大型低速共軌電噴船用柴油機排放特性分析

王忠誠， 許樂平， 周培林， 周俊峰， 趙睿， 周大平

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

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大型低速共軌電噴船用柴油機排放特性分析

王忠誠， 許樂平， 周培林， 周俊峰， 趙睿， 周大平

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

為研究船舶柴油機的防污染問題，依據《MARPOL 1973/78》附則VI對船舶柴油機排放物的最新要求，對船用某大型低速二沖程十字頭共軌電噴柴油機進行排放測試，分析排放物(THC，NOx，CO2，CO和O2)隨負荷變化的排放特性，得出按推進特性運行時THC，NOx，CO2，CO和O2的排放規律.結果表明：該型柴油機在各負荷下運行時，缸內燃燒過程充分；按經濟理念設計的降速運行可獲得經濟效益；與傳統柴油機相比，該型柴油機在NOx和CO2排放上明顯改善.

環境保護； MARPOL 1973/78； 電噴柴油機； 排放特性

0 引 言

柴油機由于熱效率高、安全可靠而廣泛應用在船上.隨著航運業的不斷發展，柴油機裝船量不斷擴大，所產生的廢氣總量相當巨大.據EYRING等[1]統計，以柴油為動力的船舶每年向大氣排放氮氧化物(NOx)約650萬t、硫氧化物(SOx)約600萬t、顆粒物(PM)約170萬t.根據歐盟的調查，歐洲的機動車排放正逐年下降，但船舶排放卻在繼續上升，依據現行法規，到2020年，SO2，NOx和PM2.5將分別增長42%，47%和56%.[2]研究表明，船舶對大氣的污染已經不容忽視，特別是在港口、海峽和一些航線密集、船舶流量大的海區，船舶排放的尾氣甚至成為該地區的主要污染源，全球2/3以上的船舶發動機排氣都產生在距海岸400 n mile的范圍內.因此，每年全球大約有64 000人死于與船舶污染有關的疾病.[3]可見，船舶柴油機所排放的尾氣，已經嚴重影響到人類的健康.

1 船舶排放要求

為減少船舶尾氣污染，世界各地陸續出臺各種公約和法規，比較典型的當屬國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)通過的國際防止船舶造成污染公約《MARPOL 1973/78》，該公約明確規定船用柴油機各種排放物的排放標準.一些國家為保護地區內環境，也已出臺相應的排放法規，如美國排放法規規定：在規定區域內，或使用滿足排放標準的柴油機，或租用陸上岸電來滿足船舶動力的要求，對不滿足排放標準的柴油機不允許使用；歐盟也已出臺限制柴油機排放的相應政策.[4-5]

1.1 NOx排放要求

NOx不僅破壞環境，還會刺激人的呼吸系統，形成酸雨等.為減少NOx排放，IMO在《MARPOL 1973/78》附則VI中對船舶NOx的排放標準作了明確規定[6]，見表1.

表1 IMO對船用柴油機NOx的排放標準

從表1可以看到：2016年以后NOx的排放限值為2000—2011年排放限值的五分之一左右，可見未來對柴油機NOx排放的要求更為嚴格.

1.2 碳排放要求

碳排放問題最早于1997年提出，此后IMO的海上環境保護委員會對船舶CO2排放問題進行專門的研究，并在2011年7月召開的第62次會議上通過新船能效設計指數(Energy Efficiency Design Index, EEDI)和船舶能效管理計劃(Ship Energy Efficiency Management Plan, SEEMP)兩項船舶能效指標[7-8]，并納入《MARPOL 1973/78》附則Ⅵ中強制實施.

我國是航運大國，航運企業有自己的減排目標.國家交通運輸部在“十二五”發展規劃中明確規定：到2020年我國營運船舶CO2排放量比現有情況下降16%.

2 試驗設備和測試程序

2.1 電噴柴油機

試驗采用MAN公司生產的大型低速二沖程、十字頭、增壓、可倒轉、共軌、電噴柴油機，型號為6S35ME-B，其基本參數見表2(1 bar=100 kPa).

