許 越，倪培永，鄧紅喜

(1.南通大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.南通柴油機股份有限公司，江蘇 南通 226014)

0 引 言

柴油機由于具有熱效率高、燃油消耗率低等優(yōu)點，在船舶上得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于船用柴油機所引起的環(huán)境污染越來越嚴重，因此船用柴油機的排放標準日益嚴格。我國首部關(guān)于船舶柴油機排放控制的國家標準《船舶發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）》[1]已于2016年發(fā)布，第二階段將于2021年7月1號實行。根據(jù)《中國移動源環(huán)境管理年報（2019）》2018年數(shù)據(jù)[2]，船舶柴油機氮氧化物（nitrogen oxides，NOx）排放量為164萬噸、顆粒物（particulate matter，PM）排放量為14萬噸，排放量十分巨大。在柴油機的諸多參數(shù)中，供油參數(shù)對柴油機的排放影響較大，因此供油參數(shù)對柴油機的排放影響成為許多專家學(xué)者研究的課題。

梅德清等[3]使用CFD軟件對采用預(yù)噴-預(yù)噴-主噴噴油策略的單缸增壓柴油機燃燒過進行數(shù)值仿真計算，分析了不同噴油正時方案對NOx和Soot排放物生成的影響。Ambrozik等[4]研究了噴油提前角對以柴油和fame為燃料的柴油機燃油噴霧參數(shù)和氮氧化物排放的影響。Jia等[5]應(yīng)用CFD軟件模擬了噴油正時和進氣門關(guān)閉時刻對PCCI柴油機的排放影響，研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化噴油正時和延遲關(guān)閉進氣門可以降低燃燒溫度，從而減少NOx排放。Zhang等[6]研究了改變噴油正時對乙二醇/柴油雙燃料發(fā)動機的燃燒和排放特性的影響。Li等[7]采用三維仿真模型耦合化學(xué)動力學(xué)機理研究了柴油和甲醇噴射正時對直噴式甲醇柴油機排放的影響。Channappagoudra等[8]研究了噴油正時對雙燃料（B20+Bio-CNG）改性發(fā)動機的排放影響。Gnanasekaran等[9]研究了不同噴油正時對以魚油乙酯（EEFO）及其混合物燃料的單缸四沖程風(fēng)冷直噴柴油機性能、排放和燃燒特性的影響，研究表明噴油正時的延遲導(dǎo)致NOx、HC、CO、峰值壓力、點火延遲、燃燒持續(xù)時間和放熱率等排放和燃燒參數(shù)的降低。Jain等[10]在不同的主噴油時刻、預(yù)噴油時刻和EGR率下進行了試驗。結(jié)果表明，在上死點（BTDC）前40°CA的預(yù)噴油時刻開始時，顆粒數(shù)密度最小，平均粒徑最大。Wei等[11]研究了柴油機噴油正時對四缸柴油機燃燒、制動熱效率、等效制動比油耗、NOx和PM排放的影響。對于PM的排放，討論了PSD、顆粒物數(shù)密度和質(zhì)量濃度隨粒徑的變化，分析了NOx與煙塵的權(quán)衡關(guān)系。Lee等[12]利用CMC湍流反應(yīng)流模型和粒子群求解器掃描預(yù)測了碳煙顆粒的數(shù)密度以及粒徑分布，研究結(jié)果表明，噴油時刻對顆粒物的影響很小。

本文以直列四沖程六缸中冷直噴式柴油機T6138ZLCZU為研究對象，運用數(shù)值模擬的方法，通過改變供油提前角，對船用柴油機Soot和NOx排放規(guī)律開展研究，進行實驗驗證，為柴油機噴油參數(shù)優(yōu)化提供參考，為進一步降低柴油機排放提供理論依據(jù)。

1 試驗裝置與仿真計算模型建立

1.1 試驗裝置

本文的試驗發(fā)動機是T6138ZLCZU型船舶直噴6缸柴油機，其主要應(yīng)用在近海漁業(yè)捕撈、長江內(nèi)河船舶的主機以及中小型漁船上。柴油機臺架的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。測量PM和NOx的儀器分別為SMG 100型便攜式煙氣直讀分析儀和INFRALYT ELD-便攜式柴油機尾氣分析儀。

