低硫燃油對低速船機燃燒過程的影響

劉蘇博，魏立江，魏海軍，路秀偉

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

0 引 言

在世界海運貿(mào)易量實現(xiàn)10 年連續(xù)穩(wěn)定增長[1]的今天，船舶承擔了90%以上的國際貿(mào)易運輸任務(wù)[2]。據(jù)船用柴油機制造商MAN B&W 公司統(tǒng)計，90%以上船舶使用柴油機作為發(fā)電機或主推進動力裝置[3]，特別是遠洋商船的主推進裝置以低速船機為主。這些低速船機以船用重質(zhì)燃油(heave fuel oil，HFO)為燃料，單日消耗量可高達上百噸。HFO 含有大量硫化物、重金屬、瀝青和灰分等雜質(zhì)，燃燒后會產(chǎn)生較多硫氧化物(sulfur oxides, SOX)和顆粒物(particulates matter, PM)等有害排放[4]。SOX作為硫循環(huán)中的重要中間物質(zhì)，其不僅對人體健康有害[3]，還會破壞生態(tài)環(huán)境，有研究表明，燃油中含硫量每增加0.1%，顆粒物排放會增加0.034g/(kW/h)[5-6]。基于此，國際海事組織（IMO）很早就開始對HFO 的硫含量進行限制并愈發(fā)嚴苛，如圖1 所示[7]，我國針對HFO 的含硫量也制定了嚴格標準，如圖2 所示。另據(jù)Wood Mackenzie 統(tǒng)計，截止到2020 年底，全球船隊中2%的船舶已安裝廢氣脫硫裝置，0.4%的船舶采用了清潔燃料，超過97%的船舶選用低硫燃油[8]。由此可見，船舶燃用低硫燃油（low sulfur heave fuel oil, LSHFO）已成為必然趨勢。

圖1 國際海事組織對HFO 含硫量的要求Fig. 1 IMO requirements for sulphur content in HFO

圖2 中國船舶排放控制區(qū)對HFO 含硫量的要求Fig. 2 Requirements for HFO sulfur content in China's ship emission control area

然而，LSHFO 在低速船機上使用的過程中，卻引發(fā)了眾多問題。如氣缸套與活塞環(huán)異常磨損、劃傷，活塞環(huán)粘著甚至咬死等[9]。美國海岸警衛(wèi)隊監(jiān)視記錄顯示，由于高硫重油（high sulfur heave fuel oil, HSHFO）與LSHFO 轉(zhuǎn)換使推進系統(tǒng)故障概率顯著上升。舊金山引航協(xié)會報告也表明，燃用LSHFO 導(dǎo)致的柴油機故障、柴油機無法啟動及柴油機速度不穩(wěn)等險情明顯增多[10]。陳強等[9]經(jīng)過分析后認為，LSHFO 與HSHFO 相比，硫含量降低導(dǎo)致的潤滑性能部分喪失是其中的原因之一。另外，也有分析表明，生產(chǎn)LSHFO 的脫硫過程中加入的硅、鋁硬質(zhì)顆粒、苯乙烯、酚類等會導(dǎo)致供給泵、循環(huán)泵、噴油器等部件磨損加劇，嚴重時阻塞濾器，這也可能是燃用LSHFO 引發(fā)故障的原因。

