摘 要

船舶运输作为一种重要交通运输方式，拥有货物运输量大、运费成本低、能源消耗少及占用土地空间小等优点，在全球交通运输业中发挥着极其重要的作用。相关统计表明，当今全球至少 80%货物是通过船舶运输的方式来完成的，航运事业和渔业的繁荣发展在带来巨大经济利益的同时，给航线周边的环境空气质量带来巨大危机，对人类的身体健康、工作生活等造成重大影响，特别是在船舶运输量大、航线密集的地区。为了有效控制和减少船舶污染，国际海事组织（IMO）早在1973年就制定了MARPOL 73/78公约附则VI《防止船舶造成空气污染规则》。在该规则发布后，世界上各国政府和相关海事组织也随之出台了许多区域性船舶排放标准和相关规定准则，我国政府也很重视船舶污染问题，在 2015 年颁发了自己的排放法规。在限制排放的同时，寻找新的清洁能源来替代柴油作为船舶发动机的燃用燃料成为了控制柴油机排放的另外一条途径，轻烃混合燃料模式是当前许多研究方向中的热点。本文便对轻烃柴油混合燃料展开研究，通过实验测量其排放特性并加以分析，主要研究方案如下：

（1）查阅相关资料，了解轻烃燃料的物化特性以及轻烃燃料船舶发动机上的应用现状，了解最新国标对排放测量的要求，了解排放污染物生成机理；

（2）进行轻烃柴油双燃料发动机台架试验，测量发动机燃用纯柴油和燃用轻烃柴油混合燃料在推进特性和负荷特性下的排放值；

（3）对发动机燃用纯柴油和燃用轻烃柴油混合燃料推进特性和负荷特性下的排放进行对比分析；

（4）根据最新国标计算发动机燃用纯柴油和燃用轻烃柴油混合燃料的比排放并进行对比分析；

（5）根据试验以及分析计算结果提出降低轻烃柴油双燃料船舶发动机排放的途径或措施。

关键词：轻烃燃料；柴油；排放特性；比排放

Abtract

Shipping has the advantages of large capacity, low freight, less energy consumption and less land occupation, and occupies an important position in the global transportation industry. According to statistics, at least 80% of the world's goods are transported by ships. While promoting the rapid development of economy, the prosperity of international trade and fisheries has brought great challenges to the environmental air quality of coastal and riverside areas, and has an important impact on the health, work and life of coastal residents, especially in areas with large volume of ships and dense traffic. In order to reduce pollution from ships, the International Maritime Organization (IMO) has formulated Annex VI of MARPOL 73/78 Convention "Rules for the Prevention of Air Pollution from Ships" as early as 1973. Subsequently, governments and relevant organizations have issued regional ship emission standards, and the Chinese government has issued its own emission regulations in 2015. At the same time, searching for new clean energy to replace diesel has become another way to control diesel engine emissions. The light hydrocarbon blend fuel model is a hot topic in many studies. In this paper, the light hydrocarbon diesel blends are studied, and their emission characteristics are measured and analyzed through experiments. The main research schemes are as follows:

(1) Consult relevant information, understand the physical and chemical characteristics of light hydrocarbon fuel and the application status of light hydrocarbon fuel in marine engines, understand the latest national standards for emission measurement requirements, and understand the emission pollutant generation mechanism;

(2) The bench test of light hydrocarbon diesel dual-fuel engine was carried out to measure the emission values of pure diesel fuel and light hydrocarbon blended with different proportions under propulsion and load characteristics.

(3) Comparing and analyzing the emission of pure diesel fuel and light hydrocarbons with different proportions under propulsion and load characteristics.

(4) According to the latest national standards, the specific emissions of Diesel Engine Fueled with pure diesel oil and light hydrocarbons mixed with different proportions are calculated and compared.

(5) According to the results of test and analysis, the ways or measures to reduce the emission of light hydrocarbon diesel dual fuel marine engines are proposed.

