某型船用柴油機降低NOx生成與排放的改進研究

劉占國

（江蘇卓聯(lián)新動力有限公司，江蘇 常州 213023）

某型船用柴油機降低NOx生成與排放的改進研究

劉占國

（江蘇卓聯(lián)新動力有限公司，江蘇 常州 213023）

在某型船用柴油機基礎上，保持缸徑、沖程、轉速和功率不變的情況下，通過調整供油定時、燃油噴射系統(tǒng)(噴油泵、噴油器)參數(shù)、進氣系統(tǒng)(噴嘴環(huán)、擴壓器)參數(shù)和活塞結構優(yōu)化設計等機內凈化措施，改進了缸內燃燒，使得NOx生成量降低，優(yōu)化了排放。

柴油機；NOx排放；機內凈化技術

0 引言

自從 1897年魯?shù)婪颉さ胰麪柊l(fā)明了柴油機，100多年來內燃機機得到了全面和迅猛的發(fā)展，然而數(shù)量龐大的內燃機在消耗巨量能量的過程中也排出了數(shù)億噸計的有害氣體，成為日益嚴重的大氣污染的主要源頭。在盡量保持發(fā)動機原有動力性能和制造成本的前提下，如何減少發(fā)動機有害排放物，已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢。本文所做的研究，即是討論如何運用機內凈化的方法降低NOx生成、優(yōu)化排放。

1 理論分析與試驗設計

柴油機排放污染物的產(chǎn)生主要是由于燃油和空氣混合不均，缸內燃燒未完全造成的。柴油機降低排放必須以優(yōu)化燃燒、改善燃油和空氣的混合為目標，而柴油機排放控制通常分為三種方式，即對進氣和燃油的前處理、改善燃燒過程的機內凈化和針對尾氣的后處理[1]。本文是在柴油機總體結構布置不發(fā)生大的變化、不增加額外輔助設備的情況下，優(yōu)先采用機內凈化措施來達到降低排放的目標。機內凈化需要從燃油系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)三個系統(tǒng)參數(shù)進行敏感性分析。

1.1 燃油系統(tǒng)的改進

1.1.1 調整噴油定時

柴油機排氣中的NOx主要是空氣中所含的氮在高溫下氧化而生成的，氧氣在高溫分解時產(chǎn)生氧原子，氧原子的存在誘發(fā)了NOx生成的連鎖反應，所以氧原子濃度以及反應溫度對 NOx的生成至關重要[2]。另外燃氣在富氧和高溫條件下停留時間越長，NOx的生成幾率也就越大。對于柴油機來說，預混燃速率很快，又發(fā)生在上止點附近，有最長的焰后反應時間和最高的氣體溫度，對NOx生成極為有利。因此，柴油機中的 NOx生成量與參加預混燃燒的燃油比例有很大關系，如果參與預混燃燒的燃油量多，NOx生成量就會增多。對于一定的噴油持續(xù)期來說，滯燃期的長短決定了預混燃油量與擴散燃油量的比例，滯燃期長則預混燃油量增多。推遲噴油、減小噴油提前角可以縮短滯燃期、減少參加預混燃燒的燃油量，進而降低 NOx的生成量。在實際操作中是通過改變噴油泵的供油提前角來改變噴油提前角，雖然這種方法不能精確測得噴油時刻的該變量，但足以滿足性能優(yōu)化調節(jié)的需要。本文將供油提前角由18℃調整至16℃進行試驗。

1.1.2 提高噴油速率

推遲噴油會使直噴式柴油機后燃增加，煙度增加，給柴油機的燃油消耗率和排溫帶來一些不利的影響。為彌補這些不利影響，采用的技術是適當提高噴油速率。由于噴油速率高，噴油延續(xù)時間縮短，可使柴油機在噴油提前角減小的情況下，噴油終點仍保持不變，這樣可減少推遲噴油對放熱率的影響，避免柴油機后燃嚴重，從而使柴油機煙度、HC、CO、功率、燃油消耗率等得以控制[3]。增大噴油泵柱塞直徑，可以提高噴油速率，噴油滯后角和噴油持續(xù)期都得以減少，使柴油機有較好的經(jīng)濟性。本文中原噴油泵柱塞為φ17mm，改進后增大至 φ18mm，泵端壓力由 900bar調整至1100bar。

