小型船用柴油机排放控制的措施研究

孔晓丽 宋 岩

（南通航运职业技术学院轮机工程系，江苏南通 226010）

柴油机排出的废气是主要的大气污染源之一。由于大气污染日益严重，人类生存环境的日趋恶化，故对柴油机排放物的限制也越来越严格［1］。在航运发达的国家（如挪威），在总的大气污染中，NOX排放的40%～50%来自船舶。尤其是在港口和航线密集的海区，如英吉利海峡，船舶排放的废气可能是该地区的主要污染源。与此同时，为了降低营运成本，柴油机燃用非常劣质的燃料油，SOX亦随之增加。目前船用柴油机SOX的排放量平均在12g／kW·h左右，每年大约有850万吨的SOX直接排入大气［2］。可见，船舶柴油机的排放是影响全球空气质量和环境的重要因素之一。所以，如何降低其对环境的污染是当前柴油机的发展趋势中除了如何提高可靠性及降低燃油消耗和燃用高粘度低品质燃油之外的一个最显著的标志。在未来的几年中，船舶柴油机技术研究开发的重点将是降低柴油机有害排放物而又不降低柴油机的热效率。

1 我国对船用柴油机排放的控制

目前我国船用柴油机方面所使用的标准是GB267－87及其排放试验方法GB8189－87，当平均有效压力Pe＞300kPa时，NOX排放限值如表1所示［3］。

表1 我国船用柴油机NOX排放限值（GB267－87）

2 Z6150ZLCZ－5型柴油机的改进措施与参数调整

2.1 燃烧室的形状与参数

燃烧室形状确定为缩口ω形，喉口直径与气缸直径为86.4／150，中间凸起的锥角为方案137°，压缩比为14，唇口厚度为7mm。如图1所示：

图1 燃烧室的形状与参数

2.2 供油系统参数的调整

2.2.1 供油系统优化方向

柴油机喷油系统匹配试验对于柴油机的整体排放性能具有重大的影响，由于柴油机使用量大面广，因此对柴油机的动力性、经济性以及排污、噪声等各项性能指标都有严格的要求。柴油机的性能取决于进气系统、燃烧室结构和喷油系统三方面的正确匹配。当柴油机的总体结构、加工工艺基本确定后，喷油系统与柴油机的良好匹配就成为取得良好综合性能指标的关键。随着柴油机向直喷化方向发展，对喷油系统的要求也越来越高。

供油系统、燃烧系统的优化是为了在气缸内组织低排放燃烧。为了达到低排放、低油耗、低噪声的燃烧，根据PM和NOX形成的基本原理，在预混合燃烧期，为了限制初始的NOX形成，只能由很少量的燃油参加燃烧；在扩散燃烧期，为了减少再次形成的碳烟，燃油和空气必须充分混合；在后燃期，为了使碳烟氧化，需加强残余空气与燃气的混合并快速结束燃烧。初期缓慢、中期急速、后期快断喷油规律可以实现这样的低排放燃烧。常规的机械喷油系统，较难实现这样的喷油规律，但是它为供油系统、燃烧系统的优化提供了方向。本文正是遵循这个方向，合理匹配供油系统、燃烧系统，组织缸内燃烧，探索降低排放的方法措施［4］。

2.2.2 供油提前角的调整

选择合适的供油提前角可以有效地降低柴油机有害物的排放，是目前机内降低柴油机排放的最有效手段之一。供油提前角的改变，将引起喷油背压、温度、流动状态及活塞位置的变化，甚至影响整个燃烧过程，最终影响柴油机的排放和经济性。喷油定时提前，会导致NOX生成量增加；而推迟喷油定时，虽然抑制了NOX的生成，但势必会造成柴油机的耗油率上升，与此同时，可能会增加CO的排放，使排气温度上升。若喷油定时过度推迟，会造成油耗极度恶化，排气温度过度升高。所以，要在一定范围内适当调整喷油定时，才能平衡柴油机的动力性能、排气温度及经济性能。

在Z6150ZLCZ－5型柴油机上，选择了13°C A、14°C A、15°C A、16°CA 四种供油提前角作对比实验以确定其对排放及油耗的影响。

2.2.3 启喷压力的调整

启喷压力是指高压油管内燃油为克服针阀上面的弹簧的预紧力而需要的压力，这种压力，一方面对于保证燃油的喷雾质量、加强油气的混合、改善燃烧有重要的作用，同时也可以避免针阀落座后又第二次开启形成重复喷射。但启喷压力太高，容易产生喷油量不稳定的问题，必须要加大齿条位置，提高循环供油量，提高嘴端压力后才能满足要求，大负荷常发生扭矩下降功率上不去等问题。

所以，适当地提高启喷压力，能使刚开始喷入气缸的燃油在较高的压力下喷入，较快的将燃油喷入气缸，缩短燃油喷射持续期，形成晚开早关的局面。同时喷油压力适当提高，也可以使燃油在喷嘴处的喷出速度提高，这种与缸内气体的相对速度的提高也能改善预混合燃油的雾化质量，细化雾滴的颗粒，从而改善燃烧，降低碳烟等污染物的排放量。

2.2.4 最高允许海水温度

船用柴油机NOX的排放测试试验中，符合限制的参考海水温度是25℃，但同时需考虑船舶热交换器引起的附加温度。作为冷却介质的海水温度，出厂的柴油机技术案卷中也有明确的限定，为了体现出NOX在最恶劣条件下的排放情况，海水温度应保持在最大限值。Z6150ZLCZ－5型机最高允许的海水温度为32°C。为了了解海水温度对NOX排放的影响，本文对海水温度25°C和32°C时的NOX排放作对比。

