溫小飛 龔象光 邵承譜 平 弘

（1-浙江海洋大學(xué)港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院 浙江 舟山 316022 2-浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院 3-浙江省漁業(yè)船舶檢驗(yàn)局）

引言

全國(guó)漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒等相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明：2017年漁船總數(shù)達(dá)到101.11萬(wàn)艘，總噸位為1 098.48×104噸，我國(guó)船舶排放二氧化硫、碳?xì)浠衔?、氮氧化物、顆粒物分別為 85.3×104噸、7.9×104噸、134.6×104噸、13.1×104噸，船舶占非道路移動(dòng)源 HC、NOx、PM 排放分別為11.8%、25.6%、28.4%。面對(duì)日益加重的船舶排放環(huán)境污染，在2008年10月國(guó)際海事組織就已對(duì)MARPOL公約附則IV重新修訂，對(duì)排放的氮氧化物與硫氧化物排放提出了更嚴(yán)格的要求，在2013年國(guó)際航行船舶溫室氣體減排法規(guī)也強(qiáng)制實(shí)施，2018年7月1日我國(guó)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物限值不得超過(guò)第一階段的規(guī)定也開(kāi)始實(shí)行，且將在2021年7月1日更進(jìn)一步提高排放限值。因此漁用柴油機(jī)排放問(wèn)題日益凸顯，以漁機(jī)圖譜進(jìn)行柴油機(jī)選型的傳統(tǒng)方法已無(wú)法完全滿足現(xiàn)有排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，特別是自然吸氣形式、增壓非中冷等漁用柴油機(jī)排放達(dá)標(biāo)問(wèn)題。

近年來(lái)，船用柴油機(jī)排放方面研究形成了不少成果。在國(guó)外，Nunes.P.G.K[1]對(duì)裝有渦輪增壓器和后冷卻器的直噴式柴油機(jī)進(jìn)行了不同負(fù)荷與轉(zhuǎn)速的仿真，預(yù)測(cè)柴油機(jī)性能得出提高熱效率可以改善燃油消耗及排放；Zvonimir Petranovic'等[2]利用計(jì)算流體力學(xué)工具AVL FIRE對(duì)柴油機(jī)的單個(gè)工作點(diǎn)進(jìn)行建模，通過(guò)循環(huán)模擬來(lái)評(píng)估不同柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的性能和循環(huán)效率，通過(guò)分析得出，采用高壓廢氣再循環(huán)回路，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率最高可達(dá)31.86%；?.Can，E.?ztürk等[3]研究了不同壓力負(fù)荷下，不同比例生物柴油與柴油混合單缸直噴式柴油機(jī)的燃燒效果，試驗(yàn)證明生物柴油混合會(huì)導(dǎo)致較高的氮氧化物及二氧化碳的排放；Ahmed等[4]通過(guò)燃料替代方法，研究柴油中丁醇體積分?jǐn)?shù)的變化對(duì)四沖程增壓直噴式柴油機(jī)性能和排放影響。在國(guó)內(nèi)，漁船總量龐大、類(lèi)型繁多，但對(duì)漁用柴油機(jī)關(guān)注卻較少，然而其廢氣排放量不可小覷，不規(guī)范的漁船柴油主機(jī)對(duì)環(huán)境污染有較大的危害，故而漁船柴油主機(jī)排放特征及規(guī)律方面研究工作顯得非常必要。本文將通過(guò)數(shù)值仿真與試驗(yàn)分析相結(jié)合的方法，開(kāi)展?jié)O船柴油機(jī)進(jìn)氣參數(shù)變化對(duì)排放的影響分析，并與國(guó)Ⅰ、國(guó)Ⅱ排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，為漁船柴油機(jī)排放預(yù)測(cè)與控制提供參考依據(jù)。

1 柴油機(jī)燃燒模型

柴油機(jī)排放與缸內(nèi)燃油燃燒組織、完善程度等密切相關(guān)，根據(jù)漁船柴油機(jī)機(jī)型特點(diǎn)采用了Wave破碎模型、Walljet1模型、Dukowicz模型、Eddy Breakup（EBU）模型等并分別用于描述燃油霧化、碰壁、蒸發(fā)、燃燒等階段。

1.1 Wave破碎模型

Wave模型[5]是分析沿流動(dòng)方向擾動(dòng)波的液體與氣體的不穩(wěn)定性破碎計(jì)算模型，其數(shù)學(xué)描述如下：

式中：r為分離前油滴半徑；Λ為相應(yīng)波長(zhǎng)；Ω為表面波最大生成速率；B0為破碎后油滴大小模型常數(shù)；B1為修正破碎時(shí)間常數(shù)，用于調(diào)整破碎時(shí)間；τ為液滴破碎時(shí)間。該模型考慮了射流的穩(wěn)定性與液滴的破碎過(guò)程，還考慮了噴射油滴與噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，能很好地描述油滴破碎的具體過(guò)程。

