船舶柴油機(jī)摻燒甲醇對碳煙和氮氧化物排放影響的試驗分析

(天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，天津 300072)

目前關(guān)于船舶柴油機(jī)摻燒甲醇的研究報道較少，船舶柴油機(jī)在工作環(huán)境、熱管理系統(tǒng)和運(yùn)行特性等方面與車用柴油機(jī)有較大的差異，有必要對船舶柴油機(jī)摻燒甲醇后的碳煙和NOx排放特性進(jìn)行研究分析。研究工作先對一臺船舶柴油機(jī)進(jìn)行摻燒甲醇的臺架試驗，然后在一艘漁船上進(jìn)行實船驗證試驗。

1 試驗設(shè)備與方法

1.1 試驗設(shè)備

臺架試驗是在一臺直列六缸四沖程增壓中冷的船舶柴油機(jī)上進(jìn)行，配有高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)主要性能參數(shù)見表 1。

表1 臺架試驗船舶發(fā)動機(jī)主要性能參數(shù)

實船試驗是在一艘名為“蘇通漁02269”的漁船發(fā)動機(jī)上進(jìn)行，發(fā)動機(jī)的主要性能參數(shù)見表2。

表2 實船試驗船舶發(fā)動機(jī)主要性能參數(shù)

試驗前先對原發(fā)動機(jī)進(jìn)行柴油/甲醇雙燃料模式改造。在發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣總管上安裝甲醇噴嘴，由一個甲醇泵為噴嘴提供0.4 MPa的壓力，用自行開發(fā)的甲醇電控單元(ECU)控制噴嘴的甲醇噴射量和噴射時間。噴到進(jìn)氣道內(nèi)的甲醇與空氣混合后進(jìn)入氣缸，并由著火溫度較低的柴油引燃，從而實現(xiàn)柴油/甲醇組合燃燒。多余的甲醇經(jīng)濾清器和限壓閥回到甲醇箱。安裝的甲醇噴射系統(tǒng)與柴油噴射系統(tǒng)相互獨(dú)立，改裝后的發(fā)動機(jī)可以在純柴油模式下運(yùn)行，也可以柴油/甲醇雙燃料模式下運(yùn)行。

臺架試驗用杭州博皓測控生產(chǎn)的WE51型水力測功器和FST2E型監(jiān)控系統(tǒng)實時控制發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；用Kistler 6125CU20壓力傳感器結(jié)合AVL 612 IndiSmart燃燒分析儀監(jiān)控缸內(nèi)的燃燒情況，用AVL415SE濾紙試煙度計來測量碳煙的排放，用Horiba MEAX 7100 DEGR測量氮氧化物的排放，具體的臺架試驗系統(tǒng)組成見圖1。

實船試驗時由于不易將NOx排放測試儀器搬上船，所以僅測量了發(fā)動機(jī)摻燒甲醇前后的煙度排放，測試設(shè)備為廣州福立分析儀有限公司生產(chǎn)的FLB-100型透射式煙度計，測量范圍0～16 m-1，誤差≤0.05 m-1。

圖1 柴油/甲醇雙燃料船舶發(fā)動機(jī)臺架系統(tǒng)

1.2 試驗方法

臺架試驗工況點(diǎn)是按照《船舶發(fā)動機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法(中國第一、二階段)》中規(guī)定的4個工況點(diǎn)進(jìn)行，各工況點(diǎn)下固定柴油噴射參數(shù)不變以對比兩種燃料模式下的碳煙和NOx排放特性。工況參數(shù)見表3。其中甲醇替代率是在發(fā)動機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行(爆壓、壓升率和各缸循環(huán)波動在一定范圍內(nèi))時的甲醇最大功率貢獻(xiàn)率。

表3 臺架試驗工況點(diǎn)

實船試驗是在船舶系泊狀態(tài)且發(fā)動機(jī)與螺旋槳相連的情況下進(jìn)行的，試驗時選取發(fā)動機(jī)50%額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)(500 r/min)和70%額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)(700 r/min)進(jìn)行發(fā)動機(jī)煙度排放試驗，另外選取船舶航行和捕撈作業(yè)時發(fā)動機(jī)最常用的轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)(600 r/min)進(jìn)行燃料消耗率試驗，分析兩種模式下的燃料經(jīng)濟(jì)性。測量燃料消耗率時采用稱重法，稱重設(shè)備選取上海泰德衡器生產(chǎn)的精度為0.01 kg的TCS電子臺秤。臺架試驗所用柴油為市售國Ⅴ0#柴油，實船試驗所用柴油為0#普通船用柴油，兩次試驗所用甲醇均為純度為99.9%的工業(yè)甲醇。

