2021, Vol. 43
2. 南通柴油机股份有限公司，江苏 南通 226014
2. Nantong Diesel Engine Co. Ltd., Nantong 226014, China
柴油机由于具有热效率高、燃油消耗率低等优点，在船舶上得到了广泛的应用。然而由于船用柴油机所引起的环境污染越来越严重，因此船用柴油机的排放标准日益严格。我国首部关于船舶柴油机排放控制的国家标准《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》[1]已于2016年发布，第二阶段将于2021年7月1号实行。根据《中国移动源环境管理年报（2019）》2018年数据[2]，船舶柴油机氮氧化物（nitrogen oxides，NOx）排放量为164万吨、颗粒物（particulate matter，PM）排放量为14万吨，排放量十分巨大。在柴油机的诸多参数中，供油参数对柴油机的排放影响较大，因此供油参数对柴油机的排放影响成为许多专家学者研究的课题。
梅德清等[3]使用CFD软件对采用预喷-预喷-主喷喷油策略的单缸增压柴油机燃烧过进行数值仿真计算，分析了不同喷油正时方案对NOx和Soot排放物生成的影响。Ambrozik等[4]研究了喷油提前角对以柴油和fame为燃料的柴油机燃油喷雾参数和氮氧化物排放的影响。Jia等[5]应用CFD软件模拟了喷油正时和进气门关闭时刻对PCCI柴油机的排放影响，研究发现优化喷油正时和延迟关闭进气门可以降低燃烧温度，从而减少NOx排放。Zhang等[6]研究了改变喷油正时对乙二醇/柴油双燃料发动机的燃烧和排放特性的影响。Li等[7]采用三维仿真模型耦合化学动力学机理研究了柴油和甲醇喷射正时对直喷式甲醇柴油机排放的影响。Channappagoudra等[8]研究了喷油正时对双燃料（B20+Bio-CNG）改性发动机的排放影响。Gnanasekaran等[9]研究了不同喷油正时对以鱼油乙酯（EEFO）及其混合物燃料的单缸四冲程风冷直喷柴油机性能、排放和燃烧特性的影响，研究表明喷油正时的延迟导致NOx、HC、CO、峰值压力、点火延迟、燃烧持续时间和放热率等排放和燃烧参数的降低。Jain等[10]在不同的主喷油时刻、预喷油时刻和EGR率下进行了试验。结果表明，在上死点（BTDC）前40°CA的预喷油时刻开始时，颗粒数密度最小，平均粒径最大。Wei等[11]研究了柴油机喷油正时对四缸柴油机燃烧、制动热效率、等效制动比油耗、NOx和PM排放的影响。对于PM的排放，讨论了PSD、颗粒物数密度和质量浓度随粒径的变化，分析了NOx与烟尘的权衡关系。Lee等[12]利用CMC湍流反应流模型和粒子群求解器扫描预测了碳烟颗粒的数密度以及粒径分布，研究结果表明，喷油时刻对颗粒物的影响很小。
本文以直列四冲程六缸中冷直喷式柴油机T6138ZLCZU为研究对象，运用数值模拟的方法，通过改变供油提前角，对船用柴油机Soot和NOx排放规律开展研究，进行实验验证，为柴油机喷油参数优化提供参考，为进一步降低柴油机排放提供理论依据。
1 试验装置与仿真计算模型建立 1.1 试验装置本文的试验发动机是T6138ZLCZU型船舶直喷6缸柴油机，其主要应用在近海渔业捕捞、长江内河船舶的主机以及中小型渔船上。柴油机台架的主要技术参数如表1所示。测量PM和NOx的仪器分别为SMG 100型便携式烟气直读分析仪和INFRALYT ELD-便携式柴油机尾气分析仪。
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表 1 柴油机相关技术参数和运行条件 Tab.1 Related technical parameters and operating conditions of diesel engines |
建立T6138ZLCZU直喷柴油机燃烧室的几何模型，该模型描述了一个柴油机活塞顶部的ω型燃烧室。考虑到活塞中8孔喷油器的对称性，为了节省计算时间，计算使用含有单个喷孔的45°网格，共计64880个单元数。三维计算网格如图1所示。
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图 1 计算网格 Fig. 1 Computing grid |
采用仿真软件自带的数学模型，研究不同供油提前角对柴油机排放的影响。所用数学模型如表2所示。
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表 2 数学模型 Tab.2 Mathematical model |
计算模型初始条件设置如下：缸内初始压力为2.3 bar，缸内初始温度为330 K，气缸盖壁面温度为550 K，气缸壁面温度为450 K，活塞顶部表面温度为575 K，喷油孔径为0.305 mm，喷油压力为23.5±0.49 MPa，喷油持续期为曲轴转角20°。
本文适当简化了柴油机计算模型。该模型只考虑气门在全部关闭时的过程，计算是从进气门关闭时刻153°CA BTDC开始至排气门打开时刻142°CA ATDC结束，曲轴转角持续了295°CA。
2 计算结果与分析 2.1 缸内平均温度和平均压力的影响分析图2和图3分别给出了不同喷油提前角的缸内温度与缸内压力随曲轴转角变化的曲线。研究发现，随着供油时刻的提前，缸内最高平均温度持续上升，分别达到1517 K，1550 K，1553 K和1580 K；而缸内最大平均爆发压力随供油时刻的提前也不断上升，分别达到11.44 MPa，13.09 MPa，14.09 MPa和15.19 MPa。这是因为随着供油提前角的增大，滞燃期增长，油气混合比增大，促进了预混合燃烧，导致缸内温度和压力都有所增加[13]。
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图 2 钢内平均温度曲线 Fig. 2 Curve of average temperature in cylinder |
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图 3 缸内平均压力曲线 Fig. 3 Curve of average pressure in cylinder |
