摘 要

必读参考文献：

《内燃机学》；《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》；《内燃机排放与污染控制》

工作进度要求:

设计时间：2019年 3 月 日至2019年 6 月 日 共 周

答辩时间：2019年 6 月 日

其中前三周为毕业设计调查(实习)，通过调查完成文献综述报告和开题报告，通过后进入实质设计阶段，最后一周半为教师评阅及学生答辩。

毕业设计管理办法，书写格式，工作量，答辩程序等按《工作管理办法》(2012年) 规定严格执行。

指导教师签名： 年 月 日

系主任签名： 年 月 日

院长签名（章）： 年 月 日

摘要

在世界交通运输业中，船舶运输占有重要地位，但船舶柴油机尾气中含有大量污染物，会对环境造成污染。随着大气环境的恶化，船舶柴油机尾气排放受到重视，船用柴油机排放控制法规也随之出台，各大主机厂商、船舶公司、油产品公司纷纷开始研究减排方法以满足相应的法规。为限制船舶尾气排放，IMO于1973年制定了MARPOL73/78公约附则VI，2008年，海洋环境保护委员会（MEPC）制定了《2008年NO_X技术规则》，为船舶柴油机的排放试验、检验制定了强制性程序。2015年，我国发布了《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》，划定了我国首批船舶污染排放控制区。2016年，发布了《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一，二阶段）》：GB15097—2016标准，其规定的船机排气污染物第一阶段排放限值从2018年7月1日开始执行，明确规定了NO_X、CO、PM等的排放限值。为验证某国产柴油机气态物排放是否满足第一阶段限值，进行研究学习和试验。

本文学习了《2008年氮氧化物技术规则》、《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)》等相关法规、文献，研究了排放测试的仪器、原理、步骤等，总结了船舶柴油机排放中气态物的测试分析方法，编写了相应的计算程序并进行了验证。对某台国产柴油机进行台架试验，测试其气态物浓度，利用计算程序计算出气态物比排放量，最后对为满足第二阶段限值要做出的努力进行展望。计算结果表明，该柴油机主机和辅机气态物排放均满足第一阶段限值要求。主机排放为：NO_X HC 9.120 g/（kw·h）、CO 1.037 g/（kw·h）；辅机排放为：NO_X HC 9.201 g/（kw·h）、CO 0.707 g/（kw·h）。

关键词：船用柴油机；GB15097；气态物排放；台架试验

Abstract

Ship transportation plays an important role in the world transportation industry. The exhaust gas of marine diesel engine, however, contains a lot of pollutants, which adds to the environment pollution. With the deterioration of the atmospheric environment, attention was paid to the exhaust of marine diesel engines, for which the control regulations were issued. As a result, the engine manufacturers, shipping companies and oil product companies had begun studying emission reduction methods. In order to limit ship exhaust emissions, IMO established annex VI of MARPOL 73/78 convention as early as 1973. In 2008, the Marine Environmental Protection Commission (MEPC) formulated NO_X Technical Code 2008, which provided mandatory procedures for the emission test and inspection of marine diesel engines. In 2015, China issued Implementation Plan for Ship Emission Control Zones in the Pearl River Delta, Yangtze River Delta and Bohai Rim (Beijing-Tianjin-Hebei) Waters, setting up the first emission control zones of ship air pollutants. In 2016, GB 15097-2016 standard : Limits and Measurement Methods for Exhaust Pollutants From Marine Engines (CHINA Ⅰ, Ⅱ) was issued. The Stage Ⅰ emission limits of marine engine exhaust pollutants were implemented on July 1, 2018, which clearly put forward limits for the emission of NO_X, CO, PM, etc. In order to verify whether the gaseous emission of one domestic diesel engine meets the stage Ⅰ limit, study and test are carried out.

In this paper, NO_X Technical Code 2008, Limits and Measurement Methods for Exhaust Pollutants From Marine Engines (CHINA Ⅰ, Ⅱ) and some other relevant laws and regulations were studied, from which the instrument, principle and procedure of emission test are studied. The test and analysis methods of gaseous emission in marine diesel engine exhausts were summed up, and the corresponding computing program was written and verified. A bench test for the domestic diesel engine was done, in which the gas concentrations were measured. Then the computing program was used to calculate the specific emissions. In the end, what we should do to meet the limit of stage Ⅱ was discussed. The calculation results show that the gaseous emissions of the main engine and auxiliary engine meet stage Ⅰ limit. The emissions of the main engine are: NO_X HC 9.120 g/（kw·h）、CO 1.037 g/（kw·h）, meanwhile, the emissions of the auxiliary engine are: NO_X HC 9.201 g/（kw·h）、CO 0.707 g/（kw·h）.

