某型船用柴油机降低NOx生成与排放的改进研究

刘占国

（江苏卓联新动力有限公司，江苏 常州 213023）

某型船用柴油机降低NOx生成与排放的改进研究

刘占国

（江苏卓联新动力有限公司，江苏 常州 213023）

在某型船用柴油机基础上，保持缸径、冲程、转速和功率不变的情况下，通过调整供油定时、燃油喷射系统(喷油泵、喷油器)参数、进气系统(喷嘴环、扩压器)参数和活塞结构优化设计等机内净化措施，改进了缸内燃烧，使得NOx生成量降低，优化了排放。

柴油机；NOx排放；机内净化技术

0 引言

自从 1897年鲁道夫·狄塞尔发明了柴油机，100多年来内燃机机得到了全面和迅猛的发展，然而数量庞大的内燃机在消耗巨量能量的过程中也排出了数亿吨计的有害气体，成为日益严重的大气污染的主要源头。在尽量保持发动机原有动力性能和制造成本的前提下，如何减少发动机有害排放物，已经成为一种发展趋势。本文所做的研究，即是讨论如何运用机内净化的方法降低NOx生成、优化排放。

1 理论分析与试验设计

柴油机排放污染物的产生主要是由于燃油和空气混合不均，缸内燃烧未完全造成的。柴油机降低排放必须以优化燃烧、改善燃油和空气的混合为目标，而柴油机排放控制通常分为三种方式，即对进气和燃油的前处理、改善燃烧过程的机内净化和针对尾气的后处理[1]。本文是在柴油机总体结构布置不发生大的变化、不增加额外辅助设备的情况下，优先采用机内净化措施来达到降低排放的目标。机内净化需要从燃油系统、进气系统和燃烧系统三个系统参数进行敏感性分析。

1.1 燃油系统的改进

1.1.1 调整喷油定时

柴油机排气中的NOx主要是空气中所含的氮在高温下氧化而生成的，氧气在高温分解时产生氧原子，氧原子的存在诱发了NOx生成的连锁反应，所以氧原子浓度以及反应温度对 NOx的生成至关重要[2]。另外燃气在富氧和高温条件下停留时间越长，NOx的生成几率也就越大。对于柴油机来说，预混燃速率很快，又发生在上止点附近，有最长的焰后反应时间和最高的气体温度，对NOx生成极为有利。因此，柴油机中的 NOx生成量与参加预混燃烧的燃油比例有很大关系，如果参与预混燃烧的燃油量多，NOx生成量就会增多。对于一定的喷油持续期来说，滞燃期的长短决定了预混燃油量与扩散燃油量的比例，滞燃期长则预混燃油量增多。推迟喷油、减小喷油提前角可以缩短滞燃期、减少参加预混燃烧的燃油量，进而降低 NOx的生成量。在实际操作中是通过改变喷油泵的供油提前角来改变喷油提前角，虽然这种方法不能精确测得喷油时刻的该变量，但足以满足性能优化调节的需要。本文将供油提前角由18℃调整至16℃进行试验。

1.1.2 提高喷油速率

推迟喷油会使直喷式柴油机后燃增加，烟度增加，给柴油机的燃油消耗率和排温带来一些不利的影响。为弥补这些不利影响，采用的技术是适当提高喷油速率。由于喷油速率高，喷油延续时间缩短，可使柴油机在喷油提前角减小的情况下，喷油终点仍保持不变，这样可减少推迟喷油对放热率的影响，避免柴油机后燃严重，从而使柴油机烟度、HC、CO、功率、燃油消耗率等得以控制[3]。增大喷油泵柱塞直径，可以提高喷油速率，喷油滞后角和喷油持续期都得以减少，使柴油机有较好的经济性。本文中原喷油泵柱塞为φ17mm，改进后增大至 φ18mm，泵端压力由 900bar调整至1100bar。

图1是柱塞直径对喷油规律影响的仿真计算。由图1可看出，柱塞直径由φ17mm增大至φ18mm，喷油滞后角缩小 0.5°凸轮转角，即 1°曲轴转角，喷油持续期由21°凸轮转角缩短至18°凸轮转角，这样有利于避免后燃严重，有利于降低排放。

图1 柱塞直径对喷油规律的影响

1.1.3 调整喷油嘴流量系数

对于采用缸内混合方式的柴油机来说，可燃混合气质量主要取决于燃油的油束特性(雾化质量和油束形状)。燃油与空气的宏观混合率主要取决于喷油速率和空气运动，而微观混合均匀性主要取决于燃油的雾化程度和蒸发速率。减小平均油滴尺寸，可提高雾化程度，提高混合均匀性，有利于降低燃油消耗率及排放量。减小喷孔直径，可增加燃油单位流量的壁面摩擦面积，从而减小平均油滴尺寸。

