米勒循環降低船用低速柴油機NOx排放

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(大連海事大學 輪機工程學院， 遼寧 大連 116026)

米勒循環降低船用低速柴油機NOx排放

劉勤安，邢輝，武占華，段樹林，宋玉超

(大連海事大學輪機工程學院，遼寧大連116026)

為滿足日益嚴格的排放法規的要求，在船用低速二沖程柴油機中引入米勒循環技術。采用AVL BOOST軟件建立某船用低速二沖程柴油機的整機仿真模型，并根據臺架試驗結果進行標定和驗證，分析不同的米勒正時、幾何壓縮比和噴油正時對柴油機性能及NOx排放的影響。研究結果表明：米勒循環會使NOx排放降低，但會導致功率損失增大、油耗率升高；提高幾何壓縮比會使柴油機的經濟性改善，但會導致NOx排放升高、缸內爆壓劇增、機械負荷增大；推遲噴油會使燃燒延遲、缸內爆發壓力降低，同時NOx排放進一步降低。米勒循環、高壓縮比和推遲噴油等技術的結合可實現其油耗率僅增加1.17%的同時NOx排放降低14.6%，最高爆發壓力降低0.408 MPa。

船用低速柴油機； 米勒循環； 壓縮比； 噴油正時； NOx排放

Abstract: In order to meet the requirements of increasingly stringent emission regulations, the miller cycle technology is introduced for the marine low-speed two-stroke diesel engine. The simulation model of a marine low-speed two-stroke diesel engine is set up by AVL BOOST software. The model is verified by comparing the simulation results with actual engine bench test data. The effects of miller cycle, compression ratio and injection timing on performance and the NOxemission are analyzed. The results show that the NOxemission is reduced by means of miller cycle, but the loss of power and the fuel consumption are increased. Enhancing compression ratio can effectively improve the fuel economy, but the NOxemission and maximum firing pressure significantly increase and diesel engine mechanical load grows worse. Delayed injection timing can make the combustion lagging and reduce the maximum firing pressure and the NOxemission further. Miller cycle with high compression ratio and delayed injection timing can reduce 14.6% of NOxemissions while fuel consumption is increased by only 1.17% and the maximum firing pressure is reduced by 0.408 MPa.

Keywords: marine low-speed diesel engine；miller cycle；compression ratio；injection timing；NOxemission

國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)對船用柴油機NOx排放控制的要求日趨嚴格，這會給船用柴油機的研發、制造及使用帶來巨大的影響，甚至會引導船用柴油機的發展方向。當前，降低柴油機NOx排放的措施主要有機內處理(包括加水處理、推遲噴油、高壓噴射、廢氣再循環及米勒循環等)和機后處理(催化轉化法)。[1]由于采用機后處理方式時需附加NOx后處理裝置，價格昂貴，且后續的維護管理較為復雜，因此柴油機生產商和相關研究人員更加傾向于從機內處理的角度探索一種可滿足未來排放法規要求的解決方案。米勒循環通過改變柴油機的進排氣定時來減小有效壓縮比、降低壓縮終點時的壓力和溫度，從而降低NOx的排放；對于船用低速二沖程柴油機，米勒循環主要通過排氣閥晚關來實現。[2]

米勒循環因具有降低NOx排放的潛力而成為研究的熱點。WANG等[3]研究米勒循環對汽油機NOx排放的影響，發現其能降低壓縮行程終點的壓力和溫度，從而降低燃燒溫度和NOx排放；汪齊富等[4]采用米勒循環結合可調兩級增壓降低某船用柴油機的NOx排放和燃油消耗率，設計的方案在推進特性下使得該柴油機NOx排放和油耗分別降低38%及2.5%。劉瑞等[5]研究進氣加濕和米勒循環對某船用中速柴油機的影響，并優選出目標機型在75%負荷工況下使NOx降低75%的進氣含濕量和米勒強度的最佳組合方案。MILLO等[6]采用外部EGR結合強米勒循環降低某船用中速柴油機的NOx排放，但經濟性略有下降；王筱蓉等[7]開展米勒循環強弱對船用低速柴油機性能影響的仿真研究，排氣閥每晚關曲軸轉角10°，NOx生成量降低6%～7%，但排氣閥不宜關閉太晚，否則需匹配更高壓比的增壓器，增加配機成本。袁文華等[8]研究米勒正時、壓縮比及噴油正時設計方案對大功率中速柴油機燃燒和NOx排放的影響規律。劉鑫等[9]在非道路柴油機中引入米勒循環技術使之達到第三階段排放法規的要求，米勒循環、高壓縮比及優化噴油正時等技術的結合使得油耗僅升高2.2%，NOx排放降低30%，爆發壓力降低2 MPa。從當前的研究來看，國內外相關學者多應用米勒循環技術對船用中速柴油機進行研究，對船用低速柴油機的研究較少，且只是單一地研究米勒循環技術對低速柴油機的影響，沒有結合其他性能優化措施進行研究。顯然，米勒循環技術結合其他優化措施會使船用低速柴油機的性能得到大大的優化和改進。

