基于进气参数的渔船柴油机尾气排放影响分析*

温小飞 龚象光 邵承谱 平 弘

（1-浙江海洋大学港航与交通运输工程学院 浙江 舟山 316022 2-浙江海洋大学船舶与机电工程学院 3-浙江省渔业船舶检验局）

引言

全国渔业统计年鉴等相关统计表明：2017年渔船总数达到101.11万艘，总吨位为1 098.48×104吨，我国船舶排放二氧化硫、碳氢化合物、氮氧化物、颗粒物分别为 85.3×104吨、7.9×104吨、134.6×104吨、13.1×104吨，船舶占非道路移动源 HC、NOx、PM 排放分别为11.8%、25.6%、28.4%。面对日益加重的船舶排放环境污染，在2008年10月国际海事组织就已对MARPOL公约附则IV重新修订，对排放的氮氧化物与硫氧化物排放提出了更严格的要求，在2013年国际航行船舶温室气体减排法规也强制实施，2018年7月1日我国船舶发动机排气污染物限值不得超过第一阶段的规定也开始实行，且将在2021年7月1日更进一步提高排放限值。因此渔用柴油机排放问题日益凸显，以渔机图谱进行柴油机选型的传统方法已无法完全满足现有排放标准的要求，特别是自然吸气形式、增压非中冷等渔用柴油机排放达标问题。

近年来，船用柴油机排放方面研究形成了不少成果。在国外，Nunes.P.G.K[1]对装有涡轮增压器和后冷却器的直喷式柴油机进行了不同负荷与转速的仿真，预测柴油机性能得出提高热效率可以改善燃油消耗及排放；Zvonimir Petranovic'等[2]利用计算流体力学工具AVL FIRE对柴油机的单个工作点进行建模，通过循环模拟来评估不同柴油机运行时系统的性能和循环效率，通过分析得出，采用高压废气再循环回路，发动机热效率最高可达31.86%；Ö.Can，E.Öztürk等[3]研究了不同压力负荷下，不同比例生物柴油与柴油混合单缸直喷式柴油机的燃烧效果，试验证明生物柴油混合会导致较高的氮氧化物及二氧化碳的排放；Ahmed等[4]通过燃料替代方法，研究柴油中丁醇体积分数的变化对四冲程增压直喷式柴油机性能和排放影响。在国内，渔船总量庞大、类型繁多，但对渔用柴油机关注却较少，然而其废气排放量不可小觑，不规范的渔船柴油主机对环境污染有较大的危害，故而渔船柴油主机排放特征及规律方面研究工作显得非常必要。本文将通过数值仿真与试验分析相结合的方法，开展渔船柴油机进气参数变化对排放的影响分析，并与国Ⅰ、国Ⅱ排放标准对比，为渔船柴油机排放预测与控制提供参考依据。

1 柴油机燃烧模型

柴油机排放与缸内燃油燃烧组织、完善程度等密切相关，根据渔船柴油机机型特点采用了Wave破碎模型、Walljet1模型、Dukowicz模型、Eddy Breakup（EBU）模型等并分别用于描述燃油雾化、碰壁、蒸发、燃烧等阶段。

1.1 Wave破碎模型

Wave模型[5]是分析沿流动方向扰动波的液体与气体的不稳定性破碎计算模型，其数学描述如下：

式中：r为分离前油滴半径；Λ为相应波长；Ω为表面波最大生成速率；B0为破碎后油滴大小模型常数；B1为修正破碎时间常数，用于调整破碎时间；τ为液滴破碎时间。该模型考虑了射流的稳定性与液滴的破碎过程，还考虑了喷射油滴与喷油器结构参数的关系，能很好地描述油滴破碎的具体过程。

1.2 Walljet1模型

碰壁模型选择 Wall jet1（Naber Raiz）[6]，该模型适用于热壁面，在柴油机燃烧过程中，壁面温度较高且有能量传递。Naber Raiz模型将油滴碰壁模型分为3类，walljet1属于第3类射流模型，即入射油束以与壁面成切线方向离去，其模型方程为：

式中：Hπ为φ=π时油膜厚度，β是一个由质量守恒和动量守恒方程所确定的值。

1.3 Dukowicz模型

蒸发模型Dukowicz模型[7]是描述传热传质过程的主流模型之一，其基于5条假设，分别为液滴球对称、液滴周围为稳态气膜、沿液滴直径具有统一的液滴温度、周围流体物理属性一致，液滴表面液、气热力平衡，模型具体形式为：

式中：小标k为不同微粒的单独标记，mk为质量；upk为微粒的速度，xpk为微粒的状态，ρk为密度，Dk[Ug]表示阻力函数，由速度Ug计算，为气体运动时微粒上力的系数。