1.2 仿真計算模型建立

1.2.1 幾何模型

建立T6138ZLCZU直噴柴油機燃燒室的幾何模型，該模型描述了一個柴油機活塞頂部的ω型燃燒室?？紤]到活塞中8孔噴油器的對稱性，為了節(jié)省計算時間，計算使用含有單個噴孔的45°網(wǎng)格，共計64 880個單元數(shù)。三維計算網(wǎng)格如圖1所示。

表1 柴油機相關(guān)技術(shù)參數(shù)和運行條件Tab.1 Related technical parameters and operating conditions of diesel engines

圖1 計算網(wǎng)格Fig.1 Computing grid

圖2 鋼內(nèi)平均溫度曲線Fig.2 Curve of average temperature in cylinder

1.2.2 數(shù)學(xué)模型

采用仿真軟件自帶的數(shù)學(xué)模型，研究不同供油提前角對柴油機排放的影響。所用數(shù)學(xué)模型如表2所示。

1.3 缸內(nèi)初始邊界條件與計算方法

計算模型初始條件設(shè)置如下：缸內(nèi)初始壓力為2.3 bar，缸內(nèi)初始溫度為330 K，氣缸蓋壁面溫度為550 K，氣缸壁面溫度為450 K，活塞頂部表面溫度為575 K，噴油孔徑為 0.305 mm，噴油壓力為 23.5±0.49 MPa，噴油持續(xù)期為曲軸轉(zhuǎn)角20°。

本文適當簡化了柴油機計算模型。該模型只考慮氣門在全部關(guān)閉時的過程，計算是從進氣門關(guān)閉時刻153°CA BTDC 開始至排氣門打開時刻 142°CA ATDC 結(jié)束，曲軸轉(zhuǎn)角持續(xù)了295°CA。

表2 數(shù)學(xué)模型Tab.2 Mathematical model

2 計算結(jié)果與分析

2.1 缸內(nèi)平均溫度和平均壓力的影響分析

圖2和圖3分別給出了不同噴油提前角的缸內(nèi)溫度與缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線。研究發(fā)現(xiàn)，隨著供油時刻的提前，缸內(nèi)最高平均溫度持續(xù)上升，分別達到 1 517 K，1 550 K，1 553 K 和 1 580 K；而缸內(nèi)最大平均爆發(fā)壓力隨供油時刻的提前也不斷上升，分別達到 11.44 MPa，13.09 MPa，14.09 MPa 和 15.19 MPa。這是因為隨著供油提前角的增大，滯燃期增長，油氣混合比增大，促進了預(yù)混合燃燒，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度和壓力都有所增加[13]。

圖3 缸內(nèi)平均壓力曲線Fig.3 Curve of average pressure in cylinder

圖4 缸內(nèi)碳煙平均質(zhì)量分數(shù)曲線Fig.4 Curve of average mass fraction of soot in cylinder

2.2 碳煙質(zhì)量分數(shù)分析

圖4給出了4種供油提前角下的缸內(nèi)碳煙平均質(zhì)量分數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線。由圖可知，缸內(nèi)碳煙平均質(zhì)量分數(shù)隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增加而急速增加，之后又急速下降，最后趨于平衡。這是因為碳煙主要在高溫缺氧的情況下生成，在燃燒初期，缸內(nèi)油氣混合不均勻，燃油周圍呈現(xiàn)局部高溫缺氧狀態(tài)，導(dǎo)致碳煙不斷生成；隨著燃燒的進行，油氣混合逐漸均勻，碳煙的生成速率逐漸降低；而在燃燒后期，生成的碳煙會被重新氧化，碳煙數(shù)量有所減少，最后趨于平衡。在燃燒初始階段，碳煙生成量隨供油時刻的提前而增大，這是由于供油越早，缸內(nèi)初始溫度越大，燃油裂解生成的碳煙多余被氧化的碳煙，因此碳煙的排放量增加。而到燃燒后期碳煙生成量隨供油時刻的提前而減小，這是由于隨著供油時刻的提前，滯燃期延長，有利于燃油與空氣的混合，油氣混合的更加均勻，缸內(nèi)局部高溫缺氧的情況減少，從而導(dǎo)致碳煙的排放減少[14]。