Key words:Light hydrocarbon fuel；diesel oil；Emission characteristics；Specific emission

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状分析 2

1.2.1轻烃燃料的研究及应用现状 2

1.2.2船舶排放与控制研究现状及分析 2

2.1 实验系统构成 4

2.1.1 试验用柴油机 4

2.1.2 试验用燃料 5

2.1.3排放设备与排放测量 5

2.2 实验循环工况点 6

2.2.1推进特性 6

2.2.2负荷特性 6

2.3实验结果记录 7

2.4本章小结 8

第3章 实验数据呈现和对比分析 9

3.1船舶发动机排气污染物排放限值的论述 9

3.2中国和世界其他国家地区排放限值对比分析 11

3.2.1污染物种类 11

3.2.2排放限值范围比较 11

3.3柴油机掺烧85%轻烃与燃用纯柴油性能对比 12

3.3.1 经济性对比 12

3.3.2动力性对比 13

3.3.3 排放性分析 13

3.4 比排放计算分析 15

3.4.1 Z-6170原机比排放计算 16

3.4.2 Z-6170掺烧85%轻烃比排放计算 16

3.5 本章小结 16

第4章 降低轻烃柴油双燃料船舶发动机排放的途径或措施 17

4.1燃料替换处理 17

4.2 柴油机优化改进 17

4.3 尾气处理 17

第5章 总结与展望 19

5.1 总结 19

5.2展望 19

致谢 20

参考文献 21

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

柴油机作为动力设备有着热效率高、安全性、可靠性强等特点，因此被广泛应用于船舶上，随着航运业的快速发展，柴油机的应用规模也越来越大，所排放的污染物总量也相当巨大。根据相关统计，用柴油为燃料的船舶每年大约向大气排放氮氧化物（NO_X）约650万t，硫氧化物（SO_X）约600万t、颗粒物（PM）约180万t^[1]。依据欧盟相关部门的研究结果，欧洲地区的机动车污染排放多年来呈现下降趋势，但船舶排放却逐年上升。受大气污染和全球气候变化问题的影响，其他行业呼吁航运业进一步加强对船舶污染物排放的控制以减少船舶污染物对生态环境的影响。另一方面，发动机排放污染物带来的癌症、皮肤疾病、呼吸系统和神经系统疾病等健康问题也不容忽视，人类的身体健康状况和生态环境状况同时面临着巨大考验。可见，船舶排放对大气的污染问题已经不容忽视，尤其是在临海、临江、港口等航运密集地区，尤船舶排放的污染物甚至已经成为范围内的主要污染源，根据相关统计，全球范围内60％以上的船舶发动机污染物排放范围都在距离海岸450 nmile的地域范围之内。这就导致了每年全世界大概会有60000余人因为船舶污染问题而失去生命，无论是出于改善环境还是避免危害人类健康，控制船舶排放，减少船舶污染物都是迫在眉睫的工作。

出于控制和减少船舶污染物的排放，相关国际组织相继出台了多项公约和法规，其中应以国际海事组织（IMO）推出的国际防止船舶造成污染公约《MARPOL1973/78》最具代表价值，在该公约中船用柴油机各种排放物的排放标准都得到了明确规定 。为了响应减排号召，改善生态环境，许多国家和地区也推出了相关的排放法规，例如美国排放法规规定：在规定区域内，或使用满足排放标准的柴油机，或租用陆上岸电来满足船舶动力的要求，对不满足排放标准的柴油机不允许使用；欧盟也已出台限制柴油机排放的相应政策。在限制排放的同时，寻找新的清洁能源来替代柴油成为了控制柴油机排放的另外一条途径，轻烃混合燃料模式是目前众多研究中的热点。近年来，轻烃燃料生产、分离技术得到了充分的发展,使用性能也得以提升^[2]。除了作为电力用煤气替代品及轻烃锅炉燃料在民用生活燃料领域使用外，已开始向汽车柴油替代品领域发展。在替代油气能源作为新燃用能源方面,它拥有着多重优势:(1)轻烃燃料轻质成分多，碳原子数少，发热量（或热值）高作为代用燃料能够保证发动机的动力性需求。(2)作为燃用燃料，轻烃燃料的热效率相较于柴油更高。(3)轻烃燃料开采来源广，储量丰富，具有良好的使用前景且轻烃相较于柴油成本更低。（4）轻烃燃料作为发动机燃用燃料安全稳定且能够有效降低排放，既安全又环保，具有极高的推广价值^[3]。