另外，若仅提高喷油速率而不减小喷孔直径，油束贯穿强度增大，过大的贯穿度使油滴着壁，造成燃油不能及时蒸发而增加后燃。因此，本课题将喷油器喷 孔 直 径 由 原 来 的 5×φ0.29+4×φ0.24 缩 小 至5×φ0.27+4×φ0.23，以改善雾化及油气时空分布。但随着喷孔直径的缩小，喷油阻力增大，易引起喷孔堵塞。同时因喷油速率的提高，单位时间内喷入的油量相应增多，流速增大，而流通面积减小后，也易造成流阻过大，因此需要合适减少单位时间内的喷孔流量并改善喷孔处的表面质量，降低流阻。本文采用的优化技术是对喷孔进行挤压工艺处理，提高其表面光洁度，减小流阻系数，同时在不改变喷孔宏观尺寸的情况下，通过挤压处理改变喷孔处的微观形状来调整和控制单位时间内的喷孔流量。考虑到喷孔直径的确定需与喷射速率相互匹配，故在技术方案中将喷孔单位流量分别缩小至原流量(3.2L/min)的95%和90%左右，将对应的喷油器分为大流量和小流量进行多方案配机试验。

1.2 进气系统的改进

除了燃油系统的影响因素之外，柴油机的进气状态也是影响排放的重要因素之一，在进气温度和供油量不变的情况下提高进气压力，相当于增加过量空气系数，由此降低了燃气温度，抑制NOx的生成，进气量的增加也使碳烟、未燃烃排量减少。提高进气压力的主要技术途径之一是调整增压器通流元件参数，在增压器最高转速和窝前排气温度极限允许条件下，通过减小涡轮喷嘴环面积，使涡轮前废气能量增加，增压器转速提升，增压压力随之提高。同时相应调整压气机端扩容器喉口面积，增大喉口面积，提高压气机效率，在增压比一定时，则使增压空气温度降低，进气密度随之增加，平均有效压力不变时，过量空气系数会增加，使柴油机燃烧得到改善，燃油消耗率和排气温度都可降低。考虑到受柴油机最高爆发压力、排温、增压器转速等限值要求，将原增压器涡轮喷嘴环面积(45.76cm2)按两组方案参数(41.71、43.37cm2)进行分别调整，提高增压压力，同时将扩压器面积由28.11cm2相应调整至 30.36cm2，提高压气机效率，并结合燃油喷射系统配置方案进行匹配试验。

1.3 燃烧系统的优化

由于原型机在超负荷运行时，易产生“拉缸”的问题，而本次样机研制采用了提高增压压力的技术措施，随增压压力的提高，柴油机的机械负荷也将随之增大。为了避免柴油机因机械负荷增大造成“拉缸”，对活塞型线进行优化设计，将活塞顶部型线沿活塞直径方向缩小0.15mm～0.35mm。活塞裙部型线沿活塞直径方向缩小0.06mm～0.08mm。

2 台架试验

2.1 供油提前角调整试验

调节供油提前角可控制燃油喷入缸内的时刻，从而控制滞燃期内的预混燃油量，是影响柴油机排放的敏感参数。在柱塞直径和喷油嘴流量系数比保持原机配置的情况下，供油提前角调整试验结果如下：

试验结果表明，通过推迟供油提前角 2℃A，NOx排放量在全工况范围内降低，按照中国船级社的 NOx排放测试计算方法 NOx排量由9.4006g/kW·h降低到7.6136g/kW·h，NOx变动量为0.8935/℃，燃油消耗率由 222g/kW·h增加至 231g/kW·h，比油耗变动量为4.5/℃A。通过推迟供油提前角，有效降低了NOx排量，但燃油消耗率上升。

图2 不同供油提前角对燃油消耗率的影响

图3 不同供油提前角对NOx的影响

2.2 喷油特性调整试验

增大柱塞直径可以提高喷油速率，同时匹配三种不同喷孔流量系数的喷油器进行试验，喷嘴通流以原喷油器喷孔单位流量为基础，分为 100%、95%和 90%三档流量系数比。通过对柱塞直径与喷嘴通流能力的匹配，在满足NOx排放要求的条件下，改善燃油消耗率。

