船用柴油機(jī)排放法規(guī)概況

由于船用柴油機(jī)對環(huán)境污染的日益嚴(yán)重和人們對環(huán)境狀況的日益關(guān)注，國際海事組織海上環(huán)境保護(hù)委員會（MEPC）在1997年通過了MARPOL公約73 /78附則Ⅵ，即《防止船舶造成大氣污染規(guī)則》，對于每一臺安裝在2000年1月1日或以后建造的船舶、輸出功率大于130kW的柴油機(jī)提出了排放控制標(biāo)準(zhǔn)。

為進(jìn)一步控制和減少船舶柴油機(jī)有害污染物的排放，MEPC又于2008年10月10日正式通過了附則Ⅵ的修正案，定義了包括三個級別的IMO船用柴油機(jī)排放法規(guī)體系，原有的附則Ⅵ內(nèi)容被制定為Tier I階段標(biāo)準(zhǔn)，并增加了更加嚴(yán)格的Tier II (2011年全球?qū)嵤? 和Tier III (2016年排放控制區(qū)實(shí)施) 階段標(biāo)準(zhǔn)，見表1。其中TierⅡ標(biāo)準(zhǔn)在Tier I標(biāo)準(zhǔn)上降低15.5%~21.8%。

NOX排放控制技術(shù)

影響柴油機(jī)生成NOX的因素主要是燃燒溫度、燃燒時間及燃油與空氣的預(yù)混合程度。由于NOX是一種酸性氣體，因此，可以從其生成機(jī)理和性質(zhì)兩方面進(jìn)行控制，一般分為機(jī)內(nèi)控制技術(shù)和機(jī)外凈化技術(shù)。機(jī)內(nèi)控制技術(shù)可分為摻水技術(shù)法和控制燃燒法兩類。機(jī)外凈化技術(shù)最成熟、最有效、應(yīng)用最廣泛的為 SCR 技術(shù)。

摻水技術(shù)法主要是利用水降低燃燒過程的最高溫度以減少NOX生成，雖然它對NOX降低有較好的效果，但由于對發(fā)動機(jī)改動較大，需添加入一些輔助設(shè)備，使得投入較高。為實(shí)現(xiàn)第二階段排放標(biāo)準(zhǔn)，控制燃燒法為大多數(shù)生產(chǎn)廠家所青睞。

控制燃燒法是控制NOX最基本的方法。因?yàn)椴裼蜋C(jī)缸內(nèi)燃燒過程直接決定NOX的生成量，其常用的改進(jìn)措施有：采用新型燃燒室；推遲噴射；優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)、提高噴射壓力和電控共軌技術(shù)等。

采用新型燃燒室可使得進(jìn)氣形成渦流或強(qiáng)渦流，邊、角等部位組織形成微渦流，促進(jìn)燃油與空氣均勻迅速的混合，燃燒更充分且燃燒持續(xù)期短。因此可適當(dāng)調(diào)整延遲噴油，縮短燃燒過程的時間，可以在保證燃油消耗量變化不大的情況下，降低最高燃燒溫度，從而降低NOX的排放。

推遲噴射可以使更多的燃油在上止點(diǎn)之后燃燒，從而降低最高燃燒溫度，同時又縮短了氮、氧在高溫下的停留時間，從而抑制了NOX生成，但是油耗會稍有增加，并會降低發(fā)動機(jī)功率。

優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)、提高噴射壓力使得燃油噴霧霧粒度足夠細(xì)且盡可能的均勻，保證燃油的及時蒸發(fā)以及與空氣的均勻混合，混合汽質(zhì)量提高，燃燒速度加快。由于燃油噴入氣缸前氣體已經(jīng)充分壓縮，壓縮終了時的壓力和溫度增高，使得燃油噴入后的滯燃期縮短，易于發(fā)火燃燒，同時滯燃期噴入的燃油較少，使燃燒速度和放熱率降低，從而降低了火焰溫度，使NOX生成率和排放率降低。

