船舶柴油机NOx排放特性分析

本科毕业设计（论文）

船舶柴油机NOx排放特性分析

Analysis of Characteristics of Nitrogen Oxides Emission

from Marine Diesel Engine

摘 要

摘要：为了了解在不同运转条件下船舶柴油机氮氧化物排放的特性，通过查阅文献的方式比较已有的各种典型技术，分析其特点并提出一种能够较好的船舶柴油机氮氧化物排放量的方案。研究的结果表明：从降低氮氧化物排放的效果看，燃料转换+双燃料操作技术对降低氮氧化物排放量的效果最为明显，而低氮氧化物燃烧调整技术对降低氮氧化物排放量的作用最为微弱；从投入安置维护设备的资金来看，高压涡轮增压(二级增压)技术最具有经济性，而燃料转换+双燃料操作技术则需要花费巨额的资金。从研究的结果来看，各个技术均有优势和缺点，因此综合技术本身对氮氧化物的减排效果和投入安置维护资金的多少两方面的因素，发现废气再循环系统与高压涡轮增压技术相结合的方案和废气再循环系统与增湿技术相结合的方案是目前适合推广的方案。

关键词：氮氧化物；排放特性；船舶柴油机；减排

Analysis of Characteristics of Nitrogen Oxides Emission

from Marine Diesel Engine

Abstract

Abstract:In order to understand the characteristics under different operating conditions of marine diesel engine Nitrogen Oxides emissions by way of comparative literature typically have a variety of techniques to analyze its characteristics and propose a marine diesel engine can better limit nitrogen oxide emissions solution. Results of the study showed that: reduce nitrogen oxide emissions from the effect, fuel switching + dual-fuel operation of the technical effect of reducing nitrogen oxide emissions of the most obvious, and low Nitrogen Oxides combustion

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technology to reduce nitrogen oxide adjust emissions the role of the most feeble; funds placed into service the equipment, the high-pressure turbo (two supercharger) technology the most economical, and fuel switching + dual-fuel operation techniques you need to spend huge amounts of money. Judging from the results of the study, various techniques have advantages and disadvantages, so the integrated effects technology itself to reduce emissions of nitrogen oxides and how much maintenance factor of two resettlement funds, and found the high-pressure exhaust gas recirculation system and turbocharger technology combination of programs and exhaust gas recirculation system with humidification technology combined solution is suitable for the promotion of the program.

Key Words:Nitrogen Oxides; Emission Characteristics; Marine Diesel Engine; Reduction.

1引言

1.1问题的提出

据统计，船舶承担着近97%的世界贸易运输量，并消耗世界能源的3%，而柴油机作为现代船舶主要的动力装置，每年向大气排放的氮氧化物的量是非常大的。随着海上运输量的不断发展，船舶的保有量逐渐增加，由船舶排出的氮氧化物严重的污染了大气环境。与此同时，世界各国人民的环保意识不断增强，国际社会对氮氧化物排放量的标准越来越严苛，这就要求人们必须深入地研究船舶柴油机氮氧化物的排放特性，根据氮氧化物的排放特性提出一套合适的技术方案来，进而减轻氮氧化物对大气环境的污染程度。这种治理船舶氮氧化物的要求促使了这一课题的产生。 1.1.1研究的背景

2008年，发生了全球范围的经济危机，全球航运业均受到很大的挫折，经过数年的努力，各国的航运业开始有了复苏的迹象，各个船舶公司的船舶开始运营起来。与此同时，由国际海事组织制定的船舶柴油机氮氧化物第二阶段排放标准已于2011年1月1日的生效，它的生效标志着国际社会对氮氧化物排放量的要求更加严苛。而这不仅仅是氮氧化物排放的最高标准，而是最低标准，同时随着时间的推移，更加严苛的氮氧化物排放标准也将生效。实际上，国际海事组织已经制定了三级标准，于2011年1月1日生效的控制氮氧化物排放标准是TierII标准,第三级的标准将于2016年生效，而表1

表1

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[2]即是3级标准。

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船舶建造日期 排放标准 对应的氮氧化物极限值（g/kWh） （按二氧化氮总加权排放量计算） n<130rpm 130rpm≤n<2000rpm n≧2000rpm 45×n44×n9×n（-0.2）2000.1.1—2011.1.1 2011.1.1— 2016.1.1— TierI TierII TierIII 17.0 14.4 3.4 9.8 7.7 2.0 9-0.23）(-0.2) 在这种背景下，似乎是经济的发展与氮氧化物的减控是十分矛盾的，然而有了矛盾才会有解决矛盾的方法，因此，着重研究氮氧化物的不同排放特性就显得尤为重要了。 1.1.2研究的目的以及意义

研究船舶柴油机氮氧化物的排放特性的目的是为了在深入了解船舶柴油机的排放特性的基础上，结合氮氧化物排放特性和经济性两方面的因素，提出一套适合大面积推广的技术方案，为减轻船舶排气污染大气的程度作出贡献。这不仅有利于人们了解当前所存在的各种减排方法进而正确认识当氧化物的排放特性，而且运用提出的降低排放的方案也对大气环境污染程度的减轻发挥出重要的作用，同时也引导船舶营运单位选择合适的技术方案，减轻自身的资金周转压力，促进航运业的发展。

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1.2研究的现状及存在的问题

根据船舶柴油机氮氧化物产生的机理以及氮氧化物自身的物理化学性质，并通过大量的

研究表明，要想有效地控制船舶柴油机氮氧化物排放量必须从改善燃烧过程、对尾气进行处理和改善船舶柴油机燃油的理化性质三个方面入手。研究者通常依据降低氮氧化物所采用的措施与船舶柴油机工作的关系将这些技术归为三大类，即机前处理、机内处理和机后处理。机前处理就是通过对将要进入船舶柴油机内的燃料油进行处理，从而达到降低氮氧化物排放量的技术方法。而机后处理则是在氮氧化物生成之后，通过一系列的措施改变氮氧化物本身的物化性质的技术方法。机前处理与机后处理在降低船舶柴油机氮氧化物排放量上起到了一定的作用，但由于受到能源危机加重的影响以及氮氧化物自身理化性质的，这两大类技术逐渐不被研究者重视，研究者们越来越多的在机内处理方面进行深入的探讨。而所谓的机内处理，就是依靠改变船舶柴油机的结构参数或者运行参数影响船舶柴油机中氮氧化物的生成。研究者在近几年讨论较多的降低氮氧化物排放量的技术有高压涡轮增压 (二级增压)、低氮氧化物燃烧调整技术、废气再循环系统（EGR）技术、增湿技术、燃油乳化技术、直喷水技术、选择性催化还原技术（SCR）以及燃料转换+双燃料操作技术等。由于机前处理、机后处理在船舶营运中实际使用的并不多，因此研究机内处理对柴油机的氮氧化物排放特性的影响就显得尤为重要了，因此，本篇文章就是研究在不同的机内处理技术下，柴油机的氮氧化物排放特性有什么不同，并找出合适的技术方案予以推荐应用。

虽然有许多研究者对降低氮氧化物排放量进行了深入的研究，并提出了一些比较好的方案，但是任何单一的方案总是有些瑕疵。因此，作者在总结前人研究成果的基础上，结合实际情况，通过分析船舶柴油机的排放特性，进而分析不同的技术方案的优劣并提出一套可行的技术方案来。

2氮氧化物的认识

2.1氮氧化物的危害

船舶柴油机排放的氮氧化物包括一氧化氮、二氧化氮、三氧化氮、一氧化二氮三氧化二氮、四氧化二氮、五氧化二氮等几种成分，但其主要成分是一氧化氮，占氮氧化物的百分之九十以上。

虽然船舶柴油机产生的氮氧化物绝大部分是一氧化氮，但是这种无色的气体本身的毒性并不大，因此对人体不会造成太大的伤害。一氧化氮在氧化环境下会逐步氧化成二氧化氮，而二氧化氮作为一种对肺和心肌毒害性都很强棕色气体，是威胁人类健康的主要恶魔之一。

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由于大气中存在氧气的缘故，从船舶柴油机排放出来的一氧化氮很快被氧气氧化成二氧化氮，因此，降低船舶柴油机氮氧化物排放的主要任务就是降低一氧化氮的排放量。 2.2氮氧化物的生成机理