目前，針對低速船機燃用LSHFO 引發(fā)故障的研究基本都集中在定性分析上，極少涉及缸內(nèi)燃燒過程，針對LSHFO 缸內(nèi)燃燒過程的詳細分析基本為空白。當前LSHFO 與HSHFO 混兌調(diào)和及HSHFO 脫硫是生產(chǎn)LSHFO 的最主要方式。在LSHFO 生產(chǎn)過程中，雖然硫含量、黏度、閃點、傾點等指標被保持在特定范圍內(nèi)，但由于各廠商生產(chǎn)LSHFO 的方法及工藝存在不同，往往導(dǎo)致LSHFO 的理化性質(zhì)也存在較大區(qū)別。Lloyd’s Register Fobaas 提供的檢測報告顯示，在含硫量(0.45% m/m)相同的情況下，不同地區(qū)LSHFO 的運動黏度存在極大差異，北美地區(qū)為14.2 mPa?s，歐洲地區(qū)為17.2 mPa?s，而亞洲地區(qū)則高達110.7 mPa?s。不僅燃料黏度會影響燃油噴射、霧化與破碎過程，燃料熱力學特性也會影響噴霧液相長度[11]。事實上，LSHFO與HSHFO 之間以及LSHFO 本身之間理化性質(zhì)的差異最終都會導(dǎo)致低速船機缸內(nèi)燃燒過程的差異。燃用LSHFO 引發(fā)的缸內(nèi)異常磨損等故障是否與燃燒過程相關(guān)，目前還不得而知。因此，本文收集多種低硫燃油，對不同低硫燃油對低速船機燃燒過程的影響展開分析，從燃燒角度尋找低速船機使用低硫燃油后缸內(nèi)異常磨損的原因。

1 研究方法

低速船機中燃油的燃燒要經(jīng)歷一系列復(fù)雜的物理與化學過程，包含噴霧、破碎、蒸發(fā)、低溫裂解、著火以及火焰擴散等，其中任何一個過程的差別都有可能對后續(xù)燃燒過程產(chǎn)生影響。目前，低速船機臺架試驗只能對整個燃燒過程進行宏觀分析，很難掌握缸內(nèi)的這些細微過程，對這些細微過程間的差異更是無法進行詳細分析。計算流體動力學 (computational fluid dynamics, CFD)以大容量高性能計算機作為求解工具可對各種燃燒過程和現(xiàn)象進行精細分析[12]，近年來在低速船機研究領(lǐng)域被廣泛使用[13-14]。因此，本文選用CFD方法對低速船機燃用低硫油后的燃燒過程展開詳細研究。

1.1 CFD 模型建立

選用一款我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的低速船機，基本參數(shù)如表1 所示?；谠摍C幾何模型，在CONVERGE 3.0 中搭建CFD 仿真物理模型，如圖3 所示。建模過程中，采用重整化群(renormalization group,RNG)k-?模型描述缸內(nèi)流動，RNG 模型基于嚴格的數(shù)學推導(dǎo)并引入渦流影響，針對內(nèi)燃機的已有研究表明，RNGk-ε模型計算結(jié)果優(yōu)于標準k-ε模型[15-16]。采用KH-RT 模型描述燃油噴霧破碎過程，配合Frossling Correlation 模型將燃油液滴轉(zhuǎn)化為氣態(tài)[17]；采用O’Rourke Numerical Scheme 和Rebound/Slide 模型描述液滴與液滴、液滴和缸內(nèi)工質(zhì)及缸壁之間的相互作用；采用SAGE 詳細化學反應(yīng)動力學模型求解燃燒過程[15]，反應(yīng)機理使用Sun 等建立的正十四烷機理[16]；采用擴展的捷爾多維奇(Zeldovich)機理[18]和廣安博之(Hiroyasu)機理[19]分別描述NOx 和碳煙生成。

表1 發(fā)動機主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of engine

圖3 發(fā)動機幾何模型Fig. 3 Geometric model of the engine

為了緩解網(wǎng)格尺寸與計算精度之間的矛盾，采用自適應(yīng)加密技術(shù)，對仿真區(qū)域內(nèi)的速度和溫度分別進行3 級自適應(yīng)加密，對氣缸頭和氣缸套內(nèi)表面設(shè)置4 級固定加密，以更好捕捉燃油噴霧及燃燒過程對氣缸頭和氣缸套壁面的影響，如圖4 所示。經(jīng)過網(wǎng)格敏感性分析后選用0.04 m 的基礎(chǔ)網(wǎng)格可以較好的平衡計算時間與精度之間的矛盾，仿真過程中最小網(wǎng)格尺寸為0.625 mm，最大網(wǎng)格數(shù)目約為169 萬個。

圖4 氣缸頭與氣缸套網(wǎng)格固定加密示意圖Fig. 4 Fixed embedding of the cylinder head and cylinder liner

