(tǒng)優(yōu)化方向

柴油機(jī)噴油系統(tǒng)匹配試驗(yàn)對(duì)于柴油機(jī)的整體排放性能具有重大的影響，由于柴油機(jī)使用量大面廣，因此對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排污、噪聲等各項(xiàng)性能指標(biāo)都有嚴(yán)格的要求。柴油機(jī)的性能取決于進(jìn)氣系統(tǒng)、燃燒室結(jié)構(gòu)和噴油系統(tǒng)三方面的正確匹配。當(dāng)柴油機(jī)的總體結(jié)構(gòu)、加工工藝基本確定后，噴油系統(tǒng)與柴油機(jī)的良好匹配就成為取得良好綜合性能指標(biāo)的關(guān)鍵。隨著柴油機(jī)向直噴化方向發(fā)展，對(duì)噴油系統(tǒng)的要求也越來越高。

供油系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化是為了在氣缸內(nèi)組織低排放燃燒。為了達(dá)到低排放、低油耗、低噪聲的燃燒，根據(jù)PM和NOX形成的基本原理，在預(yù)混合燃燒期，為了限制初始的NOX形成，只能由很少量的燃油參加燃燒；在擴(kuò)散燃燒期，為了減少再次形成的碳煙，燃油和空氣必須充分混合；在后燃期，為了使碳煙氧化，需加強(qiáng)殘余空氣與燃?xì)獾幕旌喜⒖焖俳Y(jié)束燃燒。初期緩慢、中期急速、后期快斷噴油規(guī)律可以實(shí)現(xiàn)這樣的低排放燃燒。常規(guī)的機(jī)械噴油系統(tǒng)，較難實(shí)現(xiàn)這樣的噴油規(guī)律，但是它為供油系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化提供了方向。本文正是遵循這個(gè)方向，合理匹配供油系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)，組織缸內(nèi)燃燒，探索降低排放的方法措施［4］。

2.2.2 供油提前角的調(diào)整

選擇合適的供油提前角可以有效地降低柴油機(jī)有害物的排放，是目前機(jī)內(nèi)降低柴油機(jī)排放的最有效手段之一。供油提前角的改變，將引起噴油背壓、溫度、流動(dòng)狀態(tài)及活塞位置的變化，甚至影響整個(gè)燃燒過程，最終影響柴油機(jī)的排放和經(jīng)濟(jì)性。噴油定時(shí)提前，會(huì)導(dǎo)致NOX生成量增加；而推遲噴油定時(shí)，雖然抑制了NOX的生成，但勢(shì)必會(huì)造成柴油機(jī)的耗油率上升，與此同時(shí)，可能會(huì)增加CO的排放，使排氣溫度上升。若噴油定時(shí)過度推遲，會(huì)造成油耗極度惡化，排氣溫度過度升高。所以，要在一定范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)整噴油定時(shí)，才能平衡柴油機(jī)的動(dòng)力性能、排氣溫度及經(jīng)濟(jì)性能。

在Z6150ZLCZ－5型柴油機(jī)上，選擇了13°C A、14°C A、15°C A、16°CA 四種供油提前角作對(duì)比實(shí)驗(yàn)以確定其對(duì)排放及油耗的影響。

2.2.3 啟噴壓力的調(diào)整

啟噴壓力是指高壓油管內(nèi)燃油為克服針閥上面的彈簧的預(yù)緊力而需要的壓力，這種壓力，一方面對(duì)于保證燃油的噴霧質(zhì)量、加強(qiáng)油氣的混合、改善燃燒有重要的作用，同時(shí)也可以避免針閥落座后又第二次開啟形成重復(fù)噴射。但啟噴壓力太高，容易產(chǎn)生噴油量不穩(wěn)定的問題，必須要加大齒條位置，提高循環(huán)供油量，提高嘴端壓力后才能滿足要求，大負(fù)荷常發(fā)生扭矩下降功率上不去等問題。