1.4 Eddy Break-up（EBU）模型

燃烧模型Eddy Break-up Model简称EBU模型，该模型中的反应速率取决于燃料与含氧涡流的混合速率，即涡流的耗散速率；EBU模型[8]方程可表示为：

2 柴油机排放模型

大多数燃烧模拟中对柴油的燃烧采用单步完全氧化的全局反应机理进行描述，为考虑柴油机排放，解决化学反应问题。同样地，本文也采用单步完全氧化反应机理模拟燃料的氧化和污染物形成，并通过迭代的方法求解各个反应的反应速率，其排放物机理模型分别如下所述。

2.1 CO2形成机理模型

假设柴油的组分用分子式C13H23表示，在理想状态下碳氢燃料完全燃烧后会全部转化为CO2和H2O，不完全燃烧时生成CO，若有氧化剂存在条件下或氧气充足工况下，CO将继续反应生成CO2；其反应方程如下：

2.2 NOx形成机理模型

NOx生成机理模型采用了Extended Zeldovish机理[9]，其可与燃烧模型联合使用，该模型认为空气中的氮气在高温与氧气反应生成的NO是NOx的主要来源，其源于1946年Zeldovishu提出的捷氏反应机理。

根据化学反应动力学结合式（9）～式（11），可得NO生成率即式（12）。

进一步可得到NO的生成率模型，即：

式中：k为速率系数；c为浓度向量。

2.3 PM（Particulate Matter，PM）形成机理模型

柴油机排放物PM组成取决于柴油机工况及排气温度，排气温度较高容易形成炭质微球聚集体，称之为炭烟[10]。本文炭烟模型采用Frolov Kinetic Model模型，该模型是基于化学反应动力学来推算炭烟的生成和氧化过程，其表达式为[11]：

式中：Sφs为碳烟形成速率，Cn为最大成核率，f为燃油的质量分数，fn为最大成核率的质量分数，σn为fn的变化系数，A为影响因子，Ea为活化能，R为气体的摩尔常数，T为温度，p为压力，F（f，φs）为表面的生长速率，f为混合物的质量分数，φs为炭烟的质量分数，pO2为氧气的部分压力，τ为湍流的时间尺度。

3 数值仿真与分析

3.1 仿真模型

以某一型式渔船柴油机为仿真对象，其基本参数为：6缸、直列、四冲程机型，采用直接喷射的ω型燃烧室，气缸直径为180 mm，活塞行程为215 mm，压缩比为15，额定功率为647 kW，额定转速为1 500 r/min。为确保渔船柴油机尾气排放仿真结果精度，采用了多重网格和动网格技术以保证网格质量如图1所示，其中图1a为1/2渔船柴油机燃烧室模型，图1b为网格划分。

图1 二维的渔船柴油机1/2燃烧室计算模型

3.2 仿真方案

为全面完整地分析渔船柴油机尾气排放与进气参数之间的变化特征及规律，根据进气温度及压力的实际变化特点，设计了20个模拟工况，详见表1。

表1 仿真工况列表

在渔船柴油机仿真计算中，数值仿真的核心模型是燃油的喷雾与可燃混合气的燃烧，其主要发生在柴油机工作循环的压缩、膨胀两个阶段，因此在AVL FIRE ESE Diesel软件仿真过程中起始点设置做了如下规定：燃烧上止点为720°CA、进气门关闭滞后角为48°CA、排气门开启提前角为54°CA，计算起始点分别为进气门关闭时刻点和排气门开启时刻点，即对应曲柄转角为 588°CA～846°CA。

3.3 边界条件

渔船柴油机仿真计算过程中燃烧室作为闭口系统，其边界类型均设置为Wall，壁面温度应用了绝热边界条件；根据渔船柴油机实际运行状态，燃烧室壁面温度设为570.15K，气缸套壁面温度设为470.15 K。活塞顶部为移动壁面表面温度设为570.15 K，另外动边界条件为模型外侧、内侧与下侧面设置为移动壁绝热。其余参数分别为喷孔夹角为150°、循环喷油量为 595 mm3、燃油温度为 37.9℃，另外经式（15）计算后得到湍动能（TNK）为14.6 m2/s2，湍流尺度为最大气门升程的一半（TLS）即为0.003 m。

式中：h为柴油主机冲程，n为柴油主机转速。

4 排放比较与分析

根据仿真方案进行参数设置与数值计算，研究不同进气压力与温度下对渔船柴油机的氮氧化物及颗粒物比排放的影响，并与国标进行比较。根据国家标准GB15097-2016《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）规定在2018年7月1日及以后不得超过表2中的限值，在2021年7月1日及以后不得超过表3中的限值。