1.2 模型驗證

選取該低速船機的額定工況進行研究，該工況下臺位試驗結(jié)果如表2 所示。根據(jù)臺位試驗結(jié)果，對仿真模型的邊界條件進行設(shè)置。模型預(yù)測的缸內(nèi)燃燒過程及發(fā)動機主要性能參數(shù)分別如圖5 和表3 所示，可以看出仿真模型預(yù)測的缸內(nèi)燃燒過程曲線與試驗值基本重合，發(fā)動機主要性能參數(shù)誤差皆在±1.5%內(nèi)。表明本文建立的三維模型能較好對目標發(fā)動機的缸內(nèi)燃燒和排放過程進行預(yù)測，可以用于開展后續(xù)的研究工作。

表2 額定工況臺位試驗結(jié)果Tab. 2 Test results under rated condition

表3 試驗與仿真的主要性能對比Tab. 3 Main performance comparison between experiment and simulation

圖5 試驗與仿真缸內(nèi)壓力和放熱率對比Fig. 5 Comparison of experimental and simulated in-cylinder pressure and heat release rate

2 不同低硫燃油物性

收集在11 種HSHFO 和24 種LSHFO 樣品參數(shù)，發(fā)現(xiàn)這些樣品的密度、灰分、閃點和傾點等差異都不大，而運動黏度卻有較大差別。圖6 標出了這35 種樣品的運動黏度，可以看出，總體而言HSHFO 的黏度遠高于LSHFO，且HSHFO 的黏度分布相對集中，而LSHFO 的黏度跨度卻非常大，從低于30 mm2/s 到接近300 mm2/s 都有分布，這也從側(cè)面印證了不同廠家及地區(qū)LSHFO 產(chǎn)品的巨大差異。在圖6 所示的黏度范圍內(nèi)選取具有代表性的1 種HSHFO 和3 種LSHFO 開展后續(xù)的詳細研究，這4 種燃油黏度分布也標識在圖6中。為了后續(xù)方便對這4 種不同黏度的油品進行比較，分別以50℃時的運動黏度進行命名：D30，D161，D277，D380。

圖6 HSHFO 和LSHFO 黏度對比Fig. 6 Comparison of viscosity between HSHFO and LSHFO

由于燃料黏度、密度、臨界溫度等物性參數(shù)對噴射、霧化及蒸發(fā)過程有直接影響，并將最終影響后續(xù)的燃燒過程。因此，在仿真開始之前必須確定這4 種燃油的主要物性參數(shù)。Kyriakides 等[20]對重油物性及其對噴霧的影響進行了深入研究，并得出了相關(guān)結(jié)論，本文沿用Kyriakides 的研究結(jié)果，將HFO 的分子量設(shè)置為463，HFO 的臨界溫度可由下式計算：

式中：S為標準比重，此處設(shè)置為0.953 7；Tb為燃料的正常沸點，可通過下式估算[20-22]：

式中：Kw為Watson 特征系數(shù)，HFO 可取11.7。由式（1）和式（2）可求得HFO 的臨界溫度為1 033 K。

以船用燃油的粘溫特性曲線為基礎(chǔ)[23]，通過數(shù)學擬合方法得出所選HFO 黏度特性曲線的具體數(shù)值，如圖7 所示。根據(jù)燃油交付單(bunker delivery note, BDN)中的密度數(shù)據(jù)，依照式(3) 和表4 中所列的修正系數(shù)Y可獲得對應(yīng)溫度t的修正密度。Kyriakides 等[20]的研究表明HFO 的導(dǎo)熱率與柴油相同，因此，沿用柴油的導(dǎo)熱率。依據(jù)Kyriakides 等的研究結(jié)論，設(shè)置臨界溫度對應(yīng)的表面張力為0，再結(jié)合ASTM-D1160 標準和可確定的參數(shù)采用數(shù)學類比擬合方法可獲得所選燃料樣品的表面張力、蒸發(fā)潛熱、蒸發(fā)壓力和比熱。在獲得所需的全部物性參數(shù)后生成liquid.data文件，導(dǎo)入CONVERGE 中進行仿真計算。

