大型低速共轨电喷船用柴油机排放特性分析

王忠诚， 许乐平， 周培林， 周俊峰， 赵睿， 周大平

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)



大型低速共轨电喷船用柴油机排放特性分析

王忠诚， 许乐平， 周培林， 周俊峰， 赵睿， 周大平

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

为研究船舶柴油机的防污染问题，依据《MARPOL 1973/78》附则VI对船舶柴油机排放物的最新要求，对船用某大型低速二冲程十字头共轨电喷柴油机进行排放测试，分析排放物(THC，NOx，CO2，CO和O2)随负荷变化的排放特性，得出按推进特性运行时THC，NOx，CO2，CO和O2的排放规律.结果表明：该型柴油机在各负荷下运行时，缸内燃烧过程充分；按经济理念设计的降速运行可获得经济效益；与传统柴油机相比，该型柴油机在NOx和CO2排放上明显改善.

环境保护； MARPOL 1973/78； 电喷柴油机； 排放特性

0 引 言

柴油机由于热效率高、安全可靠而广泛应用在船上.随着航运业的不断发展，柴油机装船量不断扩大，所产生的废气总量相当巨大.据EYRING等[1]统计，以柴油为动力的船舶每年向大气排放氮氧化物(NOx)约650万t、硫氧化物(SOx)约600万t、颗粒物(PM)约170万t.根据欧盟的调查，欧洲的机动车排放正逐年下降，但船舶排放却在继续上升，依据现行法规，到2020年，SO2，NOx和PM2.5将分别增长42%，47%和56%.[2]研究表明，船舶对大气的污染已经不容忽视，特别是在港口、海峡和一些航线密集、船舶流量大的海区，船舶排放的尾气甚至成为该地区的主要污染源，全球2/3以上的船舶发动机排气都产生在距海岸400 n mile的范围内.因此，每年全球大约有64 000人死于与船舶污染有关的疾病.[3]可见，船舶柴油机所排放的尾气，已经严重影响到人类的健康.

1 船舶排放要求

为减少船舶尾气污染，世界各地陆续出台各种公约和法规，比较典型的当属国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)通过的国际防止船舶造成污染公约《MARPOL 1973/78》，该公约明确规定船用柴油机各种排放物的排放标准.一些国家为保护地区内环境，也已出台相应的排放法规，如美国排放法规规定：在规定区域内，或使用满足排放标准的柴油机，或租用陆上岸电来满足船舶动力的要求，对不满足排放标准的柴油机不允许使用；欧盟也已出台限制柴油机排放的相应政策.[4-5]

1.1 NOx排放要求

NOx不仅破坏环境，还会刺激人的呼吸系统，形成酸雨等.为减少NOx排放，IMO在《MARPOL 1973/78》附则VI中对船舶NOx的排放标准作了明确规定[6]，见表1.

表1 IMO对船用柴油机NOx的排放标准

从表1可以看到：2016年以后NOx的排放限值为2000—2011年排放限值的五分之一左右，可见未来对柴油机NOx排放的要求更为严格.

1.2 碳排放要求

碳排放问题最早于1997年提出，此后IMO的海上环境保护委员会对船舶CO2排放问题进行专门的研究，并在2011年7月召开的第62次会议上通过新船能效设计指数(Energy Efficiency Design Index, EEDI)和船舶能效管理计划(Ship Energy Efficiency Management Plan, SEEMP)两项船舶能效指标[7-8]，并纳入《MARPOL 1973/78》附则Ⅵ中强制实施.

我国是航运大国，航运企业有自己的减排目标.国家交通运输部在“十二五”发展规划中明确规定：到2020年我国营运船舶CO2排放量比现有情况下降16%.

2 试验设备和测试程序

2.1 电喷柴油机

试验采用MAN公司生产的大型低速二冲程、十字头、增压、可倒转、共轨、电喷柴油机，型号为6S35ME-B，其基本参数见表2(1 bar=100 kPa).

