劉杰 魏立江 魏海軍

摘要：為探究船舶柴油機(jī)排放的NOx中各成分的主要生成機(jī)理，基于6135Aca型柴油機(jī)，利用AVL Fire建立仿真模型，探究摻混生物柴油在不同負(fù)荷下對(duì)NOx成分之間轉(zhuǎn)換的影響機(jī)理。結(jié)果顯示：柴油機(jī)排放的NO2主要通過HO2氧化NO生成，且高溫和氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)影響NO2的生成，其中高溫會(huì)抑制NO2的生成，氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加會(huì)促進(jìn)NO2的生成;摻混生物柴油和增加負(fù)荷會(huì)使噴霧貫穿距增大，高溫區(qū)域增加，從而抑制NO2生成;摻混生物柴油使得燃燒室內(nèi)氧含量增加，進(jìn)而HO2量增加促進(jìn)NO2生成;摻混比例較小時(shí)，NO2主要受高溫區(qū)域影響，當(dāng)摻混到達(dá)一定比例時(shí)貫穿距不再增大，這時(shí)NO2主要受氧含量影響。本文得到的NO2生成機(jī)理，對(duì)降低NOx中NO2的排放比例有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：生物柴油; 數(shù)值模擬; 6135Aca型柴油機(jī); NOx排放

中圖分類號(hào)： U664.121

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract：To explore the main formation mechanism of components in marine diesel engine emissions NOx， a simulation model based on 6135Aca marine diesel engines is established by AVL Fire to explore the influence mechanism of blending biodiesel on the conversion of NOx components under different loads. The results are the following： the diesel engine emission NO2 is mainly produced by oxidation of NO by HO2， and high temperature and oxygen mass fraction affect the formation of NO2， in which high temperature inhibits the formation of NO2， and the increase of oxygen mass fraction promotes the formation of NO2; blending biodiesel and increasing load can make the spray penetration distance increase and the high temperature area increase so as to inhibit NO2 formation; blending biodiesel can make oxygen content increase in combustion chamber， and thus HO2 content increases so as to promote the formation of NO2; when the blending ratio is smaller， NO2 is mainly affected by the high temperature region; when the blending ratio reaches a certain level， the penetration distance does not increase any more， and NO2 is mainly affected by oxygen content. The formation mechanism of NO2 obtained has certain guiding significance for reducing the proportion of NO2 in NOx.

0 引 言

船舶柴油機(jī)的使用大大促進(jìn)了航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，但是隨之而來的能源和環(huán)境問題也越來越引起人們重視。為解決環(huán)境污染、能源枯竭問題，人類正在積極尋找替代燃料。生物柴油作為一種清潔可再生能源，逐步受到關(guān)注。我國生物柴油主要由廢棄油脂制成。我國廢棄油脂量巨大，僅2016—2017年度廢棄油脂量就達(dá)到447萬t[1]。目前廢棄油脂有3種處理方式：第一種是直接隨廚房垃圾一起丟棄或隨廢水排掉;第二種是通過回收聚集，經(jīng)過簡(jiǎn)單加工過濾，與食用油勾兌后再銷售;第三種是由具有生產(chǎn)資質(zhì)的企業(yè)專門回收處理，再用于工業(yè)生產(chǎn)。通過這3種方式處理的廢棄油脂比例分別為37%、55%、8%[1]。從該數(shù)據(jù)可以看出，廢棄油脂并沒有被合理利用，且大量廢棄油脂被非法利用，尤其是簡(jiǎn)單過濾后與食用油勾兌再銷售，極大地?fù)p害了消費(fèi)者健康，故研究廢棄油脂生物柴油的應(yīng)用十分有必要。廢棄油脂生物柴油有十六烷值高、含氧以及基本不含硫元素的特點(diǎn)，這使得廢棄油脂生物柴油作為替代燃料時(shí)碳煙和SOx排放均有所減少，但其NOx排放可能會(huì)有所增加。船舶柴油機(jī)NOx排放是船舶主要污染物之一，從IMO對(duì)船舶柴油機(jī)NOx排放擬定的三階段標(biāo)準(zhǔn)可以看出，船舶柴油機(jī)NOx排放受到人們廣泛的關(guān)注。