Keywords：marine diesel engine，GB15097，gaseous emissions，bench test

目录

前言 1

一、 船舶柴油机排放控制技术措施 2

1. 船舶柴油机尾气成分及成因 2

2. 船舶柴油机排放控制技术介绍 2

3. 机内净化方法分析 3

3.1. 发动机主要参数对各气态排放成分的影响 3

3.2. 机内净化技术 4

二、 国内外排放控制法规 6

1. MARPOL73/38公约 6

2. GB15097—2016标准 6

三、 试验系统与方案介绍 9

1. 试验台架与环境 9

2. 试验原理和仪器 9

3. 试验燃油条件 13

4. 试验步骤与循环 13

四、 计算程序与数据处理 15

1. 计算公式整理 15

2. 计算程序编写与测试 19

3. 试验数据处理与分析 19

4. 《2008年NO_X技术规则》与GB15097—2016标准计算过程差异 25

五、 结论与展望 29

1. 结论 29

2. 展望 29

参考文献 30

致谢 31

前言

近几十年来，从最早的欧盟成立、壮大，到较近的亚太经合组织的发展、调整，全球经济一体化的步伐显著加快，交通运输行业得以迅猛发展。航运具有载重大、费用低等优点，在世界交通运输业中一直扮演着重要角色。据统计，目前世界上80%以上的货物是通过船舶运输的^[1]。

船用发动机有蒸汽轮机、燃气轮机、柴油机等类型。蒸汽轮机热效率最低，经济性差，机动性差，设备体积大，正逐渐被淘汰；燃气轮机成本高，寿命短，热效率远低于柴油机，但由于机动性好、体积和噪声小等独特优点，广泛用于军舰；柴油机通过燃烧化石燃料来提供动力，具有高热效率、高动力、高可靠性等优点，自发明以来的120多年里，被广泛运用于各行各业尤其是交通运输业的动力供给。柴油机是目前最广为应用的船舶动力装置，使用柴油机供能的船舶占世界商用船舶总吨位95%以上^[2]。

船用柴油机尾气中除含有氧气、氮气、水蒸气和二氧化碳外，还有氮氧化物（NO_X）、硫氧化物（SO_X）、一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和颗粒物（PM）等有害物质^[3]。CO是一种有毒气体，无色、无臭、无刺激性，在大气中能长期存在，严重时会对人群健康产生一定影响；NO_X可引起人体支气管炎等病症，还能和HC发生光化学反应形成光化学烟雾，污染大气环境；SO_X无色、有刺激性臭味,能腐蚀建筑物，影响人体健康，对植物也有一定危害；PM滞留在大气中，显著降低能见度和空气质量，影响出行安全和城市美观，并且直接危害人体健康。总而言之，这些有害物质导致了严重的大气环境污染，酸雨、温室效应等环境问题都是由大气污染引起的。

据国际海事组织（IMO）统计，全世界的船舶柴油机每年向大气中排放的废气中约含有NO_X1000万t、SO_X850万t。随着大气污染的日益严重，环境和生活也受到了恶劣影响，船用柴油机尾气排放的危害性受到重视，人们开始采取措施控制船舶尾气中的有害成分。船用柴油机排放控制领域起步较晚，借鉴陆用柴油机相关技术开发船舶柴油机排放控制技术是一个不错的途径。如借鉴陆用机的湿排气硫净化技术，为船机安装洗涤净化塔等措施^[4]。对于油耗大的远洋船舶，安装净化塔经济性很高。发展至今较为成熟的减排措施有机内净化方法^[5]90-102（如优化喷油规律、改变点火延时、调节压缩比、增压与增压中冷、废气再循环等），后处理技术^[5]103-128（如DOC、POC、SCR、DPF等），以及改善燃油^[5]129-147（使用替代燃料、低硫燃油等），均对柴油机减排有显著效果。

船舶柴油机排放控制技术

船舶柴油机尾气成分及成因

船用柴油机尾气中含有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NO_X），硫氧化物（SO_X）和颗粒物（PM）等有害物质，其中NO_X和PM为主要污染物。各污染物生成机理^[5]16-65如下：

1. CO：发动机生成的CO主要是燃料由于缸内局部区域缺氧或温度较低而不完全燃烧的产物。影响CO生成的根本因素为：温度、氧气浓度和反应时间。
2. HC：柴油发动机生成的HC主要来自燃烧过程中未燃烧或未完全燃烧的HC燃料。HC生成机理很复杂，影响HC排放的因素也较多。
3. NO_X：绝大部分为热力型NO_X，主要由氧气和氮气反应生成；燃料型NO_X（约占10%）是由燃料中90%的N元素氧化转化而来；快速型NO_X约占5%，是燃料浓度过高时，反应区快速生成的NO_X。影响NO_X排放的根本因素是燃烧温度、氧原子浓度和高温持续时长。
4. SO_X：燃油中几乎全部的硫成分氧化生成的SO₂、SO₃等。SO_X仅由燃油中硫的氧化生成，因此只能从燃料本身及后处理方面限制SO_X排放。
5. PM：柴油发动机生成的PM组分很多，包括碳烟（柴油在高温缺氧条件下裂解生成）、未燃燃料、添加剂、硫酸盐、一些液态有机物（来自润滑油）、灰分（来自于机油）等。柴油机的结构和各种参数都会影响颗粒排放。

