米勒循環(huán)降低船用中速柴油機(jī)NOx排放研究

王英乾

渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城 125105

MARPOL 公約的第六條附則《防止船舶造成大氣污染規(guī)則》中對于NOX排放的全球性限制分TierⅠ和TierⅡ兩個標(biāo)準(zhǔn)，并在一定的限制區(qū)域（ECAs） 內(nèi)，執(zhí)行更為嚴(yán)格的TierⅢ標(biāo)準(zhǔn)，因此米勒循環(huán)降低船用中速柴油機(jī)NOx 排放研究具有重要意義。

1 米勒循環(huán)與降低柴油機(jī)NOX 排放的關(guān)聯(lián)

所謂米勒循環(huán)，即使進(jìn)氣沖程實際壓縮比小于排氣沖程膨脹比的一種內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)形式[1]，對于船用中速四沖程柴油機(jī)而言，一般采用調(diào)整進(jìn)氣閥正時的方式，并可分為提前關(guān)閉進(jìn)氣閥和延遲關(guān)閉進(jìn)氣閥兩種，前者稱為狹義的米勒循環(huán)，后者又稱為阿特金森循環(huán)[2]。無論是米勒循環(huán)還是阿特金森循環(huán)，其在發(fā)明之初主要都是為了提高發(fā)動機(jī)的熱效率，根據(jù)其工作特性的不同，阿特金森循環(huán)適用于自然吸氣發(fā)動機(jī)，而米勒循環(huán)更適合船舶上普遍采用的增壓發(fā)動機(jī)。在實踐中發(fā)現(xiàn)，采用米勒循環(huán)可減小有效壓縮比，降低壓縮終點時的壓力和溫度，從而降低NOX的排放，因此在降低NOX排放領(lǐng)域，米勒循環(huán)成了研究熱點之一[3]。

2 仿真模型的建立及驗證

2.1 元件的組合建立

首先利用AVL BOOST 軟件，建立中速四沖程柴油機(jī)模型，如圖1 所示。SB1、SB2 為系統(tǒng)邊界，TC1 為廢氣渦輪增壓器，CO1 為冷卻器，C1、C2、C3、C4 為氣缸，MP1 至MP5 為工況測量點，J1 為多管道連接件，PL1 為容腔，1 至13為管路。

圖1 AVL BOOST 模型

以經(jīng)典的Wartsila 4L20 型中速柴油機(jī)為模擬原型，結(jié)合機(jī)型說明書，填入柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、柴油機(jī)各缸發(fā)火順序、理論空氣燃油比等全局參數(shù)。設(shè)置當(dāng)柴油機(jī)處在工作狀態(tài)中時所在地點的當(dāng)?shù)販囟?、壓力等系統(tǒng)邊界條件及13 條管路的尺寸、管壁的摩擦系數(shù)、流量系數(shù)等參數(shù)，設(shè)置氣缸參數(shù)，選用AVL MCC 模型。此模型的參數(shù)很少，只包含燃燒系數(shù)等五項關(guān)鍵參數(shù)，可更加簡便、迅速地進(jìn)行模擬計算，選擇Woschni 1978 傳熱模型，設(shè)置進(jìn)、排氣閥及中冷器參數(shù)，選擇Turbine Layout Calculation 增壓器模型。

2.2 NOX 排放計算

柴油機(jī)在裝船使用前，依據(jù)MARPOL 公約的要求，必須在不同的工況下試驗，保證在不同負(fù)荷下，NOx 排放均能滿足公約的要求，并以此作為發(fā)證標(biāo)準(zhǔn)之一[4]?；谏鲜瞿Ｐ?，模擬Wartsila 4L20 型中速柴油機(jī)在10%、25%、50%、75%和全負(fù)荷下的NOx 排放率，如表1 所示。

表1 Wartsila 4L20 型中速柴油機(jī)全負(fù)荷NOx 模擬排放率

Wartsila 4L20 型中速柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，根據(jù)MARPOL 公約附則Ⅵ的要求，NOx限定排放率如表2 所示。

表2 額定轉(zhuǎn)速1 000r/min 柴油機(jī)NOx 限定排放率

通過表1 和表2 數(shù)據(jù)的對比可知，Wartsila 4L20 型中速柴油機(jī)在全負(fù)荷下NOX的排放率無法滿足TierⅡ要求，與TierⅢ要求更是相差甚遠(yuǎn)。事實上，根據(jù)模型模擬數(shù)據(jù)，Wartsila 4L20 型中速柴油機(jī)在試驗的各種負(fù)荷下NOX的排放率均只能滿足TierⅠ要求，不能滿足TierⅡ要求，因此對于此機(jī)型而言，如果想繼續(xù)裝船使用，必須探索減少其NOx 排放量的方案。

