船用中速主柴油機(jī)降低NOx排放試驗(yàn)分析

(中國船級(jí)社青島分社，山東 青島 266071)

國際海事組織(IMO)于2008年通過了MEPC.177(58) 《船用柴油機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則修正案(2008技術(shù)規(guī)則)》，對(duì)1997技術(shù)規(guī)則進(jìn)行了修訂，該修正案已與2010年7月1日生效，按照修正案的規(guī)定，2011年1月1日或以后建造的船安裝的船用柴油機(jī)應(yīng)符合2008技術(shù)規(guī)則Tier II的要求，并規(guī)定2016年1月1日后可要求滿足Tier III的要求。柴油機(jī)制造廠為滿足將來國際上對(duì)排放的控制要求，對(duì)機(jī)型進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)并進(jìn)行了排放測(cè)試，本文對(duì)某中速主柴油機(jī)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，對(duì)改進(jìn)前后的柴油機(jī)的NOx排放情況進(jìn)行分析，供柴油機(jī)制造廠及相關(guān)科研單位進(jìn)行同類設(shè)計(jì)改進(jìn)時(shí)參考。

1 柴油機(jī)的排放要求

MARPOL附則VI規(guī)定了柴油機(jī)NOx排放的三個(gè)階段的要求，其中第Ⅰ、Ⅱ階段為現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)施的階段， 第Ⅲ階段為即將實(shí)施的階段[1]，3個(gè)階段的限值對(duì)比見圖1。通過對(duì)比可知，Tier II的排放值為在Tier I基礎(chǔ)上降低15%～22%；Tier III為在Tier I基礎(chǔ)上降低80%。從技術(shù)上已經(jīng)證明，通過對(duì)柴油機(jī)的內(nèi)部改造可滿足Tier II的排放要求；而要滿足Tier III的要求，就必須加裝相關(guān)的后處理裝置。為了最大限度地減少后處理裝置的使用規(guī)模，需要減少柴油機(jī)的NOx排放。

圖1 IMO規(guī)定的NOx排放限值

2 計(jì)算工具開發(fā)

NOx2008技術(shù)規(guī)則詳細(xì)規(guī)定了氣體排放參數(shù)的測(cè)試方法以及計(jì)算方法，值得注意的是NOx技術(shù)規(guī)則1997版和2008版在進(jìn)行廢氣質(zhì)量流量的計(jì)算方面有了區(qū)別。2008 版本簡化了計(jì)算的過程直接使用碳平衡法進(jìn)行計(jì)算，而1997版的計(jì)算方法為碳氧平衡法。在直接測(cè)量法、空氣和燃料質(zhì)量流量法以及燃料流量和碳平衡計(jì)算法中，本試驗(yàn)使用燃料流量和碳平衡法對(duì)廢氣質(zhì)量流量進(jìn)行計(jì)算。

為便于對(duì)比測(cè)試結(jié)果，利用Microsoft EXCEL的計(jì)算功能，編制完全符合NOx技術(shù)規(guī)則2008的碳平衡計(jì)算法的程序，統(tǒng)一對(duì)改進(jìn)前滿足Tier I的測(cè)試結(jié)果和改進(jìn)后滿足Tier II的測(cè)試結(jié)果在同一個(gè)計(jì)算平臺(tái)上進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算程序操作簡便、錄入簡單，可直接生成測(cè)試報(bào)告，可供測(cè)試機(jī)構(gòu)計(jì)算或監(jiān)督機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核計(jì)算使用。

3 柴油機(jī)的改進(jìn)

進(jìn)行試驗(yàn)的柴油機(jī)主要參數(shù)如下。

缸徑×沖程 330 mm×440 mm

缸數(shù) 6

標(biāo)定功率 2 574 kW

標(biāo)定轉(zhuǎn)速 620 r/min

為了滿足Tier II以及即將生效的Tier III的要求，對(duì)柴油機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1) 使用混流式增壓器，提高增壓比，提高廢氣的使用效率；

2) 使用新的設(shè)計(jì)改進(jìn)空氣冷卻系統(tǒng)，提高空冷器的冷卻效率。新的空冷系統(tǒng)采用二級(jí)冷卻型式，一級(jí)冷卻采用缸套冷卻水，二級(jí)冷卻采用海水冷卻，新的冷卻器增大了熱交換面積，保證了和新增壓器的匹配。

3) 調(diào)整柴油機(jī)的噴油提前角，降低NOx的排放值。對(duì)改進(jìn)前后兩種不同噴油提前角的排放值進(jìn)行分析，基于主推進(jìn)工況進(jìn)行排放分析，即NOx技術(shù)規(guī)則規(guī)定的E3工況，主要工況點(diǎn)加權(quán)因數(shù)見表1。

