一种降低NOx排放的船用柴油机进排气正时优化方法

杨京宝 李 良 孙记树 赵书健

一、引言

随着我国对环境保护重视程度的提高，相关的排放法规要求越来越严格。根据《GB 15097—2016船舶发动机排气污染物排放极限值及测量方法（中国第一、二阶段）》（以下简称《GB 15097—2016》）的要求，自2022年7月1日起，所有销售、进口和投入使用的船机（含作为配件的船机）必须满足中国第二阶段的排放要求，所以船用柴油机生产厂家必须对船用柴油机NOx排放性能进行优化，以便生产的船机可以在中国的内河或沿海船舶上使用。优化柴油机的排放性能一般通过调整柴油机的供油角度、推迟柴油机供油时间来实现。减小喷油提前角可以降低NOx排放，但同时也会造成柴油机功率下降和燃油消耗率增加[1]。

目前降低NOx比排放值的简单方法是采用电控喷油泵替代机械高压油泵，其可在不同工况下任意调整供油角度；缺点是目前我国电控喷油单体泵制造及智能化水平较低，可靠性较差，且不利于维修。通过NOx比排放值的计算方法可以发现，NOx比排放值与排气流量具有最直接的关系，同时NOx的生成与柴油机汽缸内的燃烧过程关系较大。因此可以通过优化柴油机的进、排气正时，改变柴油机的进气量和实际压缩终点的压力和温度，优化柴油机的燃烧过程，从而实现NOx比排放值的降低。同时，合理的配气相位是一种提高发动机功率和节能减排的非常有效的途径。李军等[2]利用AVL BOOST对车用1.5 L柴油发动机进行了进、排气正时的仿真分析和优化，仿真结果表明，优化后的配气相位使柴油机的动力性能和经济性都有一定提高。刘鹏等[3]基于AVL-BOOST软件，建立了20V170型柴油机工作过程计算模型，通过改变配气定时优化了柴油机性能，由仿真模拟得到的有关性能数据与实际试验得到的数据吻合性较好，证明优化配气定时能够改善柴油机的整体性能。

本文以某缸径/行程为260 mm/330 mm的船用中速柴油机为研究对象，通过改变柴油机的进、排气正时，基于AVL-BOOST仿真及柴油机性能对比分析，使柴油机进气阀晚开、进气阀和排气阀早关，改变了柴油机的进气量，影响了燃烧过程，降低了柴油机的NOx比排放值。通过实际柴油机排放试验及数据对比分析，验证了本文提出的方法能够使柴油机的排放性能更佳，可以满足更高标准的排放要求。

二、仿真模型的建立及柴油机性能对比

建立的柴油机AVL-BOOST工作仿真模型，如图1所示，其6个汽缸的设置完全相同，采用韦伯（Vibe）燃烧模型来研究汽缸内的燃烧放热特性，并选用目前国内外普遍使用的Woschni1978传热模型。

图1 柴油机A VL-BOOST工作仿真模型

需要优化的船用中速柴油机为直列、四冲程、直喷、增压中冷，其主要技术参数见表1。

表1 船用柴油机主要技术参数

将表1中的参数输入AVL-BOOST工作仿真模型中，发动机摩擦损失FMEP值按照上海交通大学经验公式的计算值输入，即

式中：D为汽缸直径，m；Cm为活塞平均速度，m/s；BMEP为平均有效压力，MPa。该经验公式主要用于四冲程增压柴油机。

在汽缸模块中，经多次仿真计算，在油耗为2.47 g/Cycle时，额定功率能够保持在1 765 kW，燃烧持续期为50°时，可使柴油机爆发压力维持在18.0 MPa；同时进气阀间隙设置为0.5 mm，排气阀间隙设置为0.7 mm，阀座直径均按实际数值设置为70 mm。按照凸轮轴的型线数值，输入得出进、排气阀升程曲线如图2、图3所示。