船舶柴油机排放的氮氧化物两个生成的来源有：一、来自空气中的氮气在高温高压下被氧化生成一氧化氮或者二氧化氮；二、船舶柴油机所使用的燃料中可能存在少量的氮化物，经过燃烧后，氮元素与氧元素相结合形成氮氧化物。根据氮元素不同的来源，可将生成的一氧化氮等氮氧化物划分成热氮氧化物和燃料氮氧化物两种，其中由空气中氮气转化生成的一氧化氮属于热氮氧化物，而船舶柴油机燃油中含有的氮氧化物则转化为燃料氮氧化物。由于船舶柴油机在运转情况下，柴油机内部燃烧环境复杂多变，致使当氧化物产生的机理极为复杂，但在不影响柴油机实际运转状况下，将柴油机的运转情况抽象理想化可使得氮氧化物形成的机理变得简单一些。基于上面的理论，研究者们对氮氧化物的形成机理普遍倾向于采尔道维奇（ZeIdovich）在20世纪40年代提出的方程式，即在油气的燃烧过程中氮分子被氧化成一氧化氮，其公式

[1]如下：

O2O  O ; O  N2NO  N ; NO2NOO;

NOHNOH.

① ② ③ ④

如上面所列出的四个化学方程式所示，柴油机内的氧气在高温高压下首先分解成两个游离的氧原子，然后这种氧原子与柴油机内的氮气分子发生“碰撞”，形成一氧化氮和游离的氮原子，而游离的氮原子与氧气分子继续发生反应形成一氧化氮和游离的氧原子，在这种高温高压下形成一种循环，使得一氧化氮源源不断的产生。而④式则表示燃料自身裂解和其他中间反应产生的氢氧基团和游离的氮原子之间的化学反应,这种反应印证了燃烧区域内的燃料过浓、氧浓度较低这一实际情况。

由上述分析可知，由于发生反应的氮元素浓度不变，因此影响一氧化氮生成量的主要因素则是温度、氧气浓度以及高温期滞留时间。

3机内处理对氮氧化物排放特性的影响

3.1改进柴油机燃烧工况对氮氧化物排放特性的影响

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改进燃烧就是通过改变燃料油进入内燃机时的喷射压力、喷油提前角以及喷油质量三个方面来改善燃料油的燃烧，从而降低氮氧化物的生成量的技术方法。从目前来看，高压喷射技术、推迟喷油技术以及改进喷油的质量三种技术在实际中运用的比较成熟，除此以外电控喷射以及引导喷射技术在实际运用中的比例逐步加大，更值得一提的是近年来出现了一种新型的燃烧方式——稀薄燃烧有望成为一种新的适合大面积推广的技术方案。 3.1.1高压喷射对氮氧化物排放特性的影响

顾名思义，高压喷射技术就是一种采用较常规的喷射压力高的很多的喷射压力，通过小直径的喷孔，较大的燃烧室开口，并在短时间内喷入柴油机气缸的技术。现代船舶柴油机的喷射系统主要有柱塞泵式喷射系统和高压共轨两种。柱塞泵式喷射系统是现代船舶柴油机最基本的一种燃油喷射系统，其基本组成是高压油泵、喷油器和高压，通过高压油泵，它一般可产生60-300MPa的高压。而高压共轨系统在苏尔寿RT-F1ex型柴油机上体现的淋漓尽致，高压共轨最大特点是燃油喷入气缸内的顺序是由电子计算机程序控制的。苏尔寿RT-F1ex型柴油机高压共轨系统的运行原理是燃料油在公共油路内被加压到1000bar高压后，随着受程序控制的喷油电磁阀的开闭喷入各汽缸。近年来。MAN B&W公司开发的ME型电子控制柴油机也是用了高压共轨系统，其燃油喷射压力也达到了800bar。

高压喷射技术对降低船舶柴油机氮氧化物的排放量是十分重要的。虽然喷油压力的提高会提高燃油雾束的贯穿长度，从而导致燃油雾束卷入的空气量得到提高，由此增加了柴油机内氮氧化物的生成量，随着喷油压力的提高，导致初燃期会燃烧掉更多的燃油，而这样的结果便是燃烧室的最高温度和压力都将升高，同时生成的氮氧化物也就更多。但另一方面，随着喷油压力提高，燃油雾束的雾化效果变得更好，燃烧速度也变得更加快，并且喷油压力的提高可以实现喷油定时的滞后，根据大量的研究结果综合起来看，提高柴油机的喷油压力将使得船舶柴油机氮氧化物排放量降低。 3.1.2喷油定时对氮氧化物排放特性的影响

改变喷油定时的实质就是改变供油提前角。供油提前角是指柴油机喷油泵开始供油的瞬时到活塞上止点这段时间对应的曲柄转角；而喷油提前角则是指柴油机内的喷油器开始喷油的瞬时到活塞上止点这段时间对应的曲柄转角。但在实际的使用中，由于供油提前角容易测量而基本上供油压力不会存在过大的波动，所以可以用供油提前角粗略的代替喷油提前角。

喷油定时的早晚是相对于活塞的上止点来说的，喷油定时之所以会影响柴油机氮氧化物的排放特性，是因为喷油定时会影响船舶柴油机在燃烧的滞燃期内喷入气缸的燃油量的量，进而影响到燃烧的爆压和最高温度。一般来说，喷油提前角较大会导致船舶柴油机在滞燃期

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内喷入气缸的燃油量增多，这些燃油一旦发火燃烧，将使得气缸内的压力与温度急剧的上升，进而使得气缸燃烧的最高温度大大增高，促进氮氧化物的生成量以及排放量。因此，要想降低柴油机内氮氧化物的排放量，就必须降低喷油提前角。与大的喷油提前角引起的结果相反，小的喷油提前角因为在发火后，柴油机的活塞将越过上止点而下行，使得气缸的容积增大。因此即便燃烧发生后的压力和温度急剧上升，但由于气缸容积的增大，气缸内的爆压和最高温度会大大降低，进而抑制、减少氮氧化物的生成量以及排放量。 3.1.2稀薄燃烧对氮氧化物排放特性的影响

稀薄燃烧是匀质燃烧的一种，具有匀质燃烧的共性。利用稀薄燃烧技术的柴油机在结合传统的汽油机和柴油机两者优点的基础上，还能获得几乎与船舶柴油机一样高的热效率。不仅在热效率上能够取得良好的期望，同时稀薄燃烧使得柴油机内的燃烧温度较常规燃烧温度低，因此一氧化氮的排放量很低。大量研究结果确认，稀薄燃烧是受到燃烧反应化学动力学的控制，其着火时刻主要是由混合气的成分、温度以及压力的变化历程决定，所以只能通过间接方式控制其着火、燃烧时刻。不仅控制十分复杂，稀薄燃烧在适用工况上也有不小的问题，实际上的船舶发动机需要较宽的工况范围，而稀薄燃烧几乎是同步进行的，柴油机在大负荷工况下过快的燃烧速度会引起爆震燃烧。

3.2加水处理对氮氧化物排放特性的影响

利用水可以减少氮氧化物的排放。主要是通过水三个方面的作用达到降低氮氧化物排放量的目地的。第一个作用是水在燃烧室内汽化要吸收热量从而使得燃烧室温度降低[6]；第二个作用是水对油粒有溶解作用，在燃烧时细化燃油微粒，使之与空气均匀混合，使得燃烧趋于均匀、平稳[7]；第三个作用则是水蒸汽能起到温度阻尼和稀释燃烧空气中氧气浓度的作用。通过水的以上三种功能从而降低了柴油机氮氧化物的生成量。增湿技术、燃油乳化技术以及直喷水技术是用水降低氮氧化物排放的具体方面的细化技术，其本质是一致的。但因为加入水的缘故，应特别当心不要使得系统处于无水状态或者气缸进水量过多，严重时，两者的发生均会导致柴油机的损伤。

3.2.1进气加湿系统对氮氧化物排放特性的影响

进气加湿系统是将高压水雾在柴油机压气机后喷入到增压空气的一种空气加湿装置，通过这种装置，大大增加了空气中的含湿量，进而利用空气中的水汽可大大的减少柴油机内氮氧化物的排放量，并且降低了主机的热负荷以及改善了气缸套的清洁条件。

