0 引　言

随着国际海事组织（IMO）对柴油机废气排放相关法规的生效，内燃机节能减排，实现清洁燃烧，已成为当前柴油机排放研究热点之一。前期国内外学者对乳化燃料的研究与积累为后续掺水乳化技术的研究奠定了基础，当前掺水乳化燃料燃烧特性及排放特性的研究将指导燃料更为有效、绿色的应用，大量的研究表明：掺水乳化柴油能够降低氮氧化物和碳烟排放^[1-2]；掺水乳化柴油燃烧滞燃期相对要短，燃烧温度高，缸内爆发压力低于柴油^[3]；乳化柴油的燃爆性能与水的质量分数不是线性关系，水含量存在一个最优值^[4-5]；含水柴油可以大幅度降低碳颗粒排放，某些情况下氮氧化物排放量不能降低^[6]。基于当前研究现状，对掺水乳化柴油缸内燃烧温度、压力、放热效率以及氮氧化物等排放特性无系统性研究，尚存探索空间。本文以船用中速柴油机为研究对象，采用AVL-FIRE软件对其气缸内的燃烧进行仿真模拟，研究多种工况不同掺水比例乳化柴油缸内燃烧情况，以深入理解掺水乳化柴油燃烧过程，从而补充对掺水柴油燃烧特性研究的基本面，加深对乳化柴油燃烧的认识，指导柴油机性能优化。

1 计算模型

本文计算采用模型如表1所示。

1.1 初始参数

选定船用中速柴油机为研究对象，根据柴油机气缸燃烧室结构尺寸，建立网格模型，模拟掺水乳化柴油燃烧。具体参数如表2所示，喷油器参数如表3所示。

1.2 计算网格生成

利用FIRE软件ESE Diesel模块生成模型并对其进行网格划分，由于本文所研究的喷油器为9孔，呈中心对称，所以选取燃烧室1/9切片进行建模。图1为活塞位于上止点、670°CA与进气门关闭时刻燃烧室网格。

1.3 模型验证

计算工况为原发动机额定工况，所使用边界条件如表4所示。将计算所得的缸内压力随曲轴转角的变化曲线与台架试验获得的缸内压力曲线对比，压力曲线基本吻合，表明建立模型正确，如图2所示。

2 工况设置

根据柴油机额定参数设置，单个喷油器额定喷油量为173 mg，本文针对燃烧室其他参数相同的情况下，设定标准喷油量和标准含油量，如表5和表6所示。在额定转速工况下进行数值模拟，研究分析不同掺水量对气缸内燃烧特性及排放特性的影响。

定义注释，标准喷油量：一个喷油器单循环喷油量为柴油机额定喷油质量，掺水乳化油喷射量为173 mg；标准含油量：一个喷油器单循环喷射掺水乳化油中柴油含量为173 mg。

3 仿真结果分析 3.1 不同掺水比例对乳化油燃烧特性的影响

图3为标准喷油量时不同掺水比例对缸内放热率曲线，从图中可以看出掺水比例不影响燃料燃烧持续期，乳化油燃烧持续期与纯柴油基本保持一致；在标准喷油量工况下掺水比例为3%时，由于乳化油中水分子作用，掺水乳化柴油燃烧产生“微爆”效应，燃烧过程中水分子吸热蒸发，当油滴中的水超过油的表面张力及环境压力之和所对应的饱和温度时，水蒸汽将冲破油膜而使乳化油滴爆炸，形成更细小的油滴，“微爆”效应降低了过剩二次雾化的微粒与空气中的氧气充分混合，燃烧速度加快，能实现柴油在低于过剩空气系数条件下完全燃烧，其产生的额外热量可弥补乳化油中柴油含量减少所带来的热量损失，因此掺水比例为3%乳化油燃烧放热与纯柴油燃烧基本持平。随着掺水量的增加，乳化油中柴油含量的降低成为放热效率降低的主导因素，燃烧放热率随着掺水比例增加而依次降低。整体来看，放热主要分为2个持续阶段，718°CA～726°CA为燃料燃烧放热峰值平台，此时掺水乳化柴油在气缸内持续放热；随着掺水乳化油的持续喷入，气缸内水的含量增加吸收燃烧释放的热量，从而影响乳化油的放热率，随后缸内进入第2阶段燃烧放热，随着燃料的耗尽，放热逐渐减少。图4为标准含油量下不同掺水比例对缸内放热率曲线，即柴油含量保持173 mg不变增加水的比例形成的乳化油燃烧放热率曲线。从图中可以看出，缸内燃烧的乳化油放热率随着掺水比例的增加而增大，这是因为掺水乳化柴油燃烧时气缸内处于高温、缺氧状态，为发生水煤气反应提供环境，通过水煤气反应，不完全燃烧的碳烟在活性物质的作用下，进一步燃烧，减少排烟的热损失，从而提高燃油的利用率实现节能的目的。

图5为标准喷油量下不同掺水比例对应缸内压力曲线，如图中所示，当掺水比例为0%，3%，6%时3种燃料燃烧所产生的气缸压力基本相同，随着掺水比例继续增大，缸内压力减小。分析认为纯柴油和掺水3%和6%的乳化柴油燃烧时缸内压力相同是因为乳化油中柴油含量减少的情况下，乳化油燃烧时产生“微爆”效应，能够使乳化油在柴油含量减少的情况下，产生更大的压力。当掺水比例大于6%时，随着掺水比例的增加，掺水乳化油中柴油含量减少，此时乳化油中柴油含量成为影响压力的主要因素，“微爆效应”不足以支撑柴油减少带来的燃烧压力损失。图6为标准含油量不同掺水比例对应缸内放热率曲线，如图所示缸内压力随着掺水比例增加而增大，此工况下乳化油中柴油含量保持不变，随着水的含量增加，“微爆”效应更为明显，二次雾化致使燃料燃烧充分，导致气缸内最高爆发压力比纯柴油燃烧所产生压力大，增强输出动力的同时也增大柴油机负荷和振动，超出柴油机额定的承载能力，长时间超额运行将缩短柴油机寿命。