图2 进、排气正时优化前的进气阀升程曲线

图3 进、排气正时优化前的排气阀升程曲线

在AVL-BOOST模型中，连接管路、空冷器以及增压器等相关件的参数均按柴油机实际参数输入即可。

在保证柴油机其他参数不变的情况下，优化柴油机的进、排气正时，具体参数见表2。

表2 船用柴油机优化后的进排气正时

在汽缸模块设置中，根据优化后的进、排气正时设计出进、排气凸轮轴的型线，并把数值输入汽缸模块中，得出进、排气阀升程曲线如图4、图5所示。

在此进、排气正时设置参数下，经多次仿真计算，在油耗为2.39 g/Cycle时，额定功率能够保持在1 765 kW。

图4 进、排气正时优化后的进气阀升程曲线

图5 进、排气正时优化后的排气阀升程曲线

按照表1和表2中的柴油机技术参数，分别对柴油机进行仿真分析，得出柴油机功率对比曲线如图6所示。

图6 功率仿真对比曲线

由图6可以看出，柴油机在100%工况下的功率是一致的。在此情况下，柴油机的进气流量对比曲线如图7所示。

图7 进气流量对比曲线

由图7可以看出，进、排气正时优化后的柴油机进气流量小于优化前的柴油机进气流量，故进、排气正时优化后，增压器的参数配置需要通过更为精确的台架试验进一步优化，以适应新的进气流量和压力要求。燃油消耗率由2.47 g/Cycle降低至2.39 g/Cycle，柴油机的经济性也得到提高。由此，可以通过柴油机排放试验，优化和对比柴油机的排放性能。

三、柴油机排放试验及数据对比

针对进、排气正时优化前和优化后的柴油机，在优化柴油机性能的基础上，分别进行排放试验。

（一）进、排气正时优化前的柴油机排放测试

在充分进行了柴油机各零部件的性能匹配（主要是增压器配置参数的优化），使柴油机燃油消耗率、最高爆发压力，各项排温、水温、油温以及油压、水压等技术参数均达到最佳性能匹配的基础上，通过调整柴油机供油角度，记录柴油机排放测试相关数据，以供油角度为6°时为例，排放测试主要数据见表3。

通过碳平衡法，根据CO2排放浓度、燃油消耗率、燃油成分等参数可以计算出排气质量流量，再根据《GB 15097—2016》中NOx比排放值的计算方法、NOx浓度值以及环境参数，得出NOx的比排放值为7.14 g/kWh。

表3 进、排气正时优化前的排放测试数据

（二）进、排气正时优化后的柴油机排放测试

通过AVL-BOOST仿真可以看出，由于进、排气正时的优化（见表1和表2），使得柴油机的燃油消耗率和进气流量得以降低；进气流量的改变，需要对增压器的配置进行优化，以实现在更低进气流量需求的情况下，降低柴油机最高爆发压力及各项排温，保证最高爆发压力等主要技术参数与进、排气正时优化前一致（或降低），且不超过柴油机的设计值。

在优化凸轮轴，调整柴油机进、排气正时，并对增压器的参数进行了充分调整优化后，通过调整柴油机供油角度，优化柴油机的排放；以供油角度为6°时为例，排放测试主要数据见表4。

表4 进、排气正时优化后的排放测试数据

通过碳平衡法，根据CO2排放浓度、燃油消耗率、燃油成分可以计算出排气质量流量，再根据《GB 15097—2016》中NOx比排放值的计算方法、NOx浓度值以及环境参数，可以得出NOx的比排放值为6.44 g/kWh。

（三）柴油机排放试验性能对比

《GB 15097—2016》中关于NOx的比排放值的计算，是与柴油机排气质量流量、柴油机试验时的环境参数以及测试得出的NOx浓度具有直接关系的。

通过对比表3和表4中排放测试试验数据可以发现，进、排气正时优化后的柴油机排气质量流量明显小于优化前，排气流量对比曲线如图8所示。

同时，燃油消耗率也得到了进一步的优化。通过使用优化后的柴油机进、排气正时，降低排气质量流量，优化柴油机燃烧的方式，NOx的比排放值由7.14 g/kWh降低至6.44 g/kWh，实现了GB15097/中国第一阶段排放至GB15097/中国第二阶段排放的跨越。通过排放试验可以证明，采取优化柴油机进、排气正时，使柴油机进气阀晚开、进气阀和排气阀早关的方式，降低柴油机进气质量流量，优化柴油机燃烧过程，进而降低NOx比排放值的方法是可行的。

图8 排气流量对比曲线

四、结论

本文通过调整船用柴油机进、排气正时，使柴油机进气阀晚开（由上止点前70°CA改为50°CA）、进气阀早关（由下止点后35°CA改为10°CA）、排气阀早关（由上止点后60°CA改为40°CA），在降低了柴油机排气流量的同时，优化了增压器的配置，改善了柴油机的燃烧过程，从而实现了NOx的比排放值由7.14 g/kWh降低至6.44 g/kWh。

本文提供了一种降低船用中速大功率柴油机NOx比排放值的新思路，即若船用中速柴油机通过改变供油角度或优化燃油系统等方式很难再降低NOx比排放值，可以通过改变进、排气正时，优化柴油机燃烧过程，降低柴油机排气质量流量的方式，继续降低NOx比排放值，以满足更高的排放标准要求。