所以，適當(dāng)?shù)靥岣邌妷毫?，能使剛開始噴入氣缸的燃油在較高的壓力下噴入，較快的將燃油噴入氣缸，縮短燃油噴射持續(xù)期，形成晚開早關(guān)的局面。同時(shí)噴油壓力適當(dāng)提高，也可以使燃油在噴嘴處的噴出速度提高，這種與缸內(nèi)氣體的相對(duì)速度的提高也能改善預(yù)混合燃油的霧化質(zhì)量，細(xì)化霧滴的顆粒，從而改善燃燒，降低碳煙等污染物的排放量。

2.2.4 最高允許海水溫度

船用柴油機(jī)NOX的排放測(cè)試試驗(yàn)中，符合限制的參考海水溫度是25℃，但同時(shí)需考慮船舶熱交換器引起的附加溫度。作為冷卻介質(zhì)的海水溫度，出廠的柴油機(jī)技術(shù)案卷中也有明確的限定，為了體現(xiàn)出NOX在最惡劣條件下的排放情況，海水溫度應(yīng)保持在最大限值。Z6150ZLCZ－5型機(jī)最高允許的海水溫度為32°C。為了了解海水溫度對(duì)NOX排放的影響，本文對(duì)海水溫度25°C和32°C時(shí)的NOX排放作對(duì)比。

2.2.5 增壓器的匹配

為柴油機(jī)選配增壓器時(shí)，一般應(yīng)該滿足下列要求［5］：

（1）柴油機(jī)應(yīng)能達(dá)到預(yù)定的功率和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。渦輪增壓器應(yīng)能供給柴油機(jī)所需的增壓壓力和空氣流量。

（2）渦輪增壓器應(yīng)能在柴油機(jī)的各種工況下穩(wěn)定地工作，壓氣機(jī)不應(yīng)該出現(xiàn)喘振或堵塞現(xiàn)象。

（3）渦輪增壓器應(yīng)該在柴油機(jī)的各種工況下都能高效率地運(yùn)行。柴油機(jī)和渦輪增壓器的聯(lián)合運(yùn)行線應(yīng)穿過壓氣機(jī)的高效率區(qū)，且盡可能和壓氣機(jī)的等效率曲線平行。

（4）渦輪增壓柴油機(jī)在各種工況下都能可靠地工作。如渦輪增壓器在柴油機(jī)滿負(fù)荷時(shí)不出現(xiàn)超速，柴油機(jī)不出現(xiàn)超溫，因而渦輪進(jìn)氣不超溫等。

增壓器和柴油機(jī)在運(yùn)行時(shí)各自性能的相互影響以及相互之間的配合對(duì)整機(jī)性能將產(chǎn)生深刻影響。在兼顧動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的條件下，為降低柴油機(jī)的排放，應(yīng)提高渦輪增壓器的效率、增大空氣的供給量、用比較大的過量空氣系數(shù)組織燃燒，以降低碳煙排放，同時(shí)使最高燃燒溫度不致過高，以抑制NOX的生成。Z6150ZLCZ－5型柴油機(jī)選用大同北方天力增壓器有限公司生產(chǎn)的H110A型增壓器。

3 試驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)用船用柴油機(jī)的主要參數(shù)

供試驗(yàn)用的為Z6150ZLCZ－5型柴油機(jī)，主要參數(shù)如下：

氣缸直徑：150mm；活塞沖程：190mm；持續(xù)功率：240kw；持續(xù)轉(zhuǎn)速：1000r／min；活塞平均速度：6.33m／s；平均有效壓力：1.429MPa；渦輪前排氣溫度：≤600℃；發(fā)火順序：1－5－3－6－2－4；旋轉(zhuǎn)方向；逆時(shí)針；起動(dòng)方式：電馬達(dá)起動(dòng)；質(zhì)量：2500kg。

3.2 試驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h3>

本次試驗(yàn)?zāi)Ｊ奖?所示：

表2 試驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

3.2.1 調(diào)節(jié)供油提前角的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將13°C A、14°C A、15°C A、16°CA幾種供油提前角作對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示：