2 結(jié)果與分析

2.1 臺架試驗結(jié)果

2.1.1 碳煙排放

各工況點(diǎn)下船舶發(fā)動機(jī)在純柴油模式和雙燃料模式下的碳煙排放量對比見圖2。

圖2 不同燃料模式下發(fā)動機(jī)各工況點(diǎn)下的碳煙排放

由圖2可知，相比于純柴油模式，發(fā)動機(jī)雙燃料模式在25%、50%和75%額定功率點(diǎn)下的碳煙排放都有較大幅度的降低，降幅分別為40.6%、27.1%和46.3%，在100%額定功率點(diǎn)時碳煙排放變化不明顯。摻燒甲醇后，發(fā)動機(jī)碳煙排放的降低可能由以下幾方面的原因造成。首先，甲醇為單分子含氧燃料，燃燒時不產(chǎn)生碳煙，且甲醇的摻燒替換掉了部分柴油，使柴油噴射量減少，缸內(nèi)柴油的當(dāng)量比降低，局部過濃區(qū)域減少，進(jìn)而使碳煙的生成量減少[1]。其次，甲醇屬于小分子HC燃料，其參與燃燒后會大幅降低碳煙前驅(qū)體(PAH)的生成，且甲醇在燃燒過程中產(chǎn)生的大量·OH基團(tuán)對生成的碳煙有較強(qiáng)的氧化作用[2]。另外，碳煙主要是在柴油擴(kuò)散燃燒的過程中生成，甲醇參與燃燒后，著火滯燃期延長，使得柴油預(yù)混燃燒比例增加，擴(kuò)散燃燒比例降低，大幅減少了碳煙的生成[3]。甲醇參與后使著火滯燃期延長是由物理作用和化學(xué)作用兩方面的原因造成，物理作用體現(xiàn)在甲醇的汽化吸熱降低了缸內(nèi)溫度，有利于滯燃期的延長；化學(xué)作用體現(xiàn)在當(dāng)缸內(nèi)溫度低于1 000 K以下時，甲醇能夠?qū)⒒钴S的·OH基團(tuán)轉(zhuǎn)換成不活躍的H2O2，抑制柴油的著火[4]。在100%額定功率點(diǎn)時，由于發(fā)動機(jī)爆壓的限制，甲醇替代率較低，燃油噴射量較多，使得甲醇降低碳煙的作用不明顯。

2.1.2 NOx排放

各工況點(diǎn)下船舶發(fā)動機(jī)在純柴油模式和雙燃料模式下的NOx排放對比見圖3。

圖3 不同燃料模式下發(fā)動機(jī)各工況點(diǎn)下的NOx排放

由圖3可知，各個工況點(diǎn)下發(fā)動機(jī)在雙燃料模式時的NOx排放均低于純柴油模式，最大降幅為25.2%。結(jié)合碳煙排放特性可知，船舶柴油機(jī)使用柴油/甲醇雙燃料模式弱化NOx排放和碳煙排放的trade-off關(guān)系。NOx的生成受高溫、富氧以及高溫持續(xù)時間等多方面因素的影響，雙燃料模式下NOx排放的降低也是由多方面的原因造成。首先，甲醇的汽化潛熱約為柴油的4.3倍，甲醇噴入進(jìn)氣道后汽化吸熱，見圖4。

圖4 不同燃料模式下發(fā)動機(jī)各工況點(diǎn)下的進(jìn)氣溫度

雙燃料模式各工況點(diǎn)下的進(jìn)氣溫度均大幅降低，最多時降25.46 ℃，使壓縮始點(diǎn)時的缸內(nèi)溫度降低，有利于最高燃燒溫度的降低[5]。其次，與柴油相比，甲醇為單分子燃料，其反應(yīng)路徑簡單、燃燒速度較快的特性使雙燃料模式下的燃燒持續(xù)期縮短，使高溫持續(xù)時間縮短。雙燃料模式下由于燃燒持續(xù)期較短，燃燒結(jié)束時刻較早，使發(fā)動機(jī)后燃比例較低，排氣溫度降低，見圖5，使排氣能量降低，渦輪增壓器的增壓比降低，使進(jìn)氣量減少；進(jìn)氣量的減少直接導(dǎo)致缸內(nèi)參與燃燒的氮?dú)饬康臏p少[6]。甲醇本身不含氮，其參與燃燒后降低了自身含有氮的柴油的量，使參與燃燒的氮減少，降低了NOx的排放。

