船用柴油機低氮/無氮燃燒技術理論探究

黃宇

摘 要：隨著國際組織對柴油機廢氣排放要求不斷提高，目前船用柴油機的廢氣處理技術研究成為全球熱點。特別是在氮氧化物排放方面尤為突出，也成為船用柴油機的技術突破難點。目前，減少內燃機氮氧化物排放的研究主要有機前、機內和機后優化等。當前的SCR和EGR技術等，由于技術的局限性難以在船上得以推廣。基于柴油機缸套內的燃燒化學反應機理，探討從源頭（反應物濃度），以低氮/無氮燃燒技術控制氮氧化物生成的可行性。

關鍵詞：化學反應機理；柴油機；減排；低氮；無氮

中圖分類號：U262.11 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）23-0050-02

引言

隨著全球化進程的日益加快，航運業快速發展的同時也面臨著巨大的挑戰。環境的日益惡化，引起了人們對排放的日益關注。國際海事組織加強對船舶柴油機排放控制，尤其是氮氧化物的排放成為關注焦點。2016以后的NOx排放控制區域與2020以后全球范圍，船舶氮氧化物的排放需達到TIER Ⅱ標準，即14.4g/kWh（轉速小于130r/min低速柴油機）。船舶氮氧化物排放優化技術的研究，成為全球熱點。通過對船用柴油機燃燒化學反應機理的研究，了解影響燃燒室內氮氧化物生成主要有三方面因素，本文從化學反應物濃度角度，提出探討在低氮氣/無氮氣進氣條件下，從理論上探究其優化柴油機燃燒和排放的可行性；并制定試驗研究方案。

1 燃燒室氮氧化物的生成

燃料燃燒引起的對大氣環境的污染，其中危害最大且又最難處理的是NOx。燃料燃燒產生的氮氧化物主要來自兩個方面：一是燃燒時空氣中帶進來的氮，在高溫下與氧反應所生成的NO；二是來自燃料中的氮經過復雜的化學反應所生成的氧化物。

燃燒過程中生成的NOX主要是指NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5……等氮氧化物的總稱。發動機排出的廢氣中，NO占絕大部分（約占90%），而其它的含量較少（約占1%），因而下面介紹NOX的生成機理時主要是指NO。在燃燒的過程中，根據燃料和燃燒條件不同，生成的NO有兩類：溫度型（熱NO和快速型NO）和燃料型[1]。

（1）溫度型NO：由于氮原子與氧原子反應的活化能相對較大，燃料分子燃燒反應優先于NOX的生成反應。即燃料燃燒后放出大量熱量，溫度上升后反應生成NO，尤其在火焰中部會產生大量溫度型NO。當火焰溫度低于1500℃時，溫度型NO生成量極少，相反其NO生成速度明顯增加，并符合阿羅尼烏斯定律。溫度高低對溫度型NO的生成起決定性作用，一般溫度越高，NO的生成越多。

（2）燃料型NO：原油中有機化合物中含有0.1%～0.3%的氮，其氮原子與各種碳氫化合物結合，鍵能約為（2.52～6.3）×107J/mol，遠低于空氣中的氮分子結合鍵能。因而在燃燒過程中有機化合物的氮原子容易分解出來，使氮原子濃度有較大的增加，從而成生成大量的NO，即為燃料型NO。

2 NOX生成速率

高溫燃燒過程中NOX的生成機理相當復雜，目前“捷爾杜維奇”（Zeldovich Mechanism）理論被廣泛接受。根據該化學反應動力學機理得到的生成NOX的化學反應速度常數數據，可以預測溫度型NO生成濃度。高溫環境下，氧原子先與空氣中的氮氣發生續鏈反應，生成NO和氮原子，接著氮原子與氧氣續鏈反應，生成NO和氧原子[2]。

在化學反應中，由于動力學存在很多不確定性，需通過簡單模型來估算反應結果?；瘜W家提出了兩種近似處理方法來簡化復合反應系統：平衡態近似法和假穩態近似法[3]。因此，通過簡單的串聯反應或平行反應過程中，將復雜過程簡單假設成單一反應，從而找出復合反應系統的近似簡單處理方法，以便對生成物和反應物求出簡單可用的解析解。

由于柴油機燃燒過程短暫，難以達到所有氧氮反應式的平衡。通過氧氮化學反應的串聯反應和平行反應近似得到單一不可逆反應（1）式來討論其解。在化學反應過程中，單位體積中反應物與生成物數量不斷地發生變化，其化學反應進行得越快，則在單位時間內，單位體積中的反應物消耗的越多，也就有更多生成物生成。因此反應物和生成物的濃度隨時間的變化率來表示化學反應速率。