為探索米勒循環對某船用低速柴油機性能的影響，利用AVL BOOST軟件建立某船用低速柴油機的整機仿真模型，在對該模型進行驗證的基礎上，探討米勒循環強弱、幾何壓縮比和噴油正時等參數對燃燒及排放的影響，以期為該機型滿足IMO Tier Ⅲ 法規而進行的優化設計提供一定的理論依據。

1 仿真模型的建立與驗證

1.1 整機仿真模型的建立

以MAN B&W 6S50MC-C船用低速柴油機為研究對象，其主要技術參數為：柴油機的型式為直列、廢氣渦輪增壓、二沖程；缸徑×行程為500 mm×2 000 mm；額定轉速為127 r/min；額定功率為9 480 kW；有效油耗率為175 g/(kW·h)；平均有效壓力為2 MPa；最高爆發壓力為15 MPa；發火順序為1—5—3—4—2—6。

AVL BOOST為一維發動機性能分析軟件，提供進行模型編輯和指導數據輸入的工作界面，通過選擇軟件界面左側元件樹中的元件，用管路將各個元件連接起來，雙擊打開各個元件的工作界面輸入相應的參數，建立的柴油機整機仿真模型見圖1。

圖1 某船用低速柴油機的整機仿真模型

該模型需輸入的主要參數包括邊界條件(如環境溫度、壓力、流量系數和空燃比等)、氣缸參數(如缸徑、行程、發火順序、連桿長度、排氣閥和掃氣口相關參數、燃燒模型和傳熱模型參數等)、增壓器參數(如增壓比、壓氣機效率、機械效率和增壓器總效率等)、空冷器參數(如幾何尺寸、冷卻水的溫度、空氣出口溫度和壓差等)、管路參數(如基本尺寸、壁面溫度、初始條件和運行狀態參數等)及平均機械損失等，運用經驗公式對這些參數進行必要的估算。分別賦予各個部件相應的參數，其中管路參數通過參照技術圖樣或實機測量獲得，其他部件的參數通過柴油機說明書或臺架試驗獲得。傳熱模型采用Woschni 1978模型。燃燒模型選用MCC模型，需輸入的噴油參數主要包括循環噴油量、噴油壓力、噴油規律、噴孔數量、噴孔直徑和相關燃燒修正系數等，可將預混合燃燒與擴散燃燒相結合，從而準確預測柴油機的燃燒放熱規律和NOx生成規律。[10]

1.2 模型的驗證

為驗證模型的準確性，選取115.4 r/min轉速、75%負荷工況作為計算工況，以某排放測試中心對該柴油機的排放測試報告標定計算模型。將各模塊的參數輸入到BOOST模型中并進行仿真計算，通過與排放測試報告的試驗結果相比較，反復進行模塊調試，直至仿真計算結果與排放測試報告的臺架試驗數據相符合。在75%負荷工況下，該柴油機的試驗值與計算值的對比見表1。

由表1可知，各主要性能參數的相對誤差都在5%以內。利用該模型計算出的75%負荷工況下的示功圖見圖2，從中可看出最高爆發壓力對應的曲軸轉角為9 °，與試驗結果基本相同。通過上述計算和分析可知，建立的模型能滿足計算的要求，在此基礎上進行性能分析和優化具有較強的可信度。

表1 主要性能參數的試驗值與計算值對比

圖2 75%負荷工況下的示功圖

1.3 計算方案

為研究米勒循環對該船用低速二沖程柴油機性能的影響，需對該柴油機的排氣凸輪進行優化設計。原機的排氣閥升程曲線見圖3(case 1)，排氣閥關閉角為曲軸轉角274°(定義上止點為曲軸轉角0°)。改進設計過程中保持排氣閥的開啟時刻不變，對排氣閥的開啟持續角和升程進行調整。通過改變排氣閥凸輪的型線研究排氣閥晚關曲軸轉角10°(case 2)，20°(case 3)和30°(case 4)對柴油機性能的影響。

