1、本科毕业论文（20 届）渔船用柴油机废气减排技术与装置的研究所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要人类在追求海洋资源的过程中，渔船用柴油发动机的废气排放所造成的污染已受到普遍关注。为使渔船用柴油机废气排放符合世界环保法规（MARPOL 协议） ，本论文拟利用废气再循环（EGR）原理，在已有的研究基础上，开发一套废气排量装置，以期降低渔船用柴油发动机的 NOx 排放量，达到符合最新国际公约船舶防止空气污染的规定。本论文所设计的 EGR 废气再循环系统，应用在实验室 6300ZLDZCA 型渔船用柴油机上。整体系统架构包括 EGR 冷却器
2、、EGR 阀、EGR 过滤器、文丘里管等。系统以 EGR 比例 15%为设计基准，进而决定零件内设计参数。本论文所设计的结构，经理论计算后，全部经 PRO/E 三维造型。应用 FLUENT 流体计算软件对 EGR 冷却器进行了数值模拟。GAMBIT 建模处理中，采取非结构化网络，由点到线，有面及体逐步划分。根据流动特点，FLUENT 采用 k 湍流模型，外壁面为绝热条件，管壁为耦合换热，对运算结果进行后处理。冷却模拟结果与理论设计基本一致，为 EGR 冷却器的优化和实际应用提供依据。通过 FLUENT 对 EGR 系统流动数值模拟后得知，阀门开度为 20%40%时，其 EGR 率为 18.5%
3、10.5%这一范围，因此阀门开度应控制在这一范围，以确保 EGR 系统最佳整体工作效率。关键词：船舶柴油机；EGR 废气再循环；CAD（计算机辅助设计） ；CFD（计算流体力学）IIAbstractMarine resources in the pursuit of human beings in the process of fishing boats with diesel engine exhaust emissions pollution has caused widespread concern. In order to meet the fishing vessel diesel
4、engine exhaust emissions world environmental regulations (MARPOL Protocol), this paper intends to use exhaust gas recirculation (EGR) principle, based on the existing research to develop a gas displacement device to reduce the fishing vessel diesel engine of NOx emissions, to meet the latest interna
5、tional convention to prevent the air pollution provisions of the ship.We design the EGR exhaust gas recirculation system, used in the laboratory 6300ZLDZCA diesel engines for fishing vessels. The overall system architecture including the EGR cooler, EGR valve, EGR Filter, Venturi tubes. 15% EGR rati
6、o system for the design basis, and then decided to part within the design parameters. We design the structure, the theoretical calculation, all by the PRO/E three-dimensional modeling. Application software FLUENT computational fluid was simulated EGR cooler. GAMBIT modeling process, to take unstruct
7、ured network, from points to lines, face and body gradually division. According to flow characteristics, FLUENT with k turbulence model, the adiabatic condition for the outer wall, the wall is coupled heat transfer, the results of post-processing operation. Cooling simulation is consistent with the
8、theoretical design for the EGR cooler provide the basis for optimization and practical applications. FLUENT for flow through the EGR system simulation indicates that, when the valve opening is 20% to 40%, the EGR rate was 18.5%10.5% of this range, so the valve opening should be controlled in the ran
9、ge to EGR system to ensure the best overall efficiency. Key words：Marine diesel engine; EGR( exhaust gas recirculation); CAD(computer aided design); CFD(computational fluid dynamics)目 录第一章 绪论 .11.1 引言 .11.2 国际排放法规政策 .11.2.1 国际海事组织法规的排放法规 .11.2.2NOx 排放量测定方法 .21.3 研究目的和内容 .31.3.1 研究目的 .31.3.2 研究内容 .3第
10、二章 废气排放与净化措施 .42.1 柴油发动机污染排放物的种类 .42.2 氮氧化物的减排技术 .42.3 使用 EGR 系统与氮氧化物减排的相关研究 .6第三章 EGR 废气再循环系统 .93.1EGR 系统的类型 .93.2 使用 EGR 系统时应考虑的问题 .93.3EGR 阀种类 .103.4EGR 冷却器 .103.5EGR 过滤器 .113.6EGR 比例计算方式 .12第四章 CFD 模拟软件介绍 .134.1 模拟软件简介 .134.2FLUENT 使用步骤说明 .144.3 传热模型 .17第五章 EGR 系统设计 .195.1EGR 阀 .195.1.1 真空膜片式阀 .