NOx主要由NO、NO2、N2O組成，其中N2O極少，故本文將NOx作為NO與NO2的混合物看待，忽略N2O以及其他NOx[2-5]。雖然一般情況下NO2在NOx中占比較少，但NO2的毒性是NO的5倍，且NO2是對(duì)流層O3的主要來源，而NO2和O3是美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）列出的6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)污染物中的2個(gè)。NO2的光解反應(yīng)也是光化學(xué)煙霧產(chǎn)生的主要起始反應(yīng)[6]。因此，研究NO2在發(fā)動(dòng)機(jī)中主要的生成機(jī)理非常有必要。

1 研究背景

近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)摻混生物柴油NOx排放也做了大量研究。CHAUHAN等[7]、李博等[8]、ZHU等[9]發(fā)現(xiàn)，燃燒摻混生物柴油的柴油機(jī)NOx排放增加。苗永超等[10]、KALLIGEROS等[11]發(fā)現(xiàn)，燃燒摻混生物柴油的柴油機(jī)的NOx排放減少。筆者前期基于6135Aca型柴油機(jī)開展了的摻混廢棄油脂生物柴油的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著摻混生物柴油比例的增加，柴油機(jī)排放中的NO2體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，且低負(fù)荷情況下NO2體積分?jǐn)?shù)較高（接近40%），高負(fù)荷情況下NO2體積分?jǐn)?shù)較低（低于5%）[12]。

鑒于采用實(shí)驗(yàn)手段無法詳細(xì)研究NOx各成分之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及NOx各成分的主要生成路徑，本文利用AVL Fire三維仿真軟件建立仿真模型，對(duì)摻混生物柴油的船舶發(fā)電柴油機(jī)進(jìn)行仿真分析，通過對(duì)三維仿真結(jié)果的切片分析，從分子層面研究影響NOx各成分生成的主要因素，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋的同時(shí)探究NOx各成分生成的主要路徑，為后續(xù)控制NOx各成分的排放提供方向。

2 模型建立及驗(yàn)證

本文中的三維模型是基于6135Aca型柴油機(jī)建立的，該柴油機(jī)是一款直列六缸、四沖程、直噴、水冷發(fā)電柴油機(jī)。建立L25B0（L25代表25%負(fù)荷，B0代表生物柴油體積分?jǐn)?shù)為0%，下文皆如此表示）、L25B50、L75B0和L75B50等4種工況的仿真模型，用于對(duì)比摻混生物柴油及負(fù)荷對(duì)NOx排放的影響。表1給出了6135Aca型柴油機(jī)的主要參數(shù)。

Emi-ssion、Spray、Species transport模型，導(dǎo)入燃燒反應(yīng)使用的機(jī)理文件，將熱文件和組分輸運(yùn)文件分別命名為thermdat、transdat置于Case文件夾下供求解器讀取。本文采用生物柴油/柴油雙燃料機(jī)理仿真柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程，該化學(xué)反應(yīng)機(jī)理包含172個(gè)化學(xué)反應(yīng)、60種物質(zhì)[13]。選用的子模型分別為k-zeta-f湍流模型、WAVE破碎模型、walljet1碰壁模型和Enable擴(kuò)散模型;由于柴油中摻混了一定比例的生物柴油，故蒸發(fā)模型選擇Multi-component模型。筆者劃分2 cm、1 cm、0.5 cm等3種尺寸的網(wǎng)格用于網(wǎng)格無關(guān)性分析。3種網(wǎng)格尺寸的柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒

過程缸壓變化對(duì)比見圖2。從圖2可以看出，網(wǎng)格尺寸達(dá)到1 cm時(shí)，繼續(xù)減小網(wǎng)格尺寸仿真結(jié)果變化很小。因此，本文模擬計(jì)算所用網(wǎng)格尺寸為1 cm，網(wǎng)格數(shù)為60 959。

2.1 邊界及初始條件設(shè)定

仿真計(jì)算從進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻（上止點(diǎn)前130°）開始，到排氣門開啟時(shí)刻（上止點(diǎn)后130°）結(jié)束，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮、做功過程。選用額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min;初始?xì)飧讐毫蛧娪土坑蓪?shí)驗(yàn)測(cè)得;由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁面溫度無法測(cè)量，故初始溫度邊界由GT-Power一維軟件擬合得出，其中25%負(fù)荷時(shí)初始溫度為320 K，75%負(fù)荷時(shí)初始溫度為350 K?；钊敹吮诿鏈囟葹?75 K，缸套壁面溫度為475 K，缸蓋壁面溫度為550 K。