1.2 Walljet1模型

碰壁模型選擇 Wall jet1（Naber Raiz）[6]，該模型適用于熱壁面，在柴油機(jī)燃燒過(guò)程中，壁面溫度較高且有能量傳遞。Naber Raiz模型將油滴碰壁模型分為3類(lèi)，walljet1屬于第3類(lèi)射流模型，即入射油束以與壁面成切線方向離去，其模型方程為：

式中：Hπ為φ=π時(shí)油膜厚度，β是一個(gè)由質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒方程所確定的值。

1.3 Dukowicz模型

蒸發(fā)模型Dukowicz模型[7]是描述傳熱傳質(zhì)過(guò)程的主流模型之一，其基于5條假設(shè)，分別為液滴球?qū)ΨQ(chēng)、液滴周?chē)鸀榉€(wěn)態(tài)氣膜、沿液滴直徑具有統(tǒng)一的液滴溫度、周?chē)黧w物理屬性一致，液滴表面液、氣熱力平衡，模型具體形式為：

式中：小標(biāo)k為不同微粒的單獨(dú)標(biāo)記，mk為質(zhì)量；upk為微粒的速度，xpk為微粒的狀態(tài)，ρk為密度，Dk[Ug]表示阻力函數(shù)，由速度Ug計(jì)算，為氣體運(yùn)動(dòng)時(shí)微粒上力的系數(shù)。

1.4 Eddy Break-up（EBU）模型

燃燒模型Eddy Break-up Model簡(jiǎn)稱(chēng)EBU模型，該模型中的反應(yīng)速率取決于燃料與含氧渦流的混合速率，即渦流的耗散速率；EBU模型[8]方程可表示為：

2 柴油機(jī)排放模型

大多數(shù)燃燒模擬中對(duì)柴油的燃燒采用單步完全氧化的全局反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行描述，為考慮柴油機(jī)排放，解決化學(xué)反應(yīng)問(wèn)題。同樣地，本文也采用單步完全氧化反應(yīng)機(jī)理模擬燃料的氧化和污染物形成，并通過(guò)迭代的方法求解各個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)速率，其排放物機(jī)理模型分別如下所述。

2.1 CO2形成機(jī)理模型

假設(shè)柴油的組分用分子式C13H23表示，在理想狀態(tài)下碳?xì)淙剂贤耆紵髸?huì)全部轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，不完全燃燒時(shí)生成CO，若有氧化劑存在條件下或氧氣充足工況下，CO將繼續(xù)反應(yīng)生成CO2；其反應(yīng)方程如下：

2.2 NOx形成機(jī)理模型

NOx生成機(jī)理模型采用了Extended Zeldovish機(jī)理[9]，其可與燃燒模型聯(lián)合使用，該模型認(rèn)為空氣中的氮?dú)庠诟邷嘏c氧氣反應(yīng)生成的NO是NOx的主要來(lái)源，其源于1946年Zeldovishu提出的捷氏反應(yīng)機(jī)理。

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)結(jié)合式（9）～式（11），可得NO生成率即式（12）。

進(jìn)一步可得到NO的生成率模型，即：

式中：k為速率系數(shù)；c為濃度向量。

2.3 PM（Particulate Matter，PM）形成機(jī)理模型

柴油機(jī)排放物PM組成取決于柴油機(jī)工況及排氣溫度，排氣溫度較高容易形成炭質(zhì)微球聚集體，稱(chēng)之為炭煙[10]。本文炭煙模型采用Frolov Kinetic Model模型，該模型是基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來(lái)推算炭煙的生成和氧化過(guò)程，其表達(dá)式為[11]：

式中：Sφs為碳煙形成速率，Cn為最大成核率，f為燃油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，fn為最大成核率的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，σn為fn的變化系數(shù)，A為影響因子，Ea為活化能，R為氣體的摩爾常數(shù)，T為溫度，p為壓力，F(xiàn)（f，φs）為表面的生長(zhǎng)速率，f為混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，φs為炭煙的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，pO2為氧氣的部分壓力，τ為湍流的時(shí)間尺度。

3 數(shù)值仿真與分析

3.1 仿真模型

以某一型式漁船柴油機(jī)為仿真對(duì)象，其基本參數(shù)為：6缸、直列、四沖程機(jī)型，采用直接噴射的ω型燃燒室，氣缸直徑為180 mm，活塞行程為215 mm，壓縮比為15，額定功率為647 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。為確保漁船柴油機(jī)尾氣排放仿真結(jié)果精度，采用了多重網(wǎng)格和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)以保證網(wǎng)格質(zhì)量如圖1所示，其中圖1a為1/2漁船柴油機(jī)燃燒室模型，圖1b為網(wǎng)格劃分。