进气加湿系统具有结构简单、成本低廉以及不增加燃油消耗率等优点，但是所喷水的质

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量要求比较高。该方法可降低氮氧化物排放量额50%—60%，同时燃油消耗率增长并不大，故此方法适用于船用大型低速柴油机。

3.2.2直接喷水技术对氮氧化物排放特性的影响

直接喷水技术与进气加湿有着明显的不同，它是通过使水和燃油经过不同的喷嘴直接喷入气缸内的方法使得燃油颗粒与小水珠混合，进而达到降低柴油机氮氧化物排放量的目的的。直接喷水技术能够降低主机的热负荷并且改善气缸套的清洁条件，与其他喷水加湿技术相比较，直接喷水法降低了水的消耗。

在二冲程柴油机上，直接喷水技术对降低氮氧化物的排放比较有潜力，但是在四冲程柴油机上，则必须要考虑气缸套的材料问题，特别是当燃油中含有高比例的硫分时，喷入的水便与生成的硫氧化物形成具有腐蚀性的酸，引起低温腐蚀。直接喷水技术可使得氮氧化物的排放降低50%—60%，但是由于水直接喷入气缸，燃油消耗率增加较大。 3.2.3燃油乳化对氮氧化物排放特性的影响

由于燃油的乳化必须在其进入燃油系统的循环回路前完成，因此严格意义上讲，燃油乳化技术属于机前处理方式的一种，但由于与其他加水减排技术容易比较，这里将它列为机内处理的方式进行介绍。

大量的实践证明了掺水乳化后的燃油燃烧时能较大幅度地减少氮氧化物的生成量。虽然使用乳化后的燃油对柴油机工作性能的影响会随机器的型号不同而不同，但一般情况下，使用的燃油中每增加一个百分点的水便会使得氮氧化物的生成量减少一个百分点。混入燃油中的水量是根据柴油机尾气中测得的氮氧化物决定的，因此需要对尾气中的氮氧化物排放量进行连续监测。

乳化后的燃油燃烧时之所以能够降低柴油机内氮氧化物的排放量，是因为当向柴油机喷入乳化后的燃油时，乳化油中的小水珠被蒸发，使得燃烧的最高温度降低，破环了生成氮氧化物的条件，进而使得氮氧化物的生成量降低。实验证明，当燃油中的水含量为20%时，燃油的消耗率几乎没有什么变化，而当燃油中的水含量再增加时，燃油的消耗便稍有增加。

3.3改进循环对氮氧化物排放特性的影响

改进循环的方法就是废气再循环，而废气再循环技术就是将冷却的再循环废气送入到燃烧室内，在不影响发动机热负荷的情况下降低有效空燃比。由于空燃比降低会导致氧气浓度的降低，由化学反应的反应平衡理论可知，氧气浓度的降低可大大降低NO排放(约60%）。

废气再循环系统可细分为非增压柴油机废气再循环系统和增压柴油机废气再循环系统。

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下面便分别介绍两种不同的系统。

3.3.1非增压柴油机废气再循环系统对氮氧化物排放特性的影响

在实际运行中，船舶柴油机的排气背压要高于柴油机进气压力，因此废气能够自然地与进气混合。废气再循环的废气量由一个废气再循环系统控制阀来控制，经冷却后的废气经废气再循环系统控制阀重新与进入该系统的进气进行混合，然后将混合后的气体作为空气送人气缸内，由于此时的空气含氧量较常规空气的低，一氧化氮的生成量将大大下降，进而柴油机内的氮氧化物的排放量也将大大降低。非增压废气再循环系统简图如图3.1所示。

图3.1非增压废气再循环系统简图

3.3.2增压柴油机废气再循环系统对氮氧化物排放特性的影响

虽然增压柴油机废气再循环与非增压废气再循环在结构上有不同之处，但是在降低氮氧化物的生成原理上是相同的，都是通过废气掺和进气，使得空气含氧量降低，破坏生成一氧化氮的化学反应，从而降低了柴油机的氮氧化物的排放量。

船用柴油机大部分是废气涡轮增压柴油机，废气涡轮增压柴油机废气再循环系统分为高增压废气再循环系统和低增压废气再循环系统两种。在高增压废气再循环系统中，再循环的废气是在涡轮增压器进入柴油机进气口的，图3.2为高增压废气再循环系统简图。

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图3.2高增压废气再循环系统简图

与高增压废气再循环系统不同的是，低增压废气再循环的废气在涡轮增压器之前便进入柴油机的进气口。这样的设计是考虑了废气压力较低，取增压器之前的废气能够保证废气有足够的压力与进气混合。图3.3为低增压废气再循环系统简图。

图3.3低增压废气再循环系统简图

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通过前人的实验证明，部分废气进行再循环可有效地降低氮氧化物排放量，但这种方法仅适用于中、小型柴油机，在船舶主柴油机上目前应用不大。这是因为虽然约有10%—20%的废气进入发动机气缸，便会改变充气的热容量，导致在燃烧相同的燃油的条件下燃烧最高温度降低，但是这将引起微粒对涡轮及冷却器的污染，增加气缸的磨损。而对于使用轻柴油的柴油机，由于产生的微粒少，运用废气再循环技术并不会引起严重的问题，但对于燃用重油的船用发动机而言，将产生较多的微粒引起气缸的磨损，而且也会使得柴油机的起动更加困难。

4各个技术的氮氧化物减排量、造价的比较

4.1降低氮氧化物排放技术减排量的比较

通过以上降低氮氧化物排放的技术可知，各个技术均有优势和不足之处，为方便起见，将上述技术的减排潜力以及自身的缺点列成表2[8]。从该表可以看出，废气再循环系统对降低氮氧化物的排放有着十分理想的效果，而燃油乳化技术对降低氮氧化物排放量的作用最低。

表2

组别 1 2 3 4 5 6 NOx减排技术 高压涡轮增压(二级增压) 稀薄燃烧技术 进气增湿技术 燃油乳化技术 直接喷水技术 废气再循环系统 潜在减少量 40% 85%—90% 40% 25% 50% 60% 缺点 材料 实际应用有困难 水质要求较高 易腐蚀机器 耗油率增加 不适用于二冲程机 4.2降低氮氧化物排放技术造价的比较

以上六种技术可以使用重油上的是高压涡轮增压技术、废气再循环技术（装有有效的净化设备）；而必须与低硫燃油配合使用的是增湿技术、乳化技术以及直喷水技术；因为稀薄燃烧技术现今仍处于开发研究阶段，故不宜在现阶段推广使用。查询现在的油价价格如下：重油(H FO)的价格是每吨4500元，低硫燃料(MGO )的价格每吨4900元。从运行成本上考虑1=6<3=4=5。

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5总结

通过对技术减排优劣的比较，我们可以看出以上六种技术减排性能由优到劣的排列顺序为：2（稀薄燃烧技术）>6（废气再循环系统）>4（直喷水技术）>3（增湿技术）=1（高压涡轮增压(二级增压)）>5（乳化技术）。而通过对技术运行成本的比较，我们可以清晰的看出以上其中技术的成本由低到高的排列为：1（高压涡轮增压(二级增压)）=2（废气再循环系统）<3（增湿技术）=4（直喷水技术）=5（乳化技术）。综合以上两种不同方面的比较结果，可以发现稀薄燃烧虽然减排性能最好，但由于还处于研究阶段，还不能在实际机器中使用，因此不能选为可行的方案。废气再循环系统在除稀薄燃烧外，减排性能最好，但由于具有不能运用到二冲程等大功率柴油机上，所以这种技术在现在还不会被人们采纳，但在不远的未来，这种技术势必要运用到船舶柴油机上。虽然现在不能运用到船舶主动力装置上，但可以在发电柴油机上推广这一技术，并随着技术的更新，逐渐向主动力装置上应用。而燃油乳化技术虽然有不增加油耗率的优势，但这种技术减排性能太差，并且稍有不慎有腐蚀机器的危险，因此从各个方面综合考虑，燃油乳化技术不可能被广泛的使用。相对而言，直接喷水技术、进气增湿技术减排性能较好，因此采用这两种种技术是一种非常不错的选择。