16°供油提前角、18mm柱塞直径下匹配不同流通能力的喷嘴试验结果如图4所示。

图4 不同喷嘴流通能力对燃油消耗率的影响

经多方案试验对比结果来看，加大柱塞直径、减小喷嘴流通能力使得燃油消耗率和烟度得到一定改善，NOx排放小幅回升。当流量系数比为 90%时，额定负荷时的燃油消耗率为 228g/kW·h，对应的流量系数比为 95%时的燃油消耗率为 230.7g/kW·h，燃油消耗率依旧偏高；NOx排放最高上升到8.14g/ kW·h，仍在可接受的限值 8.98kW·h范围内；爆压控制在限值10.2MPa范围以内。综合考虑 NOx和燃油消耗率，兼顾涡前排温、各缸排温、进气温度及进气压力等方面的因素，确定喷油系统方案为采用供油提前角为16℃、柱塞直径φ18mm喷油泵、喷孔单位流量比为90%的喷油器，待增压系统配机试验以进一步改善 NOx、燃油消耗率等各项性能指标。

图5 不同喷嘴流通能力对NOx排放的影响

图6 不同喷嘴流通能力对爆发压力的影响

3.3 增压器特性调整试验

提高增压空气量，提高扫气系数能有效降低油耗，而过大的增压压力会导致最高爆发压力超限、NOx升高。采用减小喷嘴环面积而提高扩压器面积的方法，可在增加增压空气流量的同时又不明显增加增压压比。试验采用 30.36cm2的扩压器替换原增压器28.11cm2的扩压器，而喷嘴环则有41.71cm2与43.37cm2两种方案与原增压器45.76cm2的喷嘴环进行比较。试验结果如下：

从试验结果可看出，通过喷嘴环当量面积的减小，有效的降低了比油耗，其中当喷嘴环面积为 41.71cm2时，比油耗为218.67g/kW·h ，当喷嘴环面积为43.6cm2时，比油耗为219.9g/kW·h。NOx排量最高的加权平均值是8.3788g/kW·h(当喷嘴环面积为41.71cm2时)，最低是7.5627g/kW·h(当喷嘴环面积为43.6cm2时)。当喷嘴环面积为41.71cm2时，爆压偏高，为10.40MPa。减小喷嘴环当量面积，提高了 25%工况即以上的增压压力，从图中看到 25%工况点的空冷后进气压力在匹配原机增压器时表压为 0bar，说明此时增压器并没有启动运行，而通过减小喷嘴环面积 25%工况点增压器就已启动运行，改善了低工况性能。

图7 不同喷嘴环扩压面积对燃油消耗率的影响

图8 不同喷嘴环扩压面积对NOx排放的影响

图9 不同喷嘴环扩压面积对爆发压力的影响

图10 不同喷嘴环扩压面积对空冷后进气压力的影响

通过增大扩压器当量面积能有效增大增压器的空气流量，降低比油耗，改善低工况性能。采用41.71cm2喷嘴环面积的方案由于增压压力过高，导致最高爆发压力超限，虽然油耗率下降明显，但 NOx排放也在全工况上升；相较之下采用43.37cm2喷嘴环面积的方案具有低的燃油消耗率和 NOx排放量等综合优势，说明43.37cm2喷嘴环与30.36cm2的扩压器配合更为适当，是三种增压器方案中的优选方案。

3.4 试验结果分析

通过供油定时、燃油系统和增压系统的优化匹配试验，确定了该机低排放设计的喷油特性参数、增压器特性参数和供油提前角，在满足排放要求的同时，兼顾最高爆发压力、燃油消耗率和排温等性能要求，最终优化参数如表1所示。

表1 优化参数定型表

通过台架试验验证，该柴油机完成了对喷油系统及增压系统的优化调整试验，有效降低了排放，NOx排量由9.4006g/kW·h降低到7.56g/kW·h，达到了Tier II的排放标准；比油耗由222g/kW·h降低到219.9g/kW·h，提高了柴油机的经济型。通过对活塞型线的优化设计，解决了在超负荷运行时易“拉缸”的问题。

4 总结

本文依靠机内净化技术，通过对供油提前角、喷油特性、增压器特性的调整，改善了混合气质量，优化了燃烧过程，在不增加燃油消耗率的情况下，实现了NOx排量的降低。喷油提前角是影响NOx生成与排放的主要因素，缩小喷油提前角可有效降低 NOx的生成与排放量，但同时也会带来燃油消耗率的上升。喷油特性和增压器特性的优化调整，可使燃油消耗率和烟度得到改善，使柴油机兼顾排放和经济性。

[1] 冷先银, 隆武强. 现代船用柴油机 NOx排放的机内净化技术[J]. 柴油机, 2009(2): 19-25.

[2] 陈清彬, 詹志刚，林金英.船舶柴油机减排新技术方案研究[J]. 船舶工程, 2011(4): 44-48.

[3] 蒋智庆, 钟俏灵. 浅谈降低柴油机有害排放的机内控制技术[J]. 大众科技, 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

刘占国（1986-），男，硕士研究生，助理工程师。研究方向：发动机性能开发。