2.2 模型驗(yàn)證

本文三維模型基于的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)以及用于與仿真結(jié)果對(duì)比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均來自筆者前期開展的生物柴油摻混發(fā)電柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)[12]。圖3為L(zhǎng)25B0、L25B50、L75B0和L75B50工況下柴油機(jī)缸壓和放熱率的實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比。從圖3可以看出，實(shí)驗(yàn)值和仿真值吻合度較好。表2為4種工況下NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)值和仿真值的對(duì)比。其中NOx的最大誤差為4.275%，平均誤差為2.068%。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)模型準(zhǔn)確度較好，可以基于此模型進(jìn)行NOx生成機(jī)理研究。

3 NOx轉(zhuǎn)換過程分析

圖4是L25B0、L25B50、L75B0和L75B50工況下NO和NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)的仿真結(jié)果。從圖4a和4d可以看出，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì)，而NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)。由此可以推斷，NO在燃燒反應(yīng)中既是生成物也是反應(yīng)物，即有一部分NO2是由NO轉(zhuǎn)化而成的。從圖4c和4d可以看出，NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線在曲軸轉(zhuǎn)角30°附近出現(xiàn)了一小段下降。由此可以推斷，NO2在燃燒反應(yīng)中同樣既是生成物也是反應(yīng)物，即NO2與NO是相互轉(zhuǎn)化的。相比于低負(fù)荷工況，高負(fù)荷工況下NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線均出現(xiàn)了一小段下降，由此可以看出高負(fù)荷工況下曲軸轉(zhuǎn)角30°附近缸內(nèi)環(huán)境對(duì)NO2的轉(zhuǎn)化有抑制效果，使得NO2的生成量低于NO2的反應(yīng)量，故此中間出現(xiàn)了NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降的趨勢(shì)。

從圖4還可以看出，高負(fù)荷工況下NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸上升，達(dá)到最大值后下降不明顯，而低負(fù)荷工況下NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值后會(huì)有較為明顯的下降。由此可以推斷，高負(fù)荷工況下參與反應(yīng)的NO比例較低，而低負(fù)荷工況下參與反應(yīng)的NO比例較高。這說明在高負(fù)荷工況下缸內(nèi)環(huán)境對(duì)NO反應(yīng)有抑制效果，而低負(fù)荷工況下缸內(nèi)環(huán)境更有利于NO2生成。

4 影響機(jī)理分析

4.1 NO2生成機(jī)理

生成NO2的化學(xué)反應(yīng)主要有反應(yīng)（1）和反應(yīng)（2）兩個(gè)[10]，即HO2和O會(huì)氧化NO生成NO2[14]。NO2在高溫區(qū)域不穩(wěn)定，會(huì)通過反應(yīng)（3）分解為NO和O。在高溫區(qū)域的NO被HO2氧化為NO2之后，NO2又通過反應(yīng)（3）重新分解為O和NO，將反應(yīng)（1）與（3）兩個(gè)化學(xué)方程式合并可得化學(xué)方程式（4）。即NO在高溫區(qū)域不會(huì)被氧化成NO2，而是作為HO2的催化劑，使得HO2分解為OH和O。

4.2 影響NOx組分機(jī)理分析

由以上分析可知，HO2和O會(huì)氧化NO生成NO2，故對(duì)L25B50工況下的O、HO2、NO2三維結(jié)果進(jìn)行切片觀察，找出生物柴油摻混發(fā)電柴油機(jī)排放中NO2的主要生成路徑。由圖5可以看出;在O質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的區(qū)域，NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)并沒有明顯變化;在HO2濃度高的區(qū)域，后續(xù)時(shí)刻N(yùn)O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)逐漸升高，且隨著NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高該區(qū)域的HO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低。由此可以推斷，在生物柴油摻混發(fā)電柴油機(jī)中NO2主要由HO2氧化NO生成。因此，如圖4和6所示，在摻混了生物柴油之后NO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著HO2生成量的增加而增加。