由于废气再循环系统具有燃料消耗增加以及提高废气再循环率时产生低负荷烟雾等缺点， 所以单独使用这种技术不能够得到十分满意的减排效果，因此必须与其他技术相联合，扬长避短，发挥出各自的优点，共同致力于减排的目标。根据对以上技术优劣以及成本高低的比较、分析，可以得出在发电柴油机上，利用废气再循环系统与高压涡轮增压技术相结合的方案和废气再循环系统与增湿技术相结合的方案是最具有性价比方案；在主动力装置上，采用加水技术是较为合理方案的结论。其中作者认为在不久的将来，废气再循环系统与高压涡轮增压技术相结合的方案是更加具有发展潜力的一种技术方案。

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致谢

本文是在导师杨国华教授的亲切关怀和精心指导下完成的。在课题研究和论文撰写工作

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中，导师的耐心指导、严格要求以及严谨的治学作风，给本人留下了深刻的印象。通过本科期间的学习、生活和工作，本人受益匪浅。在此，谨向导师致以最诚挚的感谢！

附录

附录一：文献综述正文

1. 引言

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随着国际海事组织颁布的船舶柴油机氮氧化物第二阶段排放标准于2011年1月1日的生效，有关远洋船舶柴油机氮氧化物排放技术日臻完善，作者在此时从不同方面对船舶柴油机氮氧化物排放特性进行分析，有助于读者了解在不同工况下不同类型的柴油机使用不同的燃油时氮氧化物排放的特性进而比较各类氮氧化物排放的技术的优劣。为了能够全面的、客观的完成该论文，作者主要通过以下两种途径查询、获取资料。第一条途径是在宁波大学图书馆借阅有关氮氧化物排放方面的中、外文书籍资料，并利用已有的关于氮氧化物排放的书籍进行对照、补充；第二条途径是通过宁波大学图书馆的电子资源，利用各种网络搜索引擎搜集相关的期刊、电子图书、学术论文等文献资料，并从中遴取与本论文相关的研究成果。在此基础上，作者选取典型的减排技术进行分析，并对其进行汇总，以希冀为以后的研究者提供参考、学习之用。

2.研究船舶氮氧化物排放的历史和研究现状

自国际海事组织颁布海上防污染公约附则VI之后，人们对氮氧化物排放越来越重视，关于这方面的研究越来越多。随着科学技术的进一步发展，人们的环境保护意识越来越强，与以往的研究相比，而今关于氮氧化物排放的研究出现了一些新的特点。 2.1船舶氮氧化物生成的原理

氮的氧化物包括一氧化氮、二氧化氮、一氧化二氮等几种成分，但主要的成分是一氧化氮。在柴油机氮氧化物的排放中，一氧化氮的量就占了90%。20世纪40年代，ZeIdovich 提出了在油气的燃烧过程中，氮分子被氧化成一氧化氮的机理如下：

O2 O + O ;O + N2 NO + N ;N + O2 NO + O

用动力学方法可以求得一氧化氮的反应速率方程为:dNOAT0.5E(B)(O2)0.5(N2)。该式说明了一氧化氮的生成速度与燃烧温度及氧气

dtT浓度有密切关系，在高温和高含氧量条件下，一氧化氮浓度的生成速度快，即

dNOdt的数值

较大。而在整个燃烧过程中，氮的浓度基本上是保持不变的，因此影响一氧化氮生成量的主要因素是温度、氧气的浓度和在高温期滞留时间[1]。 2.2研究船舶氮氧化物排放的历史

因为认识环境污染是一个循序渐进的过程，因此研究氮氧化物排放的过程也是一个由表及里的过程。上世纪90年代，随着国际社会对海洋污染问题的关注，特别是在国际海事组织颁布了海上防治污染公约附则VI后，我国国内才开始对氮氧化物的排放问题进行研究。

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船舶柴油机NOx排放特性分析（论文题目）

2.2.1海上防污染公约规定的船舶氮氧化物排放标准

随着环境问题的日益突出，人们环保意识的增强，各个国家越来越意识到大气保护的重要性，在这样的背景下国际海事组织制定了海上防治污染公约（MARPOL）附则VI，第一级标准自2000年开始实行。国际海事组织为了更好地保护大气，并于2008年召开大会对MARPOL附则VI进行了修正,规定:船舶柴油机的排放要求于2011年达到TierII标准,2016年达TierIII标准，表1[2]即是3级标准。

表1

船舶建造日期 排放标准 对应的氮氧化物极限值（g/kWh） （按二氧化氮总加权排放量计算） n<130rpm 2000.1.1—2011.1.1 2011.1.1— 2016.1.1— TierI TierII TierIII 17.0 14.4 3.4 130rpm≤n<2000rpm 45×n44×n9×n（-0.2）n≧2000rpm 9.8 7.7 2.0 9-0.23）(-0.2) 2.2.2控制船舶氮氧化物排放技术

从最初的关注燃油的预处理，到后来的机内处理技术、后处理，都遵循着同一个规律，即破坏氮氧化物的生成条件。总体上说，所有的这些技术可归结为三大类，即改善燃烧环境、改善燃油油品以及排气后处理[3]。 2.3研究船舶氮氧化物排放的现状

随着十几年的技术研究，各类技术理论都已经完善，在这样的情况下，研究者们将研究的重点投向几种技术的联合应用上面来。当然，也有一部分研究者研究新的技术方法，例如利用匀质燃烧（Homogeneous Charge Compression Ignition/HCCI）技术降低氮氧化物的排放等，但在理念上还未突破传统柴油机本身的。虽然随着技术的发展以及限排标准的日益严格，船舶主动力柴油机突破某些传统柴油机的内容，向大功率中速机、智能柴油机靠拢，研究的重点也随之改变，但在本质上，这些新的技术依旧属于三大减排类型体系。

3.主要降低氮氧化物排放技术的介绍以及排放特性、造价的比较

本节主要介绍典型的减少氮氧化物排放的技术以及这些技术对船舶柴油机氮氧化物排放特性的比较分析。

3.1降低氮氧化物排放技术的介绍

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xx大学海运学院本科毕业设计（论文）

降低柴油机的排放，总体上可分为改善燃烧环境、改善燃油油品和排气后处理三类措施

[4]，通常讨论较多的是高压涡轮增压 (二级增压)、低N0 x燃烧调整技术、废气再循环系统

（EGR）技术、增湿技术、燃油乳化技术、直喷水技术、选择性催化还原技术（SCR）以及燃料转换+双燃料操作技术等。 3.1.1高压涡轮增压 (二级增压)技术

高压涡轮增压技术其实就是一种将极端米勒循环(进气阀早关闭)与二级涡轮增压系统相结合而降低氮氧化物排放的技术。这种技术的实质是通过增大进气压力，在保证气缸内空燃比不变的情况下，提前关闭进气阀，从而降低燃烧室内的极值温度，减少一氧化氮的生成。 3.1.2低N0 x燃烧调整技术

低N0 x燃烧调整技术是通过控制燃油供给速率，从而控制燃烧室内压力上升速率，使得燃烧室内的燃烧过程近似于等压燃烧过程（狄赛尔循环），从而降低峰值温度，破环一氧化氮的生成条件，达到降低氮氧化物的排放的目的。基于这种技术延伸出来了几种子技术，例如调整燃油喷射角的大小、使用高压共轨系统对燃油喷射速率的控制等。 3.1.3废气再循环系统（EGR）技术

废气再循环系统（EGR）技术是将冷却的再循环废气送入到燃烧室内，在不影响发动机热负荷的情况下降低有效空燃比。由于空燃比降低会导致氧气浓度的降低，由化学反应的反应平衡理论可知，氧气浓度的降低可大大降低NO排放(约60％）。但这种技术存在着一些缺陷，其中最主要的缺点是与高硫燃料的不相容 (除非安装了有效的净化设备)、燃料消耗增加以及提高废气再循环率时产生低负荷烟雾[5]。 3.1.4增湿技术、燃油乳化技术以及直喷水技术

