环境湿度对船舶主机动力和排放的影响

曾向明，何永明

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

0 引 言

二冲程柴油机在船舶上大量应用，具有低油耗、高效率的特点，有着良好的经济性和动力性。随着全球大气污染的加重和人们环保意识的增强，船舶柴油机的尾气污染引起了大众的广泛关注，IMO 对船舶柴油机排放提出了更高的要求[1-2]。因此，船用二冲程柴油机的动力性和排放性能成为船舶运营商关注的焦点，故对柴油机的燃烧排放优化提出了迫切的要求[3]。

环境湿度、环境温度以及环境压力都会对柴油机的燃烧过程产生影响，但是进气湿度对柴油机燃烧和排放的影响具有较大的影响，且其具有难度低、成本小、耐久性好、减排潜力可观的优势，是未来船舶柴油机达到法规的主要技术手段。进气湿度对柴油机燃烧的影响主要在热效应、化学反应、稀释效应等方面。

1）水的高比热容能降低燃烧温度，水相对湿度的增加会提高进气的热容值，进而吸收更多的热量降低燃烧温度，从而减少NOx 的产生。

2）燃烧过程中，水的存在会导致“水煤气反应”进而降低Soot 的排放，其本质是水受热分解为H 基和OH 基团，OH 基和N 的反应较迟钝，且促进Soot 的氧化。

3）进气湿度的增大会稀释进气氧浓度，可抑制NOx 的产生，但同时会提高Soot 的生成[4-6]。

本文以GT-Power 为工具建立船用柴油机的一维模型，分析不同的进气湿度对柴油机NOx 和Soot 排放的影响。

1 计算模型介绍与验证

1.1 缸内燃烧的基本方程

1）质量守恒方程

式中：m 为喷入气缸燃油质量；mS为喷入气缸空气质量；me为流出气缸尾气质量；gf，kg/cyc 为柴油机的循环喷油量；为燃烧速率，或者称为放热率。

2）能量守恒方程

由热力学第一定律dq=du+pdv 有：

式中：φ 为曲轴转角；U 为系统的内能；QB为燃料在燃烧时放出的能量；QW为气缸与外界交换的热量；hs、he为进气阀和排气阀处工质的比焓；p 为气缸内工质压力；V 为气缸工作容积；

3）动量守恒方程

微元体中流体的动能对时间的变化率等于外界作用在该微元体上各种力之和，由此定律可导出动量守恒方程：

式中：p 为静压；τij为应力张量；gi和Fi分别为i 方向上的重力体积力和外部体积力（如离散相相互作用产生的升力）。

1.2 模型的建立

以MAN B&W 6S35ME-B9 型船用二冲程柴油机为研究对象，其技术参数如表1 所示。在GT-POWER 中建立一个一维的仿真计算模型，燃烧模型选择DIJET燃烧模型进行模拟仿真。

1.3 模型的校核

以6S35ME-B9 在100%，75%，50%负荷下对实验值和模拟值进行校核，缸压曲线基本吻合。以75%负荷为例，可得出模拟值和实测值差值都小于5%，在工程允许的误差之内。具体对比如表2 和图1 所示。

由表2 和图1 可知，所建立的模型在缸内压力的预测和具体运行工况吻合很好，可用来作为燃烧的具体研究。

2 不同环境湿度对单一因素的影响

柴油机环境湿度会影响柴油机的进气湿度，根据实验目的设置不同的环境湿度。数值模拟的基本条件有：发动机恒定转速129 r/min，单缸循环喷油量为10.285 g，扫气压力2.9 bar，以25 ℃，101 kPa 的大气条件下，以相对湿度0%，25%，50%，75%，100%的条件下对柴油机进行模拟仿真，以期充分研究环境湿度对柴油机燃烧和排放的影响规律。

表1 MAN B&W 6S35ME-B9 型机基本技术参数Tab. 1 Basic technical parameters of MAN B&W 6S35ME-B9

表2 主要参数模拟结果与实验值的对比Tab. 2 Comparison of main parameter simulation results with experimental values

2.1 环境湿度对缸内燃烧温度的影响

图1 缸内压力曲线对比图Fig. 1 In-cylinder pressure curve comparison chart

图3 局部放大Fig. 3 Partial enlargement

图2 为不同环境湿度下缸内最高燃烧温度的变化趋势，图3 为不同进气湿度下最高燃烧温度局部放大。可以看出，在压缩过程中，缸内压力受进气加湿率的影响较小，但随着燃烧的开始，不同进气湿度出现了温度的分离，随着相对湿度的提高，缸内最高温度和平均温度都有降低的趋势，这是因为在燃烧的过程中，掺水蒸气的空气进入燃烧区与燃油蒸气融合，水分子占去了氧气的比例，减缓了反应的速率；低温的掺水的空气与高温的燃油混合发生热传递会减缓高温燃油的混合传递，从而导致燃烧放热率下降，相位后移；水的高比热容能降低燃烧温度，水相对湿度的增加会提高进气的热容值，进而吸收更多的热量降低燃烧温度，从而减少NOx 的产生[7]。另外，水蒸气会吸收热量分解为O 基和OH 基参与反应，这也会导致燃烧温度的降低。

