一種降低NOx排放的船用柴油機進排氣正時優(yōu)化方法

楊京寶 李 良 孫記樹 趙書健

一、引言

隨著我國對環(huán)境保護重視程度的提高，相關的排放法規(guī)要求越來越嚴格。根據《GB 15097—2016船舶發(fā)動機排氣污染物排放極限值及測量方法（中國第一、二階段）》（以下簡稱《GB 15097—2016》）的要求，自2022年7月1日起，所有銷售、進口和投入使用的船機（含作為配件的船機）必須滿足中國第二階段的排放要求，所以船用柴油機生產廠家必須對船用柴油機NOx排放性能進行優(yōu)化，以便生產的船機可以在中國的內河或沿海船舶上使用。優(yōu)化柴油機的排放性能一般通過調整柴油機的供油角度、推遲柴油機供油時間來實現。減小噴油提前角可以降低NOx排放，但同時也會造成柴油機功率下降和燃油消耗率增加[1]。

目前降低NOx比排放值的簡單方法是采用電控噴油泵替代機械高壓油泵，其可在不同工況下任意調整供油角度；缺點是目前我國電控噴油單體泵制造及智能化水平較低，可靠性較差，且不利于維修。通過NOx比排放值的計算方法可以發(fā)現，NOx比排放值與排氣流量具有最直接的關系，同時NOx的生成與柴油機汽缸內的燃燒過程關系較大。因此可以通過優(yōu)化柴油機的進、排氣正時，改變柴油機的進氣量和實際壓縮終點的壓力和溫度，優(yōu)化柴油機的燃燒過程，從而實現NOx比排放值的降低。同時，合理的配氣相位是一種提高發(fā)動機功率和節(jié)能減排的非常有效的途徑。李軍等[2]利用AVL BOOST對車用1.5 L柴油發(fā)動機進行了進、排氣正時的仿真分析和優(yōu)化，仿真結果表明，優(yōu)化后的配氣相位使柴油機的動力性能和經濟性都有一定提高。劉鵬等[3]基于AVL-BOOST軟件，建立了20V170型柴油機工作過程計算模型，通過改變配氣定時優(yōu)化了柴油機性能，由仿真模擬得到的有關性能數據與實際試驗得到的數據吻合性較好，證明優(yōu)化配氣定時能夠改善柴油機的整體性能。

本文以某缸徑/行程為260 mm/330 mm的船用中速柴油機為研究對象，通過改變柴油機的進、排氣正時，基于AVL-BOOST仿真及柴油機性能對比分析，使柴油機進氣閥晚開、進氣閥和排氣閥早關，改變了柴油機的進氣量，影響了燃燒過程，降低了柴油機的NOx比排放值。通過實際柴油機排放試驗及數據對比分析，驗證了本文提出的方法能夠使柴油機的排放性能更佳，可以滿足更高標準的排放要求。

二、仿真模型的建立及柴油機性能對比

建立的柴油機AVL-BOOST工作仿真模型，如圖1所示，其6個汽缸的設置完全相同，采用韋伯（Vibe）燃燒模型來研究汽缸內的燃燒放熱特性，并選用目前國內外普遍使用的Woschni1978傳熱模型。

圖1 柴油機A VL-BOOST工作仿真模型

需要優(yōu)化的船用中速柴油機為直列、四沖程、直噴、增壓中冷，其主要技術參數見表1。

表1 船用柴油機主要技術參數

將表1中的參數輸入AVL-BOOST工作仿真模型中，發(fā)動機摩擦損失FMEP值按照上海交通大學經驗公式的計算值輸入，即

式中：D為汽缸直徑，m；Cm為活塞平均速度，m/s；BMEP為平均有效壓力，MPa。該經驗公式主要用于四沖程增壓柴油機。

在汽缸模塊中，經多次仿真計算，在油耗為2.47 g/Cycle時，額定功率能夠保持在1 765 kW，燃燒持續(xù)期為50°時，可使柴油機爆發(fā)壓力維持在18.0 MPa；同時進氣閥間隙設置為0.5 mm，排氣閥間隙設置為0.7 mm，閥座直徑均按實際數值設置為70 mm。按照凸輪軸的型線數值，輸入得出進、排氣閥升程曲線如圖2、圖3所示。