利用水可以减少氮氧化物的排放。主要是通过水三个方面的作用达到降低氮氧化物排放量的目地的。第一个作用是水在燃烧室内汽化要吸收热量从而使得燃烧室温度降低[6]；第二个作用是水对油粒有溶解作用，在燃烧时细化燃油微粒，使之与空气均匀混合，使得燃烧趋于均匀、平稳[7]；第三个作用则是水蒸汽能起到温度阻尼和稀释燃烧空气中氧气浓度的作用。通过水的以上三种功能从而降低了柴油机氮氧化物的生成量。增湿技术、燃油乳化技术以及直喷水技术是用水降低氮氧化物排放的具体方面的细化技术，其本质是一致的。但因为加入水的缘故，应特别当心不要使得系统处于无水状态或者气缸进水量过多，严重时，两者的发生均会导致柴油机的损伤。

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船舶柴油机NOx排放特性分析（论文题目）

3.1.5燃料转换+双燃料操作技术

能够使用天然气和重油(H FO)的双燃料(DF)发动机是灵活应对不同减排限值的最好选择之一。当以天燃气体机模式运行时，其氮氧化物排放比燃用HFO时约低85%。这样DF发动机可在HFO模式时符合IMO Tier II标准，而在燃气模式时符合IMO Tier III的标准[8]。 3.2降低氮氧化物排放技术减排性能的比较

由表2[8]可以看出，燃料转换+双燃料操作对降低氮氧化物的排放有着十分理想的效果，其次废气再循环系统（EGR）对降低氮氧化物的排放量也有着不俗的表现，而低NOx燃烧调整和乳化技术对降低氮氧化物排放量的作用不是那么明显。由此可以得出，以上七种技术的排放特性的优劣为7>3>6>4=1>5>2,根据这样排列，为选择合理的配套组合奠定了其中一个条件。

表2

组别 1 2 3 4 5 6 7 NOx减排技术 高压涡轮增压(二级增压) 低NOx燃烧调整 废气再循环系统 增湿技术 乳化技术 直喷水技术 燃料转换+双燃料操作 潜在减少量 40% 10% 60% 40% 25% 50% 85% 3.2降低氮氧化物排放技术造价的比较

以上7种技术可以使用重油上的是高压涡轮增压技术、低氮氧化物燃烧调整技术以及废气再循环技术（装有有效的净化设备）；而必须与低硫燃油配合使用的是增湿技术、乳化技术以及直喷水技术，这是因为如果使用的燃油含硫量高，则废气中的硫氧化物会与加进气缸内的水结合后生成的强酸会腐蚀柴油机气缸；因为燃料转换+双燃料操作必须用到天然气作为其中一种燃料，配合重油的使用达到减排的作用，因此使用这种技术必须考虑天然气的成本。查询现在的油价价格以及天然气价格如下：重油(H FO)的价格是每吨4500元，低硫燃料(MGO )的价格每吨4900元，天然气(LNG ) 的价格是每吨为6000元。从运行成本上考虑1=2=3<4=5=6<7。

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4.总结

通过对技术减排优劣的比较，我们可以看出以上七种技术减排性能由优到劣的排列顺序为：7（燃料转换+双燃料操作）>3（废气再循环系统）>6（直喷水技术）>4（增湿技术）=1（高压涡轮增压(二级增压)）>5（乳化技术）>2（低NOx燃烧调整）。而通过对技术运行成本的比较，我们可以清晰的看出以上其中技术的成本由低到高的排列为：1（高压涡轮增压(二级增压)）=2（低NOx燃烧调整）=3（废气再循环系统）<4（增湿技术）=5（乳化技术）=6（直喷水技术）<7（燃料转换+双燃料操作）。综合以上两种不同方面的比较结果，可以发现燃料转换+双燃料操作虽然减排性能最好，但由于成本的增加，尚不能肯定这种技术是否会被人们采纳，而低氮氧化物燃烧调整技术虽然在成本方面有优势，但这种技术减排性能太差，尚不足20%，因此，这种技术不可能被广泛的使用。相对而言废气再循环系统成本低、减排性能好，因此采用这种技术是一种非常不错的选择。

由于废气再循环系统具有燃料消耗增加以及提高废气再循环率时产生低负荷烟雾等缺点， 所以单独使用这种技术不能够得到十分满意的减排效果，因此必须与其他技术相联合，扬长避短，发挥出各自的优点，共同致力于减排的目标。根据对以上技术优劣以及成本高低的比较、分析，可以得出利用废气再循环系统与高压涡轮增压技术相结合的方案和废气再循环系统与增湿技术相结合的方案是最具有性价比方案结论。其中作者认为废气再循环系统与高压涡轮增压技术相结合的方案是更加具有发展潜力的一种技术方案。

附录2：文献翻译

<文献翻译一：原文>FROM:Thermal Engineering Volume 37,May 2012,Pages 344–352

Validation of a zero-dimensional model for prediction of NOx and engine performance for electronically controlled marine two-stroke diesel engines XX 1

船舶柴油机NOx排放特性分析（论文题目）

FabioScappin(a),SigureurH.Stefansson(a),FredrikHaglind

(a),AndersAndreasen(b) ,UlrikLarsen(a) a Technical University of Denmark, Department of Mechanical Engineering, DK-2800 Kgs. Lyngby, Denmark b MAN Diesel & Turbo, Engine Process Research, Process Development, Marine Low Speed Development,

Teglholmsgade 41, DK-2450 Copenhagen SV, Denmark

Abstract

The aim of this paper is to derive a methodology suitable for energy system analysis for predicting the performance and NOx emissions of marine low speed diesel engines. The paper describes a zero-dimensional model, evaluating the engine performance by means of an energy balance and a two zone combustion model using ideal gas law equations over a complete crank cycle. The combustion process is divided into intervals, and the product composition and flame temperature are calculated in each interval. The NOx emissions are predicted using the extended Zeldovich mechanism. The model is validated using experimental data from two MAN B&W engines; one case being data subject to engine parameter changes corresponding to simulating an electronically controlled engine; the second case providing data covering almost all model input and output parameters. The first case of validation suggests that the model can predict specific fuel oil consumption and NOx emissions within the 95% confidence intervals given by the experimental measurements. The second validation confirms the capability of the model to match measured engine output parameters based on measured engine input parameters with a maximum 5% deviation. Keywords

Diesel engine;Modeling;Engine tuning;NOx;Performance;Optimization;Emissions; Zero-dimensional 1. Introduction

The development of marine low speed diesel engines with lower emissions is primarily driven by the MARPOL Annex VI regulation[1] adopted by the International Maritime Organization (IMO). MARPOL Annex VI contains regulations on NOx, XXI

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SOx and Particulate Matter emissions. On July 1, 2010 the revised MARPOL Annex VI entered in to force and it contains new limits for NOx emissions for both new and existing ships as well as reduced SOx and PM emissions for all ships. Allowable NOx emissions are reduced to 14.4 g/kWh for large marine low speed engines ( 130 rpm) installed on ships constructed from January 1, 2011 and onward, according to the Tier II standard, and to 3.4 g/kWh for engines installed on ships constructed from January 1, 2016 and onward, according to the Tier III standard in designated emission control areas. The widely used low speed two-stroke diesel engine can be combined with a waste heat recovery unit and potentially offer uniquely high fuel efficience and low specific emissions for diesel engine ship propulsion. In designing and optimizing such a combined energy system, the focus is on the interaction among components in the system rather than on component behavior. Furthermore the newly adapted Engine Efficience Design Index (EEDI), expected to enter into force on January 1, 2013 [2], may impose further constraints on the layout of the engine, auxiliaries, etc. Thus, a fast, yet thermodynamically realistic engine model which can be integrated with an energy system analysis software is highly desired for optimizing engine performance in combination with waste heat recovery for minimal NOx as well as Green House Gas (GHG) emissions. The literature offers various modeling methodologies for the internal combustion engine. Scope of the application, accuracy and calculation time demand, are the determining parameters for the modeling approach [3-8]. Zero-dimensional models [9-13] with a few combustion zones are effective tools for providing reasonable estimations of NOx emissions and/or engine performance with low computational effort. Multi-zone combustion models [14-20] seem to offer more accurate NOx predictions, a more realistic modeling of the fuel spray, as well as provide the modeling of other emissions such as soot. These advantages come with the cost of increased computing time, possibly without providing additional information essential for energy system analysis. Analytical models for cycle simulation of four-stroke engines and HCCI engines XXII 1

