船用气体发动机排放研究文献综述
2020-05-04 09:05
1、 目的及意义（含国内外研究现状）
1.1 选题背景、目的及意义
近几十年来，随着海运的迅速发展，船舶对大气的污染日益严重。特别是在港口、海峡以及一些航线密集、船舶流量大的海区，已成为了该地区的主要污染源。根据IMO数据显示，船舶每年的SOX排放约634万吨，占世界排放总量的4%。2009年美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的研究数据表明，海上船舶已经成为了严重的大气污染源:目前每年全球海上船舶排放的PM总量相当于全球汽车所排放PM总量的50%，全球每年排放的NOx中有30%来自海上船舶。
温室效应也日益明显：冰川消融、海平面上升、冬季更加湿冷，夏季更加炎热、全球降水更加不均匀等等。这些已经引起了世界各国和国际组织的广泛关注，为实现可持续发展，都纷纷制定法规要求，以加强对船舶的排放污染的控制。如IMO于1997年出台,经2005年修订,2008年10月通过的MARPOL公约附则VI《防止船舶造成空气污染规则》等。
其规定了船舶柴油机NOx排放限制值：等级II（Tier II）规定在2011年1月1日以后建造或装船输出功率超过130kW的的柴油主机应满足：
| 转速/(n,rpm) | NOx 限制值/[g· (kg· h)-1] |
| ≦130 | 14.36 |
| 130~1999 | 44×n-0.23 |
| ≧2000 | 7.66 |
等级III（Tier III）规定当船舶航行于指定的排放控制区内时，2016年1月1日以后安装的输出功率超过130kW的柴油主机应满足：
| 转速/(n,rpm) | NOx 限制值/[g· (kg· h)-1] |
| ≦130 | 3.4 |
| 130~1999 | 9×n-0.2 |
| ≧2000 | 1.96 |
随着船舶排放法规的逐步严格，现主要采用更换高品质燃料油的方法满足相应要求，同时也在研究应用诸如EGR技术、HAM 技术以及SCR技术等机外处理手段来改进柴油机的排放以满足国际海事组织的要求，但相应增加了柴油机装置的整体造价以及管理和营运成本；其次，近年来石油燃料油价格的上涨也促使人们寻求替代燃料以降低营运成本。寻求低成本、高效率的清洁代用燃料和船舶内燃机新技术成为世界主要船用动力研究机构和生产厂商的战略目标。
天然气是一种清洁、方便、高效的优质能源。使用LNG作为替代燃料，可有效的降低排放：二氧化碳排放量减少，这是由于天然气和液体燃料相比，碳/氢比低；由于稀薄燃烧过程实现，NOx排放较低；SOx的排放几乎为零，由于天然气不含任何硫；颗粒的排放几乎为零。使用液化天然气作为燃料，不仅可以减少排放和满足排放法规，而且可降低运营成本。这对短途海上运输或在港口运行的渡轮非常有利，而且在排放要求更严格的排放控制区，如挪威、北美和欧洲的硫排放控制区，的需求会更大。并且LNG的价格相对便宜，得到了广大船东的认可，成为未来船舶减排的首选。
船用气体燃料发动机技术在欧洲已经十分成熟，目前主要有3种主流类型：电火花点火式发动机、低压双燃料发动机以及高压燃气喷射发动机。
电火花点火式发动机以纯天然气为燃料，多用于四冲程发动机。国外有罗尔斯·罗伊斯公司的纯气体发动机，采用支管进气的方式，运用稀薄燃烧技术，与普通柴油机相比，CO2和NOx排放明显降低，SOx排放几乎为零，满足Tier III标准。国内有潍柴的LNG纯气体机，型号有：WP6C136NG, WP10C280NG和WP12C350NG等，NOx排放满足Tier II标准。广柴的6230SG和8230SG纯气体机，NOx排放满足Tier III标准。玉柴蓝鲸NK系列气体机，有YC6K295LN-C20,YC6K420LN-C20等5款机型，尾气排放满足Tier II标准。淄柴的Z6170ZLCZ/T气体发动机。济柴的190系列气体机，采用增压前总管进气，NOx排放满足Tier II标准[1]。