3 研究模型的建立

根據燃油燃燒化學反應機理可知，船用柴油機NO生成主要受環境溫度、環境中氧氮濃度、及高溫環境停留時間長短影響。當前可通過燃油噴射系統（燃油加水乳化、添加劑添加，燃油噴射時刻、噴射壓力、噴射次數等噴油規律）優化，氣閥定時優化，進氣噴水加濕，煙氣回收增加進氣中惰性氣體成分，柴油機缸內直接噴水等措施，改變缸內燃料燃燒過程以影響放熱規律，從而控制缸內最高溫度以減少NOX排放，但此類方法均需以犧牲柴油機經濟性為代價。此外，還可通過煙氣催化還原（SCR）、煙氣捕集技術（LNT）、碳素纖維加載低電壓技術等后處理技術，能有效減少NOX排放。但其在船舶上的應用安裝和管理技術問題難以解決，未能得到推廣應用。本文確定實驗方案，以一定濃度的氧氣和二氧化碳取代進氣中的氮氣，研究柴油機在不同比例混合氣中燃燒和排放。

（1）理論研究

柴油機燃燒化學反應非常復雜，為研究方便，通常選取燃燒基元為研究對象，以基元內部燃燒現象表征燃燒室燃燒情況。柴油機缸內基元所含氣體成分有：O2，N2，其它氣體分子（燃燒產物）。假設基元內O2和N2所占氣體比例為A，且其中O2所占比為B，則為N2所占比為A-B。由式（1）得，基元內氮氧化物凈生成速率r為：

（2）

對于關于B的一元二次方程[4]，k不變的前提下，NO凈生成速率r與燃燒環境中濃度比B/A直接相關，B/A越接近1/2其生成速率越大。B/A=0或B/A=1時，即全部是氧氣或全部是氮氣，無NO生成。

（2）實驗方案

針對柴油機低氮或無氮燃燒和排放性能的研究，首先研究不同組分的混合氣體對柴油燃燒性能的影響。當前，定容燃燒彈廣泛成為模擬研究柴油機活塞上止點附近噴霧和燃燒性能研究的工具[5]。通過在彈體內充入所需（低氮/無氮）的混合氣，將混合氣溫度加熱至所需溫度，再進行噴油燃燒實驗，以高速相機或激光引導等投過玻璃窗口拍攝火焰燃燒過程，為低氮/無氮燃燒性能（火焰結構、火焰形貌、溫度場分布等）的分析提供有效的依據。

由于燃燒彈內氣體成分有限，單次燃燒實驗生成的NOX難以通過普通的煙氣分析技術所得。因此，需通過柴油機的臺架實驗進行連續運轉實驗，對其在低氮/無氮燃燒工況的排氣成分進行分析監控，以滿足日益嚴格的排放要求。定容燃燒彈實驗能夠有效指導柴油機低氮/無氮燃燒實驗，而柴油機臺架實驗對其燃燒和排放性能的研究將更為深入全面。

通過氣體混合器將空氣、氧氣、二氧化碳等按不同比例進行混合，然后供給柴油機進行燃燒實驗。實驗過程中需采集柴油機的缸內壓力，供燃燒過程熱分析用，通過在線監測柴油機缸套內的燃燒工況；監測柴油機實驗過程的油耗，通過計算單位功率的油耗以評價柴油機低氮/無氮燃燒經濟性，從側面反映其燃燒性能；并采用煙氣分析儀分析排放煙氣的成分，衡量其排放是否符合要求。

4 結束語

通過對柴油機燃燒化學反應理論研究，分析缸套內NOX的生成機理，得知影響氮氧化物生成的因素有：最高燃燒溫度，高溫區停留時間長短，氮氣和氧氣的濃度等。通過降低燃燒環境中氮氣的濃度，控制氮氧化物的凈生成速率。從理論角度通過低氮/無氮燃燒技術來控制氮氧化物的生成是可行的，并進一步確定實驗方案的可行性。通過低氮/無氮燃燒技術，減少柴油機NOX的排放是可行的。在保證柴油機正常工作的前提下，優化缸套內燃燒和控制NOX排放，尋找最佳的混合氣配合工況成為技術突破難點，也是后期研究的重點。

參考文獻：

[1]周松，肖友洪.內燃機排放與控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[2]廖傳華，史勇春.燃燒過程與設備[M].北京：中國石化出版社，2008.

[3]施密特（美），羅國華.化學反應工程[M].北京：中國石化出版社，2010.

[4]顧傳青.高等數學[M].北京：科學出版社，2011.

[5]Wei zhang， Zhaohui Chen.Influence of EGR and oxygen-enriched air on diesel engine NO- Smoke emission and combustion characteristic[J].Source： Applied Energy 107（2013）304-314.endprint