VOLVO船用柴油机配件 欧洲原装进口
黄宇
摘 要：随着国际组织对柴油机废气排放要求不断提高，目前船用柴油机的废气处理技术研究成为全球热点。特别是在氮氧化物排放方面尤为突出，也成为船用柴油机的技术突破难点。目前，减少内燃机氮氧化物排放的研究主要有机前、机内和机后优化等。当前的SCR和EGR技术等，由于技术的局限性难以在船上得以推广。基于柴油机缸套内的燃烧化学反应机理，探讨从源头（反应物浓度），以低氮/无氮燃烧技术控制氮氧化物生成的可行性。
关键词：化学反应机理；柴油机；减排；低氮；无氮
中图分类号：U262.11 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）23-0050-02
引言
随着全球化进程的日益加快，航运业快速发展的同时也面临着巨大的挑战。环境的日益恶化，引起了人们对排放的日益关注。国际海事组织加强对船舶柴油机排放控制，尤其是氮氧化物的排放成为关注焦点。2016以后的NOx排放控制区域与2020以后全球范围，船舶氮氧化物的排放需达到TIER Ⅱ標准，即14.4g/kWh（转速小于130r/min低速柴油机）。船舶氮氧化物排放优化技术的研究，成为全球热点。通过对船用柴油机燃烧化学反应机理的研究，了解影响燃烧室内氮氧化物生成主要有三方面因素，本文从化学反应物浓度角度，提出探讨在低氮气/无氮气进气条件下，从理论上探究其优化柴油机燃烧和排放的可行性；并制定试验研究方案。
1 燃烧室氮氧化物的生成
燃料燃烧引起的对大气环境的污染，其中危害最大且又最难处理的是NOx。燃料燃烧产生的氮氧化物主要来自两个方面：一是燃烧时空气中带进来的氮，在高温下与氧反应所生成的NO；二是来自燃料中的氮经过复杂的化学反应所生成的氧化物。
燃烧过程中生成的NOX主要是指NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5……等氮氧化物的总称。发动机排出的废气中，NO占绝大部分（约占90%），而其它的含量较少（约占1%），因而下面介绍NOX的生成机理时主要是指NO。在燃烧的过程中，根据燃料和燃烧条件不同，生成的NO有两类：温度型（热NO和快速型NO）和燃料型[1]。
（1）温度型NO：由于氮原子与氧原子反应的活化能相对较大，燃料分子燃烧反应优先于NOX的生成反应。即燃料燃烧后放出大量热量，温度上升后反应生成NO，尤其在火焰中部会产生大量温度型NO。当火焰温度低于1500℃时，温度型NO生成量极少，相反其NO生成速度明显增加，并符合阿罗尼乌斯定律。温度高低对温度型NO的生成起决定性作用，一般温度越高，NO的生成越多。
（2）燃料型NO：原油中有机化合物中含有0.1%～0.3%的氮，其氮原子与各种碳氢化合物结合，键能约为（2.52～6.3）×107J/mol，远低于空气中的氮分子结合键能。因而在燃烧过程中有机化合物的氮原子容易分解出来，使氮原子浓度有较大的增加，从而成生成大量的NO，即为燃料型NO。
2 NOX生成速率
高温燃烧过程中NOX的生成机理相当复杂，目前“捷尔杜维奇”（Zeldovich Mechanism）理论被广泛接受。根据该化学反应动力学机理得到的生成NOX的化学反应速度常数数据，可以预测温度型NO生成浓度。高温环境下，氧原子先与空气中的氮气发生续链反应，生成NO和氮原子，接着氮原子与氧气续链反应，生成NO和氧原子[2]。
在化学反应中，由于动力学存在很多不确定性，需通过简单模型来估算反应结果。化学家提出了两种近似处理方法来简化复合反应系统：平衡态近似法和假稳态近似法[3]。因此，通过简单的串联反应或平行反应过程中，将复杂过程简单假设成单一反应，从而找出复合反应系统的近似简单处理方法，以便对生成物和反应物求出简单可用的解析解。
由于柴油机燃烧过程短暂，难以达到所有氧氮反应式的平衡。通过氧氮化学反应的串联反应和平行反应近似得到单一不可逆反应（1）式来讨论其解。在化学反应过程中，单位体积中反应物与生成物数量不断地发生变化，其化学反应进行得越快，则在单位时间内，单位体积中的反应物消耗的越多，也就有更多生成物生成。因此反应物和生成物的浓度随时间的变化率来表示化学反应速率。