圖3 不同的排氣閥升程曲線

2 計算結果與討論

2.1 米勒循環的影響

為使仿真計算結果相比原機更有意義，需調整初始邊界條件，使換氣結束時不同米勒循環方案下的缸內新鮮氣體充量與原機一致。針對不同的排氣閥升程，通過調整增壓器的增壓比保證換氣結束時氣缸內的空燃比基本不變。圖4為不同米勒循環方案下增壓比和空燃比的變化。排氣閥的延遲關閉使用過后排氣階段延長，新鮮空氣損失增加，為使進氣量維持原機水平(即空燃比保持基本不變)，應選用有足夠高增壓比的增壓器提高進氣量。因此，增壓比隨著排氣閥的延遲關閉而增大，由原機的3.2提高到case 4時的4.3。

圖4 不同米勒循環方案下的增壓比和空燃比的變化

圖5為不同米勒循環方案下的功率和油耗率的變化，從中可看出功率隨著排氣閥的延遲關閉而降低，油耗率隨著排氣閥的延遲關閉而升高，經濟性下降，其中case 4方案的油耗率比case 1方案高2.9%。出現該情況的原因是隨著排氣閥延遲關閉，有效壓縮行程變短、有效壓縮比減小，導致壓縮終點的壓力和溫度及平均有效壓力均下降，使得柴油機的熱效率降低。

圖5 不同米勒循環方案下的功率和油耗的變化

圖6為不同米勒循環方案下的爆發壓力和NOx排放的變化，從中可看出爆發壓力隨著排氣閥的延遲關閉而減小，NOx排放隨著排氣閥的延遲關閉而降低。case 4方案的最高爆發壓力比case 1方案減小1.5 MPa，NOx排放降低約20%。出現該情況的原因是根據理想氣體狀態方程，當氣缸的進氣總量保持不變時，在同一曲軸轉角下，若缸內溫度下降，則缸內壓力隨之降低；排氣閥關閉越晚，缸內溫度就越低，相應的爆發壓力也隨之越低，柴油機的機械負荷下降、可靠性升高。NOx的生成主要與缸內的溫度有關，缸內溫度越低，生成的NOx就越少。隨著排氣閥關閉延遲，氣缸的有效壓縮比降低，缸內的平均工作溫度下降，促使NOx生成的條件受到抑制，大大降低NOx的排放量。

圖6 不同米勒循環方案下的爆發壓力和NOx排放的變化

2.2 壓縮比的影響

由以上分析可知，隨著米勒循環加深，有效壓縮行程和有效壓縮比不斷減小，壓縮終點時氣缸內的壓力和溫度不斷下降，使柴油機的功率和油耗率有一定程度的惡化，同時柴油機的冷啟動性能也受到影響。因此，為改善柴油機的經濟性、燃燒特性和冷啟動性，采用適度增大柴油機幾何壓縮比的方法。在柴油機75%負荷工況下，模型中其他參數均保持不變，單獨改變壓縮比(分別設置為16，17，18，19和20)進行仿真計算，得到的壓縮比對該船用低速柴油機的性能和NOx排放的影響規律見圖7～圖9。

圖7 不同米勒循環方案下油耗率隨壓縮比的變化對比

圖8 不同米勒循環方案下爆發壓力隨壓縮比的變化對比

從圖7中可看出：隨著米勒循環的深入，油耗率惡化越趨嚴重；同時，隨著壓縮比的增大，不同米勒循環方案下的油耗率均有不同程度的下降。從圖8中可看出：隨著壓縮比的增大，不同米勒循環方案下的爆發壓力均大幅度升高。出現該情況的原因是隨著壓縮比的提高，壓縮終點時缸內的壓力和溫度都升高、滯燃期縮短、燃燒始點提前，同時加速了燃油的燃燒，從而提高了最高爆發壓力和柴油機的循環熱效率，使得柴油機的功率升高、油耗率下降，改善了柴油機的經濟性。但是，壓縮比過大會使柴油機的爆發壓力急劇增大，大大增加柴油機的機械負荷。因此，應兼顧柴油機的經濟性和機械負荷，選取某個適當的壓縮比。