圖1是柱塞直徑對噴油規(guī)律影響的仿真計算。由圖1可看出，柱塞直徑由φ17mm增大至φ18mm，噴油滯后角縮小 0.5°凸輪轉角，即 1°曲軸轉角，噴油持續(xù)期由21°凸輪轉角縮短至18°凸輪轉角，這樣有利于避免后燃嚴重，有利于降低排放。

圖1 柱塞直徑對噴油規(guī)律的影響

1.1.3 調整噴油嘴流量系數(shù)

對于采用缸內混合方式的柴油機來說，可燃混合氣質量主要取決于燃油的油束特性(霧化質量和油束形狀)。燃油與空氣的宏觀混合率主要取決于噴油速率和空氣運動，而微觀混合均勻性主要取決于燃油的霧化程度和蒸發(fā)速率。減小平均油滴尺寸，可提高霧化程度，提高混合均勻性，有利于降低燃油消耗率及排放量。減小噴孔直徑，可增加燃油單位流量的壁面摩擦面積，從而減小平均油滴尺寸。

另外，若僅提高噴油速率而不減小噴孔直徑，油束貫穿強度增大，過大的貫穿度使油滴著壁，造成燃油不能及時蒸發(fā)而增加后燃。因此，本課題將噴油器噴 孔 直 徑 由 原 來 的 5×φ0.29+4×φ0.24 縮 小 至5×φ0.27+4×φ0.23，以改善霧化及油氣時空分布。但隨著噴孔直徑的縮小，噴油阻力增大，易引起噴孔堵塞。同時因噴油速率的提高，單位時間內噴入的油量相應增多，流速增大，而流通面積減小后，也易造成流阻過大，因此需要合適減少單位時間內的噴孔流量并改善噴孔處的表面質量，降低流阻。本文采用的優(yōu)化技術是對噴孔進行擠壓工藝處理，提高其表面光潔度，減小流阻系數(shù)，同時在不改變噴孔宏觀尺寸的情況下，通過擠壓處理改變噴孔處的微觀形狀來調整和控制單位時間內的噴孔流量?？紤]到噴孔直徑的確定需與噴射速率相互匹配，故在技術方案中將噴孔單位流量分別縮小至原流量(3.2L/min)的95%和90%左右，將對應的噴油器分為大流量和小流量進行多方案配機試驗。

1.2 進氣系統(tǒng)的改進

除了燃油系統(tǒng)的影響因素之外，柴油機的進氣狀態(tài)也是影響排放的重要因素之一，在進氣溫度和供油量不變的情況下提高進氣壓力，相當于增加過量空氣系數(shù)，由此降低了燃氣溫度，抑制NOx的生成，進氣量的增加也使碳煙、未燃烴排量減少。提高進氣壓力的主要技術途徑之一是調整增壓器通流元件參數(shù)，在增壓器最高轉速和窩前排氣溫度極限允許條件下，通過減小渦輪噴嘴環(huán)面積，使渦輪前廢氣能量增加，增壓器轉速提升，增壓壓力隨之提高。同時相應調整壓氣機端擴容器喉口面積，增大喉口面積，提高壓氣機效率，在增壓比一定時，則使增壓空氣溫度降低，進氣密度隨之增加，平均有效壓力不變時，過量空氣系數(shù)會增加，使柴油機燃燒得到改善，燃油消耗率和排氣溫度都可降低?？紤]到受柴油機最高爆發(fā)壓力、排溫、增壓器轉速等限值要求，將原增壓器渦輪噴嘴環(huán)面積(45.76cm2)按兩組方案參數(shù)(41.71、43.37cm2)進行分別調整，提高增壓壓力，同時將擴壓器面積由28.11cm2相應調整至 30.36cm2，提高壓氣機效率，并結合燃油噴射系統(tǒng)配置方案進行匹配試驗。