3 研究模型的建立
根据燃油燃烧化学反应机理可知，船用柴油机NO生成主要受环境温度、环境中氧氮浓度、及高温环境停留时间长短影响。当前可通过燃油喷射系统（燃油加水乳化、添加剂添加，燃油喷射时刻、喷射压力、喷射次数等喷油规律）优化，气阀定时优化，进气喷水加湿，烟气回收增加进气中惰性气体成分，柴油机缸内直接喷水等措施，改变缸内燃料燃烧过程以影响放热规律，从而控制缸内最高温度以减少NOX排放，但此类方法均需以牺牲柴油机经济性为代价。此外，还可通过烟气催化还原（SCR）、烟气捕集技术（LNT）、碳素纤维加载低电压技术等后处理技术，能有效减少NOX排放。但其在船舶上的应用安装和管理技术问题难以解决，未能得到推广应用。本文确定实验方案，以一定浓度的氧气和二氧化碳取代进气中的氮气，研究柴油机在不同比例混合气中燃烧和排放。
（1）理论研究
柴油机燃烧化学反应非常复杂，为研究方便，通常选取燃烧基元为研究对象，以基元内部燃烧现象表征燃烧室燃烧情况。柴油机缸内基元所含气体成分有：O2，N2，其它气体分子（燃烧产物）。假设基元内O2和N2所占气体比例为A，且其中O2所占比为B，则为N2所占比为A-B。由式（1）得，基元内氮氧化物净生成速率r为：
（2）
对于关于B的一元二次方程[4]，k不变的前提下，NO净生成速率r与燃烧环境中浓度比B/A直接相关，B/A越接近1/2其生成速率越大。B/A=0或B/A=1时，即全部是氧气或全部是氮气，无NO生成。
（2）实验方案
针对柴油机低氮或无氮燃烧和排放性能的研究，首先研究不同组分的混合气体对柴油燃烧性能的影响。当前，定容燃烧弹广泛成为模拟研究柴油机活塞上止点附近喷雾和燃烧性能研究的工具[5]。通过在弹体内充入所需（低氮/无氮）的混合气，将混合气温度加热至所需温度，再进行喷油燃烧实验，以高速相机或激光引导等投过玻璃窗口拍摄火焰燃烧过程，为低氮/无氮燃烧性能（火焰结构、火焰形貌、温度场分布等）的分析提供有效的依据。
由于燃烧弹内气体成分有限，单次燃烧实验生成的NOX难以通过普通的烟气分析技术所得。因此，需通过柴油机的台架实验进行连续运转实验，对其在低氮/无氮燃烧工况的排气成分进行分析监控，以满足日益严格的排放要求。定容燃烧弹实验能够有效指导柴油机低氮/无氮燃烧实验，而柴油机台架实验对其燃烧和排放性能的研究将更为深入全面。
通过气体混合器将空气、氧气、二氧化碳等按不同比例进行混合，然后供给柴油机进行燃烧实验。实验过程中需采集柴油机的缸内压力，供燃烧过程热分析用，通过在线监测柴油机缸套内的燃烧工况；监测柴油机实验过程的油耗，通过计算单位功率的油耗以评价柴油机低氮/无氮燃烧经济性，从侧面反映其燃烧性能；并采用烟气分析仪分析排放烟气的成分，衡量其排放是否符合要求。
4 结束语
通过对柴油机燃烧化学反应理论研究，分析缸套内NOX的生成机理，得知影响氮氧化物生成的因素有：最高燃烧温度，高温区停留时间长短，氮气和氧气的浓度等。通过降低燃烧环境中氮气的浓度，控制氮氧化物的净生成速率。从理论角度通过低氮/无氮燃烧技术来控制氮氧化物的生成是可行的，并进一步确定实验方案的可行性。通过低氮/无氮燃烧技术，减少柴油机NOX的排放是可行的。在保证柴油机正常工作的前提下，优化缸套内燃烧和控制NOX排放，寻找最佳的混合气配合工况成为技术突破难点，也是后期研究的重点。
参考文献：
[1]周松，肖友洪.内燃机排放与控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.
[2]廖传华，史勇春.燃烧过程与设备[M].北京：中国石化出版社，2008.
[3]施密特（美），罗国华.化学反应工程[M].北京：中国石化出版社，2010.
[4]顾传青.高等数学[M].北京：科学出版社，2011.
[5]Wei zhang， Zhaohui Chen.Influence of EGR and oxygen-enriched air on diesel engine NO- Smoke emission and combustion characteristic[J].Source： Applied Energy 107（2013）304-314.endprint