表2 柴油機基本參數

2.2 測試設備

尾氣測試設備較多，有TESTO，HORIBA，AVL等.作為大型船舶尾氣的測試設備，本試驗采用HORIBA MEXA-1500DS型氣體分析儀，其中：THC濃度檢測采用加熱氫火焰離子檢測器，NOx濃度檢測采用加熱化學發光分析儀，CO2和CO濃度檢測采用不發光紅外分析儀，O2濃度檢測采用順磁性測氧儀.有效功率測試采用QC-100水力測功器：在146.6 r/min時最大吸收功率為4 300 kW，最大制動力矩不低于280 kN·m；在43 r/min時最低吸收功率為98.5 kW；最低穩定轉速條件為在43 r/min時，空載功率小于90 kW；扭矩測試精度為±0.002 N·m；轉速測量誤差為±1 r/min.油耗測試采用EPC-50B油耗測量儀.

2.3 測試程序

各國對船用柴油機排放物都有不同的測試方法，目前國際上比較公認的是ISO/DIS8178測量標準.該標準規定了NOx，CO等的測量方法、原理及程序，如確定顆粒時，收集的排放物為用干凈空氣稀釋的廢氣，其溫度≤52 ℃，燃料含硫量≤0.8%時有效.[9-11]測試按推進特性工況進行，采用E3試驗循環模式，即取點為100%額定功率，91%額定功率，80%額定功率和 63%額定功率.試驗過程中，柴油機在各工況下穩定運行30 min，取其平均值作為排放參數.

3 測試結果分析

柴油機連續運轉4 h，測試結果見表3.傳統柴油機(MAN8L60DF)排放特性[12]見表4.

表4 MAN8L60DF測試結果

3.1 THC濃度變化趨勢及分析

從表3可以看出，按推進特性運行時，THC濃度隨著負荷的增加呈先抑后揚的趨勢，變化幅度較小，最大差值只有32.3×10-6，說明該電噴柴油機在整個負荷變化范圍內缸內工質燃燒完全.在25%負荷時，影響THC 形成的主要因素是燃油與空氣混合均勻性.此時燃油與空氣混合均勻性相對較差，THC濃度最大.隨著負荷增加，柴油機的進氣量和壓縮壓力也增加，燃油與空氣混合均勻，在50%負荷和轉速112.7 r/min時，THC體積分數最小.隨著負荷繼續增加，影響THC形成的主要因素變成噴油定時，電噴柴油機在噴油定時的控制上非常準確，因此隨著循環供油量的不斷增大，THC體積分數只有小幅上升，當負荷達到100%，THC體積分數僅達到243.5×10-6.

3.2 NOx排放變化特性及分析

船舶柴油機尾氣中NOx主要由空氣中的氮氣與氧氣反應產生，主要發生在燃燒初期，而影響NOx形成的主要因素有空燃比、溫度、噴油定時和燃燒反應時間，因此柴油機氣缸內的空氣量、燃燒溫度、噴油提前角和燃燒反應時間決定NOx的生成量.

在整個測試過程中，NOx濃度的變化趨勢是先減少后增加，見表3.在25%負荷時最大，在50%負荷時最小，最大差值為203×10-6.其原因在于：柴油機在25%負荷時，空燃比最小，為48.48，有利于NOx生成；在50%負荷時，空燃比最大，為56.79，NOx生成量最小；在75%負荷時，空燃比為54.39，NOx生成量增加；在100%負荷時，影響NOx生成的主要因素是溫度，此時缸內壓縮壓強達到160 bar左右(見圖1)，壓縮溫度升高，循環供油量增大，最有利于生成NOx.

3.3 CO2和CO排放趨勢分析

從表3可以看出，CO2體積分數的變化規律類似反拋物線， 而CO體積分數的變化規律類似拋物線形狀，說明兩者在燃燒過程中發生相互轉化.柴油機在25%負荷和100%負荷時，CO2體積分數分別為4.326%和4.233%，CO體積分數分別為105.0×10-6和76.5×10-6，說明柴油機缸內燃燒更充分.在50%負荷和75%負荷時，CO2體積分數分別為3.683%和3.850%，CO體積分數分別為118.8×10-6和102.7×10-6，燃燒效果稍差，這是因為在柴油機增加負荷過程中，過量空氣系數α相對于其他工況下較小，缸內燃燒不完全，CO體積分數增加，但增幅甚微.當達到100%負荷時，過量空氣系數α達到最大，壓縮壓力升高，燃燒充分，CO體積分數降低， CO2體積分數又一次升高，說明燃燒充分.

3.4 O2變化趨勢分析

從表3可以看出，O2濃度幾乎沒有變化，說明在整個負荷變化范圍內，空氣的供給充足，循環供油量的增加未導致氧氣供給不足的現象.