船舶柴油机排放控制技术

当前有多种控制技术可以不同程度地减少各种污染物的排放，这些控制技术可以分为三类：机内净化、后处理技术、使用替代燃料。后处理技术包括柴油机氧化催化技术（Diesel Oxidation Catalyst，简称DOC）、选择性催化还原技术（Selective Catalytic Reduction，简称SCR）、尾气脱硫技术、颗粒捕集技术（Diesel Particulate Filter，简称DPF）等；替代燃料种类很多，如：甲醇、乙醇、液化天然气（LNG）或压缩天然气（CNG）、液化石油气（LPG）及生物柴油等均可作为内燃机替代燃料；机内净化方法种类繁多，仅通过机内净化即可满足GB15097—2016标准第一阶段排放限值要求。

对于柴油机的各类污染物排放控制，国外S.S. Hoseini^[6]等人研究论证表明，使用由柴油、生物柴油、乙醇组成的生物燃料，是最佳办法。目前以生物乙醇和生物柴油为主的生物燃料不含有普通柴油中常见的芳香族或环状成分，而芳香族分子的高能量密度则使其在混合燃料中得以应用。Midhat Talibi^[7]等人的试验研究表明，混合燃料中烷基苯的浓度和芳香环上的甲基支链数影响点火延迟和热释放速率峰值，进而影响污染物的排放。

在后处理方面，国内楼狄明^[8]等人对柴油机加装DOC POC后处理装置前后的动力经济性和常规气态物排放特性进行了台架试验研究，证明了DOC POC后处理装置对排气中的CO和HC均有超过90%的转化率，而油耗仅上升2%。冯谦^[9]等人对不同的催化型DPF（即CDPF）的催化剂进行了活性试验，研究了不同催化剂对柴油机气态污染物排放的影响。刘健^[10]等人研究了某种复合催化剂对柴油机排放的四种污染物的催化效果，证明了复合催化剂是减少四种污染物排放的有效方法。

机内净化方法分析

发动机主要参数对各气态排放成分的影响

1. NO_X^[5]21-29：NO_X生成的三要素为：高温、富氧、高温持续时间长。NO_X是柴油机排放中的主要气态污染物，发动机主要参数对NO_X排放影响及机理如下：

负荷：负荷增大，则缸内平均温度升高、高温持续时间延长，高负荷时氧浓度降低、局部缺氧，导致NO_X排放增加，且增量随负荷增大逐渐放缓。

转速：当燃烧系统（包括喷油提前角等）一定时，转速越高，提前喷油实际时间越短，预混燃烧中的燃油越少，初期放热量和最大放热率越低，所以最大燃烧温度越低，此外，转速越高，燃烧持续时间越短，氮处于高温的持续时间越短，导致NO_X浓度越低。

过量空气系数：对于柴油机，转速一定时，每循环吸入空气量大致是不变的，这表明过量空气系数的增大是由每循环喷油量减小导致的，每循环的喷油量减小导致平均燃烧温度降低。因此NO_X排放随过量空气系数的增大而降低。

增压：增压导致缸内燃烧温度升高，因此NO_X排放升高，而增压中冷则能有效降低NO_X排放。

涡流比：气流运动越强，则喷入缸内的燃油的雾化、升温、蒸发、与空气混合的速度都会加快，滞燃期缩短、提前着火、燃烧加速，燃烧强度增大，最大燃烧温度、压力升高。NO_X排放随涡轮比增大而增加。

压缩比：压缩比增大，则最高压缩温度以及整个热力循环温度提高，且燃烧室内氧浓升高。因此NO_X排放随压缩比增大而增加。

喷油提前角：喷油提前角θ缩小，则滞燃期缩短，初期喷油量减小，后期喷油量增多，使预混燃烧燃油量减少、扩散燃烧燃油量增加，扩散燃烧中混合气中混有燃烧产物，局部缺氧严重，高温燃烧时间短，导致NO_X排放减少。因此，θ增大会使NO_X排放迅速增加。

喷油持续角：喷油持续角越小，喷油持续期越短，喷油速率越大，预混燃烧的燃油量越高，燃烧持续期越接近上止点，最高燃烧温度和压力越高。因此NO_X排放越高。

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