本课题基于轻烃的这些优良性能，将轻烃燃料和柴油进行掺烧实验，以研究轻烃柴油混合燃料的各项性能指标，在分析混合燃料性能前，我们首先确定了轻烃最佳掺混比。课题组根据轻烃的不同掺混比形成了七种不同的燃料，分别为纯轻烃燃料，轻烃掺混比分别为30％、50％、75％、85％、95％的轻烃柴油混合燃料以及纯柴油。对这七种燃料分别进行推进特性和负荷特性试验，我们发现燃用30%、50%、75%和85%轻烃掺混比的轻烃柴油混合燃料的柴油机均能实验正常工作，经观察检测并无异常燃烧现象产生，而燃用轻烃掺混比为95%的混合燃料的柴油机起动困难，燃用纯轻烃燃料的柴油机运行时声音低沉，明显表现出“吃力感”，缸内压力波动较大无法测量；柴油机可以稳定在推进特性25%负荷状态，当上升至50%负荷时，柴油机缸内压力峰值后移量较大，燃料越来越难压燃，运行了一段时间自动停机。另一方面，我们发现随着轻烃掺混比的提高，相同柴油机的耗油量在逐渐降低，由此可以推断，柴油机的经济性随着轻烃掺混比的增加而有所提高。综合这两方面的实验结果分析，我们确定了85％为轻烃最佳掺混比。

1.2国内外研究现状分析

1.2.1轻烃燃料的研究及应用现状

2000年，浙江省有关部门将轻烃、汽油双燃料汽车项目列为浙江省科技创新项目；金华市政府已多次开会协调,要求在金华市区推广应用。

深圳市日研科技有限公司开发采用了一种新型燃油添加剂——油公核磁共振传递剂^[4]，在这一添加剂的加持下，轻烃的动力性能得到了极大提升。在轻烃中添加0.01%～0.02%这种传递剂,使之成为一种核磁共振油供汽车使用,轻烃的动力增大20%以上,油耗下降18%以上,尾气污染下降80%,已达欧Ⅱ标准,热值提高30%,把低能态轻烃转化成高能态。

近年来，轻烃技术不断发展，国内已经具备了完善的的混空轻烃技术体系，并且已经在许多城市的居民小区、酒店、及高速公路服务区实现了有效应用。在四川、内蒙古、广西、山东、湖南等十余个省市区，建成的轻烃混气站近百座。例如位于湖南省张家界市的世界自然遗产武陵源风景区的几家星级宾馆经过轻烃化改造，燃料支出成本降低了25%～30%。

上海浦南大众公交公司的吴增强^[5]在轻烃燃油在公交车上的应用课题中，经过无数次的组合试验研制成功了以甲基叔丁基醚为主的无铅添加剂，可将轻烃燃油辛烷值提高到RON90，为轻烃燃料以液态方式在发动机中掺烧创造了条件。设计加装了一套使公交车辆在不同工况都能稳定工作的轻烃燃油供给系统，使公交车辆在起动、动力性能等方面都能满足营运要求，并且也达到了低排放的要求，推动了当地公共交通行业的发展。

1999年，在北京某国际环保汽车展览会上，燃用轻烃汽油双燃料的绿色环保汽车首次亮相并引起了国内外专家的注意。有评论称，将轻烃作为汽车的替代燃料极富创新性，这将为轻烃燃料绿色环保车的发展和普及开辟出一条道路。