2.2.5 增压器的匹配

为柴油机选配增压器时，一般应该满足下列要求［5］：

（1）柴油机应能达到预定的功率和经济指标。涡轮增压器应能供给柴油机所需的增压压力和空气流量。

（2）涡轮增压器应能在柴油机的各种工况下稳定地工作，压气机不应该出现喘振或堵塞现象。

（3）涡轮增压器应该在柴油机的各种工况下都能高效率地运行。柴油机和涡轮增压器的联合运行线应穿过压气机的高效率区，且尽可能和压气机的等效率曲线平行。

（4）涡轮增压柴油机在各种工况下都能可靠地工作。如涡轮增压器在柴油机满负荷时不出现超速，柴油机不出现超温，因而涡轮进气不超温等。

增压器和柴油机在运行时各自性能的相互影响以及相互之间的配合对整机性能将产生深刻影响。在兼顾动力性、经济性的条件下，为降低柴油机的排放，应提高涡轮增压器的效率、增大空气的供给量、用比较大的过量空气系数组织燃烧，以降低碳烟排放，同时使最高燃烧温度不致过高，以抑制NOX的生成。Z6150ZLCZ－5型柴油机选用大同北方天力增压器有限公司生产的H110A型增压器。

3 试验测试及结果分析

3.1 试验用船用柴油机的主要参数

供试验用的为Z6150ZLCZ－5型柴油机，主要参数如下：

气缸直径：150mm；活塞冲程：190mm；持续功率：240kw；持续转速：1000r／min；活塞平均速度：6.33m／s；平均有效压力：1.429MPa；涡轮前排气温度：≤600℃；发火顺序：1－5－3－6－2－4；旋转方向；逆时针；起动方式：电马达起动；质量：2500kg。

3.2 试验模式

本次试验模式表2所示：

表2 试验模式

3.2.1 调节供油提前角的对比实验结果分析

将13°C A、14°C A、15°C A、16°CA几种供油提前角作对比试验，结果如图2所示：

由图2分析可见，气缸最大爆发压力、NOX排放量随供油提前角的增大而增大，而烟度和油耗随供油提前角的增大而降低。

图2 供油提前角对NOX排放、碳烟和燃油消耗率的影响

在柴油机上推迟喷油提前角可以有效地抑制NOX的排放，该方法简单易行。但发动机的燃油消耗率和PM排放会恶化。柴油机喷油时间延迟使NOX排放量下降的主要原因有两个：一是使燃烧过程远离上止点进行，燃烧等容度下降，因而燃烧温度下降；二是越接近上止点喷油，缸内空气温度越高，燃油一旦喷入缸内便很快蒸发混合并着火，即滞燃期可以缩短，燃烧初期的放热速率降低，导致燃烧温度降低。这两种原因都起到了抑制NOX生成的作用。但过分推迟喷油提前角，NOX排放反而上升。这主要是由于滞燃期的过分延长，使燃烧初期的放热速率反而大幅度上升所导致。因此，这种推迟是有限的，过分推迟，往往会牺牲燃油经济性并增加PM排放。

考虑到NOX的排放限制同时兼顾经济性，该机喷油提前角确定为13°～15°CA。

3.2.2 调节启喷压力的试验结果分析

将启喷压力P0＝25.5MPa提高到P0＝27MPa作对比试验，结果如图3所示：

图2 启喷压力对NOX排放、碳烟和燃油消耗率的影响

由图3看出，启喷压力为27MPa时，各试验模式测得的NOX和烟度排放量均低于启喷压力25.5MPa时的各值，但是降低的幅度不大。因此，在试验过程中，适当地提高喷嘴压力，不仅可以改善燃油雾化质量，降低NOX和碳烟的排放，还会降低燃油的消耗率。

3.2.3 海水温度对柴油机NOX排放的影响

供油提前角为15°CA，对海水温度为25°C和32°C时，NOX的排放试验作对比。试验结果如图4所示。

图4 海水温度对NOX排放的影响

根据试验结果分析，32℃时测得各试验模式下NOX排放的数值都高于25℃。海水的温度不同，柴油机循环冷却水的温度就不同，海水的温度降低，柴油机循环冷却水的温度也相应降低，在同样的试验模式下，降低冷却水的温度将会加强柴油机的冷却，也使得缸内进气后温度略有降低，燃烧最高温度也随之降低，导致NOX生成量降低。

4 结 语

通过对改进后的Z6150ZLCZ－5型船用柴油机排放测试结果分析，表明该船用柴油机的排放已经全面达到了相关的排放标准，说明对该机型所作的各方面改进取得了预期效果

1 孙培廷，李斌.船舶柴油机［M］.大连海事大学出版社，2002.

2 黄加亮，李品芳，陈景锋.船舶柴油机有害排放对大气环境的影响及其减轻措施［J］.交通环保，1991（6）：33－37.

3 中华人民共和国船舶检验局译.国际海事组织修订73／78防污公约的1997年议定书73／78防污公约1997年缔约国大会决议［M］.人民交通出版社，1999.

4 蒋德明.内燃机燃烧与排放学［M］.西安交通大学出版社，2001.

5 周玉明.内燃机废气排放及控制技术［M］.人民交通出版社，2001.