图7为标准喷油量时不同掺水比例的乳化油缸内温度曲线，从图中可以看出随着掺水比例增加缸内温度逐渐减小，曲轴转角743°CA时到达最高温度。分析认为掺水乳化油燃烧中的“微爆”效应和水煤气反应产生的额外热量不足以弥补柴油含量减少损失的热量，随着掺水量的增加，乳化油中柴油含量逐渐减少，使乳化油气缸内温度降低。另一方面，随着乳化油中掺水比例的增加，乳化油燃烧时水吸收热量，降低了气缸温度。图8为标准含油量下不同掺水比例的乳化油缸内温度曲线，即柴油含量保持173 mg不变增加水的比例形成乳化柴油的燃烧时缸内温度曲线。从图中可以看出，缸内温度随着掺水比例的增加而增大，这是因为当掺水乳化柴油中柴油含量保持不变时，随着含水量的增加，缸内燃烧产生“微爆”效果更为明显，同时发生水煤气反应，水煤气的放热反应提高了油的化学能转化为热能的转化效率；通过水煤气反应，不完全燃烧的碳烟在活性物质的作用下，进一步发生燃烧反应，从而提高了燃油的利用率，达到节能的效果。

3.2 不同掺水比例对乳化油燃烧排放特性的影响

图9为标准喷油量时不同掺水比例的乳化油燃烧时缸内NOx生成曲线，掺水比例为3%和6%的乳化油燃烧产生的氮氧化物含量高于纯柴油燃烧生成的氮氧化物，随着掺水比例的增加，当掺水比例达到9%时，掺水乳化柴油燃烧产生的氮氧化物含量低于纯柴油燃烧产生的氮氧化物，随着乳化油中水含量继续增加，氮氧化物生成量呈现持续降低趋势。分析认为高温、富氧以及在高温环境中氮氧接触时间构成氮氧化物生成三大要素，乳化油燃烧时，水分汽化吸收气缸内的热量使缸内温度下降，微爆、二次雾化过程能够减少燃烧辐射热并且使气缸内其他混合均化，壁面出现局部高温、富氧，这使NOx的排放量下降。图10为标准含油量时不同产水比例的乳化油燃烧时缸内NOx生成曲线，图中显示当乳化油中柴油含量保持不变时，随着掺水比例的增加氮氧化物含量随着掺水比例的增加而增大。分析认为乳化油燃烧过程中发生“微爆”、二次雾化现象致使燃料燃烧更为充分，乳化油燃烧产生的热量高于纯柴油，然而气缸内水分子蒸发吸收的热量不足以降低气缸内温度，导致气缸局部产生高温、富氧环境，在燃烧持续期内大量的氧氮结合产生氮氧化物。因此，柴油含量保持恒定时，掺水不利于氮氧化物的减排。

图11和图12分别为标准喷油量和标准含油量时不同掺水比例的乳化油燃烧时缸内碳烟生成曲线，图中显示随着掺水比例的增加乳化油燃烧产生的碳烟含量降低，其中标准喷油量工况下掺水比例为12%时，乳化油燃烧碳烟生成量相对于纯柴油燃烧降低43.8%，减排效果明显。分析认为影响碳烟生成的主要因素为高温、缺氧，在柴油机燃烧室高温区域，水分解成H⁺，O^2-和OH^-等活性物质，在这些活性物质的作用下发生水煤气反应生成更易于燃烧的CO和H₂，使燃料中的C燃烧更为充分。此外，对于标准喷油量工况下随着掺水比例的增加，乳化油中柴油含量的减少一定程度的减少碳烟生成量，减排效果更为明显。

4 结　语

1）对于掺水乳化油燃烧放热效率，标准喷油量工况下随着掺水比例的增加，乳化油燃烧的放热效率降低，当掺水比例为3%时，乳化油与纯柴油燃烧放热率基本持平；标准含油量工况下，随着掺水比例的增加，乳化油燃烧放热率增加。

2）对于掺水乳化油燃烧缸内温度，标准喷油量工况下缸内温度随着产水比例的增加而降低；标准含油量工况下缸内温度随着掺水比例的增加而升上。

3）对于掺水乳化油燃烧缸内压力，标准喷油量工况下乳化油掺水比例小于6%时，乳化油燃烧时缸内压力与纯柴油燃烧时压力持平，随着掺水比例的继续增加，缸内压力逐渐减少；标准含油量工况下，乳化油燃烧缸内压力随着掺水比例增加而增强。

4）对于掺水乳化油燃烧产生氮氧化物，标准喷油量工况下乳化油掺水比例小于6%时，氮氧化物生成量随着掺水比例的增加而上升且高于纯柴油燃烧生成量，掺水比例大于6%后，氮氧化物生成量随着掺水比例的增加而降低且低于纯柴油燃烧生成量；标准含油量工况下，氮氧化物生成量随着掺水比例的增加而上升。

5）对于掺水乳化油燃烧产生碳烟，缸内碳烟生成量随着掺水比例的增加而降低，相比于纯柴油燃烧可降低43.8%，减排效果明显。