11、205.1.2 球阀 .215.2 EGR 冷却器 .215.2.1EGR 冷却器能量平衡方程 .215.2.2EGR 冷却器结构设计 .225.2.3EGR 冷却器实体建模 .245.3EGR 过滤器设计 .255.4 文丘里混合器 .265.4.1 参数计算 .265.4.2 文丘里混合器示意图 .275.5EGR 系统装配图 .28第六章 数值模拟 .296.1EGR 冷却器数值模拟 .296.1.1GAMBIT 建模 .296.1.2 网格划分 .306.1.3FLUENT 模拟参数设定 .316.1.4 模拟结果与分析 .336.2 EGR 系统数值模拟 .346.2.1 流场条件设
12、定 .356.2.2 边界条件设定 .356.2.3 模拟结果 .36第七章 总结与展望 .417.1 总结 .417.2 展望 .41致谢 .43参考文献 .441第一章 绪论1.1 引 言 在全球化经济时代的到来，世界各国的交流也越加频繁。这势必会带来全球航运业和船舶制造业的繁荣，但海洋是个全球共有的生态系统，则又必须对船舶发动机的排放污染加以控制。由此可见，排放控制不止与我们生活息息相关，同时也会对船舶发动机制造业带来产业升级。2008 年 10 月，MEPC（国际海事组织海洋环境保护委员会）会上通过了MARPOL(MARine POLution)协定附则 VI 修正案，其核心内容就是实
13、现两阶段的减排目标：一是 2011 年达到 Tier限值；二是 2016 年达到 Tier限值（如图 1.1） 1。图 1.1 国际海事组织 NOx 减排的阶段目标在越来越严厉的限定政策下，世界各国的船舶柴油机发动机制造商和相关研究机构都在积极投身在发动机排放控制的开发研究。以世界两大船舶柴油机公司 MANB&W 和 Wartsila为例，两家公司就一直致力于低排放大功率的船舶柴油机的技术研究，同时也处在世界先进水平。近期，以 MANB&W 和 Wartsila 公司为首的 43 单位，包括发动机厂商、科研单位、船厂和用户，参加了船舶超低排放燃烧的高效研发项目（HERCULES） ，该项目由欧
14、盟委员会以及瑞士政府联合资助。该研发项目成果显著，在不影响发动机效率和可靠性前提下，开发出了一系列显著降低发动机气体和颗粒排放的新技术，从而降低了油耗、CO 2 排放和发动机生命周期成本。这些技术可用来达到日趋严格的国际排放法规要求。1.2 国际排放法规政策1.2.1 国际海事组织法规的排放法规国际海事组织海洋环境保护委员会针对 NOx、SO x、PM 等污染物的排放限制和燃油含硫量，通过了 VI 修正案，该修正案详细规定了不同时期和不同工况下的各污染物限制值 2。 表 1.1 就是 IMO 关于 NOx 的排放限定。表 1.1 IMO 关于 NOx 的排放限定nN，r/min NOx,g/k
15、WhTier（ 2005 年 5 月 19 日生效）200017.045.0* nN-0.29.82Tier（ 2011 年全球实施）200014.444.0* nN-0.237.7Tier（ 2016 年控制区域实施）20003.49.0* nN-0.21.96在降低 NOx 排放上， 除了燃料替代，比如使用甲醇、天然气和乳化燃料，还有两条主要途径：一是改善柴油机内柴油-空气燃烧过程；二是对已排放的 NOx 进行后处理。根据表 1 可以看出，IMO 对 NOx 限定是根据发动机的额定转速来制定的，如图 2 中实线所示。比如，在额定转速大于 2000r/min 的发动机允许的 NOx 排放量为
16、 9.8g/kWk。图 1.2 转速和 NOx 排放的关系1.2.2NOx 排放量测定方法 3ISO8178 标准中规定的试验工况和测定装置，是行业内关于 NOx 的浓度和排放量测定方法的依据。ISO8178 的第四部分“各种用途发动机的试验工况”一节有关于决定 NOx 排放量的定义，即 D2、E2、E3 等项。 D2 试验工况适用于固定转速的间接负荷的发动机发电机，各状态下的负荷扭矩和加权系数，表 1.2 可查。NO x 的总排量计算公式是用各试验状态下的排放量乘以加权系数，然后进行相加运算。显然得出的总排量数值应该在 IMO 规定的允许排放量以下。E2 试验工况，适用于船舶推进用，重负荷稳
17、定运转的发动机，针对可变距螺旋桨船，其负荷扭矩和加权系统如表 1.3 所示。E3 适用于重载荷船用发动机即定距螺旋桨货船，其负荷扭矩和加权系统如表 1.4 所示。表 1.2 D2 试验工况序号项目 1 2 3 4 5扭矩（ %） 100 75 50 25 10加权系数 0.05 0.25 0.3 0.3 0.1表 1.3 E2 试验工况3序号项目 1 2 3 4扭矩（%） 100 75 50 25加权系数 0.2 0.5 0.15 0.15表 1.4 E3 试验工况序号项目 1 2 3 4扭矩（%） 100 75 50 25加权系数 0.2 0.5 0.15 0.151.3 研究目的和内容1.