1.3 燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化

由于原型機在超負荷運行時，易產(chǎn)生“拉缸”的問題，而本次樣機研制采用了提高增壓壓力的技術措施，隨增壓壓力的提高，柴油機的機械負荷也將隨之增大。為了避免柴油機因機械負荷增大造成“拉缸”，對活塞型線進行優(yōu)化設計，將活塞頂部型線沿活塞直徑方向縮小0.15mm～0.35mm?；钊共啃途€沿活塞直徑方向縮小0.06mm～0.08mm。

2 臺架試驗

2.1 供油提前角調整試驗

調節(jié)供油提前角可控制燃油噴入缸內的時刻，從而控制滯燃期內的預混燃油量，是影響柴油機排放的敏感參數(shù)。在柱塞直徑和噴油嘴流量系數(shù)比保持原機配置的情況下，供油提前角調整試驗結果如下：

試驗結果表明，通過推遲供油提前角 2℃A，NOx排放量在全工況范圍內降低，按照中國船級社的 NOx排放測試計算方法 NOx排量由9.4006g/kW·h降低到7.6136g/kW·h，NOx變動量為0.8935/℃，燃油消耗率由 222g/kW·h增加至 231g/kW·h，比油耗變動量為4.5/℃A。通過推遲供油提前角，有效降低了NOx排量，但燃油消耗率上升。

圖2 不同供油提前角對燃油消耗率的影響

圖3 不同供油提前角對NOx的影響

2.2 噴油特性調整試驗

增大柱塞直徑可以提高噴油速率，同時匹配三種不同噴孔流量系數(shù)的噴油器進行試驗，噴嘴通流以原噴油器噴孔單位流量為基礎，分為 100%、95%和 90%三檔流量系數(shù)比。通過對柱塞直徑與噴嘴通流能力的匹配，在滿足NOx排放要求的條件下，改善燃油消耗率。

16°供油提前角、18mm柱塞直徑下匹配不同流通能力的噴嘴試驗結果如圖4所示。

圖4 不同噴嘴流通能力對燃油消耗率的影響

經(jīng)多方案試驗對比結果來看，加大柱塞直徑、減小噴嘴流通能力使得燃油消耗率和煙度得到一定改善，NOx排放小幅回升。當流量系數(shù)比為 90%時，額定負荷時的燃油消耗率為 228g/kW·h，對應的流量系數(shù)比為 95%時的燃油消耗率為 230.7g/kW·h，燃油消耗率依舊偏高；NOx排放最高上升到8.14g/ kW·h，仍在可接受的限值 8.98kW·h范圍內；爆壓控制在限值10.2MPa范圍以內。綜合考慮 NOx和燃油消耗率，兼顧渦前排溫、各缸排溫、進氣溫度及進氣壓力等方面的因素，確定噴油系統(tǒng)方案為采用供油提前角為16℃、柱塞直徑φ18mm噴油泵、噴孔單位流量比為90%的噴油器，待增壓系統(tǒng)配機試驗以進一步改善 NOx、燃油消耗率等各項性能指標。

圖5 不同噴嘴流通能力對NOx排放的影響

圖6 不同噴嘴流通能力對爆發(fā)壓力的影響

3.3 增壓器特性調整試驗

提高增壓空氣量，提高掃氣系數(shù)能有效降低油耗，而過大的增壓壓力會導致最高爆發(fā)壓力超限、NOx升高。采用減小噴嘴環(huán)面積而提高擴壓器面積的方法，可在增加增壓空氣流量的同時又不明顯增加增壓壓比。試驗采用 30.36cm2的擴壓器替換原增壓器28.11cm2的擴壓器，而噴嘴環(huán)則有41.71cm2與43.37cm2兩種方案與原增壓器45.76cm2的噴嘴環(huán)進行比較。試驗結果如下：

從試驗結果可看出，通過噴嘴環(huán)當量面積的減小，有效的降低了比油耗，其中當噴嘴環(huán)面積為 41.71cm2時，比油耗為218.67g/kW·h ，當噴嘴環(huán)面積為43.6cm2時，比油耗為219.9g/kW·h。NOx排量最高的加權平均值是8.3788g/kW·h(當噴嘴環(huán)面積為41.71cm2時)，最低是7.5627g/kW·h(當噴嘴環(huán)面積為43.6cm2時)。當噴嘴環(huán)面積為41.71cm2時，爆壓偏高，為10.40MPa。減小噴嘴環(huán)當量面積，提高了 25%工況即以上的增壓壓力，從圖中看到 25%工況點的空冷后進氣壓力在匹配原機增壓器時表壓為 0bar，說明此時增壓器并沒有啟動運行，而通過減小噴嘴環(huán)面積 25%工況點增壓器就已啟動運行，改善了低工況性能。

