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

学位论文原创性声明

本人郑重声明:此论文是本人在导师的指导下独立研究所取得的成果。除了文中标注的引用内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已发表或撰写的作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

2019年 月 日

摘要

随着全球环境的日益恶化，可再生资源日益枯竭,人们保护环境的意识变得越来越高，船舶废气排放对环境有着极大的污染.这一问题越来越受各个国家的重视。船舶柴油机废气排放的主要污染物有NO x、CO、HC、SO x和PM等等,为了控制污染物的排放,政府为此出台了相关的规定 .国际海事组织(IMO)制定并通过了MARPOL 公约附则VI《防止船舶造成空气污染规则》,此公约中对船舶污染物排放值规定了最大排放限值,用来降低船舶发动机的排放污染,这项公约已经从2005年5月19日起开始生效了。研究表明，船舶排放的污物中氮氧化物的含量最多，用天然气代替柴油这一措施能有效降低船舶废气中氮氧化物的含量,同时天然气储量丰富,经济性能好,可以解决石油资源短缺这一问题.

实验用到的双燃料气体发动机由原来某柴油机加装一套燃油供给系统改装而成，机体和气缸基本没有改变。实验分别在100%，75%，50%，25%四个工况下测量纯柴油模式和双燃料模式下发动机的排放参数，经过计算得到不同工况，不同模式下氮氧化物，二氧化碳，一氧化碳，碳氢含量对它们进行分析比较，得到结论：对于NOx的排放双燃料发动机较纯柴油发动机大幅度降低，尤其负荷越低，降低幅度越大。对于CO2在低负荷时，双燃料发动机降低幅度明显，中高负荷两种模式持平。对于CO排放双燃料发动机排放量严重超标，远大于纯柴油模式，是因为天然气燃烧不充分，没有足够的氧气供天然气燃烧，行程大量CO。对HC排放，双燃料发动机依然远高于柴油机，具体原因是存在天然气泄露，使得HC含量远大于柴油机。

关键词:双燃料; 发动机; 排放; 微油引燃 ; NOx

Abstract

With the deterioration of the global environment and the depletion of renewable resources, people's awareness of environmental protection is constantly improving, and the emission of exhaust gas from ships has caused great pollution to the environment. This problem has been paid more and more attention by various countries. The main pollutants emitted from marine diesel engines include CO, HC, NO x, SO x and PM. The government has also issued relevant regulations. The International Maritime Organization (IMO) has formulated and adopted Annex VI of MARPOL Convention, "Rules for Preventing Air Pollution from Ships", to limit the pollution emitted from ships, which came into effect on May 19, 2005. Research shows that the content of nitrogen oxides in pollutants discharged from ships is the highest. Replacing diesel with natural gas can effectively reduce the content of nitrogen oxides in ship exhaust gas. At the same time, natural gas is abundant in reserves and has good economic performance, which can solve the problem of shortage of petroleum resources.

The dual-fuel gas engine used in the experiment was refitted from the original diesel engine with a set of fuel supply system. The engine body and cylinder were basically unchanged. The experiment measured the emission parameters of the engine in pure diesel mode and dual-fuel mode under four working conditions of 100%, 75%, 50% and 25%, respectively. Through calculation, the contents of nitrogen oxide, carbon dioxide, carbon monoxide and hydrocarbon in different working conditions were analyzed and compared. The conclusion was drawn that the emission of NOx from dual-fuel engine was greatly reduced compared with pure diesel engine, especially the lower the load, the greater the reduction. For CO2 at low load, the reduction of dual-fuel engine is obvious, and the two modes of medium and high load are the same. The emissions of CO-emitting dual-fuel engines exceed the standard seriously, which is much higher than that of pure diesel, because the natural gas is not burned sufficiently, there is not enough oxygen for the natural gas to burn, and the trip is full of co. For HC emissions, dual-fuel engines are still much higher than diesel engines. The specific reason is that there is natural gas leakage, which makes the HC content much higher than diesel engines.

Key words: Dual fue Engine Discharge Micro-oil ignition NOx.

