0 引　言

凭借良好的动力性和高效低油耗等特点，二冲程柴油机在船舶上得到广泛应用^[1]。但船舶运营时柴油机动力装置的有害废气排放，也给大气造成污染，对人类健康造成危害，且具有扩散性大、流动性强、持续期长的特点^[2-4]。随着人们的环保意识增强以及全球海洋环境不断恶化，船舶柴油机的排放问题受到广泛关注。国际海事组织（IMO）和各国政府先后提出船舶柴油机排放法规，严格限制船用柴油机有害尾气排放^[5-6]。

为降低柴油机有害排放，新的内燃机燃烧技术不断被提出，如富氧燃烧、富氮燃烧、低温燃烧（LTC）、废气再循环（EGR）、进气加湿和燃油乳化、电控燃油喷射等^[7-10]。废气再循环技术通过将部分冷却后废气重新引入燃烧室，稀释燃烧室内氧气、增大缸内气体热容，从而降低最高燃烧温度与燃烧速率，减少NOx的生成，但同时也会造成柴油机碳烟排放和能耗的增加^[11-12]。进气氧浓度对柴油机的燃烧、做功、排放等有重要影响，可以改善柴油机的缸内燃烧，有效降低碳烟排放和能耗^[13-14]。本文提出将EGR与富氧燃烧相结合，在MAN 6S35 ME-B9船用二冲程柴油机模拟计算模型的基础上，调节不同EGR率和进气氧浓度来研究柴油机的工作性能，以探讨在保证NOx排放满足TierⅢ要求的前提下，优化动力性和经济性的途径。

1 正常工况的模拟计算 1.1 柴油机工作过程基本数学模型

GT-Power通过计算一系列燃烧基本微分方程来模拟柴油机缸内燃烧过程。根据热力学理论可知，柴油机缸内工质状态可由缸内温度、压力、气体成分和气体质量等物理量来描述，并由质量守恒方程、能量守恒方程、理想气体状态方程建立联系^[15]。

根据热力学第一定律，柴油机缸内工质内能变化等于燃料燃烧释放热量、进气带入热量、排气带走热量、气缸与外界交换热量、活塞作功，即能量守恒方程为：

$ \frac{{\rm{d}}\left({m}_{c}u\right)}{{\rm{d}}\varphi }=\frac{{\rm{d}}{Q}_{F}}{{\rm{d}}\varphi }+\frac{{\rm{d}}{m}_{i}}{{\rm{d}}\varphi }{h}_{i}-\frac{{\rm{d}}{m}_{e}}{{\rm{d}}\varphi }{h}_{e}-\frac{{\rm{d}}{Q}_{w}}{{\rm{d}}\varphi }-p\frac{{\rm{d}}V}{{\rm{d}}\varphi } {\text{。}}$

(1)

其中： $ \varphi $ 为曲轴转角； $ {m}_{c} $ 为缸内工质质量；u为工质比内能； $ {Q}_{F} $ 为燃料燃烧释放能量； $ {m}_{i} $ ， $ {m}_{e} $ 分别为进排气气流质量； $ {h}_{i} $ ， $ {h}_{e} $ 分别为进排气阀处工质比焓； $ {Q}_{w} $ 为气缸与外界交换热量； $ p $ 为缸内工质压力； $ V $ 为气缸工作容积。

由质量守恒定律可知，缸内工质质量 ${m}_{c}$ 为进入缸内的空气质量 $ {m}_{i} $ ，排出气缸废气质量 $m_{\rm{e}}$ ，喷入气缸内燃料质量 $m_{\rm{f}}$ ，缸内质量守恒方程为：

$ \frac{{\rm{d}}{m}_{c}}{{\rm{d}}\varphi }=\frac{{\rm{d}}{m}_{i}}{{\rm{d}}\varphi }-\frac{{\rm{d}}{m}_{e}}{{\rm{d}}\varphi }+\frac{{\rm{d}}{m}_{f}}{{\rm{d}}\varphi }{\text{，}} $

(2)

假设缸内工质为理想气体，满足理想气体状态方程：

$ {p}_{c}V={m}_{c}{R}_{0}{T}_{c}{\text{。}} $

(3)

式中， $ {R}_{0} $ 为气体常数。

1.2 搭建GT-Power模型

以MAN 6S35 ME-B9型二冲程船用柴油机为研究对象，利用GT-Power软件搭建一维模拟计算模型，其主要技术参数如表1所示。模型主要由进气系统、气缸、燃油喷射系统、排气系统、曲轴、涡轮增压系统等组成（见图1）。在该模型中，燃料样板采用diesel2-coombust，喷油器模型选择InjProfileConn，燃烧采用GT-Power自带的预测燃烧模型EngCylCombDIJet，热量传递采用woschni传热模型，采用Chen-Flynn关系式计算柴油机摩擦损失。