圖7 低硫油的粘溫曲線圖Fig. 7 Viscosity temperature curve of low sulfur oil

表4 燃油修正密度系數(shù)表Tab. 4 Fuel correction density factor table

3 結(jié)果與討論

3.1 對缸內(nèi)燃燒過程的影響

圖8 為不同低硫燃油燃燒所對應(yīng)的放熱率、缸內(nèi)壓力和平均溫度曲線?？梢钥闯?，4 種壓力曲線的輪廓基本相同，僅峰值壓力間存在少許差距，峰值壓力最大的D277 與峰值壓力最小的D161 間僅相差0.237 7 MPa，占峰值壓力最大值的1.33%，這說明不同低硫燃油對缸內(nèi)燃燒壓力的影響不明顯。實際上，1.33%的差距甚至小于不同循環(huán)之間的循環(huán)變動以及各缸工作狀態(tài)之間的差別，這在低速船機日常檢查的爆壓查驗中也基本不會被發(fā)現(xiàn)，暗示了低硫燃油可能引發(fā)問題的隱蔽性。相比缸內(nèi)壓力，不同低硫燃油對放熱率和平均溫度的影響更明顯，不同低硫燃油燃燒的缸內(nèi)平均溫度曲線在約12 °CA 之后開始出現(xiàn)明顯分離，這主要與放熱率曲線間的差距有關(guān)。隨著燃料放熱的進行，缸內(nèi)平均溫度持續(xù)升高，在30 °CA 附近缸內(nèi)平均溫度達到最大值，且不同低硫燃油燃燒平均溫度峰值基本隨低硫燃油黏度的增加而降低，D30 的最高平均燃燒溫度比D380 高約49.21 K。

圖8 黏度對HRR，ICP 和溫度的影響Fig. 8 Effects of viscosity on HRR, ICP and temperature

從放熱率曲線可以看出，不同低硫燃油的影響相對復(fù)雜，在燃燒前期，放熱率差別不大，而在燃燒中后期開始拉開差距，且沒有明顯規(guī)律可言，這主要是因為黏度、密度和表面張力是影響燃油霧化的主要因素[20]，不同低硫燃油物性的差別對燃油噴射、破碎、霧化以及混合等過程都會產(chǎn)生不同影響，這些影響再與缸內(nèi)湍流耦合，共同導(dǎo)致了放熱規(guī)律變化的復(fù)雜性。為了對燃料放熱過程進行分析，對放熱率進一步處理得到了燃燒放熱的關(guān)鍵特征時刻，以累計放熱10%對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角CA10 表征燃燒始點，50%對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角CA50 表征放熱中點，90%對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角CA90 表征放熱終點。不同低硫燃油對放熱特征時刻的影響如圖9 所示?？梢钥闯觯珻A10 和CA50 基本不隨低硫燃油黏度的變化而改變，只有CA90 隨低硫燃油黏度增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，但總體而言變化幅度不大，最大值與最小值間差異為10.9%。

圖9 燃油黏度的變化對燃燒相位的影響Fig. 9 Influence of viscosity change on combustion phase

總體而言，不同黏度低硫燃油對低速船機缸內(nèi)燃燒宏觀過程存在一定影響，主要表現(xiàn)在放熱率曲線走勢及缸內(nèi)平均溫度，但這些宏觀影響很難在對低速船機的日常查驗中觀察到。

3.2 對氣缸套壁面附近溫度的影響

低速船機使用低硫燃油后導(dǎo)致的常見故障包括氣缸套與活塞環(huán)異常磨損、劃傷、活塞環(huán)粘著甚至咬死等[9]，這些故障都與氣缸套有關(guān)，基于此，從燃燒角度對氣缸套壁面附近的燃燒溫度進行重點分析。