低压双燃料发动机一般是由普通四冲程柴油机改装而成的，只是在进气阀处增设了燃气喷射装置，采用微油引燃混合气的方式工作。瓦锡兰公司研发的低压双燃料低速二冲程发动机2-S DF，采用了“微引燃”和“预燃室”技术。根据瓦锡兰公司的报告，该机型在燃气模式下NOx排放量满足IMO Tier III的排放要求，并且效率要大于四冲程机，并且由于采用稀薄燃烧技术，可以为船东节省一定的资本支出。
高压燃气喷射发动机可在不同的燃气和燃油比例下运行，也可只在燃油模式下运行，属于缸内高压喷射式双燃料发动机，一般用在大型低速双燃料发动机上。采用高压燃气喷射主要是MAN公司的ME-GI系列双燃料低速二冲程发动机。由于采用高压燃气喷射技术，甲烷的逃逸量很少，且在高负荷时，可提高燃气设定压力，来喷射更多的燃气。但是由于采用狄赛尔循环，燃烧火焰温度相对较高，NOx减排效果有限，需要有ERG或者SCR才能满足Tier III标准要求。MAN公司最新研发的51/60DF双燃料发动机，采取了先进的“微先导”燃气点燃技术以及最新的MAN柴油共轨技术，排放非常低，满足Tier III标准要求[2]。
在国内由于受到高成本、技术落后等因素的影响，气体燃料发动机还是以改装为主。虽然同传统的发动机相比，改装成的气体燃料发动机有相当原发动机的动力，排放也有所改善，但是稀燃式天然气发动机因其富氧均值燃烧特性从而具有较高的缸内燃烧温度，因此，天然气发动机具有较高的 NOx 排放。而当接近稀燃极限时，燃烧缓慢且不完全，HC和CO排放较高，这在低负荷时尤为明显。
本文研究的目的是分析高、低负荷下的不同过量空气系数对油耗和NOx、HC、CO的排放的影响。并研究过量空气系数不变的情况下，加入一定量的H2或者一定量的N2对排放的影响。
本文研究的意义是展望气体燃料发动机的发展前景，并为未来气体燃料发动机的研发提供一定的借鉴。
1.2国内外研究现状
Chen Fan (2013)等人分析了天然气发动机NOx排放的影响因素如过量空气系数等，结果显示：过量空气系数在1.2时NOx排放最大，增大过量空气系数，燃烧会变得不稳定，功率下降，但是NOx排放也跟着下降[3]。
何卓遥， 敬启建等人（2014）以上柴 SC5DT4114 发动机为基础，研究了稀释气体对发动机燃烧排放(NOx、CO和HC)的影响，结果表明进气稀释对于降低NOx 排放有明显的作用， NOx 排放均随着稀释程度的加深而降低；CO 排放随着稀释加剧先下降后上升；HC 排放随着稀释加剧而恶化。在中小负荷下，采用小量的进气稀释可以在不明显引起HC 排放增加的情况下，降低 NOx 和 CO 排放。[4]。
刘世文，汪洋等人（2003）通过改造江淮动力机厂生产的ZH1115柴油机，来研究天然气加氢改性对柴油引燃气体发动机排放特性和经济性的影响，结果表明双燃料加氢后可以缩短滞燃期和燃烧持续期，明显改善双燃料发动机的THC和CO排放，并可提高发动机的经济性，但是NOx会增加[5]。
1.3存在问题
①过量空气系数如何调整，调整的过量空气系数的范围是多大？过量空气系数过小可能会出现爆震，过大机器可能不能正常运转，都需要进行分析；
②如何控制注入的H2或者N2的量？通过气瓶上的阀门，可以控制H2或者N2的量，但是不太准确，可能对试验结果造成一定的影响。在需要的情况下，可以在管路上加装流量计；
③气体注入的位置的确定。在压气机前注入还是在压气机和进气管之间注入，需要进行实际的分析。
{title}2. 研究的基本内容与方案
{title}基本内容和技术方案
2.1基本内容
熟悉发动机性能试验要求，了解气体燃料的特性，了解船舶柴油机排放控制技术规则，分析在不同燃料燃烧模式下发动机排放的特性，分析产生的原因，了解不同排放污染物的产生机理和影响因素。
2.2技术方案
①首先在已有的气体燃料发动机上，进行高、低负荷的排放特性试验，来研究气体燃料发动机在高、低负荷下NOx、CO和HC的排放特性；
②在已有的气体燃料发动机上，对过量空气系数进行试验，来试验研究高、低负载下不同过量空气系数对油耗和NOx、CO和HC排放的影响；
③在相同的过量空气系数下，试验一定量有利于燃烧的H2和一定量不利于燃烧的N2对排放的影响。在过量空气系数较大的情况下，气体燃料发动机的NOx排放较低，但是燃烧的不好，HC和CO排放较大，此时加一定量有利于燃烧的H2，燃烧开始改善，油耗降低，CO、HC排放下降，但是NOx排放会升高。当NOx过高时，加入不利于燃烧的N2，使燃烧变得不好，排温升高，但是NOx会下降。分析造成这样结果的影响因素。