目录

第一章 绪论 9

第二章国内外研究现状 10

2.1国外研究现状 10

2.2国内研究现状 11

第三章双燃料气体发动机结构及原理 13

3.1双燃料发动机进气结构类型 13

3.2LNG气体燃料对NOx降低机理 14

3.3双燃料发动机特点分析 15

3.4本章小结 16

第四章.台架实验及实验结果分析 17

4.1被测机器及试验台基本信息 17

4.2实验原理及实验所用到的仪器 18

4.3实验流程 19

4.4实验数据处理计算及分析 21

第五章总结与展望 27

5.1总结 27

5.2展望 27

参考文献 28

致谢 29

第一章 绪论

随着全球各地环境的日益恶化和人们保护环境意识的逐渐加强，控制污染气体排放的要求日益变得强烈。迫于环境保护的压力，国际海事组织（IMO）不断推出新规则规范,对于NOx的具体排放限值及实施时间如表一，IMOTierⅢ阶段排放已于 2016 年 1 月 1 日在部分地区实施，且适用排放控制区不断扩大。我国内河航道通航里程达 12.71 万公里之多，沿海运输货运量 20.13 亿吨，随着船舶运输需求不断增加，单个船舶平均污染物的排放浓度呈现出逐年上升的趋势。每年的排放量都在上升,根据调查的结果表明，一艘能装一万货箱的船舶的排放量相当于 15 万-20 万辆重型卡车的排放量，考虑到船舶的数量非常大以及特长的航行时间，船舶污染物的排放问题急需引起高度重视并得到解决。为此，我国的交通运输部制定了《船舶与港口污染防治专项行动实施方案 （2015-2020 年）》，此方案划定了长三角、珠三角及环渤海排放控制区，止 2018 年 1 月 1 日，排放控制区已从天津、秦皇岛、上海、深圳、广州等 11 个港口扩大至所有港口，并于且在2019 年 1 月 1 日扩大到所有的水域。计划到 2020 年，排放控制区水域船舶的SOx、NOx和PM排放量较 2015 年分别下降65%、20%和 30%。^[1]

表1 船用柴油机排放物NO_X限值及实施时间

另外的，GB 15097-2016中《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法 》明确规定了国Ⅰ阶段将在2018 年 7 月 1 日起实施，从实施日期的后十二个月起，凡是所有销售、进口和投入使用后的船舶发动机（含作为配件的船机），其排放的污染物应该满足这个标准要求的范围,若不能达到要求,不满足排放限值的船舶发动机必须停止使用。凡是不满足本标家标准相应阶段要求的船舶不得进行销售、进口和投入使用.为了适应日益严格的海事环保法规的，绿色环保船舶动力成为船舶的必然选择。为了满足严格的排放要求,改变船舶发动机的燃料成为必然选择,天然气和其他燃料相比,因为具有良好的燃料可低污染性、获得性和经济性同时还能保证船舶的动力性不会发生大幅度下降，在极为严格的排放法规的要求下,以柴油或汽油为引燃燃料、液化天然气（LNG）或CNG为主要燃料的的双燃料气体发动机就此诞生了,并得到了很快速度的发展 .^[2]

天然气和其他燃料相比是一种较为安全的燃用气体，它的成分里不含CO和SOx，密度和空气相比较轻，如果天然气一旦发生了泄漏，便会立即会向空气上放扩散，不容易积聚在一块从而形成容易爆炸的气体，作为发动机的燃料安全性能得到一定的提高。若采用天然气作为能源，可以大幅度降低煤碳和石油资源的用量，因此可以很大程度的改善环境污染这一问题；气体燃料资源相对于石油资源更丰富，价格更便宜。但是,给原发动机加装供气系统改装成的发动机燃烧单一天然气存在着燃烧效率低,氮氧化物升高等问题。所以，研究和开发天然气和柴油按不同比例混合的双燃料气体发动机对船舶的节能减排具有重大的意义。

