高速船用柴油機降低NOX排放研究

船用柴油機排放法規(guī)概況

由于船用柴油機對環(huán)境污染的日益嚴重和人們對環(huán)境狀況的日益關注，國際海事組織海上環(huán)境保護委員會（MEPC）在1997年通過了MARPOL公約73 /78附則Ⅵ，即《防止船舶造成大氣污染規(guī)則》，對于每一臺安裝在2000年1月1日或以后建造的船舶、輸出功率大于130kW的柴油機提出了排放控制標準。

為進一步控制和減少船舶柴油機有害污染物的排放，MEPC又于2008年10月10日正式通過了附則Ⅵ的修正案，定義了包括三個級別的IMO船用柴油機排放法規(guī)體系，原有的附則Ⅵ內容被制定為Tier I階段標準，并增加了更加嚴格的Tier II (2011年全球實施) 和Tier III (2016年排放控制區(qū)實施) 階段標準，見表1。其中TierⅡ標準在Tier I標準上降低15.5%~21.8%。

NOX排放控制技術

影響柴油機生成NOX的因素主要是燃燒溫度、燃燒時間及燃油與空氣的預混合程度。由于NOX是一種酸性氣體，因此，可以從其生成機理和性質兩方面進行控制，一般分為機內控制技術和機外凈化技術。機內控制技術可分為摻水技術法和控制燃燒法兩類。機外凈化技術最成熟、最有效、應用最廣泛的為 SCR 技術。

摻水技術法主要是利用水降低燃燒過程的最高溫度以減少NOX生成，雖然它對NOX降低有較好的效果，但由于對發(fā)動機改動較大，需添加入一些輔助設備，使得投入較高。為實現第二階段排放標準，控制燃燒法為大多數生產廠家所青睞。

控制燃燒法是控制NOX最基本的方法。因為柴油機缸內燃燒過程直接決定NOX的生成量，其常用的改進措施有：采用新型燃燒室；推遲噴射；優(yōu)化噴嘴結構、提高噴射壓力和電控共軌技術等。

采用新型燃燒室可使得進氣形成渦流或強渦流，邊、角等部位組織形成微渦流，促進燃油與空氣均勻迅速的混合，燃燒更充分且燃燒持續(xù)期短。因此可適當調整延遲噴油，縮短燃燒過程的時間，可以在保證燃油消耗量變化不大的情況下，降低最高燃燒溫度，從而降低NOX的排放。

推遲噴射可以使更多的燃油在上止點之后燃燒，從而降低最高燃燒溫度，同時又縮短了氮、氧在高溫下的停留時間，從而抑制了NOX生成，但是油耗會稍有增加，并會降低發(fā)動機功率。

優(yōu)化噴嘴結構、提高噴射壓力使得燃油噴霧霧粒度足夠細且盡可能的均勻，保證燃油的及時蒸發(fā)以及與空氣的均勻混合，混合汽質量提高，燃燒速度加快。由于燃油噴入氣缸前氣體已經充分壓縮，壓縮終了時的壓力和溫度增高，使得燃油噴入后的滯燃期縮短，易于發(fā)火燃燒，同時滯燃期噴入的燃油較少，使燃燒速度和放熱率降低，從而降低了火焰溫度，使NOX生成率和排放率降低。

電控共軌技術可實現高壓噴射和引導噴射，既保證發(fā)動機性能又抑制NOX和顆粒的生成。

試驗研究

目前，降低NOX排放簡便易行的方法是推遲噴射正時并優(yōu)化缸內燃燒。為了解噴油提前角對NOX排放的影響，本文試驗研究了兩臺額定轉速都為1500r/min，缸徑分別為135mm和138mm的船用小型高速柴油機，在兩個不同的噴油提前角條件下，完成了NOX排放測試試驗。分析試驗數據和結果，得出了一些結論。兩臺發(fā)動機的性能參數見表2。

試驗中采用的是E3試驗循環(huán)，每臺發(fā)動機都分別在兩個不同的噴油提前角下完成了各自的循環(huán)工況。

試驗結果與分析

圖1是缸徑為135mm的柴油機在11℃A和9.5℃A兩個不同噴油提前角條件下每個工況點NOX排放對比。NOX排放在同一負荷不同的噴油提前角條件下都成下降趨勢，降低幅度范圍為16.69%~26.41%。NOX總比排放從8.8 g/kW降低到了7.4 g/kWh，降低了15.9%，達到了第二階段排放標準。但是額定工況下的燃油消耗量從40.29kg/h上升到43.42kg/h，上升了7.78%，其他負荷工況下也有不同程度的升高（如圖2）。在柴油機噴油延遲的情況下，雖然降低了NOX排放達到了第二階段排放標準，但是犧牲了經濟性，燃油消耗量有較大的提高。

比

圖3是缸徑為138mm的柴油機在13℃A和12℃A兩個不同噴油提前角條件下每個工況點NOX排放對比。NOX排放降低幅度范圍為24.33%~28.21%，總比排放從9.65 g/kW降低到了7.15 g/kWh，降低了25.91%，也達到了第二階段排放標準。額定工況下燃油消耗量從43.64 kg/h上升到43.93kg/h，上升了0.66%，其他負荷條件下也略有上升（如圖4）。對比上述柴油機，該柴油機在噴油略微延遲的情況下，降低了NOX排放滿足排放限值要求，同時燃油消耗量上升幅度較小，經濟性犧牲不大。

雖然兩臺柴油機均以調整噴油提前角延遲燃油噴射將NOX排放由滿足原來的第一階段排放標準達到了第二階段排放限值，但是燃油消耗量卻有著不同程度的增加。這說明：不同的柴油機，噴油提前角的變化對其燃油消耗量的影響不同。也就是說，適當調整噴油提前角以實現降低NOX排放是較為直接有效的方法，對于燃油消耗量變化較大的柴油機而言，除了適當調整噴油提前角以延遲噴油外，還需要優(yōu)化缸內燃燒，以改善經濟性。

結論

調整噴油提前角延遲噴油能在一定程度上降低NOX排放而滿足目前船用第二階段排放水平，但燃油消耗量會有不同程度的上升，必須結合優(yōu)化缸內燃燒的方法，如：優(yōu)化油泵、油嘴，改善燃油噴射壓力，組織良好霧化，優(yōu)化匹配增壓器，從而使得燃燒充分，改善燃油經濟性。

第三階段排放標準限值在第二階段基礎上降低了74.55%~76.39%，傳統的機內控制法已不能滿足其排放限值要求，此時，需采用排氣后處理法來降低排放。

（作者單位：南通柴油機股份有限公司）