1.3 模型验证

根据机型常用运行工况，设置4个模拟工况，分别为100%，75%，50%，25%负荷，经过参数调整、模拟计算及结果分析，得到各工况点主要参数的模拟计算结果并与试验值对比。图2为75%负荷下，缸内压力曲线模拟结果和试验结果对比。可以看出，扫气压力、压缩压力、最大爆发压力及最大爆发压力对应曲轴转角与试验值基本接近，计算模型较为准确。表2为各工况的基本运行参数对比，各工况下主要参数的计算值与试验值之间误差都在可接受范围内，为后续柴油机燃烧性能与排放性能的研究奠定基础。

2 EGR对柴油机性能的影响

在计算模型基础上，添加EGR系统模块如图3所示。为保证涡轮的进气流量和增压器工作效率，从涡轮机后取废气，经过冷却、过滤，在压气机前与进气混合进入进气系统。EGR冷却器用于降低废气温度，增加进气充量，可缓和燃料经济性和颗粒物排放的恶化。EGR过滤器用于过滤排气中的颗粒物，防止其进入压气机损害叶片，造成流道污阻。

以单缸循环喷油量10.285 g，发动机运行转速129 r/min，扫气温度313 K为柴油机性能研究的基本条件。设置6组试验，依次增大EGR阀门开度，使EGR率从0逐渐增加至38.58%。由图4可见，随着EGR率的变化，最高爆发压力在157 bar左右，变化不大。压缩压力随EGR率的增加而增大，这是因为随着EGR阀门开度增大，从压气机前进入的废气增多，压气机增压压力增高，扫气压力增高，导致压缩压力增加。

废气再循环对柴油机燃烧速率影响较为明显。由图5可见，随着EGR率的增加，累积放热量曲线逐渐平缓，说明放热速率减慢，这与瞬时放热率曲线相对应。不同EGR率下的瞬时放热率曲线呈双峰形，相对较低的峰为预混燃烧阶段，受滞燃期内形成的可燃混合气控制，上升速度快，但在累积放热量中所占比例小；相对较高峰为扩散燃烧阶段，为柴油机主要燃烧阶段，瞬时放热率主要受缸内可燃混合气形成速度影响。由图可见，随着EGR率的增高，预混燃烧和扩散燃烧速率均降低，这是因为随着进气中废气量的增加，氧气浓度降低，可燃混合气形成的量减少，形成速度降低。

废气再循环对柴油机的动力性和经济性具有一定影响。从图6可以发现，有效功率随EGR率的增大而降低，EGR率从0增长到38.58%，有效功率从2 525.12 kW降低至2445.75 kW，降低了3.14%；燃油消耗率随EGR率增大而曾递增趋势，从189.15 g/（kW·h）增至195.34 g/（kW·h），增加了3.27%。这是由于添加EGR后，通过废气自身吸热及降低燃烧质量，导致柴油机的输出功率降低，燃油消耗率增加。

废气再循环对柴油机有害气体排放，尤其是NOx的生成具有显著影响。图7为EGR率为0时，缸内燃烧温度、Soot和NOx生成随曲轴转角变化关系。由图可见，在上止点后9~40曲轴转角内，燃烧室内NOx浓度迅速上升，对应于温度曲线1500 K以上部分。随着活塞下行，燃烧室容积增大，NOx浓度逐渐降低。Soot浓度在上止点后4~13曲轴转角内迅速上升，这一阶段为预混燃烧后期和扩散燃烧前期。

图7和图8为最高燃烧温度、NOx和Soot排放随EGR率变化关系。由图可见，随着EGR率的增加，缸内最高燃烧温度Tmax从1709.54 K降低至1432.09 K，降低了16.2%，最高温度出现点略微后移，高温持续时间减少（见图9）。Tmax、高温持续时间以及氧气浓度是NOx生成的重要影响因素，由图8可知，随着EGR率的增加，NOx排放迅速下降。当EGR率为28.89%，NOx排放仅为3.04 g/ kW·h，满足TierⅢ排放标准，此时功率为2472.7 kW，相对标定工况降低约2.1%，燃油消耗率增加2.1%；继续增加EGR率至38.58%，NOx可降至1.34 g/（kW·h）。

Soot排放随EGR率的升高，从0.12 g/（kW·h）快速增加至0.77 g/（kW·h），这主要是因为不参与二次燃烧的惰性气体与新鲜空气混合，提高了进气整体热容，燃烧室内温度降低，同时废气再循环降低了氧气浓度，有利于Soot的生成^[8]。