由于燃料噴霧及燃燒主要發(fā)生在氣缸頭與氣缸套接觸部位附近的燃燒室，因此選取氣缸頭與氣缸套接觸處的橫切面作為燃燒溫度分析截面。圖10 為不同黏度低硫燃油從燃燒開始到燃燒后期，該截面上溫度場隨曲軸轉(zhuǎn)角的演變。為了排除燃燒室中間部位的視覺影響，突出氣缸套壁面附近的溫度場，在圖像后處理過程中對燃燒室中間部位進行半透明的遮擋處理。缸內(nèi)燃燒過程始于約4.5 °CA，在約11.5 °CA 時燃燒火焰擴散至氣缸套壁面，雖然在32 °CA(CA90)左右時燃燒過程基本結(jié)束(見圖9)，但缸內(nèi)高溫會一直持續(xù)至60°CA 左右，在活塞下行過程中受缸內(nèi)渦流影響，火焰在氣缸內(nèi)迅速向氣缸壁面附近蔓延。因此，氣缸套壁面在約11.5~60 °CA 之間都會持續(xù)受到高溫影響。氣缸壁持續(xù)受到大范圍高溫灼燒可能會引起氣缸油膜被破壞，若低速船機長時間在此狀態(tài)下工作就有可能導(dǎo)致前文所述的異常磨損等現(xiàn)象發(fā)生。從圖10 可以看出，黏度越低的低硫燃油在燃燒過程中氣缸壁附近高溫區(qū)域占比越多，燃燒溫度也相對越高，因此可以推斷低黏度低硫燃油相比高黏度低硫燃油，引發(fā)氣缸套異常磨損等故障的趨勢更加明顯。

為了掌握燃燒過程中整個氣缸套壁面附近的高溫情況，選取離氣缸套內(nèi)表面2 cm 范圍內(nèi)的環(huán)形柱狀區(qū)域進行燃燒溫度分析，以NOx 快速生成的1 800 K 作為高低溫分界限，對該環(huán)形柱狀區(qū)域內(nèi)溫度≥1 800 K的區(qū)域體積進行統(tǒng)計，得出不同黏度低硫燃油燃燒過程中，氣缸套壁面附近高溫區(qū)域體積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化趨勢，如圖11 所示?？梢钥闯?，氣缸套壁面附近的高溫區(qū)域體積先快速增加后逐漸減小，峰值約在35 °CA附近達到，這與燃燒終點（CA90）非常接近，說明燃燒后期才是對氣缸套壁面灼燒范圍最大的時期。對燃燒中后期不同低硫燃油氣缸套壁面附近的高溫區(qū)域體積進行對比后發(fā)現(xiàn)，低硫燃油黏度越大，氣缸套壁面附近高溫區(qū)域體積越小，高溫持續(xù)時間越短，這進一步驗證了低黏度低硫燃油更易引發(fā)氣缸套異常磨損等故障的推測。

圖11 壁面溫度在1 800 K 及以上的缸壁體積Fig. 11 Cylinder wall volume with wall surface temperature at 1 800 K and above

4 結(jié) 語

本文基于實際加注的多種低硫燃油樣品，選取4 種不同黏度的低硫燃油，針對它們對低速船機燃燒過程的影響進行分析，得出以下結(jié)論：

1）船用低硫燃油黏度總體低于高硫燃油，且低硫燃油的黏度表現(xiàn)出跨度大的特點，從低于30 mm2/s 到接近300 mm2/s 都有分布，而高硫燃油黏度分布相對集中。

2）不同黏度低硫燃油對低速船機缸內(nèi)燃燒的放熱率及缸內(nèi)平均溫度存在一定影響，但對缸內(nèi)壓力曲線及最高爆發(fā)壓力影響不明顯，這些影響在低速船機工作狀態(tài)的日常檢查中較難被發(fā)現(xiàn)。

3）低速船機氣缸套壁面在約11.5~60 °CA 之間會持續(xù)受到高溫影響，氣缸套壁面附近的高溫區(qū)域體積隨燃燒的進行先快速增加后逐漸減小，在約35 °CA 附近達到峰值。

4）低硫燃油的黏度越低，在燃燒過程中氣缸壁附近的高溫區(qū)域占比越大，溫度越高，并且高溫持續(xù)期也越長，這相比黏度高的低硫燃油引發(fā)氣缸套異常磨損的趨勢更明顯。