表2 柴油机基本参数

2.2 测试设备

尾气测试设备较多，有TESTO，HORIBA，AVL等.作为大型船舶尾气的测试设备，本试验采用HORIBA MEXA-1500DS型气体分析仪，其中：THC浓度检测采用加热氢火焰离子检测器，NOx浓度检测采用加热化学发光分析仪，CO2和CO浓度检测采用不发光红外分析仪，O2浓度检测采用顺磁性测氧仪.有效功率测试采用QC-100水力测功器：在146.6 r/min时最大吸收功率为4 300 kW，最大制动力矩不低于280 kN·m；在43 r/min时最低吸收功率为98.5 kW；最低稳定转速条件为在43 r/min时，空载功率小于90 kW；扭矩测试精度为±0.002 N·m；转速测量误差为±1 r/min.油耗测试采用EPC-50B油耗测量仪.

2.3 测试程序

各国对船用柴油机排放物都有不同的测试方法，目前国际上比较公认的是ISO/DIS8178测量标准.该标准规定了NOx，CO等的测量方法、原理及程序，如确定颗粒时，收集的排放物为用干净空气稀释的废气，其温度≤52 ℃，燃料含硫量≤0.8%时有效.[9-11]测试按推进特性工况进行，采用E3试验循环模式，即取点为100%额定功率，91%额定功率，80%额定功率和 63%额定功率.试验过程中，柴油机在各工况下稳定运行30 min，取其平均值作为排放参数.

3 测试结果分析

柴油机连续运转4 h，测试结果见表3.传统柴油机(MAN8L60DF)排放特性[12]见表4.

表4 MAN8L60DF测试结果

3.1 THC浓度变化趋势及分析

从表3可以看出，按推进特性运行时，THC浓度随着负荷的增加呈先抑后扬的趋势，变化幅度较小，最大差值只有32.3×10-6，说明该电喷柴油机在整个负荷变化范围内缸内工质燃烧完全.在25%负荷时，影响THC 形成的主要因素是燃油与空气混合均匀性.此时燃油与空气混合均匀性相对较差，THC浓度最大.随着负荷增加，柴油机的进气量和压缩压力也增加，燃油与空气混合均匀，在50%负荷和转速112.7 r/min时，THC体积分数最小.随着负荷继续增加，影响THC形成的主要因素变成喷油定时，电喷柴油机在喷油定时的控制上非常准确，因此随着循环供油量的不断增大，THC体积分数只有小幅上升，当负荷达到100%，THC体积分数仅达到243.5×10-6.

3.2 NOx排放变化特性及分析

船舶柴油机尾气中NOx主要由空气中的氮气与氧气反应产生，主要发生在燃烧初期，而影响NOx形成的主要因素有空燃比、温度、喷油定时和燃烧反应时间，因此柴油机气缸内的空气量、燃烧温度、喷油提前角和燃烧反应时间决定NOx的生成量.

在整个测试过程中，NOx浓度的变化趋势是先减少后增加，见表3.在25%负荷时最大，在50%负荷时最小，最大差值为203×10-6.其原因在于：柴油机在25%负荷时，空燃比最小，为48.48，有利于NOx生成；在50%负荷时，空燃比最大，为56.79，NOx生成量最小；在75%负荷时，空燃比为54.39，NOx生成量增加；在100%负荷时，影响NOx生成的主要因素是温度，此时缸内压缩压强达到160 bar左右(见图1)，压缩温度升高，循环供油量增大，最有利于生成NOx.