由圖2分析可見，氣缸最大爆發(fā)壓力、NOX排放量隨供油提前角的增大而增大，而煙度和油耗隨供油提前角的增大而降低。

圖2 供油提前角對(duì)NOX排放、碳煙和燃油消耗率的影響

在柴油機(jī)上推遲噴油提前角可以有效地抑制NOX的排放，該方法簡(jiǎn)單易行。但發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率和PM排放會(huì)惡化。柴油機(jī)噴油時(shí)間延遲使NOX排放量下降的主要原因有兩個(gè)：一是使燃燒過程遠(yuǎn)離上止點(diǎn)進(jìn)行，燃燒等容度下降，因而燃燒溫度下降；二是越接近上止點(diǎn)噴油，缸內(nèi)空氣溫度越高，燃油一旦噴入缸內(nèi)便很快蒸發(fā)混合并著火，即滯燃期可以縮短，燃燒初期的放熱速率降低，導(dǎo)致燃燒溫度降低。這兩種原因都起到了抑制NOX生成的作用。但過分推遲噴油提前角，NOX排放反而上升。這主要是由于滯燃期的過分延長(zhǎng)，使燃燒初期的放熱速率反而大幅度上升所導(dǎo)致。因此，這種推遲是有限的，過分推遲，往往會(huì)犧牲燃油經(jīng)濟(jì)性并增加PM排放。

考慮到NOX的排放限制同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性，該機(jī)噴油提前角確定為13°～15°CA。

3.2.2 調(diào)節(jié)啟噴壓力的試驗(yàn)結(jié)果分析

將啟噴壓力P0＝25.5MPa提高到P0＝27MPa作對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示：

圖2 啟噴壓力對(duì)NOX排放、碳煙和燃油消耗率的影響

由圖3看出，啟噴壓力為27MPa時(shí)，各試驗(yàn)?zāi)Ｊ綔y(cè)得的NOX和煙度排放量均低于啟噴壓力25.5MPa時(shí)的各值，但是降低的幅度不大。因此，在試驗(yàn)過程中，適當(dāng)?shù)靥岣邍娮靿毫?，不僅可以改善燃油霧化質(zhì)量，降低NOX和碳煙的排放，還會(huì)降低燃油的消耗率。

3.2.3 海水溫度對(duì)柴油機(jī)NOX排放的影響

供油提前角為15°CA，對(duì)海水溫度為25°C和32°C時(shí)，NOX的排放試驗(yàn)作對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 海水溫度對(duì)NOX排放的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，32℃時(shí)測(cè)得各試驗(yàn)?zāi)Ｊ较翹OX排放的數(shù)值都高于25℃。海水的溫度不同，柴油機(jī)循環(huán)冷卻水的溫度就不同，海水的溫度降低，柴油機(jī)循環(huán)冷卻水的溫度也相應(yīng)降低，在同樣的試驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，降低冷卻水的溫度將會(huì)加強(qiáng)柴油機(jī)的冷卻，也使得缸內(nèi)進(jìn)氣后溫度略有降低，燃燒最高溫度也隨之降低，導(dǎo)致NOX生成量降低。

4 結(jié) 語

通過對(duì)改進(jìn)后的Z6150ZLCZ－5型船用柴油機(jī)排放測(cè)試結(jié)果分析，表明該船用柴油機(jī)的排放已經(jīng)全面達(dá)到了相關(guān)的排放標(biāo)準(zhǔn)，說明對(duì)該機(jī)型所作的各方面改進(jìn)取得了預(yù)期效果

1 孫培廷，李斌.船舶柴油機(jī)［M］.大連海事大學(xué)出版社，2002.

2 黃加亮，李品芳，陳景鋒.船舶柴油機(jī)有害排放對(duì)大氣環(huán)境的影響及其減輕措施［J］.交通環(huán)保，1991（6）：33－37.

3 中華人民共和國(guó)船舶檢驗(yàn)局譯.國(guó)際海事組織修訂73／78防污公約的1997年議定書73／78防污公約1997年締約國(guó)大會(huì)決議［M］.人民交通出版社，1999.

4 蔣德明.內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放學(xué)［M］.西安交通大學(xué)出版社，2001.

5 周玉明.內(nèi)燃機(jī)廢氣排放及控制技術(shù)［M］.人民交通出版社，2001.