圖9 不同米勒循環方案下NOx排放隨壓縮比的變化對比

從圖9中可看出：隨著壓縮比的增大，柴油機的NOx排放升高。這是因為隨著壓縮比的增大，整個燃燒過程的氣缸平均工作溫度升高，為NOx的生成提供了有利條件。壓縮比每升高1個單位，NOx排放平均升高約0.15 g/(kW·h)。

2.3 噴油正時的影響

噴油正時對柴油機的性能和NOx排放量有直接的影響。推遲噴油可使主要燃燒階段后移、NOx排放量和最高爆發壓力降低，但會導致油耗率升高、經濟性變差。針對提高壓縮比后缸內的最高爆發壓力升高的問題，為控制最高爆發壓力不超過限值15 MPa，同時保證有較好的經濟性，選用case 2(壓縮比為17)、case 3(壓縮比為17)和case 4(壓縮比為18)等3種米勒正時方案，將噴油正時推遲曲軸轉角1°，研究其對該柴油機性能和NOx排放的影響。

圖10為3種米勒正時方案下噴油正時對油耗率的影響。從圖10中可看出，噴油正時推遲曲軸轉角1°，3種方案下的油耗率都有不同程度的升高，平均升高1.9 g/(kW·h)，與原機相比油耗率分別升高0.84%，1.17%和1.43%。這是因為推遲噴油正時會使柴油機的燃燒過程相應地延遲，燃燒釋放的熱量主要發生在膨脹過程階段，降低了柴油機的熱效率，油耗率升高、經濟性變差。

圖10 3種米勒正時方案下噴油正時對油耗率的影響

圖11為3種米勒正時方案下噴油正時對最高爆發壓力的影響。從圖11中可看出，噴油正時推遲曲軸轉角1°，3種方案下的最高爆發壓力都有不同程度的降低，很好地彌補了壓縮比增大帶來過大機械負荷的不足。case 3(17)方案噴油正時推遲曲軸轉角1°的最高爆發壓力為13.292 MPa，小于原機值13.7 MPa；另外2種方案優化后的最高爆發壓力均大于原機值。

圖12為3種米勒正時方案下噴油正時對NOx排放的影響。從圖12中可看出，噴油正時推遲曲軸轉角1°，3種方案下的NOx排放都有不同程度的降低；與原機相比，這3種優化方案NOx排放量分別下降10.5%，14.6%和20%。這是由于推遲噴油導致燃燒過程后移，從而使氣缸內的平均工作溫度下降，抑制了NOx的生成。

綜上所述，若要使該船用低速柴油機在NOx排放大幅度降低的同時最高爆發壓力不超過原機值，且油耗率增加幅度盡可能小，應選擇方案case 3(17)作為最優方案，且噴油正時延遲曲軸轉角1°，其油耗率增加1.17%，而NOx排放量降低14.6%，最高爆發壓力降低0.408 MPa。

3 結束語

通過建立MAN B&W 6S50MC-C船用低速柴油機的仿真模型，并對其米勒循環技術進行仿真計算，得到以下結論：

1) 隨著排氣閥的延遲關閉，柴油機有效壓縮比逐漸減小，壓縮終點時缸內壓力和溫度均降低，從而使得整個燃燒過程的平均工作溫度下降，NOx排放減少。米勒循環技術能減少船用低速柴油機的NOx排放，但經濟性會變差。

2) 增大幾何壓縮比可提高柴油機的熱效率、改善柴油機的經濟性，但缸內最高爆發壓力會顯著增加；在此基礎上推遲噴油，燃燒相位后移、氣缸的最高爆發壓力降低，還可進一步降低NOx排放。

3) 延遲關閉綜合排氣閥、增大幾何壓縮比和推遲噴油等技術可優化柴油機的性能和排放。優選后的最佳方案為case 3(17)，且噴油正時延遲曲軸轉角1°，其油耗率增加1.17%，而NOx排放量降低14.6%，最高爆發壓力降低0.408 MPa。

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Miller Cycle to Reduce NOxEmission for Marine Low-Speed Diesel Engine

LIUQinan,XINGHui,WUZhanhua,DUANShulin,SONGYuchao

(Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

1000-4653(2016)04-0113-05

U664.121； TK422

A

2016-06-25

遼寧省教育廳科研項目(L2015066)；中央高?；究蒲袠I務費專項資金(3132016338)

劉勤安(1984—)，男，江西吉安人，講師，碩士，從事船用柴油機性能優化與排放控制的研究。E-mail:dlmuliu@163.com