表2 船机排气污染物排放第一阶段限值[12]

表3 船机排气污染物排放阶段二限值[12]

根据仿真渔船柴油机机型的单缸排量及额定功率，其应满足的国Ⅰ标准氮氧化物比排放为7.8 g/（kW·h），PM比排放限值为0.27g/（kW·h），国Ⅱ标准氮氧化物比排放为6.2 g/（kW·h），PM比排放值为0.14 g/（kW·h）。

在不同进气压力和温度条件下，渔船柴油机的氮氧化物比排放理论值的变化规律如图2所示，图中设置了两条氮氧化物排放达标基准线，分别为氮氧化物国Ⅰ排放基准线和氮氧化物国Ⅱ排放基准线。在图2中，各仿真方案计算得到的氮氧化物比排放理论值分布情况为虚线向上的仿真工况均不满足国Ⅰ的氮氧化物排放规定，实线以上的仿真工况均满足国Ⅱ的氮氧化物排放规定，在虚线与实线之间的仿真工况仅满足国Ⅰ的氮氧化物排放要求而达不到国Ⅱ的氮氧化物排放规定。进一步分析两条排放达标基准线变化规律，可以得出：进气压力和进气温度对渔船柴油机排放影响非常大，随着进气压力升高，其对应的进气温度明显降低后才能满足相应的排放标准。

图2 氮氧化物比排放-进气参数变化规律

对于PM比排放理论值分布情况，同样以PM国Ⅰ排放基准线和PM国Ⅱ排放基准线为参考线进行比较分析，具体如图3所示。在图3中，只有少数的仿真工况分布在实线以上即满足国Ⅰ的碳烟排放标准，更少的仿真工况分布在虚线以上即满足国Ⅱ的碳烟排放标准。同时，PM国Ⅰ排放基准线和PM国Ⅱ排放基准线均随着进气温度的升高，其进气压力也明显增大。

图3 PM比排放-进气参数变化规律

综合以上分析：氮氧化物和PM均满足国Ⅰ排放标准的仿真工况仅有3个，分别为工况11、16、17，其中工况17同时满足国Ⅱ排放标准；渔船柴油机尾气排放问题在提升进气压力同时降低进气温度的情况下会得到明显改善，但是进气压力越高即增压度越大对进气温度温度降低的要求越高；而在进气压力不高的条件下，渔船柴油机的PM根本无法满足国Ⅰ排放标准，因此工程意义不大。

5 试验验证

为了验证仿真计算结果正确性，在试验台架上对同一型号渔船柴油机进行了100%负荷的排放试验，试验台架如图4所示。

图4 渔用柴油机排放试验台架

台架试验的主要环境参数为102.7 kPa大气压力，进气口温度为29℃，进气口空气湿度为9.7 g/kg，环境相对湿度为43.9%，环境温度为27.1℃，进气增压压力为305 kPa，燃油温度为37.9℃。经试验数据分析后，得到如图5所示的渔船柴油机排放理论值与试验值比较分析图，图中渔船柴油机的缸内压力仿真值与试验值变化规律基本吻合，其中缸内最大压力误差值为0.46%，平均压力误差值为5.1%，这表明仿真模型与实际运行状态非常吻合。同时，仿真计算得到的氮氧化物排放理论值为4.54 g/（kW·h），台架试验测得的氮氧化物排放值为6.43 g/（kW·h），两者之间的误差为0.29%；而PM的理论值为0.027 g/（kW·h），台架试验测量值为为0.12 g/（kW·h），其误差百分比为0.78%。因此，应用数值仿真方法对渔船柴油机排放进行预测及分析的结果具有准确性和工程应用价值。

图5 渔船柴油机缸压理论值与试验值比较分析

6 结论

应用AVL FIRE软件进行渔船柴油机尾气排放数值仿真，其结果与实际运行状态能很好吻合，可满足实际工程分析与应用；渔船柴油机进气参数的变化对其尾气排放指标影响非常大。主要结论有：

1）进气压力较低时，渔船柴油机的氮氧化物排放较少能达到排放标准，但其颗粒物排放却无法达到国家标准。

2）进气低压低温时，渔船柴油机的氮氧化物与颗粒物值都较少，有利于控制排放，但无法满足功率输出要求。

3）增压非中冷或自然吸气机型很难达到国Ⅰ排放标准，更无法满足国Ⅱ排放要求，增压中冷机型是解决渔船排放达标问题的有效技术途径。