船舶柴油机NOx排放特性分析（论文题目）

have been described with some validation[24-26]. Zannis and Rakopoulos [27,28] developed a multi-zone combustion model for predicting performance and emissions in large-scale two-stroke engines with comparisons to experimental data and Kowalski [29,30] proposed a

simple method for simulating a two-stroke ship engine with some NOx emission validation. Most recently, Payri et al. [31] published a zero-dimensional thermodynamic model of a four-stroke direct injection diesel engine with similarities with the model described in the present paper,although not including emission modeling. While the development and methodologies found in these papers offer clear descriptions of the models with some specific validations to experimental data, few or no non-dimensional models for electronically controlled marine two-stroke diesel engines have been developed and validated using experimental results for engine tuning adjustments (e.g. changed injection timing, timing of exhaust valve closing and scavenging pressure; see e.g. [32-35]). Being able to predict with a reasonable accuracy the effects of engine tuning on performance and NOx emissions is of particular importance for modern marine diesel engines. The aim of this paper is to derive a methodology suitable for energy system analysis and for predicting the performance and NOx emissions of low speed, two-stroke diesel engines and the effect of engine tuning. Additionally the methodology is to be validated against actual measurements on two engines. The description of the diesel engine model is covered in section 2; the description of the experimental data used as a basis for validating the model is outlined in section 3; the results and their analysis are discussed in section 4. Lastly, in section 5, the conclusions are outlined. 5. Conclusions

A zero-dimensional model for electronically controlled two-stroke low speed diesel engines was derived. A two zone combustion model, an energy balance and the ideal gas law equations were applied and coupled with a combustion and NOx formation calculation subroutine using the extended Zeldovich mechanism. Initial properties of the trapped gas in the cylinder at the start of

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compression were determined from the mixture of fresh air introduced in the cylinder and trapped residual gasses evaluated from the scavenging efficiency and residual gas fraction. The modeled heat release was calibrated to match measured data, by selecting the correct timing of fuel injection and adjusting combustion shape parameters.

The effects of engine tuning parameters on SFC and NOx emission at 75% engine load were validated by data from experimental tests on the MAN B&W 4T50 ME-X test engine. The results indicate that the trends on SFC and NOx emissions of varied maximum pressure, attained by changed injection timing, can be captured within the 95% confidence interval of the measurements. Also the effects on SFC and NOx emissions of adjusting the compression pressure, by changing the timing of EVC, and of scavenging pressure, respectively, were predicted within limits of the measure values.

The model was also validated using data from the MAN B&W 7L70 engine comprising both engine operating parameters and measured engine outputs. There was good agreement between model and measurements, although modeled pressures were low due to the use of the ideal gas law, in the range of less than 5% deviation. It is recommended though that future work should include implementation of more accurate equations of state in the methodology and faster optimization methods.

In conclusion, the model derived here features the desired rapidity of execution and provides a sufficient accuracy, with regards to essential engine performance characteristics, for being used for future energy system analysis. The model has demonstrated capability of responding well to tuning engine parameters regarding SFC and NOx emissions, thus enabling the possibility to use the model to explore different scenarios, e.g. SFC minimization within the IMO NOx emission limits either as a stand-alone engine or combined with a waste heat recovery system.

<文献翻译一：译文>来源：《热能工程》2012年05月37卷第344-352页

对能够预测二冲程电控柴油机性能和氮氧化物

排放的零维模型的验证

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船舶柴油机NOx排放特性分析（论文题目）

摘要：

这篇论文的目的是基于对能源系统的分析，得出一个能够预测船用低速柴油发动机的性能以及预测氮氧化物排放量的方法。这篇文章描述了一种零维模型，即通过能量守恒定律和使用理想气体定律的方程评价发动机的双区燃烧模型在一个完整的曲柄循环中的性能。燃烧过程可以被分成若干阶段，并且能够计算每一个时间间隔中的燃烧产物以及火焰的温度，然后使用扩展的泽利奇原理对氮氧化物的排放量进行预测。该模型可以用来自两个MAN B＆W发动机的运行数据进行验证，两台发动机设置成两种运行状态，第一种情况是模拟相应的电控发动机参数的变化，第二种情况则提供几乎涵盖了所有模型的输入和输出参数数据。按照第一种状态运行的发动机的数据表明，该模型能够预测燃油消耗量并使得氮氧化物排放实验测量值处于95％的置信区间内，而第二种情况则是在输入参数偏差小于5%的基础上，证实了该模型与对照的发动机输出参数吻合、匹配。

关键字：

柴油机；建模；引擎优化；氮氧化物；性能；优化；排放；零维 1、介绍

国际海事组织（IMO）实施的防止船舶造成污染国际公约（MARPOL73/78公约）附则VI[1]规定了船用低速柴油发动机的最低排放标准并促使船舶降低柴油机的排放量。“防止船舶造成污染国际公约”附则VI是关于包含氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）以及颗粒物在内的废气污染物排放量的法规。随着2010年7月1日经修订的防止船舶造成污染国际公约附则VI生效，无论新、旧船舶，船舶废气中的氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）以及颗粒物的排放量都必须满足新的排放标准。

随着防止船舶造成污染国际公约（MARPOL73/78公约）附则VI中的二级标准的实施，2011年1月1日及以后建造的船舶，在船舶上安装的大型船用低速发动机（<130转）氮氧化物允许的最大排放量为14.4克/千瓦时，同时，还未实施的第三级标准规定：自2016年1月1日及以后建造的船舶，船上安装的发动机在指定的排放控制区内其最大排放量不超过3.4克/千瓦时。

因为低速二冲程柴油机的低排放特性以及它可以与废热回收单元结合进而能够提供较

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xx大学海运学院本科毕业设计（论文）

高的燃油利用率，因此被广泛地用作船舶主推进柴油机。我们把更多的重点放在系统中组件之间的相互联系上，是因为这种联合能源系统的设计已经得到了优化，不需要格外地对组件本身性能的进行关注。此外，新的发动机效率设计指数（EEDI）预计在2013 年1月1日[2]生效，它可能对主动力装置、辅助机械等的布局的更加严格，因此，基于这种与余热再利用装置相结合，从而能够优化发动机的性能以及降低氮氧化物和温室气体（GHG）排放的热力学模型，研发出的一款快速且实用的关于能源系统的集成、分析的软件是备受欢迎的。

这篇文章提供了多种内燃机的建模方法，我们可以根据应用的范围、要求的精度以及计算燃烧阶段的时间等参数决定了使用哪一种建模方法[3-8]。基于多燃烧区原理的零维模型[9-13]是对氮氧化物排放量和在较低的预算成本的发动机性能进行合理估计的有效工具。多区燃烧模型[14]似乎能够对氮氧化物的排放提供更加准确的预测、估计，并且更加符合与燃料喷射的实际情况结合起来的一种建模，而且能够提供诸如其他烟尘排放量的建模。但这些优势是以增加计算时间为代价的，而且对能量系统而言，该模型不能够提供额外的信息以用于系统分析。

对四冲程柴动机和均质压燃柴动机进行循环模拟的分析模型已经得到了验证[24 ]。根据实验数据以及Kowalski [ 29,30 ]用氮氧化物排放量对二冲程船用发动机进行简单的模拟验证，Zannis和rakopoulos [27,28]合作开发了一款以多区燃烧模型为基础，用于大型二冲程发动机性能和预测船舶排放量的软件。最近，payri[ 31 ]等人发表一篇关于四冲程直喷式柴油发动机零维热力学模型的论文，该模型与本文中描述的模型具有相似性，但在他的论文中却没有关于船舶排放的建模。

这些论文提供的方法以及新进展，清晰地描述了用于验证实验数据的模型，而且船用电控二冲程柴油发动机的无量纲模型已经被研发出来，所以我们能够利用发动机调整试验结果进行验证（例如改变喷油定时，排气阀关闭定时，扫气压力；如见[32-35]）。并能够对现代船用柴油机进行影响柴油发动机性能优化的数据以及氮氧化物排放量的预测，并使得测量数据控制在允许精度范围内。