2.2 环境相对湿度对缸内燃烧压力的影响

图4 不同湿度下缸内压缩压力Fig. 4 In-cylinder compression pressure diagram under different humidity

图5 不同湿度缸内爆发压力Fig. 5 Burst pressure diagram in different humidity cylinders

图4 为不同相对湿度对压缩压力的影响，图5 为不同相对湿度对缸内最高燃烧压力的影响。由图4 可以看出在压缩过程中，缸内压力随着相对湿度的增加而增加，这是因为水的密度要小于空气的密度，空气中相对湿度的增加会导致气体的密度降低，进而在压缩终点会导致更多的空气进入到缸内，从而提高了压缩空气的压力[8]。由图5 可以看出，燃烧过程中随着进气相对湿度的提高，最高爆发压力会降低，这主要是由于在燃烧过程中水分子参与了燃烧过程，水分子间存在着缔合分子，水在反应中需要吸收热量克服水之间的缔合作用。另外，水的比热较大，会大量吸收反应中昌盛的热量，从而降低反应的速率，进而降低其压力。

2.3 不同湿度对NOx 的影响

影响柴油机NOx 生成率和排放率的根本因素是燃烧温度、氧原子浓度和工质在高温环境下的持续时间（即形成NOx 的反应时间）。柴油机燃料中的含氮量不足0.02%，排气中氮氧化物主要是由空气中所含氮气在高温下生成的，反应机理为：

图6 为不同进气湿度产生的NOx 曲线。可知，随着进气湿度的提高，NOx 的生成量呈减少趋势。上述反应中OH 原子是水在高温分解时产生的，OH 原子的存在会促进NO 原子的生成，所以OH 原子的浓度是NO 原子生成的一个因素。另外，由上述温度可知，相对湿度的增加会导致温度的降低，进而导致NOx 产生量减少。由实验可知，温度对NOx 的产生具有主导作用[9]。

2.4 不同湿度对Soot 产生的影响

图6 不同湿度NOx 的排放Fig. 6 NOx emission diagram from different humidity

Soot 源自未燃燃料。在高温富油区域，由气相燃料核变为固相，随后周围的碳氢化合物或者其余可用分子便在核心上凝结或者被吸收。Particulate 则是Soot 和其余一些液相或者固相物质的结合物。Particulate分为可溶组分和不可溶组分，而Soot 为Particulate 的不可溶组分，比例一般要高于50%。

虽然目前还没有一个得到公认的Soot 生成反应方程式，但实验已经证明Soot 的生成主要受到压力、温度和混合气当量比等因素的影响。Soot 产生量的常用计算方法为，以HiroyasuSoot 模型和NSC(Nagle and Strickland-Constable)Soot 氧化模型为基础，通过Arrhenius 公式来模拟Soot 的生成量[10]。

1）HiroyasuSoot 生成模型

式中：MSf为Soot 生成总量；Mfv为燃油蒸汽质量；Af为前置系数；P 为缸内压力；Ef为Soot 形成的活化能；R 为气体常数；T 为气缸内温度。

2）NSCSoot 氧化模型

假设Soot 颗粒为球形，大小一致，并且Soot 颗粒表面由易氧化物质和不易氧化物质组成。

式中：MSO为Soot 氧化质量；Mc 为碳原子的摩尔质量；ρ 为Soot 密度；DS为Soot 的直径； PO2为气缸内氧气压力；x 为Soot 颗粒表面易氧化物质所占的比例。

由图7 可知，随着相对湿度的增加，Soot 排量呈现出上升的趋势，且在燃烧过程中，其相对增量增加迅速，其主要原因是进气相对湿度提高导致滞燃期延长，Soot 的生成时刻也相对延迟。理论上讲，滞燃期延长可以使油气混合的时间延长，使得局部缺氧、富油区减少，从而减少Soot 的形成。另外，水分子在高温下分解的OH 基可加速Soot 的氧化。但是Soot 的后期氧化会随着加湿率的增加而减小，其主要是因为水蒸气占据了原本氧的比例，使得燃油的燃烧后期氧的含量不足，导致Soot 的产量增加，最终呈现的是随着相对湿度的增加，Soot 的最终生成量增加。

图7 不同湿度下Soot 排放Fig. 7 Soot emission diagram under different humidity

3 结 语

1）随着进气湿度的提高，柴油机缸内压力和燃烧温度均出现下降，缸内最高爆发压力降低的幅度约有12.95 bar，缸内最高燃烧温度降低约210 K。

2）随着进气湿度的提高，可以减少局部富氧区的形成，降低燃烧反应温度，抑制NOx 的形成。

3）随着进气湿度的增加，Soot 的排放呈上升的趋势，主要因为燃烧后期氧气的不足导致氧化能力的降低。

4）在进一步研究相对湿度对柴油机的影响时应考虑动力性和排放的综合效果，继续研究经济性最优的方法。