1.2.2船舶排放与控制研究现状及分析

当前船舶污染物排放控制技术主要着手于三个阶段进行控制处理，即燃料预处理、燃烧过程控制和尾气治理三个阶段^[6]。在对不同类型污染物控制技术方面又有不同侧重。

在颗粒物控制方面，当前对于船舶排放颗粒物的控制主要从机内和机外两个方面入手，即机内控制和机外烟气治理（尾气除尘）这两大类别。其中机内控制技术主要从燃料的替代、柴油机结构的改造、发动机参数的调整设定等方面着手，例如采用新型燃料以减少燃料燃烧本身的颗粒物排放，对发动机气缸盖结构进行优化，改善燃烧系统、供给系统，采用共轨燃油喷射技术等。机外治理方面以对船舶排放尾气进行治理除尘为主，主要包含柴油颗粒物捕集器（DPF）、氧化催化器（DOC）、连续性再生颗粒捕集系统（CRT）、电晕放电静电吸附技术、旋风除尘、静电除尘、湿式洗涤等。

在NO_X控制方面，当前业内控制船舶NOx排放的措施主要有燃料预处理、缸内净化和尾气脱硝处理等。燃料预处理就是对发动机燃用燃料进行处理，净化燃料或采用代用燃料以达到控制氮氧化物产生的目的^[7]。如本文所研究的轻烃柴油混合燃料相较于纯柴油在控制NO_X排放方面便有不小的优势。缸内净化技术包括燃烧优化、加水技术、充量调节和组织燃烧等多项技术，例如对喷油器型式进行改进优化，可以在维持柴油机正常运转的情况下降低约10％的氮氧化物排放；又如对进气进行加湿或缸内直接喷水以降低进气中单位体积O₂的浓度含量，同时有效降低缸内温度，对抑制NO_X的产生具有有效作用。这些技术手段大都是利用了水的比热容高的特点，能够在气缸内吸收大量潜热，起到降温作用这一原理。尾气后处理以尾气脱销为主要目的，其中值得一提的便是SCR技术。SCR技术即选择性催化氧化技术，其原理是用氨作还原剂，催化还原处理含有NO_X的气体，使得氨不和氧发生反应而有选择地与NO_X发生反应。这一过程一般发生在较低的温度范围内，废气中的NO_X被还原成N₂和水，从而抑制了NO_X的排放。SCR是目前最有效的降低船舶NO_X排放的技术措施^[8]，尤其是在机内控制方式不能有效减少船舶氮氧化物排放的情况下，SCR技术的出现具有重要意义，根据国外相关研究的报道，SCR技术不仅能有效降低NO_X的排放，同时对减少CO等污染物的排放也有积极作用。

在HC控制方面，依照船舶排放准则和法规的规定，当前船舶的HC排放量均在合理范围之内，所以关于HC的排放控制问题的研究价值相对不大，现阶段采取的减排措施主要是在控制其他污染物的同时协同控制HC，如改善发动机燃烧状况、采用柴油颗粒物捕集器协同脱除颗粒物和HC等。

第2章 排放特性研究实验论述

2.1 实验系统构成

本次柴油机掺烧轻烃燃料整个试验系统由燃料供给系统、ECK500发动机测控系统、缸压和排气污染物测量系统组成。在试验过程中柴油机既可以实现在纯柴油燃料模式下运行也可以在轻烃/柴油双燃料模式下运行。采用此试验系统对试验机分别燃用纯柴油和掺烧85%轻烃进行了推进特性和负荷特性试验。在整个发动机运行过程中转速、负荷、各缸温度、冷却水温度、机油温度等信号参数均可进行实时监测和及时控制；尾气分析仪可以准确测量和记录排放数据。系统整体布局见图2.1

2.1.1 试验用柴油机

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