(中國船級社青島分社，山東 青島 266071)

國際海事組織(IMO)于2008年通過了MEPC.177(58) 《船用柴油機氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則修正案(2008技術(shù)規(guī)則)》，對1997技術(shù)規(guī)則進行了修訂，該修正案已與2010年7月1日生效，按照修正案的規(guī)定，2011年1月1日或以后建造的船安裝的船用柴油機應(yīng)符合2008技術(shù)規(guī)則Tier II的要求，并規(guī)定2016年1月1日后可要求滿足Tier III的要求。柴油機制造廠為滿足將來國際上對排放的控制要求，對機型進行相關(guān)改進并進行了排放測試，本文對某中速主柴油機的測試結(jié)果進行計算，對改進前后的柴油機的NOx排放情況進行分析，供柴油機制造廠及相關(guān)科研單位進行同類設(shè)計改進時參考。

1 柴油機的排放要求

MARPOL附則VI規(guī)定了柴油機NOx排放的三個階段的要求，其中第Ⅰ、Ⅱ階段為現(xiàn)在已經(jīng)實施的階段， 第Ⅲ階段為即將實施的階段[1]，3個階段的限值對比見圖1。通過對比可知，Tier II的排放值為在Tier I基礎(chǔ)上降低15%～22%；Tier III為在Tier I基礎(chǔ)上降低80%。從技術(shù)上已經(jīng)證明，通過對柴油機的內(nèi)部改造可滿足Tier II的排放要求；而要滿足Tier III的要求，就必須加裝相關(guān)的后處理裝置。為了最大限度地減少后處理裝置的使用規(guī)模，需要減少柴油機的NOx排放。

圖1 IMO規(guī)定的NOx排放限值

2 計算工具開發(fā)

NOx2008技術(shù)規(guī)則詳細規(guī)定了氣體排放參數(shù)的測試方法以及計算方法，值得注意的是NOx技術(shù)規(guī)則1997版和2008版在進行廢氣質(zhì)量流量的計算方面有了區(qū)別。2008 版本簡化了計算的過程直接使用碳平衡法進行計算，而1997版的計算方法為碳氧平衡法。在直接測量法、空氣和燃料質(zhì)量流量法以及燃料流量和碳平衡計算法中，本試驗使用燃料流量和碳平衡法對廢氣質(zhì)量流量進行計算。

為便于對比測試結(jié)果，利用Microsoft EXCEL的計算功能，編制完全符合NOx技術(shù)規(guī)則2008的碳平衡計算法的程序，統(tǒng)一對改進前滿足Tier I的測試結(jié)果和改進后滿足Tier II的測試結(jié)果在同一個計算平臺上進行計算。計算程序操作簡便、錄入簡單，可直接生成測試報告，可供測試機構(gòu)計算或監(jiān)督機構(gòu)進行復(fù)核計算使用。

3 柴油機的改進

進行試驗的柴油機主要參數(shù)如下。

缸徑×沖程 330 mm×440 mm

缸數(shù) 6

標定功率 2 574 kW

標定轉(zhuǎn)速 620 r/min

為了滿足Tier II以及即將生效的Tier III的要求，對柴油機的進氣系統(tǒng)進行優(yōu)化改進設(shè)計。

1) 使用混流式增壓器，提高增壓比，提高廢氣的使用效率；

2) 使用新的設(shè)計改進空氣冷卻系統(tǒng)，提高空冷器的冷卻效率。新的空冷系統(tǒng)采用二級冷卻型式，一級冷卻采用缸套冷卻水，二級冷卻采用海水冷卻，新的冷卻器增大了熱交換面積，保證了和新增壓器的匹配。

3) 調(diào)整柴油機的噴油提前角，降低NOx的排放值。對改進前后兩種不同噴油提前角的排放值進行分析，基于主推進工況進行排放分析，即NOx技術(shù)規(guī)則規(guī)定的E3工況，主要工況點加權(quán)因數(shù)見表1。

表1 E3測試工況點及加權(quán)因數(shù)

4 測試結(jié)果計算及對比分析

為便于對比分析，測試柴油機的不同配置見表2。

表2 進行實測的柴油機不同配置

針對上述方案進行測試,相關(guān)的測試計算結(jié)果見表3。

表3 E3工況下各種方案的數(shù)據(jù)匯總

燃燒過程中生成NOx的3個條件是高溫、富氧和燃燒反映持續(xù)時間。故缸內(nèi)工質(zhì)的溫度、當量空燃比和燃燒持續(xù)期決定了NOx生成量[2-3]。

各方案的相關(guān)參數(shù)對比分析見圖2～7。

圖2 3種方案各負荷NOx排放值對比

圖3 3種方案各負荷油耗值對比

圖4 3種方案各負荷進氣壓力對比

圖5 3種方案各負荷進氣溫度對比

圖6 3種方案各負荷各缸平均爆發(fā)壓力對比

圖7 3種方案各負荷各缸平均排溫對比

對比NOx排放值可以看出，方案3在高負荷區(qū)域具有良好的排放值，低負荷時排放較差；方案2較方案1有了降低，能夠滿足TierII的要求；而方案1則無法滿足Tier II的要求。對比油耗值，方案3具有最好的經(jīng)濟性，特別是在經(jīng)濟負荷時油耗較低；方案2雖然有良好的排放性能但可以看出是因為犧牲了經(jīng)濟性，其油耗較方案1有5%左右的提高。

方案3具有良好的排放和經(jīng)濟性，進一步對比分析進氣壓力和空冷后的溫度情況，可以看出，方案3在高負荷區(qū)域具有良好的增壓比，較其它兩種方案有40%左右的提高，增加了進氣量，由于使用了新的空氣冷卻系統(tǒng)，雖然進氣量增加，空冷后的空氣溫度三種方案基本持平，而同時方案3的油耗又低，可見其過量空氣系數(shù)最高。

對比排氣溫度和爆發(fā)壓力，方案3由于進氣量大進而爆發(fā)壓力大，同時由于空氣的冷卻作用，其排煙溫度較低，也是造成排放較低的原因之一。方案2減小了噴油提前角，其爆壓較低，排溫較方案1變化不大。

5 結(jié)論

方案3最優(yōu)，提高了經(jīng)濟性的同時降低了排放。而方案2在方案1的基礎(chǔ)上減小了噴油提前角，雖然降低了排放值，但同時犧牲了較大的經(jīng)濟性。文獻[4]針對高速機進行試驗證明經(jīng)濟性的損失較小，從對中速機的試驗來看，情況略有不同，若實船使用重油對經(jīng)濟性的損失會更大。因此，方案2只能作為一種過渡方案。同時可以看出，使用方案3，由于增加了新的設(shè)備會增加成本，同時可以看出方案3在低負荷時的排放具有較大的提高潛力，因而為了滿足Tier III的要求，可以從改進低負荷時的燃油噴射入手進一步降低排放值，進而匹配較小尺寸的后處理裝置，從而降低方案3低負荷排放。方案3可以作為本型號中速機的減排設(shè)計主線，能夠滿足TierⅢ的要求。

[1] IMO MEPC 177(58) 決議 “船用氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則修正案”[S].北京：人民交通出版社，2009.

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

[3] 范金宇，陳景鋒.控制船用柴油機NOx和煙度排放的試驗研究[J].船海工程，2007(1):75-78.

[4] 陳景鋒，翁澤民，周程生.噴油正時對船用柴油機NOx排放率影響的試驗研究[J].集美大學學報，2000(3):66-69.