降低船舶柴油機(jī)NOx與煙度排放影響的試驗(yàn)研究

李加亮

摘要：本文通過(guò)試驗(yàn)改變柴油機(jī)噴油正時(shí)和壓縮比，尋找降低柴油機(jī)NOx同時(shí)不致使煙度排放大量增加的方法。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī) NOx 煙度 試驗(yàn)

柴油機(jī)作為船舶動(dòng)力以來(lái)，其造成的大氣環(huán)境污染就已經(jīng)開始。船舶柴油機(jī)排放的有害物數(shù)量巨大，并且污染的程度隨著水上運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展而日益嚴(yán)重。為有效地控制船用柴油機(jī)的排放，國(guó)際海事組織（IMO）制定了船用柴油機(jī)NOx排放的限制標(biāo)準(zhǔn)即《MARPOL73/78防污染公約》附則Ⅵ-“防止船舶造成空氣污染規(guī)則”。有效控制柴油機(jī)NOx排放的方法有很多，但就目前的情況看，改變柴油機(jī)噴油正時(shí)和壓縮比，是應(yīng)用最多、最廣泛的方法。由于煙度排放的機(jī)理與NOx不同，在降低NOx排放的同時(shí)往往引起煙度排放的增加。

1.船用柴油機(jī)排放控制要求

國(guó)際海事組織（IMO）出臺(tái)的“MARPOL73/78防污染公約”附則Ⅵ—防止船舶造成大氣污染規(guī)則于2006年8月23日對(duì)我國(guó)生效，適用于國(guó)際航行船舶。規(guī)則對(duì)柴油機(jī)NOx的排放作了限制，IMO還通過(guò)了一個(gè)強(qiáng)制氮氧化物技術(shù)規(guī)則，即MEPC.103（49）決議。

對(duì)國(guó)內(nèi)航行船舶，相關(guān)船檢法規(guī)也對(duì)船舶柴油機(jī)的NOx排放進(jìn)行規(guī)定。對(duì)于新建船舶，其柴油機(jī)的NOx的排放量（按總的NOx加權(quán)排放量計(jì)算），當(dāng)柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速n<130r/min時(shí)，NOX的排放量不大于14.4g/kWh；當(dāng)130r/min≤n<2000r/min時(shí)，NOx的排放量不大于44n-0.23g/kwh；當(dāng)n≥2000r/min時(shí)，NOx的排放量不大于7.7g/kWh。

2.NOx排放的影響因素

柴油機(jī)排放污染物的成份基本由兩種組成：一是燃料完全燃燒后的產(chǎn)物，基本成份是CO₂、SO₂和H₂O，還有剩余的空氣等，這些氣體除SO₂外對(duì)人體和生物不會(huì)造成直接的危害。另一種屬于燃料不完全燃燒的產(chǎn)物和有害的氧化物，它們包括CO、未燃碳?xì)銱C、NOx微粒子（碳煙、高沸點(diǎn)可溶性碳?xì)浜豌U化物）、O₃、甲醛、丙烯醛和未燃醇等。后一種排放物具有毒性和強(qiáng)烈的刺激性，在一定程度都會(huì)對(duì)人體和生物造成直接危害，部分成份（如微粒子）具有致癌作用。

影響NOx排量的因素很多，其中氣缸內(nèi)的最高燃燒溫度和混合空氣量是主要因素。燃燒溫度越高，NOx產(chǎn)量越大。燃燒氣體的后壓縮是燃燒過(guò)程中影響NOx生成的一個(gè)重要因素。當(dāng)燃料燃燒后達(dá)到高溫，如果這些氣體進(jìn)一步被壓縮就會(huì)達(dá)到更高的壓力和溫度，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生更多的NOx。

3.試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)按照IMO《船用柴油機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則》推薦的試驗(yàn)程序，在發(fā)電機(jī)工況下改變噴油正時(shí)和氣缸壓縮比，尋找出NOX排放率與煙度排放的變化規(guī)律。

試驗(yàn)是在一臺(tái)東風(fēng)4135G非增壓高速四沖程柴油機(jī)上進(jìn)行的，其屬于直列水冷式柴油機(jī)，淺W型直噴式燃燒室。試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)如圖1所示。