圖7 不同噴嘴環(huán)擴壓面積對燃油消耗率的影響

圖8 不同噴嘴環(huán)擴壓面積對NOx排放的影響

圖9 不同噴嘴環(huán)擴壓面積對爆發(fā)壓力的影響

圖10 不同噴嘴環(huán)擴壓面積對空冷后進氣壓力的影響

通過增大擴壓器當量面積能有效增大增壓器的空氣流量，降低比油耗，改善低工況性能。采用41.71cm2噴嘴環(huán)面積的方案由于增壓壓力過高，導致最高爆發(fā)壓力超限，雖然油耗率下降明顯，但 NOx排放也在全工況上升；相較之下采用43.37cm2噴嘴環(huán)面積的方案具有低的燃油消耗率和 NOx排放量等綜合優(yōu)勢，說明43.37cm2噴嘴環(huán)與30.36cm2的擴壓器配合更為適當，是三種增壓器方案中的優(yōu)選方案。

3.4 試驗結果分析

通過供油定時、燃油系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)的優(yōu)化匹配試驗，確定了該機低排放設計的噴油特性參數(shù)、增壓器特性參數(shù)和供油提前角，在滿足排放要求的同時，兼顧最高爆發(fā)壓力、燃油消耗率和排溫等性能要求，最終優(yōu)化參數(shù)如表1所示。

表1 優(yōu)化參數(shù)定型表

通過臺架試驗驗證，該柴油機完成了對噴油系統(tǒng)及增壓系統(tǒng)的優(yōu)化調整試驗，有效降低了排放，NOx排量由9.4006g/kW·h降低到7.56g/kW·h，達到了Tier II的排放標準；比油耗由222g/kW·h降低到219.9g/kW·h，提高了柴油機的經(jīng)濟型。通過對活塞型線的優(yōu)化設計，解決了在超負荷運行時易“拉缸”的問題。

4 總結

本文依靠機內凈化技術，通過對供油提前角、噴油特性、增壓器特性的調整，改善了混合氣質量，優(yōu)化了燃燒過程，在不增加燃油消耗率的情況下，實現(xiàn)了NOx排量的降低。噴油提前角是影響NOx生成與排放的主要因素，縮小噴油提前角可有效降低 NOx的生成與排放量，但同時也會帶來燃油消耗率的上升。噴油特性和增壓器特性的優(yōu)化調整，可使燃油消耗率和煙度得到改善，使柴油機兼顧排放和經(jīng)濟性。

[1] 冷先銀, 隆武強. 現(xiàn)代船用柴油機 NOx排放的機內凈化技術[J]. 柴油機, 2009(2): 19-25.

[2] 陳清彬, 詹志剛，林金英.船舶柴油機減排新技術方案研究[J]. 船舶工程, 2011(4): 44-48.

[3] 蔣智慶, 鐘俏靈. 淺談降低柴油機有害排放的機內控制技術[J]. 大眾科技, 2008(1): 124-126.

Improvement Study on Reducing NOxFormation and Emission of Marine Diesel Engine

LIU Zhan-guo
(Jiangsu Zhuolian New Power Co., Ltd., Changzhou 213023, China)

On the basis of certain type of marine diesel engine, the combustion conditions in cylinder are improved through in-engine cleaning technologies such as adjusting injection timing, parameters of fuel injection system (fuel pump, fuel injector), parameters of air intake system (nozzle ring, diffuser) and piston structure, while the bore, stroke, speed and power are kept unchanged. These measures can reduce the formation of NOx and optimize the emissions.

diesel engine; NOx emissions; in-engine cleaning technologies

U664.121

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.01.005

劉占國（1986-），男，碩士研究生，助理工程師。研究方向：發(fā)動機性能開發(fā)。