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原文传递船舶柴油机黑碳排放研究

论文题名：	船舶柴油机黑碳排放研究
关键词：	船舶柴油机;黑碳排放;随机森林;不透光烟度;声光烟度计;颗粒物浓度
摘要：	随着全球航运需求的不断增长以及北极航线活跃度的不断提升，造成温室效应的第二大元凶——黑碳的排放量也在不断攀升。截止到目前，国际海事组织已经明确了船舶柴油机黑碳的具体定义，推荐了三种目前较为适合的船舶柴油机黑碳排放测量方法，并正在呼吁世界各专家学者投身于黑碳减排措施和最佳测量方法的研究中。为了给黑碳减排最佳措施和最佳测量方法的确定提供参考，本文基于台架试验，利用多台船舶柴油机研究了发动机基础工况、喷油参数、柴油部分理化性质、机油型号、燃料种类、发动机类型等因素的变化对黑碳排放量的影响规律，并对比了三种权重计算方法对本研究的适用性，最终选择随机森林算法计算了各因素变化对四冲程柴油机黑碳排放量的影响权重，同时基于以上试验数据分析了黑碳与AVL439不透光烟度、滤纸式黑碳与AVL483声光法黑碳、黑碳与颗粒物的关系。主要结论如下：　　（1）机械泵式柴油机随着转速的降低和负荷的增高，黑碳排放逐渐增大；对于电控柴油机，负荷和转速增大，黑碳排量的变化较为复杂；喷油正时和轨压对于黑碳排放降低作用呈现出“浴盆曲线”变化趋势，存在最佳作用点，最佳喷油时刻随着轨压的增大逐渐滞后，最佳轨压随着喷油的提前逐渐减小；有无预喷对于100%负荷点黑碳排放无影响，其余负荷点开启预喷会增大黑碳排放量；黑碳排放量随着预喷油量的增大，先增大后减小；主预喷间隔角较小时，黑碳排量随间隔角增大而减少，继续增大间隔角至一定程度，黑碳排量增加；燃油硫含量的变化对黑碳排放无影响；燃油十六烷值降低，黑碳排放量减少；使用不同机油也会对黑碳排量产生影响，机油型号也可作为黑碳减排可以考虑的措施；当燃用油品从柴油变为LNG时，黑碳排放量整体降低54.2%~87.2%。二冲程低速柴油机整体黑碳排量低于四冲程高速柴油机；　　（2）利用Pearson相关系数法计算了各因素之间相关性的大小：过量空气系数与黑碳排放相关性最强，喷油参数中共轨压力与黑碳排放的相关性略大于喷油正时，燃油品质中的硫含量和十六烷值与黑碳排量相关性最低；　　（3）多元线性回归方法不适用于本研究权重大小的计算，选择了随机森林和极端随机树算法作为权重计算方法，其中随机森林计算模型的拟合度和稳定性优于极端随机树，最终选择随机森林计算结果作为最终的权重计算结果。各影响因素权重从大到小依次为过量空气系数、燃油耗量、转速、比油耗、喷油正时、共轨压力、主预喷间隔角、十六烷值、预喷油量、机油型号。通过措施改变过量空气系数，从而降低黑碳排放不仅效率较高、易于实施，且其所需成本较低，可作为目前有效的控制方式之一，但在利用此措施降低黑碳排放的同时，需考虑到其余污染物例如NOX等的排放问题；　　（4）黑碳浓度与不透光烟度一致性较好，利用多项式回归方法得出了黑碳与消光系数之间的转换关系式；滤纸式黑碳与声光法黑碳浓度之间的线性相关度较好，可以选用测量范围更广泛的声光烟度计代替滤纸式烟度计进行黑碳的测量；颗粒物浓度始终大于黑碳浓度，使用的柴油品质越好，两者之间的差值越小；基于多项式回归方法拟合了滤纸式烟度与颗粒物浓度的关系式，验证结果证明利用该公式估算颗粒物比排放具有一定的准确度。
作者：	王顺
专业：	轮机工程
导师：	吕林
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021