不同供油提前角對(duì)船用柴油機(jī)排放的影響

許 越，倪培永，鄧紅喜

(1.南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.南通柴油機(jī)股份有限公司，江蘇 南通 226014)

0 引 言

柴油機(jī)由于具有熱效率高、燃油消耗率低等優(yōu)點(diǎn)，在船舶上得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于船用柴油機(jī)所引起的環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，因此船用柴油機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格。我國首部關(guān)于船舶柴油機(jī)排放控制的國家標(biāo)準(zhǔn)《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國第一、二階段）》[1]已于2016年發(fā)布，第二階段將于2021年7月1號(hào)實(shí)行。根據(jù)《中國移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)（2019）》2018年數(shù)據(jù)[2]，船舶柴油機(jī)氮氧化物（nitrogen oxides，NOx）排放量為164萬噸、顆粒物（particulate matter，PM）排放量為14萬噸，排放量十分巨大。在柴油機(jī)的諸多參數(shù)中，供油參數(shù)對(duì)柴油機(jī)的排放影響較大，因此供油參數(shù)對(duì)柴油機(jī)的排放影響成為許多專家學(xué)者研究的課題。

梅德清等[3]使用CFD軟件對(duì)采用預(yù)噴-預(yù)噴-主噴噴油策略的單缸增壓柴油機(jī)燃燒過進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，分析了不同噴油正時(shí)方案對(duì)NOx和Soot排放物生成的影響。Ambrozik等[4]研究了噴油提前角對(duì)以柴油和fame為燃料的柴油機(jī)燃油噴霧參數(shù)和氮氧化物排放的影響。Jia等[5]應(yīng)用CFD軟件模擬了噴油正時(shí)和進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻對(duì)PCCI柴油機(jī)的排放影響，研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化噴油正時(shí)和延遲關(guān)閉進(jìn)氣門可以降低燃燒溫度，從而減少NOx排放。Zhang等[6]研究了改變噴油正時(shí)對(duì)乙二醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放特性的影響。Li等[7]采用三維仿真模型耦合化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究了柴油和甲醇噴射正時(shí)對(duì)直噴式甲醇柴油機(jī)排放的影響。Channappagoudra等[8]研究了噴油正時(shí)對(duì)雙燃料（B20+Bio-CNG）改性發(fā)動(dòng)機(jī)的排放影響。Gnanasekaran等[9]研究了不同噴油正時(shí)對(duì)以魚油乙酯（EEFO）及其混合物燃料的單缸四沖程風(fēng)冷直噴柴油機(jī)性能、排放和燃燒特性的影響，研究表明噴油正時(shí)的延遲導(dǎo)致NOx、HC、CO、峰值壓力、點(diǎn)火延遲、燃燒持續(xù)時(shí)間和放熱率等排放和燃燒參數(shù)的降低。Jain等[10]在不同的主噴油時(shí)刻、預(yù)噴油時(shí)刻和EGR率下進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果表明，在上死點(diǎn)（BTDC）前40°CA的預(yù)噴油時(shí)刻開始時(shí)，顆粒數(shù)密度最小，平均粒徑最大。Wei等[11]研究了柴油機(jī)噴油正時(shí)對(duì)四缸柴油機(jī)燃燒、制動(dòng)熱效率、等效制動(dòng)比油耗、NOx和PM排放的影響。對(duì)于PM的排放，討論了PSD、顆粒物數(shù)密度和質(zhì)量濃度隨粒徑的變化，分析了NOx與煙塵的權(quán)衡關(guān)系。Lee等[12]利用CMC湍流反應(yīng)流模型和粒子群求解器掃描預(yù)測(cè)了碳煙顆粒的數(shù)密度以及粒徑分布，研究結(jié)果表明，噴油時(shí)刻對(duì)顆粒物的影響很小。

本文以直列四沖程六缸中冷直噴式柴油機(jī)T6138ZLCZU為研究對(duì)象，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，通過改變供油提前角，對(duì)船用柴油機(jī)Soot和NOx排放規(guī)律開展研究，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為柴油機(jī)噴油參數(shù)優(yōu)化提供參考，為進(jìn)一步降低柴油機(jī)排放提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置與仿真計(jì)算模型建立

1.1 試驗(yàn)裝置

本文的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)是T6138ZLCZU型船舶直噴6缸柴油機(jī)，其主要應(yīng)用在近海漁業(yè)捕撈、長(zhǎng)江內(nèi)河船舶的主機(jī)以及中小型漁船上。柴油機(jī)臺(tái)架的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。測(cè)量PM和NOx的儀器分別為SMG 100型便攜式煙氣直讀分析儀和INFRALYT ELD-便攜式柴油機(jī)尾氣分析儀。

