船用中速主柴油机降低NOx排放试验分析

(中国船级社青岛分社，山东 青岛 266071)

国际海事组织(IMO)于2008年通过了MEPC.177(58) 《船用柴油机氮氧化物排放控制技术规则修正案(2008技术规则)》，对1997技术规则进行了修订，该修正案已与2010年7月1日生效，按照修正案的规定，2011年1月1日或以后建造的船安装的船用柴油机应符合2008技术规则Tier II的要求，并规定2016年1月1日后可要求满足Tier III的要求。柴油机制造厂为满足将来国际上对排放的控制要求，对机型进行相关改进并进行了排放测试，本文对某中速主柴油机的测试结果进行计算，对改进前后的柴油机的NOx排放情况进行分析，供柴油机制造厂及相关科研单位进行同类设计改进时参考。

1 柴油机的排放要求

MARPOL附则VI规定了柴油机NOx排放的三个阶段的要求，其中第Ⅰ、Ⅱ阶段为现在已经实施的阶段， 第Ⅲ阶段为即将实施的阶段[1]，3个阶段的限值对比见图1。通过对比可知，Tier II的排放值为在Tier I基础上降低15%～22%；Tier III为在Tier I基础上降低80%。从技术上已经证明，通过对柴油机的内部改造可满足Tier II的排放要求；而要满足Tier III的要求，就必须加装相关的后处理装置。为了最大限度地减少后处理装置的使用规模，需要减少柴油机的NOx排放。

图1 IMO规定的NOx排放限值

2 计算工具开发

NOx2008技术规则详细规定了气体排放参数的测试方法以及计算方法，值得注意的是NOx技术规则1997版和2008版在进行废气质量流量的计算方面有了区别。2008 版本简化了计算的过程直接使用碳平衡法进行计算，而1997版的计算方法为碳氧平衡法。在直接测量法、空气和燃料质量流量法以及燃料流量和碳平衡计算法中，本试验使用燃料流量和碳平衡法对废气质量流量进行计算。

为便于对比测试结果，利用Microsoft EXCEL的计算功能，编制完全符合NOx技术规则2008的碳平衡计算法的程序，统一对改进前满足Tier I的测试结果和改进后满足Tier II的测试结果在同一个计算平台上进行计算。计算程序操作简便、录入简单，可直接生成测试报告，可供测试机构计算或监督机构进行复核计算使用。

3 柴油机的改进

进行试验的柴油机主要参数如下。

缸径×冲程 330 mm×440 mm

缸数 6

标定功率 2 574 kW

标定转速 620 r/min

为了满足Tier II以及即将生效的Tier III的要求，对柴油机的进气系统进行优化改进设计。

1) 使用混流式增压器，提高增压比，提高废气的使用效率；

2) 使用新的设计改进空气冷却系统，提高空冷器的冷却效率。新的空冷系统采用二级冷却型式，一级冷却采用缸套冷却水，二级冷却采用海水冷却，新的冷却器增大了热交换面积，保证了和新增压器的匹配。

3) 调整柴油机的喷油提前角，降低NOx的排放值。对改进前后两种不同喷油提前角的排放值进行分析，基于主推进工况进行排放分析，即NOx技术规则规定的E3工况，主要工况点加权因数见表1。

表1 E3测试工况点及加权因数

4 测试结果计算及对比分析

为便于对比分析，测试柴油机的不同配置见表2。

表2 进行实测的柴油机不同配置

针对上述方案进行测试,相关的测试计算结果见表3。

表3 E3工况下各种方案的数据汇总

燃烧过程中生成NOx的3个条件是高温、富氧和燃烧反映持续时间。故缸内工质的温度、当量空燃比和燃烧持续期决定了NOx生成量[2-3]。

各方案的相关参数对比分析见图2～7。

图2 3种方案各负荷NOx排放值对比

图3 3种方案各负荷油耗值对比

图4 3种方案各负荷进气压力对比

图5 3种方案各负荷进气温度对比

图6 3种方案各负荷各缸平均爆发压力对比

图7 3种方案各负荷各缸平均排温对比

对比NOx排放值可以看出，方案3在高负荷区域具有良好的排放值，低负荷时排放较差；方案2较方案1有了降低，能够满足TierII的要求；而方案1则无法满足Tier II的要求。对比油耗值，方案3具有最好的经济性，特别是在经济负荷时油耗较低；方案2虽然有良好的排放性能但可以看出是因为牺牲了经济性，其油耗较方案1有5%左右的提高。

方案3具有良好的排放和经济性，进一步对比分析进气压力和空冷后的温度情况，可以看出，方案3在高负荷区域具有良好的增压比，较其它两种方案有40%左右的提高，增加了进气量，由于使用了新的空气冷却系统，虽然进气量增加，空冷后的空气温度三种方案基本持平，而同时方案3的油耗又低，可见其过量空气系数最高。

对比排气温度和爆发压力，方案3由于进气量大进而爆发压力大，同时由于空气的冷却作用，其排烟温度较低，也是造成排放较低的原因之一。方案2减小了喷油提前角，其爆压较低，排温较方案1变化不大。

5 结论

方案3最优，提高了经济性的同时降低了排放。而方案2在方案1的基础上减小了喷油提前角，虽然降低了排放值，但同时牺牲了较大的经济性。文献[4]针对高速机进行试验证明经济性的损失较小，从对中速机的试验来看，情况略有不同，若实船使用重油对经济性的损失会更大。因此，方案2只能作为一种过渡方案。同时可以看出，使用方案3，由于增加了新的设备会增加成本，同时可以看出方案3在低负荷时的排放具有较大的提高潜力，因而为了满足Tier III的要求，可以从改进低负荷时的燃油喷射入手进一步降低排放值，进而匹配较小尺寸的后处理装置，从而降低方案3低负荷排放。方案3可以作为本型号中速机的减排设计主线，能够满足TierⅢ的要求。

[1] IMO MEPC 177(58) 决议 “船用氮氧化物排放控制技术规则修正案”[S].北京：人民交通出版社，2009.

[2] 尹自斌，黄连中，孙培廷.某船用中速柴油机NOx排放特性分析[J].船舶工程，2005(6):11-14.

[3] 范金宇，陈景锋.控制船用柴油机NOx和烟度排放的试验研究[J].船海工程，2007(1):75-78.

[4] 陈景锋，翁泽民，周程生.喷油正时对船用柴油机NOx排放率影响的试验研究[J].集美大学学报，2000(3):66-69.