这篇文章的目的就是为了得到一个适用于能量系统分析和预测的方法，能够对二冲程低速柴油机的性能的优化以及氮氧化物排放量进行分析、预测。此外，这种方法是对两台发动机进行实际测量，并根据测量的参数进行验证。文章的第二部分是对柴油机有关模型的介绍；在文章的第三部分中我们列举了用作模型验证的基础实验数据；文章的第四部分则讨论了这些数据的分析结果。最后，在文章的第五部分我们给出了结论。

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船舶柴油机NOx排放特性分析（论文题目）

5、结论

得到了一个船用电控二冲程低速柴油机的零维模型。这种两区燃烧模型，应用了能量守恒定律和理想气体定律方程，使用了扩展的泽利奇原理并与燃烧及氮氧化物生成计算子程序相结合。在开始压缩时，气缸中气体的状态、性质由引入气缸的新鲜空气和由于气缸扫气效率而留在气缸内的残余气体的混合物以及残留气体的馏分所决定。通过选择正确的喷油定时、合理的调整燃烧形状参数，运用测量数据对放热过程进行建模，然后对该模型进行校准、验证。

通过从对MAN B&W 4T50 ME-X型机的测试，用SFC得到在发动机负荷为75%的情况下得到氮氧化物的排放量的实验数据，并利用这些数据对调整发动机参数的影响进行验证。结果表明，在不同的最大压力下，通过改变喷油定时，可以在SFC上获得氮氧化物排放量的测量置信区间可达95%的结论。由于SFC的影响，我们通过分别对调节压缩压力、改变EVC定时和扫气压力，消除对氮氧化物排放的影响，并使得预测测量值保持在置信范围内。

该模型也可以用MAN B&W7L70型机的运行参数和输出参数进行验证。模型模拟量和测量数据具有良好的一致性，虽然由于使用了理想气体定律而导致模拟压力偏低，但仍旧使得偏差范围小于5%。因此，我们建议今后的工作应该使用更准确描述实际状态的状态方程式和更迅捷的优化方法。

总之，这里取得的模型是根据原动机的性能特点用于未来的能源系统的分析，建立在一定的执行速度和能够提供足够的精度的基础之上的。已经证明了该模型的反应能力良好，并能够通过SFC调整氮氧化物排放等发动机参数，无论是作为一个的发动机或者与余热回收系统相结合的能源系统，在满足国际海事组织规定的NOx排放标准的前提下，利用该模型均能够探究不同状态下实现SFC的最小化。

<文献翻译二：原文>FROM: Transport and Environment Volume 16, Issue 4, June 2011,Pages 288–295.

Effects of charged air temperature and pressure on NOx emissions of marine medium

speed engines

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xx大学海运学院本科毕业设计（论文）

Zigor Uriondo(a&b), C. Vanesa Durán Grados(c), Manuel Clemente(b), Juan Moreno Gutié

rrez(c),Leopoldo Martín(b)

a.AZTI Tecnalia, Marine Research Division, Spain b.Departamento Máquinas y Motores Térmicos, Universidad del País Vasco-Euskal Herriko Unibertsitatea, Spain c.Departamento Máquinas y Motores Térmicos, Universidad

de Cádiz, Spain

Abstract

This paper uses operational data to examine the impact of onboard marine engine installation has NOx emissions under actual operating conditions. The results suggest the need to perform emission measurements in the commissioning phase of the engines to meet NOx emission regulations. The analysis also indicates that direct measurements are better carried out onboard rather then limiting them to a parent engine on the test bench, especially if the diesel engines are on delivery trials.

Keywords

Medium speed engined ships; Maritime NOx emissions;Turbochargers on ships’ engines

1. Introduction

Air pollution emitted from ships is increasingly and is a larger part of air pollution produced by humans. There is also an observable direct economical and social impact, including respiratory problems due to SOx, particulates and hydrocarbon emission, on populations living in coastal areas due to exhaust emissions from ships. The emissions are mainly NOx, CO, THC (total hydrocarbon), SOx and particulate matter, of which only NOx and the SOx emissions are internationally regulated:NOx through the NOx Regulation 13 established in Annex VI of MARPOL 73/78 and SOx through the limitation on sulphur content in the fuel oil.

NOx is formed in the combustion chamber, by the combination of nitrogen and oxygen in high pressure and high temperature conditions. The formation of thermal NOx is mainly a function of the maximum temperature in the combustion chamber and the time of residence of the combustion flame in such temperatures (Heywood, 1998). As a result, the most popular methods to reduce NOx emission are focused on reducing the peak combustion temperature and

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船舶柴油机NOx排放特性分析（论文题目）

combustion duration and such measures have brought a decrease in the energetic efficiency of the diesel engines (Krishnamurthy et al., 2007). This characteristic of formation of the NOx is already considered in the International Maritime Organisation’s “Technical Code” which is translated as the specific emission limits being greater the lower the engine speed. With larger engines the running speed is usually slower and the combustion process more adiabatic resulting in higher combustion temperatures and more NOx.

Test bench trials are important in defining engine requirements. These trials usually involve; firstly, an engine being selected from a group of engines of similar constructive characteristics with being tested on the test bench. If the emission limits of the parent engine from the group has NOx emissions within the limits established in Annex VI or the International Convention for the Prevention of Pollution From Ships (MARPOL), the engine family receives approval. Once the engine is delivered to the buyer it is not necessary to carry out more emission measurements onboard.

Several things directly influence NOx formation and emissions, such as the cylinder charge air temperature and the engine’s cooling water. In fact, the Technical Code sets some condition for these factors for the reference emission test in the test bench: when an engine is designed such factors are considered and it is modified. Once the engine is manufactured,fulfilling all the requirements from the different rules, it is sent for installation onboard. There is, however neither a clear instruction about the engine installation onboard nor guidelines about the conditions that have to be met when the engine is installed and thereafter; with the exception that engines cannot suffer any major modification that will cause an increase in their emissions. The engine low temperature cooling water circuit which cools the cylinder charge air and the lubricating oil, however, has a clear effect on the emission parameters of the engine. Nevertheless, it is considered an external part of the engine, so it is not included in major modifications.

The cylinder charge air temperature is the one that could be most affected by installation conditions. The charged air requires cooling and this is done by water supplied by the cooling system, which in turn depends on the installation. The installation margins given by the manufacturers could result in operational conditions where the emissions are excessive.To avoid this, direct measurements of exhaust gas emissions onboard are needed necessary to ensure installation and operation conditions are correct. To ensure compliance with regulations, exhaust

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xx大学海运学院本科毕业设计（论文）

gas measurements have to be made in the trial phase, when the vessel is built and also during the operational life of the vessel. The paper investigates the effect of two aspects of installation, the charge air temperature and pressure on the NOx emissions under real operation conditions.

2. Materials and methods

Emission measurements were carried out both onboard and in test bench according to the Technical Code. The NOx emission measurements on the test bench were carried out with a chemiluminescence (CLD) detector (Emerson NGA2000) but due to limited space, a portable exhaust gas analyzer (TESTO 350 XL MARITIME) was used for onboard measurements.1The humidity and temperature probe of the TESTO 350 XL MARITIME was used to measure the ambient conditions. The carbon balance method was used for the calculation of the exhaust emissions.2Additional running parameters of the engines were measured on the test bench using a combustion analyzer (DEWESOFTDEWE 2600) and data acquisition equipment (Agilent 34970A data logger). The combustion pressure was measured through indicator valves, using KISTLER 6613C piezoelectric sensors and injection pressure directly in the fuel injection high pressure pipe, using Piezotronics PCB108A2 piezoelectric sensors. The temperatures was measured using Type K thermocouples and the cylinder charge air pressure, Danfoss MBS5150 pressure transducers. Power output was measured using the hydraulic brake on the test bench and a Binsfeld strain gauge torque meter, in the case of E3 test cycle onboard. For the D2 auxiliary engines power output measurement, engine control room watt meters were used. To measure the consumption of marine diesel oil, KRAL OME 20 volumetric flow meters with density correction and the weighting method were used in test bench and onboard, a FLUXUS F601 non-intrusive ultrasonic flow meter was used. The marine diesel oil measurement onboard was compared and checked with both the fuel oil rack reading and the test bench parameters from the engine manufacturer. 4. Conclusions

When parent engines are tested according the Technical Code in the initial certification load tests, the engine installation conditions are optimum to get the minimum NOx emission value. But such conditions change when the engines are installed onboard. When it becomes necessary to know how the changes in installation conditions affect the NOx emissions. If the cylinder charge air temperature is increased because of an incorrect installation, the emission values could be out

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船舶柴油机NOx排放特性分析（论文题目）

of the 10%tolerance range of the emission threshold given by the Technical Code for direct measurements onboard. The correction factor KHDIES given by the Technical Code for general application of all engines is not able to correct the emission variations from standard reference conditions when the changes from reference conditions are very large. If the charge air pressure is reduced, either for installation or operational reasons, the NOx concentration within the cylinder increases. Nonetheless, the NOx flow at exhaust is reduced due to a reduction of cylinder charge air flow.