18、3.1 研究目的为了降低渔船柴油机发动机的 NOx 排放量，达到符合国际海事组织 IMO（International Maritime Organization）对船舶防止空气污染的规定中 NOx 章程的规范。1.3.2 研究内容本论文利用废气再循环（EGR）原理，开发一套新型废气减排装置，其主要由 EGR 冷却器、过滤器、EGR 阀、文丘里混合器等构成，主要内容包括以下几个方面：（1）阐述渔船用柴油机 EGR 系统工作原理，在参考文献的基础上对现有的 EGR 系统装置进行了初步的设计，并建立 EGR 冷却器换热平衡的基本数学模型。（2）基于 PRO/E 对设计的 EGR 系统进行计算机辅助设
19、计。（3）介绍 Fluent 系列软件的数值模拟使用方法，对设计的 EGR 系统做模型简化，对EGR 冷却器的冷却效果进行数值模拟。（4）整个 EGR 系统进行流动数值模拟，根据模拟结果计算 EGR 率，并确定最佳的阀门开度。4第二章 废气排放与净化措施2.1 柴油发动机污染排放物的种类柴油发动机燃烧后所产生的污染物为氮氧化物（NO x） 、颗粒污染物（Particulate Matter ） 、一氧化碳（CO） 、碳氢化物（CH） 、氧硫化物（SO x）及二氧化碳（CO 2）等，产生来源与减少方式整理如下表 2.1 所示，本论文研究以改善氮氧化物为重点，说明如下:表 2.1 柴油发动机污染排
20、放物的种类与减排方式污染物 产生来源 减少方式氮氧化物（NO x） 燃烧时与大气中的氮氧化物反应形成 1 改变燃烧性质2 改变燃烧特性颗粒污染物（Particulate Matter）1. 润滑油的灰份2. 部分燃烧的燃料3. 部分燃烧的润滑油-碳氢化物（CH） 燃料的碳氢化合物不完全燃烧所引起 -一氧化碳（CO） 燃料空气比的控制、燃烧温 度 -氧硫化物（SO x） 氧硫化物主要源于燃料本事硫含量 降低燃料本身含硫量二氧化碳（CO x） 二氧化碳为石化燃料完全燃烧的产物 提高热效率NOx 是 NO、NO 2、N 2O3、N 2O、N 2O5、N 2O4 等的统称，其中以一氧化氮和二氧化氮居多
21、，尤以一氧化氮为甚。其 NOx 形成方式分为热氮氧化物（ thermal NOx） 、迅生氮氧化物（prompt NO x） 、及燃料氮氧化物（fuel NOx）三种。NOx 的来源为燃烧时与大气中的氮氧化物反应所形成，在燃料中的氧极少，且对 NOx 形成不会有太大的影响。在燃烧过程中，NO x 形成于火焰前进面及焰后区的其体内，但焰后区所形成的 NOx 多于焰前区，其主要成因为柴油机在气缸内燃烧时以高压进行，而火焰反应区空间非常小，所以在此区间停留的时间很短。而火焰波前所产生的氮氧化物主要迅生氮氧化物；而在焰后区所产生的氮氧化物主要为热氮氧化物。（2.1）)/(690ep16 32122 s
22、cmolNOTdtNOe公式 2.1 表示 NOx 生成速率公式，由公公式可知在高温及高浓度氧都会促进氮氧化物生成速率提高，且在焰后区滞留时间越长热氮氧化物的生成量越多，在当量比越低时也有相同的情况发生。NO2 是由 NO 与 HO2 反应形成，在柴油发动机中 NO2 排放量占到总排放废气的1030%，以轻负载时最高，并决定于发动机转速。其形成可由公式 2-2 化学式形成。（2.2）OHNO22当 NOx 从排气管排出时，大都为一氧化氮，但一氧化氮会在大气中氧化形成二氧化氮（NO 2） 。一氧化氮的毒性不是很大的问题，但 NO2 却又毒性，不但会影响动植物的生长，刺激眼睛，使呼吸道器官发生哮喘
23、症状或肺水肿、肺癌。除以上直接影响外，还会与 HC 等引起光化学反应，形成臭氧、醛等烟雾，对整个地球环境会造成极大的伤害，因此如何有效控制 NOx 的生成成为本研究的重中之重。2.2 氮氧化物的减排技术减少 CO、HC 的产生最基本的方式是使吸入的混合气体完全燃烧。但此对减少 NOx 的目的却难以达到。图 2-1 显示了 NOx 的产生现象，在理论比附近时最多，燃烧效率越高，就是燃烧温度越高，特别在发动机加速时，产生量更多。因此抑制 CO、HC 的原理恰好与抑制5NOx 的原理互为矛盾。图 2.1 混合比与 NOx 发生的关系目前 NOx 减排技术可以整理区分为前处理（ pretreatment） 、初级处理（primary treatment）及后处理（post treatment）三大类，如图 2.2 所示。前处理主要是变更燃料特性或使用替代燃料的一个方式；初级处理则是从发动机的内部改变燃烧特性，来改善发动机的排放；而后处理则是对发动机排烟进行化学还原的方式。由于初级处理所需增加的额外设备较少，且搭配其他处理技术时，可进一步提升减量效率，为目前发动机制造商戮力研发的重点之一 4。