表1 E3測(cè)試工況點(diǎn)及加權(quán)因數(shù)

4 測(cè)試結(jié)果計(jì)算及對(duì)比分析

為便于對(duì)比分析，測(cè)試柴油機(jī)的不同配置見表2。

表2 進(jìn)行實(shí)測(cè)的柴油機(jī)不同配置

針對(duì)上述方案進(jìn)行測(cè)試,相關(guān)的測(cè)試計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 E3工況下各種方案的數(shù)據(jù)匯總

燃燒過程中生成NOx的3個(gè)條件是高溫、富氧和燃燒反映持續(xù)時(shí)間。故缸內(nèi)工質(zhì)的溫度、當(dāng)量空燃比和燃燒持續(xù)期決定了NOx生成量[2-3]。

各方案的相關(guān)參數(shù)對(duì)比分析見圖2～7。

圖2 3種方案各負(fù)荷NOx排放值對(duì)比

圖3 3種方案各負(fù)荷油耗值對(duì)比

圖4 3種方案各負(fù)荷進(jìn)氣壓力對(duì)比

圖5 3種方案各負(fù)荷進(jìn)氣溫度對(duì)比

圖6 3種方案各負(fù)荷各缸平均爆發(fā)壓力對(duì)比

圖7 3種方案各負(fù)荷各缸平均排溫對(duì)比

對(duì)比NOx排放值可以看出，方案3在高負(fù)荷區(qū)域具有良好的排放值，低負(fù)荷時(shí)排放較差；方案2較方案1有了降低，能夠滿足TierII的要求；而方案1則無法滿足Tier II的要求。對(duì)比油耗值，方案3具有最好的經(jīng)濟(jì)性，特別是在經(jīng)濟(jì)負(fù)荷時(shí)油耗較低；方案2雖然有良好的排放性能但可以看出是因?yàn)闋奚私?jīng)濟(jì)性，其油耗較方案1有5%左右的提高。

方案3具有良好的排放和經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)一步對(duì)比分析進(jìn)氣壓力和空冷后的溫度情況，可以看出，方案3在高負(fù)荷區(qū)域具有良好的增壓比，較其它兩種方案有40%左右的提高，增加了進(jìn)氣量，由于使用了新的空氣冷卻系統(tǒng)，雖然進(jìn)氣量增加，空冷后的空氣溫度三種方案基本持平，而同時(shí)方案3的油耗又低，可見其過量空氣系數(shù)最高。

對(duì)比排氣溫度和爆發(fā)壓力，方案3由于進(jìn)氣量大進(jìn)而爆發(fā)壓力大，同時(shí)由于空氣的冷卻作用，其排煙溫度較低，也是造成排放較低的原因之一。方案2減小了噴油提前角，其爆壓較低，排溫較方案1變化不大。

5 結(jié)論

方案3最優(yōu)，提高了經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)降低了排放。而方案2在方案1的基礎(chǔ)上減小了噴油提前角，雖然降低了排放值，但同時(shí)犧牲了較大的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[4]針對(duì)高速機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)證明經(jīng)濟(jì)性的損失較小，從對(duì)中速機(jī)的試驗(yàn)來看，情況略有不同，若實(shí)船使用重油對(duì)經(jīng)濟(jì)性的損失會(huì)更大。因此，方案2只能作為一種過渡方案。同時(shí)可以看出，使用方案3，由于增加了新的設(shè)備會(huì)增加成本，同時(shí)可以看出方案3在低負(fù)荷時(shí)的排放具有較大的提高潛力，因而為了滿足Tier III的要求，可以從改進(jìn)低負(fù)荷時(shí)的燃油噴射入手進(jìn)一步降低排放值，進(jìn)而匹配較小尺寸的后處理裝置，從而降低方案3低負(fù)荷排放。方案3可以作為本型號(hào)中速機(jī)的減排設(shè)計(jì)主線，能夠滿足TierⅢ的要求。

[1] IMO MEPC 177(58) 決議 “船用氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則修正案”[S].北京：人民交通出版社，2009.

[2] 尹自斌，黃連中，孫培廷.某船用中速柴油機(jī)NOx排放特性分析[J].船舶工程，2005(6):11-14.

[3] 范金宇，陳景鋒.控制船用柴油機(jī)NOx和煙度排放的試驗(yàn)研究[J].船海工程，2007(1):75-78.

[4] 陳景鋒，翁澤民，周程生.噴油正時(shí)對(duì)船用柴油機(jī)NOx排放率影響的試驗(yàn)研究[J].集美大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(3):66-69.