3 进气氧浓度对柴油机性能的影响

关闭EGR阀门，设置5组实验，进气氧浓度依次设置为17%，19%，21%（标定进气氧浓度），23%，25%，其他参数不变，计算结果做如图10～图15所示。

由图10可见，随着进气氧浓度增加，压缩压力从136.2 bar逐渐降低至126.3 bar，降低了7.3%；最高爆发压力从151.8 bar增加至165.2 bar，升高了8.8%。这是因为柴油机以扩散燃烧为主，进气氧浓度增加，使缸内燃料得到更多氧气，可燃混合气形成的速度和质量提高，燃烧速度增加，燃烧更加完善（见图12），进而爆发压力升高。由图10可知，随着进气氧浓度增加，柴油机能量利用率提高，缸内最高温度随之升高，排气温度降低，排气能量降低，废气增压器增压压力降低，扫气压力降低，导致柴油机压缩压力的降低。

由上述分析可知，进气氧浓度对柴油机燃烧性能具有显著影响，增加进气氧浓度可有效提高燃烧质量。进气氧浓度对柴油机做工性能和燃油经济性影响如图13所示。在循环喷油量不变的情况下，随着氧浓度提高，柴油机有效功率从2454.1 kW增加至2544.9 kW，增加了3.7%；有效燃油消耗率从194.6 g/（kW·h）降低至187.7 g/（kW·h），降低了3.5%。因此，增加进气氧浓度，对柴油机的动力性和经济性均有较好的改善效果。

进气氧浓度对柴油机NOx，Soot排放影响如图14和图15所示。可见降低进气氧浓度，可有效降低NOx的生成，17%进气氧浓度时的NOx排放仅为2.08 g/（kW·h），但因燃烧不完全，燃烧温度低，Soot排放迅速增加；提高进气氧浓度，有利于碳烟的氧化，25%进气氧浓度下，Soot排放仅为0.055 g/（kW·h），但NOx排放高。

4 EGR与富氧燃烧的综合影响

由以上分析可知，添加EGR会降低柴油机燃烧速率和燃烧温度，柴油机的动力性与经济性变差，Soot排放增加，但能够有效降低NOx排放；进气氧浓度增加，燃烧速率和燃烧温度提高，燃烧更加完善，柴油机经济性与动力性好，对Soot排放也有明显的减排效果，但会导致NOx排放大幅增加。基于以上因素，在保证柴油机NOx排放满足Tier 3排放要求的前提下，设计EGR和进气氧浓度组合模拟试验，寻找柴油机性能优化和废气排放控制的优化方案。试验设计如表3所示，设置0%EGR率，21%进气氧浓度为参照工况点。

计算结果如图16~图19所示。可以看出，所选取EGR率在标定进气氧浓度下，NOx排放在1.34 g/（kW·h）至2.7 g/（kW·h）之间变化，满足Tier3排放要求，但Soot排放和燃油消耗率较高，输出功率较低。提高进气氧浓度可以弥补一部分动力性和经济性损失，有效降低Soot排放，但当进气氧浓度升高到23%以上，NOx将不再满足Tier3排放要求。因此，为满足NOx排放要求，维持Soot排放在较低水平，同时减少动力性、经济性的损失，可通过在高废气再循环率的条件下，提高进气氧浓度实现。

5 结　语

1）废气再循环使不参与二次燃烧的惰性气体与新鲜空气混合，降低燃烧室内氧气浓度，提高进气整体热容，造成燃烧速率和燃烧温度降低，高温持续时间减少，能够有效控制柴油机NOx的生成和排放，但其对外输出功率与经济性会小幅降低。EGR率在28.89%~38.58%之间，NOx排放为3.04 ~1.34 g/（kW·h），满足TierⅢ标准，相应对外输出功率损失2.1%~3.14%，燃油消耗率增加2.14%~3.27%。

2）贫氧进气，燃烧室内氧气浓度低，燃烧速率和燃烧温度低，能量利用率低，导致柴油机对外输出功率低，燃油经济性差，但NOx排放低，17%进气氧浓度时的NOx排放仅为2.08 g/（kW·h），因燃烧不完全，Soot排放较高；富氧进气可有效改善燃烧，提高柴油机动力性与经济性，大幅降低Soot排放，当25%氧浓度进气时，Soot排放仅为0.05 g/（kW·h），但会导致NOx排放大幅增加。

3）30.5%~38.6%EGR率条件下，在一定程度上提高进气氧浓度，可使柴油机NOx排放满足TierⅢ排放要求，并维持Soot排放在较低水平，同时减少动力性、经济性的损失。