圖5 不同燃料模式下發(fā)動機(jī)各工況點(diǎn)下的排氣溫度

2.2 實船試驗結(jié)果

2.2.1 煙度排放

透射式煙度計用光吸收系數(shù)K值來表示，單位為m-1，K值越小，表示煙度值越小，煙度值的大小從側(cè)面也能反映碳煙排放的多少。兩工況點(diǎn)下發(fā)動機(jī)不同燃料模式時的排氣煙度對比見圖6。

圖6 兩工況點(diǎn)下不同燃料模式時的排氣煙度

由圖6可知，在500 r/min的轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)時發(fā)動機(jī)的煙度由純柴油模式時的5.07 m-1降低到雙燃料模式時的1.37 m-1，降幅達(dá)到73.07%；在700 r/min的轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)時，發(fā)動機(jī)在純柴油模式和雙燃料模式下的煙度為2.41 m-1和1.11 m-1，雙燃料模式時降低54.04%。

實船試驗時發(fā)動機(jī)煙度在雙燃料模式下有大幅降低，其主要原因在臺架試驗中已做說明。甲醇的摻燒替換掉部分柴油，使柴油當(dāng)量比降低，擴(kuò)散燃燒的柴油量減少，在大幅降低PAH的同時能夠增加對已生成碳煙的氧化作用，使最終碳煙的生成量減少；甲醇參與燃燒后，延長了滯燃期，降低擴(kuò)散燃燒比例，大幅減少碳煙的生成，使得排氣煙度降低。

2.2.2 熱效率和經(jīng)濟(jì)性

為對比發(fā)動機(jī)在兩種燃料模式下的熱效率，引入替換比的概念，即替換掉1 kg的柴油所需的甲醇量。其計算方法為

(1)

式中:RM為替換比；MD為純柴油模式下的柴油消耗率,kg/h，Md、Mm分別為雙燃料模式下的柴油消耗量和甲醇消耗率,kg/h。

理論替換比是由釋放同等熱值時的甲醇質(zhì)量與柴油質(zhì)量之比計算所得，約為2.16[7]。將實際替換比與理論替換比相比較能一定程度上反應(yīng)柴油/甲醇雙燃料模式時發(fā)動機(jī)熱效率的升降，當(dāng)實際替換比低于理論替換比時說明熱效率有所升高，且替換比越小說明熱效率升高越多。

發(fā)動機(jī)在600 r/min的轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)時不同燃料模式下燃料消耗率見圖7。

圖7 不同燃料模式下的燃料消耗率

由圖7可知，純柴油模式時的柴油消耗率為29.02 kg/h，雙燃料模式柴油消耗率為21.01 kg/h，甲醇消耗率為8.83 kg/h。計算得到實際替換比RM約為1.1，遠(yuǎn)低于理論質(zhì)量替換比2.16。這表明本實船發(fā)動機(jī)在柴油/甲醇雙燃料模式下的熱效率較純柴油模式有大幅提升。熱效率提高的原因主要是由于甲醇較快的燃燒速度和柴油預(yù)混燃燒比例的增加最終導(dǎo)致燃燒持續(xù)期縮短，燃燒定容度提高，使得熱效率提高。

柴油價格按照發(fā)改委2019年2月14日發(fā)布的供漁業(yè)柴油價格6 635元/t計算，甲醇價格按照江蘇晉煤恒盛化工同一日期對外甲醇報價2 270元/t計算。在600 r/min的轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)下，以純柴油模式運(yùn)行時發(fā)動機(jī)1 d(24 h)所需的燃油費(fèi)為4 621.1元；以雙燃料模式運(yùn)行時，發(fā)動機(jī)1 d所需的燃油費(fèi)為3 826.69元。相比于純柴油模式，雙燃料模式1 d節(jié)省燃油費(fèi)用794.41元，燃油經(jīng)濟(jì)性提高17.19%。

3 結(jié)論

1)臺架試驗和實船試驗均表明，船舶柴油機(jī)摻燒甲醇后能夠顯著降低碳煙排放。臺架試驗中發(fā)動機(jī)滿負(fù)荷時的碳煙排放沒有太大變化，下一步可以通過提高甲醇替代率來降低其排放。

2)船舶柴油機(jī)摻燒甲醇后的NOx排放明顯降低。弱化了NOx排放和碳煙排放此消彼長的trade-off關(guān)系，對大氣環(huán)境的改善有積極的促進(jìn)作用。

3)船舶柴油機(jī)使用柴油/甲醇雙燃料模式時的熱效率有大幅提升，燃油經(jīng)濟(jì)性提高17.19%。有利于提高船東的使用積極性，具有推廣應(yīng)用的潛力。

4)DMCC技術(shù)在四沖程船舶發(fā)動機(jī)上的試驗研究取得較好的節(jié)能減排效果，關(guān)于在二沖程船舶發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用，有待進(jìn)一步開展研究。