The parameter checking does not completely ensure that emission limits are met; whilst the adjustments to meet the emission limits could not be made by ignoring the engine running parameters. Only measuring emissions onboard would ensure that apart from the engine tuning, the installation is also correct according to the emission limits.

<文献翻译二：译文>来源：《运输与环境》2011年6月，第4期16卷第288-295页。

增压空气的温度和压力对船用中速柴油机

氮氧化物排放的影响

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xx大学海运学院本科毕业设计（论文）

摘要：

这篇文章是利用实际的运行数据来验证实际的运行工况对船用动力装置氮氧化物排放的影响。结果显示，为了达到有关氮氧化物排放法规的规定，在发动机试车阶段进行发动机的排放测量是十分有必要的。分析还进一步表明，尤其是当准备交付柴油发动机从而进行系泊实验的时候，在船上直接实施的排放测量比在试车台上对母机进行的排放测试的效果要更好。

关键字：

中速柴油机船；船舶氮氧化物的排放；船用涡轮增压器 1、介绍

由于船舶造成的空气污染问题越来越严重，并且已经成为了造成人类污染空气的一个重要源头。船舶排放的废气中包括硫氧化物、颗粒物和碳氢化合物等，这些有害的排放物给生活在沿海地区的人们带来了环境污染的问题，其中呼吸不洁净的空气是首当其冲的问题，因此无论是对经济还是对社会而言，解决船舶尾气排放问题都具有直接的现实意义。船舶排放出来的废气主要包括氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物、硫氧化物和颗粒物，但在这些排放物中，仅有氮氧化物和硫氧化物的排放具有相关的国际排放标准，国际海事组织颁布的防止船舶造成污染国际公约（MARPOL73 / 78公约）附则VI中的第13条对船舶氮氧化物的排放标准进行了规定，而硫氧化物的排放则是通过控制燃油的含硫量而实现的。

氮氧化物是燃烧室中游离的氮气和氧气在高温、高压的条件下，通过化学反应而形成的。燃烧室的最高温度以及燃烧火焰持续时间的长短决定了氮氧化物的生成（海伍德，1998）。因此，降低氮氧化物排放最普遍的方法就是降低最高燃烧温度和减少燃烧持续时间，但这两种方法却降低了柴油发动机的能量利用效率（Krishnamurthy等人，2007）。国际海事组织将这种形成氮氧化物的特点考虑进来并制定了船舶技术规范，从而导致船舶技术规范中关于低速柴油机的氮氧化合物的排放标准值稍高。大型柴油机的转速不高，一般隶属于低速柴油机的行列，并且燃烧过程也近似是绝热过程，因此，这种过程的特点将导致燃烧室的燃烧温度更高，从而产生更多的氮氧化物。

在试验台上进行的试验对确定发动机的性能要求是非常重要的一个环节。通常，这些实

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验的第一步是在一批结构参数类似的发动机中随机选择一台发动机在试验台架上进行试验。如果从这一批发动机中挑选的发动机满足防止船舶污染国际公约（MARPOL公约）附录VI中规定的氮氧化物排放量标准，那么这一批发动机便通过检验，成为合格品。发动机一旦交付给买方，卖方则不需要在进行航海试验时实施更多的关于船舶排放的测量。

有一些事情直接影响到氮氧化物生成和排放，例如气缸进气温度和发动机的冷却水温度。事实上，船舶技术规范针对这些影响氮氧化物生成和排放的因素设置了一些条件作为试验台测试的参考试验条件：如果设计发动机时将这些因素考虑在内，那么发动机就是符合规定的产品。一旦制造的发动机，满足所有不同的规则的要求，发动机就可以被允许安装到船上。如果既没有安装发动机到船舶的明确操作说明，也没有规定必须满足的指导性安装条件，那么以后除了有特别例外的情况，发动机将无法进行任何重大的检修，如此一来会因为条件的改变，将会导致发动机排放量的增加。尽管发动机低温冷却水回路同时冷却气缸增压空气和润滑油，并对发动机的排放参数有明显的影响，但它仍然被认为是不属于发动机本身的系统，因此不将它作为进行检修部分的行列。

气缸的进气温度是受安装条件影响最大的参数之一。首先，安装条件影响冷却系统，而对气缸进气进行冷却的冷却水则是来自冷却系统，在这样的连环作用下对气缸进气温度产生影响。制造商在利益的驱动下可能将运行条件调定在不利于降低排放量的情况，那么为了避免这种情况的出现，在船舶上直接进行对废气排放的测量就显得十分必要了，这种操作能够确保安装顺序和操作条件都是正确的，进而满足船舶柴油机低排放的运行条件。为了保证符合相应的法规规定的标准，无论是新建的船舶还是正在营运的船舶，其废气测量的操作都必须在试车阶段进行。本文研究了关于安装的两个方面的影响，即在实际运行条件下对空气温度和氮氧化物排放压力的影响。 2、材料和方法

根据船舶技术规范的要求，在船上和在试验台上都要进行排放测量。在试验台上通过化学发光（CLD）探测器（艾默生NGA2000）对氮氧化物排放进行测量，但由于机舱空间狭小，通过便携式尾气分析仪（TESTO 350 XL海事）用于船舶排放的测量.用TESTO 350 XL海事型的湿度和温度的探针测量环境条件。碳平衡法用于计算废气排放量。

在测试台上进行试验时，通过使用燃烧分析仪（DEWESOFTDEWE2600）和数据采集设备（Agilent 34970A 数据采集器）对发动机其他的运行参数进行测量。燃烧压力通过示功阀测量，而燃油喷射压力则使用KISTLER6613C压电传感器和PCB108A2压电传感器在燃油喷射高压管中直接测量。使用K型热电偶测量温度，用丹佛斯MBS5150压力传感器测量气缸

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xx大学海运学院本科毕业设计（论文）

进气压力。在试验台测试期间，柴油机运行在E3型测试负载下，使用液压制动器和一个BINSFELD的应变计扭力计测量输出功率。机舱集控室瓦特表可用于D2型辅助发动机的输出功率测量。在进行试验台测试以及系泊实验时，可以使用KRAL OME20体积流量计测量船用柴油的消耗量，也可以使用FLUXUS F601性非侵入式超声波流量计。船用柴油测量可通过综合检查油底壳读数以及从发动机制造商得到的试验台试验参数获得。 4、结论

初始认证载荷试验是随机选取的发动机根据船舶技术规范要求而进行的试验，在这种最优安装条件下能够得到最小的氮氧化物排放值。但如果发动机安装到船舶上去，这种最优条件将发生变化。如此一来，研究安装条件的变化如何影响到氮氧化物的排放就显得极其必要了。如果由于发动机不正确的安装而导致气缸进气温度升高，那么，排放值将超过船舶技术规范规定的在船舶上直接测量的最大发射阈值为10%的公差的范围。当排放变化量比参考范围大很多时，适用于所有发动机的船舶技术规范所规定的校正条件不能够校准到标准排放工况。无论是因为安装还是操作的原因而导致气缸进气压力降低，都会使气缸内氮氧化物的浓度增加。但是，由于减少了气缸进气流量从而减少排气中氮氧化物的含量。

检查参数是否处于正常状态的做法并不能完全保证氮氧化物排放量满足规定的排放标准；然而忽略发动机运行参数，而单纯地靠调整发动机本身的结构来实现满足排放标准的目的也是达不到的。只有在船舶上实时测量船舶的排放，才能确保发动机进行了优化、安装条件是正确的，使得船舶的实际排放满足排放标准。

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