图4给出了4种供油提前角下的缸内碳烟平均质量分数随曲轴转角变化的曲线。由图可知，缸内碳烟平均质量分数随着曲轴转角的增加而急速增加，之后又急速下降，最后趋于平衡。这是因为碳烟主要在高温缺氧的情况下生成，在燃烧初期，缸内油气混合不均匀，燃油周围呈现局部高温缺氧状态，导致碳烟不断生成；随着燃烧的进行，油气混合逐渐均匀，碳烟的生成速率逐渐降低；而在燃烧后期，生成的碳烟会被重新氧化，碳烟数量有所减少，最后趋于平衡。在燃烧初始阶段，碳烟生成量随供油时刻的提前而增大，这是由于供油越早，缸内初始温度越大，燃油裂解生成的碳烟多余被氧化的碳烟，因此碳烟的排放量增加。而到燃烧后期碳烟生成量随供油时刻的提前而减小，这是由于随着供油时刻的提前，滞燃期延长，有利于燃油与空气的混合，油气混合的更加均匀，缸内局部高温缺氧的情况减少，从而导致碳烟的排放减少[14]。
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图 4 缸内碳烟平均质量分数曲线 Fig. 4 Curve of average mass fraction of soot in cylinder |
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图 5 缸内碳烟平均粒径曲线 Fig. 5 Curve of soot average particle diameter in cylinder |
图5给出了4种供油提前角下的碳烟平均粒径随曲轴转角变化的曲线。由图可知，缸内碳烟平均粒径呈现出双峰形态。燃烧开始至上止点的燃烧初始阶段，不同供油提前角，碳烟平均粒径分布基本一致。当燃烧进入到后期阶段，随着供油时刻的提前，碳烟平均粒径变小，这是因为随着供油时刻的提前，燃烧提前，油气混合更均匀，混合气在上止点附近能够更迅速、更充分的燃烧，碳烟颗粒的氧化速率增加。
图6给出了4种供油提前角下的碳烟平均数密度随曲轴转角变化的曲线。由图可知，缸内碳烟平均数密度随曲轴转角的增大先增大后减小。在燃烧前期，缸内碳烟平均数密度随着喷油时刻的提前而增大，这是因为喷油提前，滞燃期增长，燃油裂解生成的碳烟颗粒增加，导致碳烟颗粒的数量增大。在燃烧后期，这4种供油提前角下的数密度趋近，这可能是因为喷油提前角增大后，碳烟颗粒碰撞凝结导致颗粒数减少的倾向更多。研究表明，供油提前角的变化对最终生成的碳烟平均数密度影响较小。
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图 6 缸内碳烟平均数密度曲线 Fig. 6 Curve of soot average density in cylinder |
图7和图8分别为4种供油提前角下的缸内氮氧化物平均质量分数和缸内氮氧化物生成速率随曲轴转角变化曲线。由图可知，柴油机NOx排放量随着供油提前角的增大而增大，这是因为供油提前角增大，则喷油时刻提前，滞燃期延长，柴油机在滞燃期内喷入缸内的预混合油量增大，导致起火燃烧时气缸内的压力和温度急剧上升，从而使气缸燃烧的最高温度增高，已燃气体在高温下的停留时间增加，从而增加了NOx的生成率和排放率[15]。
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图 7 缸内氮氧化物平均质量分数曲线 Fig. 7 Curve of average mass fraction of NOxin cylinder |
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图 8 缸内氮氧化物生成速度曲线 Fig. 8 Curve of NOx production speed in cylinder |
图9给出了按GB 15097-2016四工况E3循环进行试验后加权计算得到PM和NOx排放量。由图可以看出，PM和NOx呈现出一种trade-off关系，PM排放量随着供油提前角的增大而减小，NOx随着供油提前角的增大而增大，这与模拟结果相符合。供油提前角增大，喷油时刻提前，滞燃期延长，燃油预混合燃烧增加，而扩散燃烧减少。碳烟的生成主要在缺氧和高温的扩散燃烧中发生，而预混合燃烧时缸内的氧气较充分，混合气较均匀，所以碳烟生成较少，PM排放得到很好抑制。随着供油提前角的增大，柴油机燃烧室内的平均燃烧温度也随之升高，已燃气体在高温下的停留时间增长，从而使NOx的排放增加。
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图 9 不同供油提前角时柴油机PM和NOx排放 Fig. 9 PM and NOx emissions from diesel engines at different fueling advance angles |
本文建立T6138ZLCZU直喷柴油机计算模型，模拟研究不同供油提前角对船用柴油机排放的影响，并通过实验实测不同供油提前角下船用柴油机的排放情况。研究结果表明：
1）缸内碳烟平均质量分数随着曲轴转角的增加而急速增加，之后又急速下降，最后趋于平衡。
2）随供油提前角的增大，碳烟的排放量减少，碳烟的平均粒径变小。供油提前角的变化对最终生成的碳烟平均数密度影响较小。
3）随供油提前角的增大，缸内温度和缸内压力都有所增高，NOx的排放量也随之增加。
4）不同供油提前角下的PM排放与NOx排放之间呈现出此消彼长的相互关系。
| [1] |
GB/T 15097-2016 船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)[S].
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| [2] |
生态环境部. 《中国移动源环境管理年报(2019)》[EB/OL]. http://www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk15/201909/t20190904_732374.html, 2019-09-04.
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