圖5 缸內(nèi)碳煙平均粒徑曲線Fig.5 Curve of soot average particle diameter in cylinder

2.3 碳煙粒徑與數(shù)密度的影響分析

圖5給出了4種供油提前角下的碳煙平均粒徑隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線。由圖可知，缸內(nèi)碳煙平均粒徑呈現(xiàn)出雙峰形態(tài)。燃燒開始至上止點的燃燒初始階段，不同供油提前角，碳煙平均粒徑分布基本一致。當燃燒進入到后期階段，隨著供油時刻的提前，碳煙平均粒徑變小，這是因為隨著供油時刻的提前，燃燒提前，油氣混合更均勻，混合氣在上止點附近能夠更迅速、更充分的燃燒，碳煙顆粒的氧化速率增加。

圖6給出了4種供油提前角下的碳煙平均數(shù)密度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線。由圖可知，缸內(nèi)碳煙平均數(shù)密度隨曲軸轉(zhuǎn)角的增大先增大后減小。在燃燒前期，缸內(nèi)碳煙平均數(shù)密度隨著噴油時刻的提前而增大，這是因為噴油提前，滯燃期增長，燃油裂解生成的碳煙顆粒增加，導(dǎo)致碳煙顆粒的數(shù)量增大。在燃燒后期，這4種供油提前角下的數(shù)密度趨近，這可能是因為噴油提前角增大后，碳煙顆粒碰撞凝結(jié)導(dǎo)致顆粒數(shù)減少的傾向更多。研究表明，供油提前角的變化對最終生成的碳煙平均數(shù)密度影響較小。

圖6 缸內(nèi)碳煙平均數(shù)密度曲線Fig.6 Curve of soot average density in cylinder

圖7 缸內(nèi)氮氧化物平均質(zhì)量分數(shù)曲線Fig.7 Curve of average mass fraction of NOx in cylinder

2.4 氮氧化物排放的影響分析

圖7和圖8分別為4種供油提前角下的缸內(nèi)氮氧化物平均質(zhì)量分數(shù)和缸內(nèi)氮氧化物生成速率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線。由圖可知，柴油機NOx排放量隨著供油提前角的增大而增大，這是因為供油提前角增大，則噴油時刻提前，滯燃期延長，柴油機在滯燃期內(nèi)噴入缸內(nèi)的預(yù)混合油量增大，導(dǎo)致起火燃燒時氣缸內(nèi)的壓力和溫度急劇上升，從而使氣缸燃燒的最高溫度增高，已燃氣體在高溫下的停留時間增加，從而增加了NOx的生成率和排放率[15]。

圖8 缸內(nèi)氮氧化物生成速度曲線Fig.8 Curve of NOx production speed in cylinder

圖9 不同供油提前角時柴油機PM和NOx排放Fig.9 PM and NOx emissions from diesel engines at different fueling advance angles

3 實驗結(jié)果與分析

圖9給出了按GB 15 097-2016四工況E3循環(huán)進行試驗后加權(quán)計算得到PM和NOx排放量。由圖可以看出，PM和NOx呈現(xiàn)出一種trade-off關(guān)系，PM排放量隨著供油提前角的增大而減小，NOx隨著供油提前角的增大而增大，這與模擬結(jié)果相符合。供油提前角增大，噴油時刻提前，滯燃期延長，燃油預(yù)混合燃燒增加，而擴散燃燒減少。碳煙的生成主要在缺氧和高溫的擴散燃燒中發(fā)生，而預(yù)混合燃燒時缸內(nèi)的氧氣較充分，混合氣較均勻，所以碳煙生成較少，PM排放得到很好抑制。隨著供油提前角的增大，柴油機燃燒室內(nèi)的平均燃燒溫度也隨之升高，已燃氣體在高溫下的停留時間增長，從而使NOx的排放增加。

4 結(jié) 語

本文建立T6138ZLCZU直噴柴油機計算模型，模擬研究不同供油提前角對船用柴油機排放的影響，并通過實驗實測不同供油提前角下船用柴油機的排放情況。研究結(jié)果表明：

1）缸內(nèi)碳煙平均質(zhì)量分數(shù)隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增加而急速增加，之后又急速下降，最后趨于平衡。

2）隨供油提前角的增大，碳煙的排放量減少，碳煙的平均粒徑變小。供油提前角的變化對最終生成的碳煙平均數(shù)密度影響較小。

3）隨供油提前角的增大，缸內(nèi)溫度和缸內(nèi)壓力都有所增高，NOx的排放量也隨之增加。

4）不同供油提前角下的PM排放與NOx排放之間呈現(xiàn)出此消彼長的相互關(guān)系。