降低船舶柴油机NOx与烟度排放影响的试验研究

李加亮

摘要：本文通过试验改变柴油机喷油正时和压缩比，寻找降低柴油机NOx同时不致使烟度排放大量增加的方法。

关键词：柴油机 NOx 烟度 试验

柴油机作为船舶动力以来，其造成的大气环境污染就已经开始。船舶柴油机排放的有害物数量巨大，并且污染的程度随着水上运输的发展而日益严重。为有效地控制船用柴油机的排放，国际海事组织（IMO）制定了船用柴油机NOx排放的限制标准即《MARPOL73/78防污染公约》附则Ⅵ-“防止船舶造成空气污染规则”。有效控制柴油机NOx排放的方法有很多，但就目前的情况看，改变柴油机喷油正时和压缩比，是应用最多、最广泛的方法。由于烟度排放的机理与NOx不同，在降低NOx排放的同时往往引起烟度排放的增加。

1.船用柴油机排放控制要求

国际海事组织（IMO）出台的“MARPOL73/78防污染公约”附则Ⅵ—防止船舶造成大气污染规则于2006年8月23日对我国生效，适用于国际航行船舶。规则对柴油机NOx的排放作了限制，IMO还通过了一个强制氮氧化物技术规则，即MEPC.103（49）决议。

对国内航行船舶，相关船检法规也对船舶柴油机的NOx排放进行规定。对于新建船舶，其柴油机的NOx的排放量（按总的NOx加权排放量计算），当柴油机额定转速n<130r/min时，NOX的排放量不大于14.4g/kWh；当130r/min≤n<2000r/min时，NOx的排放量不大于44n-0.23g/kwh；当n≥2000r/min时，NOx的排放量不大于7.7g/kWh。

2.NOx排放的影响因素

柴油机排放污染物的成份基本由两种组成：一是燃料完全燃烧后的产物，基本成份是CO₂、SO₂和H₂O，还有剩余的空气等，这些气体除SO₂外对人体和生物不会造成直接的危害。另一种属于燃料不完全燃烧的产物和有害的氧化物，它们包括CO、未燃碳氢HC、NOx微粒子（碳烟、高沸点可溶性碳氢和铅化物）、O₃、甲醛、丙烯醛和未燃醇等。后一种排放物具有毒性和强烈的刺激性，在一定程度都会对人体和生物造成直接危害，部分成份（如微粒子）具有致癌作用。

影响NOx排量的因素很多，其中气缸内的最高燃烧温度和混合空气量是主要因素。燃烧温度越高，NOx产量越大。燃烧气体的后压缩是燃烧过程中影响NOx生成的一个重要因素。当燃料燃烧后达到高温，如果这些气体进一步被压缩就会达到更高的压力和温度，进而导致产生更多的NOx。

3.试验设备和试验方案

本试验按照IMO《船用柴油机氮氧化物排放控制技术规则》推荐的试验程序，在发电机工况下改变喷油正时和气缸压缩比，寻找出NOX排放率与烟度排放的变化规律。

试验是在一台东风4135G非增压高速四冲程柴油机上进行的，其属于直列水冷式柴油机，浅W型直喷式燃烧室。试验台架系统如图1所示。

4.试验方案

（1）喷油正时和压缩比的调整方法

对于喷油正时的调整采用整机总调法，通过驱动轴与喷油泵轴的联轴节分别将喷油正时调定在上止点前24°（CA）、28°（CA）和32°（CA）三个位置。对于压缩比的调整则是通过调节气缸垫床的厚度来实现的，本试验中气缸垫床的厚度分别为1.0mm、0.5mm，其对应的压缩比分别为16.5、17.4。

（2）试验循环

分别调整柴油机的喷油正时和压缩比，令柴油机起动后稳定运转，按IMO《船用柴油机氮氧化物排放控制技术规则》推荐的发电机工况试验循环（D2循环）测量各工况点的柴油机性能参数和排放参数值。

5.试验结果分析

让柴油机分别在发电机工况下工作，按试验循环要求调整好各工况点在，不同的喷油正时（β）和压缩比（ε）下进行试验，得出结果如表1。

根据试验结果，利用简单碳平衡法分别计算出各试验工况点的NOx排放的工况比排放和各试验循环的NOx加权比排放。可以得出，当柴油机的喷油正时延后、压缩比不变或喷油正时延后与压缩比增大时，柴油机的NOx排放均得到减少，但是在压缩比增大时，NOx加权比排放减小的幅度变小；当柴油机的喷油正时提前、压缩比不变，喷油正时不变、压缩比增大或喷油提前角与压缩比同时增大时，柴油机的NOx比排放均增加，尤其是喷油提前角与压缩比同时增大时，NOx比排放增大的幅度最大。然而，当柴油机的喷油正时或压缩比改变时，柴油机的烟度排放与NOx排放会是怎样的关系呢？表1可以看出，在将喷油正时延后，在NOx排放得到降低，伴随着烟度会大量增加。如果在喷油正时延后的同时增加压缩比，就可以在降低NOX排放的同时，又可以降低烟度排放增加量。通过计算可以得到，在β=24°和ε=17.4时，柴油机NOX的加权比排放在发电机工况下减少18.35%。因此，采用延后喷油正时与提高压缩比相结合的技术调整方案，可以减少柴油机的NOx的排放率，同时又不会使烟度的排放大量增加。

6.结语

通过试验可以得出如下结论：降低柴油机的NOx排放率的有效途径是利用喷油正时的延后来实现低温燃烧以降低NOx排放率。在喷油正时延后4°和压缩比提高5.5%时，可使柴油机在发电机工况下的NOx加权比排放分别减少18.35%，但烟度稍有增加。本试验所采用的设备为非增压四冲程直喷式柴油机，试验燃料为轻柴油。而对于现在船舶所采用的高增压船用柴油机和重质或劣质燃油，在采取改变喷油正时和压缩比的技术方案时，能否有效降低NOx及烟度排放浓度尚需进一步研究。