3.3 CO2和CO排放趋势分析

从表3可以看出，CO2体积分数的变化规律类似反抛物线， 而CO体积分数的变化规律类似抛物线形状，说明两者在燃烧过程中发生相互转化.柴油机在25%负荷和100%负荷时，CO2体积分数分别为4.326%和4.233%，CO体积分数分别为105.0×10-6和76.5×10-6，说明柴油机缸内燃烧更充分.在50%负荷和75%负荷时，CO2体积分数分别为3.683%和3.850%，CO体积分数分别为118.8×10-6和102.7×10-6，燃烧效果稍差，这是因为在柴油机增加负荷过程中，过量空气系数α相对于其他工况下较小，缸内燃烧不完全，CO体积分数增加，但增幅甚微.当达到100%负荷时，过量空气系数α达到最大，压缩压力升高，燃烧充分，CO体积分数降低， CO2体积分数又一次升高，说明燃烧充分.

3.4 O2变化趋势分析

从表3可以看出，O2浓度几乎没有变化，说明在整个负荷变化范围内，空气的供给充足，循环供油量的增加未导致氧气供给不足的现象.

3.5 平均压缩压强和爆炸压强变化趋势

柴油机在不同负荷下各缸示功图见图1.从图1可以看出：平均压缩压强随负荷的增加从62 bar左右上升到160 bar左右，增幅达到近100 bar.平均爆炸压强随着负荷的增加从78 bar左右升高到170 bar左右.柴油机在100%负荷时，平均压缩压强达到160 bar左右，平均爆炸压强达到170 bar左右，两者仅差10 bar.柴油机在110%负荷时，平均压缩压强大于平均爆炸压强.可见船用柴油机增压系统优越于其他增压系统.

图1 柴油机在不同负荷下的示功图

4 结 论

(1)从排放物(见表3)体积分数的最高与最低差值(THC为32.3×10-6，NOx为203×10-6，CO2为0.643%，CO为42.3×10-6，O2为0.798%)看，该型柴油机在各负荷下运行，缸内燃烧过程充分.(2)该型柴油机在50%负荷，转速为112.7 r/min，功率为1 785.0 kW时，排放物数量最低，说明该型柴油机是按经济理念设计的，这为当前经济形势不好的情况下船舶降速运行提供条件.(3)与传统柴油机排放特性(见表4)相比，该型柴油机在NOx和CO2排放上明显改善.

[1]EYRING V, KÖHLER 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]冯明志. 船舶柴油机排放控制技术的新发展[J]. 柴油机, 2010, 32(1): 13-17.

[5]王虎. 船舶柴油机排放和控制技术介绍[J]. 内燃机与配件, 2013(8): 42-44.

[6]劳辉. 欲善其事先利其器——MARPOL 1973/78附则全部生效,我们该如何应对?(续)[J]. 中国海事, 2008(8): 4-8.

[7]谭祖胜, 王晓, 沈汉峰. 中小型船舶EEDI影响因素及对策分析[J]. 上海海事大学学报, 2013, 34(1):50-54.

[8]李百齐, 程红蓉. 关于EEDI衡准基面的研究[J]. 中国造船, 2010, 51(2): 51-57.

[9]朱参, 尹琪, 邬静川. 船用大功率柴油机排放控制与测试[J]. 内燃机工程, 2002, 23(4):72-76.

[10]尹自斌, 丁奉. 柴油机NOx排放实船测试中的气体分析仪选型[J]. 船舶工程, 2010, 32(2):22-24.

[11]谢宜炜, 孙永明, 王亮, 等. 船舶柴油机尾气检测系统设计研究[J]. 船海工程, 2012, 41(1):57-59.

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

(编辑 赵勉)

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

王忠诚(1979—)，男，辽宁铁岭人，讲师，博士研究生，研究方向为现代轮机管理与安全技术、排放测试， (E-mail)wangzhongchengwzc@163.com； 许乐平(1957—)，男，江苏南京人，教授，博导，博士，研究方向为现代轮机管理与安全技术、排放测试，(E-mail)lpxu@shmtu.edu.cn

U664.121.1；TK421.5

A

项目资助： 上海海事大学青年骨干教师培养计划；上海海事大学人才引进科研启动经费