電控共軌技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高壓噴射和引導(dǎo)噴射，既保證發(fā)動機(jī)性能又抑制NOX和顆粒的生成。

試驗(yàn)研究

目前，降低NOX排放簡便易行的方法是推遲噴射正時并優(yōu)化缸內(nèi)燃燒。為了解噴油提前角對NOX排放的影響，本文試驗(yàn)研究了兩臺額定轉(zhuǎn)速都為1500r/min，缸徑分別為135mm和138mm的船用小型高速柴油機(jī)，在兩個不同的噴油提前角條件下，完成了NOX排放測試試驗(yàn)。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，得出了一些結(jié)論。兩臺發(fā)動機(jī)的性能參數(shù)見表2。

試驗(yàn)中采用的是E3試驗(yàn)循環(huán)，每臺發(fā)動機(jī)都分別在兩個不同的噴油提前角下完成了各自的循環(huán)工況。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1是缸徑為135mm的柴油機(jī)在11℃A和9.5℃A兩個不同噴油提前角條件下每個工況點(diǎn)NOX排放對比。NOX排放在同一負(fù)荷不同的噴油提前角條件下都成下降趨勢，降低幅度范圍為16.69%~26.41%。NOX總比排放從8.8 g/kW降低到了7.4 g/kWh，降低了15.9%，達(dá)到了第二階段排放標(biāo)準(zhǔn)。但是額定工況下的燃油消耗量從40.29kg/h上升到43.42kg/h，上升了7.78%，其他負(fù)荷工況下也有不同程度的升高（如圖2）。在柴油機(jī)噴油延遲的情況下，雖然降低了NOX排放達(dá)到了第二階段排放標(biāo)準(zhǔn)，但是犧牲了經(jīng)濟(jì)性，燃油消耗量有較大的提高。

比

圖3是缸徑為138mm的柴油機(jī)在13℃A和12℃A兩個不同噴油提前角條件下每個工況點(diǎn)NOX排放對比。NOX排放降低幅度范圍為24.33%~28.21%，總比排放從9.65 g/kW降低到了7.15 g/kWh，降低了25.91%，也達(dá)到了第二階段排放標(biāo)準(zhǔn)。額定工況下燃油消耗量從43.64 kg/h上升到43.93kg/h，上升了0.66%，其他負(fù)荷條件下也略有上升（如圖4）。對比上述柴油機(jī)，該柴油機(jī)在噴油略微延遲的情況下，降低了NOX排放滿足排放限值要求，同時燃油消耗量上升幅度較小，經(jīng)濟(jì)性犧牲不大。

雖然兩臺柴油機(jī)均以調(diào)整噴油提前角延遲燃油噴射將NOX排放由滿足原來的第一階段排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到了第二階段排放限值，但是燃油消耗量卻有著不同程度的增加。這說明：不同的柴油機(jī)，噴油提前角的變化對其燃油消耗量的影響不同。也就是說，適當(dāng)調(diào)整噴油提前角以實(shí)現(xiàn)降低NOX排放是較為直接有效的方法，對于燃油消耗量變化較大的柴油機(jī)而言，除了適當(dāng)調(diào)整噴油提前角以延遲噴油外，還需要優(yōu)化缸內(nèi)燃燒，以改善經(jīng)濟(jì)性。

結(jié)論

調(diào)整噴油提前角延遲噴油能在一定程度上降低NOX排放而滿足目前船用第二階段排放水平，但燃油消耗量會有不同程度的上升，必須結(jié)合優(yōu)化缸內(nèi)燃燒的方法，如：優(yōu)化油泵、油嘴，改善燃油噴射壓力，組織良好霧化，優(yōu)化匹配增壓器，從而使得燃燒充分，改善燃油經(jīng)濟(jì)性。

第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)限值在第二階段基礎(chǔ)上降低了74.55%~76.39%，傳統(tǒng)的機(jī)內(nèi)控制法已不能滿足其排放限值要求，此時，需采用排氣后處理法來降低排放。

（作者單位：南通柴油機(jī)股份有限公司）