圖1 二維的漁船柴油機(jī)1/2燃燒室計(jì)算模型

3.2 仿真方案

為全面完整地分析漁船柴油機(jī)尾氣排放與進(jìn)氣參數(shù)之間的變化特征及規(guī)律，根據(jù)進(jìn)氣溫度及壓力的實(shí)際變化特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了20個(gè)模擬工況，詳見(jiàn)表1。

表1 仿真工況列表

在漁船柴油機(jī)仿真計(jì)算中，數(shù)值仿真的核心模型是燃油的噴霧與可燃混合氣的燃燒，其主要發(fā)生在柴油機(jī)工作循環(huán)的壓縮、膨脹兩個(gè)階段，因此在AVL FIRE ESE Diesel軟件仿真過(guò)程中起始點(diǎn)設(shè)置做了如下規(guī)定：燃燒上止點(diǎn)為720°CA、進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉滯后角為48°CA、排氣門(mén)開(kāi)啟提前角為54°CA，計(jì)算起始點(diǎn)分別為進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻點(diǎn)和排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻點(diǎn)，即對(duì)應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)角為 588°CA～846°CA。

3.3 邊界條件

漁船柴油機(jī)仿真計(jì)算過(guò)程中燃燒室作為閉口系統(tǒng)，其邊界類(lèi)型均設(shè)置為Wall，壁面溫度應(yīng)用了絕熱邊界條件；根據(jù)漁船柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，燃燒室壁面溫度設(shè)為570.15K，氣缸套壁面溫度設(shè)為470.15 K?；钊敳繛橐苿?dòng)壁面表面溫度設(shè)為570.15 K，另外動(dòng)邊界條件為模型外側(cè)、內(nèi)側(cè)與下側(cè)面設(shè)置為移動(dòng)壁絕熱。其余參數(shù)分別為噴孔夾角為150°、循環(huán)噴油量為 595 mm3、燃油溫度為 37.9℃，另外經(jīng)式（15）計(jì)算后得到湍動(dòng)能（TNK）為14.6 m2/s2，湍流尺度為最大氣門(mén)升程的一半（TLS）即為0.003 m。

式中：h為柴油主機(jī)沖程，n為柴油主機(jī)轉(zhuǎn)速。

4 排放比較與分析

根據(jù)仿真方案進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與數(shù)值計(jì)算，研究不同進(jìn)氣壓力與溫度下對(duì)漁船柴油機(jī)的氮氧化物及顆粒物比排放的影響，并與國(guó)標(biāo)進(jìn)行比較。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB15097-2016《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法》（中國(guó)第一、二階段）規(guī)定在2018年7月1日及以后不得超過(guò)表2中的限值，在2021年7月1日及以后不得超過(guò)表3中的限值。

表2 船機(jī)排氣污染物排放第一階段限值[12]

表3 船機(jī)排氣污染物排放階段二限值[12]

根據(jù)仿真漁船柴油機(jī)機(jī)型的單缸排量及額定功率，其應(yīng)滿足的國(guó)Ⅰ標(biāo)準(zhǔn)氮氧化物比排放為7.8 g/（kW·h），PM比排放限值為0.27g/（kW·h），國(guó)Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)氮氧化物比排放為6.2 g/（kW·h），PM比排放值為0.14 g/（kW·h）。

在不同進(jìn)氣壓力和溫度條件下，漁船柴油機(jī)的氮氧化物比排放理論值的變化規(guī)律如圖2所示，圖中設(shè)置了兩條氮氧化物排放達(dá)標(biāo)基準(zhǔn)線，分別為氮氧化物國(guó)Ⅰ排放基準(zhǔn)線和氮氧化物國(guó)Ⅱ排放基準(zhǔn)線。在圖2中，各仿真方案計(jì)算得到的氮氧化物比排放理論值分布情況為虛線向上的仿真工況均不滿足國(guó)Ⅰ的氮氧化物排放規(guī)定，實(shí)線以上的仿真工況均滿足國(guó)Ⅱ的氮氧化物排放規(guī)定，在虛線與實(shí)線之間的仿真工況僅滿足國(guó)Ⅰ的氮氧化物排放要求而達(dá)不到國(guó)Ⅱ的氮氧化物排放規(guī)定。進(jìn)一步分析兩條排放達(dá)標(biāo)基準(zhǔn)線變化規(guī)律，可以得出：進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣溫度對(duì)漁船柴油機(jī)排放影響非常大，隨著進(jìn)氣壓力升高，其對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣溫度明顯降低后才能滿足相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 氮氧化物比排放-進(jìn)氣參數(shù)變化規(guī)律