3.5 平均壓縮壓強和爆炸壓強變化趨勢

柴油機在不同負荷下各缸示功圖見圖1.從圖1可以看出：平均壓縮壓強隨負荷的增加從62 bar左右上升到160 bar左右，增幅達到近100 bar.平均爆炸壓強隨著負荷的增加從78 bar左右升高到170 bar左右.柴油機在100%負荷時，平均壓縮壓強達到160 bar左右，平均爆炸壓強達到170 bar左右，兩者僅差10 bar.柴油機在110%負荷時，平均壓縮壓強大于平均爆炸壓強.可見船用柴油機增壓系統優越于其他增壓系統.

圖1 柴油機在不同負荷下的示功圖

4 結 論

(1)從排放物(見表3)體積分數的最高與最低差值(THC為32.3×10-6，NOx為203×10-6，CO2為0.643%，CO為42.3×10-6，O2為0.798%)看，該型柴油機在各負荷下運行，缸內燃燒過程充分.(2)該型柴油機在50%負荷，轉速為112.7 r/min，功率為1 785.0 kW時，排放物數量最低，說明該型柴油機是按經濟理念設計的，這為當前經濟形勢不好的情況下船舶降速運行提供條件.(3)與傳統柴油機排放特性(見表4)相比，該型柴油機在NOx和CO2排放上明顯改善.

[1]EYRING V, K?HLER H W, van ARDENNE J,etal. Emissions from international shipping:1. the last 50 years[J]. J Geophys Res, 2005, 110: D17305.

[2]Air Pollution & Climate Secretariat. Air pollution from ships[J/OL]. [2007-02-13]. http://www.airclim.org/air-pollution-ships.

[3]CORBETT J J, WINEBRAKE J J, GREEN E H,etal. Mortality from ship emissions: a global assessment[J]. Environ Sci Technol, 2007, 41(24): 8512-8518.

[4]馮明志. 船舶柴油機排放控制技術的新發展[J]. 柴油機, 2010, 32(1): 13-17.

[5]王虎. 船舶柴油機排放和控制技術介紹[J]. 內燃機與配件, 2013(8): 42-44.

[6]勞輝. 欲善其事先利其器——MARPOL 1973/78附則全部生效,我們該如何應對?(續)[J]. 中國海事, 2008(8): 4-8.

[7]譚祖勝, 王曉, 沈漢峰. 中小型船舶EEDI影響因素及對策分析[J]. 上海海事大學學報, 2013, 34(1):50-54.

[8]李百齊, 程紅蓉. 關于EEDI衡準基面的研究[J]. 中國造船, 2010, 51(2): 51-57.

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[11]謝宜煒, 孫永明, 王亮, 等. 船舶柴油機尾氣檢測系統設計研究[J]. 船海工程, 2012, 41(1):57-59.

[12]HEZEL C. Emission test report[R]. Shanghai: RINA, 2014.

(編輯 趙勉)

Emission characteristic analysis of large-scale low-speed common-rail marine diesel engines with electronic fuel injection

WANG Zhongcheng, XU Leping, ZHOU Peilin, ZHOU Junfeng,ZHAO Rui, ZHOU Daping

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 201306, China)

To prevent the pollution from marine diesel engines, the emission test of a large-scale low-speed two-stroke crosshead common-rail diesel engine with electronic fuel injection is conducted according to the latest emission requirement of marine diesel engines in MARPOL 1973/78 Annex VI. Emission characteristics of THC, NOx, CO2, CO and O2with different engine loads are analyzed, and their emission rules are obtained under the propulsion characteristic condition. The results show that, this type of diesel engines is of a full in-cylinder combustion process under different loading conditions, a higher economic benefit can be achieved at low steaming that is designed according to economical idea, and the NOxand CO2emissions of this type of diesel engine reduce significantly compared with those of traditional marine diesel engines.

environmental protection; MARPOL 1973/78; electronic fuel injection diesel engine; emission characteristic

10.13340/j.jsmu.2015.02.013

1672-9498(2015)02-0070-04

2014-06-09

2014-12-02

王忠誠(1979—)，男，遼寧鐵嶺人，講師，博士研究生，研究方向為現代輪機管理與安全技術、排放測試， (E-mail)wangzhongchengwzc@163.com； 許樂平(1957—)，男，江蘇南京人，教授，博導，博士，研究方向為現代輪機管理與安全技術、排放測試，(E-mail)lpxu@shmtu.edu.cn

U664.121.1；TK421.5

A

項目資助： 上海海事大學青年骨干教師培養計劃；上海海事大學人才引進科研啟動經費