第二章国内外研究现状

2.1国外研究现状

地球上天然气储量丰富，使用压缩天然气（CNG）代替汽油能够改善环境并降低能源消耗。然而，大多数的CNG都是由汽油机改装而来的，因此并没有对燃烧天然气做优化处理。改装后的发动机还存在由于天然气燃烧速度过慢和气体置换效应导致的功率损失，更高的废气温度会降低发动机可靠性，减小每个储气罐的行驶里程，增加NOx排放。由于CNG发动机是由汽油机改装而来的，所以可以开发双燃料喷射系统优化上述问题。对此,马来西亚的D. Ramasamy a C.Y. Goh b,c K. Kadirgama a F. Benedict a M.M. Noor a G. Najafid A.P. Carlucci e等采用双燃料喷射的四冲程点燃式发动机进行实验研究,对双燃料发动机的性能，废气排放和燃烧分析,本研究的主要目标是开发用于汽油-CNG双燃料喷射系统，并研究双燃料喷射系统对发动机性能的影响改装的发动机如图1。实验通过控制在进入气缸前汽油和CNG的比例的方法，最后得出结论,当采用35%活性汽油和65%CNG的混合气时，相较于纯CNG发动机基准，发动机性能有了明显优化，输出功率、扭矩和效率提升了10%，HC、NOx排放减少了50%，CO排放减少了75%^[3]。

图1

实验分为基准发动机测试和汽油-CNG混合测试两类进行，均按照SAE标准进行。在基准测试阶段，使用汽油或CNG在发动机上重复进行三次实验，取平均值。这些基准发动机数据将用来与改装后的发动机数据进行比较，并以此为参照选择具有最佳发动机性能、可接受的发动机排放和发动机温度的燃料混合物。在汽油 - CNG混合物阶段，使用汽油-CNG混合物在发动机上进行实验。该混合物从15％汽油和85％CNG开始，每次增加10%的汽油，连续四次后，混合物的变化停止在45%汽油和UCNG。此实验分别测量了动比能量（BESC）,发动机扭矩,系统效率,碳氢化合物排放和一氧化碳氮氧化物的排放量,进行分析比较

得到最终结论;本次研究是针对汽油和CNG为燃料的双燃料发动机进行的。与纯CNG相比，G35表现出最佳的发动机性能并能够满足设定的排放要求。发动机的扭矩和功率平均增加了8.6％，BSEC和发动机效率没有变化，然而碳氢化合物增加不超过2000ppm Vol。达到了一氧化碳排放量增加但不超过2％，氮氧化物排放减少并且不超过1000ppm Vol的标准^[4]。发动机排气和冷却液温度一直保持在纯汽油水平。G35提供了更高的燃烧压力，其峰值压力向TDC移动。系统效率的上升使得整体燃烧角度减低。实验结果如图2.

图2

芬兰瓦锡兰发动机厂从 1996 年开始相继生产了 20DF、31DF、34DF、46DF 和 50DF 五款双燃料气体发动机，采用了 Otto 循环式缸内低压直喷的技术，即在扫气冲程将压力低于1.6MPa的天然气燃料喷入气缸，在压缩行程终点附近利用微量引燃油点燃天然气,使用了微油引燃技术。双燃料发动机在原来的柴油机基础上改变了气门正时和燃烧室形状，采用进气道多点喷射及预燃室技术，实现全负荷范围内燃气运行，燃油替代率 95%-99%，燃气模式下均可达到 IMO TierⅢ排放，HC 排放大幅降低，广泛应用于陆用发电、船用发电、船舶主推市场^[5]。

2.2国内研究现状

我国苏万华教授利用双燃料天然气-柴油发动机研究引燃油喷射油量、预混天然气/空气的当量比对燃烧排放以及不同喷射次数的影响。天然气采用进气道喷射，柴油采用缸内直喷，从而实现HCCI燃烧,实验改装的双燃料发动机的结构具体如图2。实验结果表明，引燃油量太小则会导致NOx排量升高，引燃油量会随着负载的增大而减小；稀薄燃烧以及非扩散燃烧可以有效降低NOx，但HC和CO的排量将会增加，HCCI发动机对喷射模式非常敏感，早喷油量的增加可以减少湿壁现象，晚喷需要尽可能的多喷油量，对于多次喷射，最后一次的喷油量应适当的减少以缩短混合时间。

图3

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