4.試驗(yàn)方案

（1）噴油正時(shí)和壓縮比的調(diào)整方法

對(duì)于噴油正時(shí)的調(diào)整采用整機(jī)總調(diào)法，通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸與噴油泵軸的聯(lián)軸節(jié)分別將噴油正時(shí)調(diào)定在上止點(diǎn)前24°（CA）、28°（CA）和32°（CA）三個(gè)位置。對(duì)于壓縮比的調(diào)整則是通過(guò)調(diào)節(jié)氣缸墊床的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，本試驗(yàn)中氣缸墊床的厚度分別為1.0mm、0.5mm，其對(duì)應(yīng)的壓縮比分別為16.5、17.4。

（2）試驗(yàn)循環(huán)

分別調(diào)整柴油機(jī)的噴油正時(shí)和壓縮比，令柴油機(jī)起動(dòng)后穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，按IMO《船用柴油機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則》推薦的發(fā)電機(jī)工況試驗(yàn)循環(huán)（D2循環(huán)）測(cè)量各工況點(diǎn)的柴油機(jī)性能參數(shù)和排放參數(shù)值。

5.試驗(yàn)結(jié)果分析

讓柴油機(jī)分別在發(fā)電機(jī)工況下工作，按試驗(yàn)循環(huán)要求調(diào)整好各工況點(diǎn)在，不同的噴油正時(shí)（β）和壓縮比（ε）下進(jìn)行試驗(yàn)，得出結(jié)果如表1。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，利用簡(jiǎn)單碳平衡法分別計(jì)算出各試驗(yàn)工況點(diǎn)的NOx排放的工況比排放和各試驗(yàn)循環(huán)的NOx加權(quán)比排放。可以得出，當(dāng)柴油機(jī)的噴油正時(shí)延后、壓縮比不變或噴油正時(shí)延后與壓縮比增大時(shí)，柴油機(jī)的NOx排放均得到減少，但是在壓縮比增大時(shí)，NOx加權(quán)比排放減小的幅度變小；當(dāng)柴油機(jī)的噴油正時(shí)提前、壓縮比不變，噴油正時(shí)不變、壓縮比增大或噴油提前角與壓縮比同時(shí)增大時(shí)，柴油機(jī)的NOx比排放均增加，尤其是噴油提前角與壓縮比同時(shí)增大時(shí)，NOx比排放增大的幅度最大。然而，當(dāng)柴油機(jī)的噴油正時(shí)或壓縮比改變時(shí)，柴油機(jī)的煙度排放與NOx排放會(huì)是怎樣的關(guān)系呢？表1可以看出，在將噴油正時(shí)延后，在NOx排放得到降低，伴隨著煙度會(huì)大量增加。如果在噴油正時(shí)延后的同時(shí)增加壓縮比，就可以在降低NOX排放的同時(shí)，又可以降低煙度排放增加量。通過(guò)計(jì)算可以得到，在β=24°和ε=17.4時(shí)，柴油機(jī)NOX的加權(quán)比排放在發(fā)電機(jī)工況下減少18.35%。因此，采用延后噴油正時(shí)與提高壓縮比相結(jié)合的技術(shù)調(diào)整方案，可以減少柴油機(jī)的NOx的排放率，同時(shí)又不會(huì)使煙度的排放大量增加。

6.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)可以得出如下結(jié)論：降低柴油機(jī)的NOx排放率的有效途徑是利用噴油正時(shí)的延后來(lái)實(shí)現(xiàn)低溫燃燒以降低NOx排放率。在噴油正時(shí)延后4°和壓縮比提高5.5%時(shí)，可使柴油機(jī)在發(fā)電機(jī)工況下的NOx加權(quán)比排放分別減少18.35%，但煙度稍有增加。本試驗(yàn)所采用的設(shè)備為非增壓四沖程直噴式柴油機(jī)，試驗(yàn)燃料為輕柴油。而對(duì)于現(xiàn)在船舶所采用的高增壓船用柴油機(jī)和重質(zhì)或劣質(zhì)燃油，在采取改變噴油正時(shí)和壓縮比的技術(shù)方案時(shí)，能否有效降低NOx及煙度排放濃度尚需進(jìn)一步研究。