圖2 進、排氣正時優(yōu)化前的進氣閥升程曲線

圖3 進、排氣正時優(yōu)化前的排氣閥升程曲線

在AVL-BOOST模型中，連接管路、空冷器以及增壓器等相關件的參數均按柴油機實際參數輸入即可。

在保證柴油機其他參數不變的情況下，優(yōu)化柴油機的進、排氣正時，具體參數見表2。

表2 船用柴油機優(yōu)化后的進排氣正時

在汽缸模塊設置中，根據優(yōu)化后的進、排氣正時設計出進、排氣凸輪軸的型線，并把數值輸入汽缸模塊中，得出進、排氣閥升程曲線如圖4、圖5所示。

在此進、排氣正時設置參數下，經多次仿真計算，在油耗為2.39 g/Cycle時，額定功率能夠保持在1 765 kW。

圖4 進、排氣正時優(yōu)化后的進氣閥升程曲線

圖5 進、排氣正時優(yōu)化后的排氣閥升程曲線

按照表1和表2中的柴油機技術參數，分別對柴油機進行仿真分析，得出柴油機功率對比曲線如圖6所示。

圖6 功率仿真對比曲線

由圖6可以看出，柴油機在100%工況下的功率是一致的。在此情況下，柴油機的進氣流量對比曲線如圖7所示。

圖7 進氣流量對比曲線

由圖7可以看出，進、排氣正時優(yōu)化后的柴油機進氣流量小于優(yōu)化前的柴油機進氣流量，故進、排氣正時優(yōu)化后，增壓器的參數配置需要通過更為精確的臺架試驗進一步優(yōu)化，以適應新的進氣流量和壓力要求。燃油消耗率由2.47 g/Cycle降低至2.39 g/Cycle，柴油機的經濟性也得到提高。由此，可以通過柴油機排放試驗，優(yōu)化和對比柴油機的排放性能。

三、柴油機排放試驗及數據對比

針對進、排氣正時優(yōu)化前和優(yōu)化后的柴油機，在優(yōu)化柴油機性能的基礎上，分別進行排放試驗。

（一）進、排氣正時優(yōu)化前的柴油機排放測試

在充分進行了柴油機各零部件的性能匹配（主要是增壓器配置參數的優(yōu)化），使柴油機燃油消耗率、最高爆發(fā)壓力，各項排溫、水溫、油溫以及油壓、水壓等技術參數均達到最佳性能匹配的基礎上，通過調整柴油機供油角度，記錄柴油機排放測試相關數據，以供油角度為6°時為例，排放測試主要數據見表3。

通過碳平衡法，根據CO2排放濃度、燃油消耗率、燃油成分等參數可以計算出排氣質量流量，再根據《GB 15097—2016》中NOx比排放值的計算方法、NOx濃度值以及環(huán)境參數，得出NOx的比排放值為7.14 g/kWh。

表3 進、排氣正時優(yōu)化前的排放測試數據

（二）進、排氣正時優(yōu)化后的柴油機排放測試

通過AVL-BOOST仿真可以看出，由于進、排氣正時的優(yōu)化（見表1和表2），使得柴油機的燃油消耗率和進氣流量得以降低；進氣流量的改變，需要對增壓器的配置進行優(yōu)化，以實現在更低進氣流量需求的情況下，降低柴油機最高爆發(fā)壓力及各項排溫，保證最高爆發(fā)壓力等主要技術參數與進、排氣正時優(yōu)化前一致（或降低），且不超過柴油機的設計值。

在優(yōu)化凸輪軸，調整柴油機進、排氣正時，并對增壓器的參數進行了充分調整優(yōu)化后，通過調整柴油機供油角度，優(yōu)化柴油機的排放；以供油角度為6°時為例，排放測試主要數據見表4。

表4 進、排氣正時優(yōu)化后的排放測試數據

通過碳平衡法，根據CO2排放濃度、燃油消耗率、燃油成分可以計算出排氣質量流量，再根據《GB 15097—2016》中NOx比排放值的計算方法、NOx濃度值以及環(huán)境參數，可以得出NOx的比排放值為6.44 g/kWh。

（三）柴油機排放試驗性能對比

《GB 15097—2016》中關于NOx的比排放值的計算，是與柴油機排氣質量流量、柴油機試驗時的環(huán)境參數以及測試得出的NOx濃度具有直接關系的。

通過對比表3和表4中排放測試試驗數據可以發(fā)現，進、排氣正時優(yōu)化后的柴油機排氣質量流量明顯小于優(yōu)化前，排氣流量對比曲線如圖8所示。

同時，燃油消耗率也得到了進一步的優(yōu)化。通過使用優(yōu)化后的柴油機進、排氣正時，降低排氣質量流量，優(yōu)化柴油機燃燒的方式，NOx的比排放值由7.14 g/kWh降低至6.44 g/kWh，實現了GB15097/中國第一階段排放至GB15097/中國第二階段排放的跨越。通過排放試驗可以證明，采取優(yōu)化柴油機進、排氣正時，使柴油機進氣閥晚開、進氣閥和排氣閥早關的方式，降低柴油機進氣質量流量，優(yōu)化柴油機燃燒過程，進而降低NOx比排放值的方法是可行的。

圖8 排氣流量對比曲線

四、結論

本文通過調整船用柴油機進、排氣正時，使柴油機進氣閥晚開（由上止點前70°CA改為50°CA）、進氣閥早關（由下止點后35°CA改為10°CA）、排氣閥早關（由上止點后60°CA改為40°CA），在降低了柴油機排氣流量的同時，優(yōu)化了增壓器的配置，改善了柴油機的燃燒過程，從而實現了NOx的比排放值由7.14 g/kWh降低至6.44 g/kWh。

本文提供了一種降低船用中速大功率柴油機NOx比排放值的新思路，即若船用中速柴油機通過改變供油角度或優(yōu)化燃油系統等方式很難再降低NOx比排放值，可以通過改變進、排氣正時，優(yōu)化柴油機燃燒過程，降低柴油機排氣質量流量的方式，繼續(xù)降低NOx比排放值，以滿足更高的排放標準要求。