3 仿真試驗

3.1 不同程度米勒循環(huán)對柴油機(jī)NOX 排放的影響

經(jīng)查閱說明書，Wartsila 4L20 型中速柴油機(jī)進(jìn)氣閥標(biāo)定關(guān)閉角度為560°（將壓縮沖程上止點設(shè)為0°）。將進(jìn)氣閥關(guān)閉角度逐漸提前，分別選取M560（原機(jī)）、M（530/520/510/500/490/480） 七個角度進(jìn)行模擬試驗，模擬數(shù)據(jù)顯示隨著米勒循環(huán)程度的增強(qiáng)（進(jìn)氣閥關(guān)閉角度的提前），有效壓縮比不斷降低，不但NOX排放量隨之降低，而且最高爆發(fā)壓力也有所下降，但同時柴油機(jī)功率下降，油耗率上升，并且相應(yīng)的下降和上升速度都隨著米勒循環(huán)程度的增強(qiáng)而不斷加快，經(jīng)分析，主要是因為隨著米勒循環(huán)程度的增強(qiáng)，使活塞的有效吸氣行程越來越短，導(dǎo)致混合氣燃燒時氣缸內(nèi)的平均有效壓力不斷降低，柴油機(jī)熱效率也不斷下降，最終導(dǎo)致功率和油耗率的增速下降和上升。米勒循環(huán)對柴油機(jī)功率和油耗的影響如圖2所示。

圖2 米勒循環(huán)對柴油機(jī)功率和油耗的影響

綜上可知，米勒循環(huán)雖能使中速柴油機(jī)NOX排放量降低，但也會影響柴油機(jī)性能，導(dǎo)致船舶的營運成本增加，若采用此思路降低NOX排放，須同時對柴油機(jī)其他參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 壓縮比影響

隨著壓縮比的提高，柴油機(jī)功率逐漸上升，而油耗率逐漸下降，這是由于隨著有效壓縮比的提高，壓縮終點缸內(nèi)溫度和壓力均上升，燃燒提前，且燃燒更加迅速，提高了柴油機(jī)的熱效率。但壓縮比的提高導(dǎo)致燃燒過程中缸內(nèi)平均溫度升高，使NOX排放量升高。同時，隨著壓縮比的提高，柴油機(jī)的最高爆發(fā)壓力越來越大，導(dǎo)致柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷不斷增大，即便控制在承受范圍內(nèi)，也會使柴油機(jī)的壽命大幅縮短[5]，壓縮比的提高還會使爆震現(xiàn)象增強(qiáng)。因此在提高柴油機(jī)壓縮比的同時，還要考慮降低柴油機(jī)的NOX排放和機(jī)械負(fù)荷，并設(shè)法抑制柴油機(jī)的爆震現(xiàn)象，這都可通過推遲噴油正時來實現(xiàn)。

3.3 噴油正時的影響

針對性的設(shè)定M500（增壓比18）、M490（增壓比18）、M480（增壓比19） 三種方案進(jìn)行模擬試驗。噴油正時對NOX排放量、油耗率和最高爆發(fā)壓力的影響如表3 所示。

表3 噴油正時的影響

3.4 Wartsila 4L20 型中速柴油機(jī)降低NOX 排放方案

綜合以上數(shù)據(jù)，在降低NOX排放方面，M480（增壓比19） 方案表現(xiàn)最優(yōu)，但油耗率也最高，M500（增壓比18） 和M490（增壓比18）方案雖然在降低NOX排放方面不及M480（增壓比19） 方案，但都低于TierⅡ限定值（8.98），從油耗率角度考慮，M500（增壓比18） 延遲噴油2°CA 的方案為相對最優(yōu)方案。

綜上，對于Wartsila 4L20型中速柴油機(jī)，可選擇進(jìn)氣閥提前開啟60°CA，壓縮比由15 提高至18，供油提前角由13°CA 降至11°CA 的優(yōu)化方案，使NOX排放能夠滿足TierⅡ的要求。由此可知，采用米勒循環(huán)搭配提高壓縮比和降低供油提前角的思路，在保證柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的前提下，可降低中速柴油機(jī)的NOX排放。