1.2 仿真計(jì)算模型建立

1.2.1 幾何模型

建立T6138ZLCZU直噴柴油機(jī)燃燒室的幾何模型，該模型描述了一個(gè)柴油機(jī)活塞頂部的ω型燃燒室。考慮到活塞中8孔噴油器的對(duì)稱性，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，計(jì)算使用含有單個(gè)噴孔的45°網(wǎng)格，共計(jì)64 880個(gè)單元數(shù)。三維計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示。

表1 柴油機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)和運(yùn)行條件Tab.1 Related technical parameters and operating conditions of diesel engines

圖1 計(jì)算網(wǎng)格Fig.1 Computing grid

圖2 鋼內(nèi)平均溫度曲線Fig.2 Curve of average temperature in cylinder

1.2.2 數(shù)學(xué)模型

采用仿真軟件自帶的數(shù)學(xué)模型，研究不同供油提前角對(duì)柴油機(jī)排放的影響。所用數(shù)學(xué)模型如表2所示。

1.3 缸內(nèi)初始邊界條件與計(jì)算方法

計(jì)算模型初始條件設(shè)置如下：缸內(nèi)初始?jí)毫?.3 bar，缸內(nèi)初始溫度為330 K，氣缸蓋壁面溫度為550 K，氣缸壁面溫度為450 K，活塞頂部表面溫度為575 K，噴油孔徑為 0.305 mm，噴油壓力為 23.5±0.49 MPa，噴油持續(xù)期為曲軸轉(zhuǎn)角20°。

本文適當(dāng)簡(jiǎn)化了柴油機(jī)計(jì)算模型。該模型只考慮氣門在全部關(guān)閉時(shí)的過程，計(jì)算是從進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻153°CA BTDC 開始至排氣門打開時(shí)刻 142°CA ATDC 結(jié)束，曲軸轉(zhuǎn)角持續(xù)了295°CA。

表2 數(shù)學(xué)模型Tab.2 Mathematical model

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 缸內(nèi)平均溫度和平均壓力的影響分析

圖2和圖3分別給出了不同噴油提前角的缸內(nèi)溫度與缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線。研究發(fā)現(xiàn)，隨著供油時(shí)刻的提前，缸內(nèi)最高平均溫度持續(xù)上升，分別達(dá)到 1 517 K，1 550 K，1 553 K 和 1 580 K；而缸內(nèi)最大平均爆發(fā)壓力隨供油時(shí)刻的提前也不斷上升，分別達(dá)到 11.44 MPa，13.09 MPa，14.09 MPa 和 15.19 MPa。這是因?yàn)殡S著供油提前角的增大，滯燃期增長(zhǎng)，油氣混合比增大，促進(jìn)了預(yù)混合燃燒，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度和壓力都有所增加[13]。

圖3 缸內(nèi)平均壓力曲線Fig.3 Curve of average pressure in cylinder

圖4 缸內(nèi)碳煙平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線Fig.4 Curve of average mass fraction of soot in cylinder

2.2 碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析

圖4給出了4種供油提前角下的缸內(nèi)碳煙平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線。由圖可知，缸內(nèi)碳煙平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增加而急速增加，之后又急速下降，最后趨于平衡。這是因?yàn)樘紵熤饕诟邷厝毖醯那闆r下生成，在燃燒初期，缸內(nèi)油氣混合不均勻，燃油周圍呈現(xiàn)局部高溫缺氧狀態(tài)，導(dǎo)致碳煙不斷生成；隨著燃燒的進(jìn)行，油氣混合逐漸均勻，碳煙的生成速率逐漸降低；而在燃燒后期，生成的碳煙會(huì)被重新氧化，碳煙數(shù)量有所減少，最后趨于平衡。在燃燒初始階段，碳煙生成量隨供油時(shí)刻的提前而增大，這是由于供油越早，缸內(nèi)初始溫度越大，燃油裂解生成的碳煙多余被氧化的碳煙，因此碳煙的排放量增加。而到燃燒后期碳煙生成量隨供油時(shí)刻的提前而減小，這是由于隨著供油時(shí)刻的提前，滯燃期延長(zhǎng)，有利于燃油與空氣的混合，油氣混合的更加均勻，缸內(nèi)局部高溫缺氧的情況減少，從而導(dǎo)致碳煙的排放減少[14]。