對(duì)于PM比排放理論值分布情況，同樣以PM國(guó)Ⅰ排放基準(zhǔn)線和PM國(guó)Ⅱ排放基準(zhǔn)線為參考線進(jìn)行比較分析，具體如圖3所示。在圖3中，只有少數(shù)的仿真工況分布在實(shí)線以上即滿足國(guó)Ⅰ的碳煙排放標(biāo)準(zhǔn)，更少的仿真工況分布在虛線以上即滿足國(guó)Ⅱ的碳煙排放標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，PM國(guó)Ⅰ排放基準(zhǔn)線和PM國(guó)Ⅱ排放基準(zhǔn)線均隨著進(jìn)氣溫度的升高，其進(jìn)氣壓力也明顯增大。

圖3 PM比排放-進(jìn)氣參數(shù)變化規(guī)律

綜合以上分析：氮氧化物和PM均滿足國(guó)Ⅰ排放標(biāo)準(zhǔn)的仿真工況僅有3個(gè)，分別為工況11、16、17，其中工況17同時(shí)滿足國(guó)Ⅱ排放標(biāo)準(zhǔn)；漁船柴油機(jī)尾氣排放問(wèn)題在提升進(jìn)氣壓力同時(shí)降低進(jìn)氣溫度的情況下會(huì)得到明顯改善，但是進(jìn)氣壓力越高即增壓度越大對(duì)進(jìn)氣溫度溫度降低的要求越高；而在進(jìn)氣壓力不高的條件下，漁船柴油機(jī)的PM根本無(wú)法滿足國(guó)Ⅰ排放標(biāo)準(zhǔn)，因此工程意義不大。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果正確性，在試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)同一型號(hào)漁船柴油機(jī)進(jìn)行了100%負(fù)荷的排放試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)架如圖4所示。

圖4 漁用柴油機(jī)排放試驗(yàn)臺(tái)架

臺(tái)架試驗(yàn)的主要環(huán)境參數(shù)為102.7 kPa大氣壓力，進(jìn)氣口溫度為29℃，進(jìn)氣口空氣濕度為9.7 g/kg，環(huán)境相對(duì)濕度為43.9%，環(huán)境溫度為27.1℃，進(jìn)氣增壓壓力為305 kPa，燃油溫度為37.9℃。經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析后，得到如圖5所示的漁船柴油機(jī)排放理論值與試驗(yàn)值比較分析圖，圖中漁船柴油機(jī)的缸內(nèi)壓力仿真值與試驗(yàn)值變化規(guī)律基本吻合，其中缸內(nèi)最大壓力誤差值為0.46%，平均壓力誤差值為5.1%，這表明仿真模型與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)非常吻合。同時(shí)，仿真計(jì)算得到的氮氧化物排放理論值為4.54 g/（kW·h），臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得的氮氧化物排放值為6.43 g/（kW·h），兩者之間的誤差為0.29%；而PM的理論值為0.027 g/（kW·h），臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量值為為0.12 g/（kW·h），其誤差百分比為0.78%。因此，應(yīng)用數(shù)值仿真方法對(duì)漁船柴油機(jī)排放進(jìn)行預(yù)測(cè)及分析的結(jié)果具有準(zhǔn)確性和工程應(yīng)用價(jià)值。

圖5 漁船柴油機(jī)缸壓理論值與試驗(yàn)值比較分析

6 結(jié)論

應(yīng)用AVL FIRE軟件進(jìn)行漁船柴油機(jī)尾氣排放數(shù)值仿真，其結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)能很好吻合，可滿足實(shí)際工程分析與應(yīng)用；漁船柴油機(jī)進(jìn)氣參數(shù)的變化對(duì)其尾氣排放指標(biāo)影響非常大。主要結(jié)論有：

1）進(jìn)氣壓力較低時(shí)，漁船柴油機(jī)的氮氧化物排放較少能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，但其顆粒物排放卻無(wú)法達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2）進(jìn)氣低壓低溫時(shí)，漁船柴油機(jī)的氮氧化物與顆粒物值都較少，有利于控制排放，但無(wú)法滿足功率輸出要求。

3）增壓非中冷或自然吸氣機(jī)型很難達(dá)到國(guó)Ⅰ排放標(biāo)準(zhǔn)，更無(wú)法滿足國(guó)Ⅱ排放要求，增壓中冷機(jī)型是解決漁船排放達(dá)標(biāo)問(wèn)題的有效技術(shù)途徑。