3. 参考文献1、 参考文献
[1] 马义平，曾向明，魏海军，赵睿，王忠诚，徐乐平·国内外船用LNG动力发动机发展现状·中国航海·2016年
[2]袁江帆，胡以怀，蒋更红，唐娟娟·船用ＬＮＧ双燃料发动机的技术发展及应用现状. 造船技术·2017年
[3]Chen Fan·Study on Modified Natural Gas Engine Considering NOx Emission·Applied Mechanics and Materials ·2013
[4]何卓遥，敬启建，朱磊，张武高，黄震 ·不同进气稀释气体对稀燃式天然气发动机·中国内燃机学会燃烧节能净化分会2014年学术年会 ·2014年
[5] 刘世文，汪洋，郑尊清，尧命发，谢辉·天然气加氢改性对柴油引燃气体发动机排放特性和经济性影响的研究·燃烧科学与技术·2003年
[6] 赵国锋，姚崇，孙军·船用天然气发动机技术发展综述·柴油机·2017年
[7] 孙化栋，曹海滨·船用气体燃料发动机的发展与技术分析·船海工程·2012年
[8] 余永华，王桂新，杨建国 ·引燃柴油对中速双燃料发动机燃烧与排放的影响·.柴油机·2017年
[9] 钱良智·柴油一LNG双燃料船用发动机排放特性试验研究·船海工程·2015年
[10] 胡辛，罗永庆，于国起，贺晓津，周新华，范勇，彭明昌·6135AK一6发动机LNG改造及应用·科技视界·2012年
[11] 马义平， 许乐平， 胡以怀， 薛树业，赵睿·船用LNG动力发动机部分关键技术·中国航海·2017年
[12] 石滨·缸内直喷低热值气体燃料发动机的掺氢性能仿真与试验研究·北京交通大学·2014年
[13] 曹海滨·LNG燃料发动机船舶应用现在与前景探讨·青岛远洋船员职业学院学报·2014 年
[14] G.Rutkowski·Study of New Generation LNG Duel Fuel Marine Propulsion Green technologies·the International Journal on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation·2016
[15] Chun-hua Zhang，Jian-tong Song ·Experimental study of co-combustion ratio on fuel consumption and emissions of NGediesel dual-fuel heavy-duty engine equipped with a common rail injection system·Journal of the Energy Institute·2016
1．目的及意义1、 目的及意义（含国内外研究现状）
1.1 选题背景、目的及意义
近几十年来，随着海运的迅速发展，船舶对大气的污染日益严重。特别是在港口、海峡以及一些航线密集、船舶流量大的海区，已成为了该地区的主要污染源。根据IMO数据显示，船舶每年的SOX排放约634万吨，占世界排放总量的4%。2009年美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的研究数据表明，海上船舶已经成为了严重的大气污染源:目前每年全球海上船舶排放的PM总量相当于全球汽车所排放PM总量的50%，全球每年排放的NOx中有30%来自海上船舶。
温室效应也日益明显：冰川消融、海平面上升、冬季更加湿冷，夏季更加炎热、全球降水更加不均匀等等。这些已经引起了世界各国和国际组织的广泛关注，为实现可持续发展，都纷纷制定法规要求，以加强对船舶的排放污染的控制。如IMO于1997年出台,经2005年修订,2008年10月通过的MARPOL公约附则VI《防止船舶造成空气污染规则》等。
其规定了船舶柴油机NOx排放限制值：等级II（Tier II）规定在2011年1月1日以后建造或装船输出功率超过130kW的的柴油主机应满足：