圖5 缸內(nèi)碳煙平均粒徑曲線Fig.5 Curve of soot average particle diameter in cylinder

2.3 碳煙粒徑與數(shù)密度的影響分析

圖5給出了4種供油提前角下的碳煙平均粒徑隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線。由圖可知，缸內(nèi)碳煙平均粒徑呈現(xiàn)出雙峰形態(tài)。燃燒開始至上止點(diǎn)的燃燒初始階段，不同供油提前角，碳煙平均粒徑分布基本一致。當(dāng)燃燒進(jìn)入到后期階段，隨著供油時(shí)刻的提前，碳煙平均粒徑變小，這是因?yàn)殡S著供油時(shí)刻的提前，燃燒提前，油氣混合更均勻，混合氣在上止點(diǎn)附近能夠更迅速、更充分的燃燒，碳煙顆粒的氧化速率增加。

圖6給出了4種供油提前角下的碳煙平均數(shù)密度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線。由圖可知，缸內(nèi)碳煙平均數(shù)密度隨曲軸轉(zhuǎn)角的增大先增大后減小。在燃燒前期，缸內(nèi)碳煙平均數(shù)密度隨著噴油時(shí)刻的提前而增大，這是因?yàn)閲娪吞崆埃瑴计谠鲩L(zhǎng)，燃油裂解生成的碳煙顆粒增加，導(dǎo)致碳煙顆粒的數(shù)量增大。在燃燒后期，這4種供油提前角下的數(shù)密度趨近，這可能是因?yàn)閲娪吞崆敖窃龃蠛?，碳煙顆粒碰撞凝結(jié)導(dǎo)致顆粒數(shù)減少的傾向更多。研究表明，供油提前角的變化對(duì)最終生成的碳煙平均數(shù)密度影響較小。

圖6 缸內(nèi)碳煙平均數(shù)密度曲線Fig.6 Curve of soot average density in cylinder

圖7 缸內(nèi)氮氧化物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線Fig.7 Curve of average mass fraction of NOx in cylinder

2.4 氮氧化物排放的影響分析

圖7和圖8分別為4種供油提前角下的缸內(nèi)氮氧化物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)和缸內(nèi)氮氧化物生成速率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線。由圖可知，柴油機(jī)NOx排放量隨著供油提前角的增大而增大，這是因?yàn)楣┯吞崆敖窃龃?，則噴油時(shí)刻提前，滯燃期延長(zhǎng)，柴油機(jī)在滯燃期內(nèi)噴入缸內(nèi)的預(yù)混合油量增大，導(dǎo)致起火燃燒時(shí)氣缸內(nèi)的壓力和溫度急劇上升，從而使氣缸燃燒的最高溫度增高，已燃?xì)怏w在高溫下的停留時(shí)間增加，從而增加了NOx的生成率和排放率[15]。

圖8 缸內(nèi)氮氧化物生成速度曲線Fig.8 Curve of NOx production speed in cylinder

圖9 不同供油提前角時(shí)柴油機(jī)PM和NOx排放Fig.9 PM and NOx emissions from diesel engines at different fueling advance angles

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖9給出了按GB 15 097-2016四工況E3循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)后加權(quán)計(jì)算得到PM和NOx排放量。由圖可以看出，PM和NOx呈現(xiàn)出一種trade-off關(guān)系，PM排放量隨著供油提前角的增大而減小，NOx隨著供油提前角的增大而增大，這與模擬結(jié)果相符合。供油提前角增大，噴油時(shí)刻提前，滯燃期延長(zhǎng)，燃油預(yù)混合燃燒增加，而擴(kuò)散燃燒減少。碳煙的生成主要在缺氧和高溫的擴(kuò)散燃燒中發(fā)生，而預(yù)混合燃燒時(shí)缸內(nèi)的氧氣較充分，混合氣較均勻，所以碳煙生成較少，PM排放得到很好抑制。隨著供油提前角的增大，柴油機(jī)燃燒室內(nèi)的平均燃燒溫度也隨之升高，已燃?xì)怏w在高溫下的停留時(shí)間增長(zhǎng)，從而使NOx的排放增加。

4 結(jié) 語

本文建立T6138ZLCZU直噴柴油機(jī)計(jì)算模型，模擬研究不同供油提前角對(duì)船用柴油機(jī)排放的影響，并通過實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)不同供油提前角下船用柴油機(jī)的排放情況。研究結(jié)果表明：

1）缸內(nèi)碳煙平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增加而急速增加，之后又急速下降，最后趨于平衡。

2）隨供油提前角的增大，碳煙的排放量減少，碳煙的平均粒徑變小。供油提前角的變化對(duì)最終生成的碳煙平均數(shù)密度影響較小。

3）隨供油提前角的增大，缸內(nèi)溫度和缸內(nèi)壓力都有所增高，NOx的排放量也隨之增加。

4）不同供油提前角下的PM排放與NOx排放之間呈現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的相互關(guān)系。