由于高負(fù)荷工況下仿真結(jié)果顯示NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線在曲軸轉(zhuǎn)角30°附近出現(xiàn)了一小段的下降，故對(duì)L75B50工況下曲軸轉(zhuǎn)角分別為10°、20°、30°時(shí)缸內(nèi)溫度和物質(zhì)分布進(jìn)行切片分析，找出抑制NO2生成的因素。該工況下的溫度、NO2、OH、O切片圖見圖7。從圖7可以看出，在高溫區(qū)域NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，而O、OH質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，且O、OH只在高溫區(qū)域出現(xiàn)。由此可以推斷，高溫區(qū)域NO不會(huì)被氧化成NO2，而是作為HO2的催化劑，使HO2分解為OH和O。從圖3放熱率變化曲線可以看出，在曲軸轉(zhuǎn)角30°附近缸內(nèi)燃料處于速燃期，缸內(nèi)高溫區(qū)域較多，這些區(qū)域抑制了NO2的生成，故NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線在曲軸轉(zhuǎn)角30°附近出現(xiàn)了一小段的下降。

4.3 摻混生物柴油對(duì)NOx組分影響機(jī)理分析

由于生物柴油有含氧及熱值低的特性，摻混生物柴油會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氧含量，同時(shí)摻混生物柴油也會(huì)導(dǎo)致燃燒溫度降低。通過上述分析可知，含氧量增加會(huì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，同時(shí)缸內(nèi)溫度降低也會(huì)使缸內(nèi)NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，故摻混生物柴油會(huì)使NO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高。筆者前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻顯示摻混生物柴油后NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)先下降后上升的趨勢(shì)，且摻混50%、75%生物柴油后NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)一直比未摻混生物柴油的低[12]。這可能是由于生物柴油相較于柴油而言黏度大，生物柴油噴霧的貫穿距較柴油的大，使得氣缸內(nèi)著火范圍變大高溫區(qū)域增大，而在高溫區(qū)域不會(huì)生成NO2，故摻混生物柴油后NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)了降低的趨勢(shì)。當(dāng)貫穿距達(dá)到一定長(zhǎng)度后繼續(xù)增大貫穿距對(duì)火焰面積影響不大，而持續(xù)增加生物柴油摻混比例會(huì)使燃燒室氧含量增多，使得HO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增多，導(dǎo)致更多的NO被氧化成NO2，故而摻混生物柴油后NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，負(fù)荷增加時(shí)NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低明顯[12]，這主要是由于負(fù)荷增加時(shí)循環(huán)供油量增加，供油量增加使得噴油壓力增加繼而導(dǎo)致貫穿距增大，這會(huì)使得著火面積增大高溫區(qū)域增大。從圖7可以看出，高負(fù)荷工況下缸內(nèi)高溫區(qū)域明顯增大。高溫環(huán)境不利于NO2的生成，故而負(fù)荷增加時(shí)NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低明顯。

5 結(jié) 論

（1）在生物柴油摻混發(fā)電柴油機(jī)中，NO2主要是NO與HO2通過反應(yīng)NO+HO2NO2+OH生成。在高溫區(qū)域NO會(huì)充當(dāng)催化劑的角色，會(huì)通過反應(yīng)NO+HO2+MNO+O+OH+M將HO2分解為O和OH，即高溫對(duì)NO2生成有抑制效果。

（2）發(fā)電柴油機(jī)中摻混生物柴油會(huì)使得NOx中NO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先下降后上升，原因?yàn)椋荷锊裼蛧婌F的貫穿距增大，使得氣缸內(nèi)著火面積變大高溫區(qū)域增大，高溫抑制NO2生成。繼續(xù)增加生物柴油摻混比例后，噴霧貫穿距增大而著火面積變化不大。生物柴油比例增加使得缸內(nèi)氧含量增加的同時(shí)HO2量也增加，HO2會(huì)將NO氧化為NO2，使得NOx中NO2的比例先下降后上升。

（3）生物柴油發(fā)電柴油機(jī)在低負(fù)荷工況下NOx中NO2含量較高，在高負(fù)荷工況下NOx中NO2含量較低，其原因?yàn)椋焊哓?fù)荷工況下循環(huán)供油量增加，使得缸內(nèi)高溫區(qū)域增大，高溫區(qū)域?qū)O2生成有抑制效果。

（4）增加負(fù)荷對(duì)缸內(nèi)NOx成分影響較大，而摻混生物柴油對(duì)缸內(nèi)NOx成分影響較小，不同NOx之間的轉(zhuǎn)換對(duì)溫度更加敏感。使用本文模型可以對(duì)不同工況下?lián)交焐锊裼桶l(fā)電柴油機(jī)NOx的生成總量和成分進(jìn)行預(yù)測(cè)。

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（編輯 賈裙平）