柴油-天然氣雙燃料發動機排放算法的應用

蔡尚峰

（渤海船舶職業學院，遼寧興城125105）

0 引言

隨著全球船舶保有量的激增，石油的供需矛盾與廢氣排放造成的環境污染問題引起了全世界的廣泛關注。為了有效地控制發動機的NOx排量，目前常用的技術主要有：廢氣再循環（EGR）、選擇性催化還原（SCR） 和天然氣液化（LNG）等。就目前的技術、資源以及經濟條件來看，液化天然氣（LNG） 在環保、供應、安全以及經濟性能等方面都比傳統能源有突出的優勢，但若單一地將天然氣用作燃料，則會導致發動機的動力性不足[1]。柴油-天然氣雙燃料發動機大多由常規的柴油機改裝而成，因其改動成本低、污染物排量小、使用靈活輕便等優勢，在行業內具有良好的推廣前景。

當前，對于船用雙燃料發動機的排放研究主要朝著縱深方向發展，主要圍繞在如何改進燃燒狀況以及如何控制排放質量等問題上，關于排放計算所做的研究還比較少。污染物的排放計算可以對整個發動機的排放水平作出功能性的評價，這對于整個系統的評估具有極其重要的作用[2]。本文致力于推導雙燃料發動機的排放算法，以便能更加真實地反映雙燃料發動機的排放水平及排放規律。

1 碳平衡模式下的雙燃料發動機排放計算

衡量發動機排放性能優劣的重要依據是各排氣組分比排放值 (g/kW·h)的大小，而計算比排放的關鍵則是保證發動機排氣質量流量 (kW/h)的精確性[3]。理論上講，發動機的排氣質量流量可以通過直接測量和間接測量兩種方法得到，且直接測量法更為直觀、準確。然而，受船用發動機的結構、工作環境以及測試條件等諸多因素的限制，進行直接測量的難度很大。因此，在進行發動機的排放性能測試時，無論是臺架試驗，還是實船測試，均采用間接測量法，即通過測量燃料的質量流量、各排氣組分濃度、各項試驗參數、環境參數等，再結合理論計算，最終確定發動機的排氣質量流量。

1.1 碳平衡模式下雙燃料發動機排放計算研究的必要性

關于雙燃料發動機排氣質量流量的計算，新出臺的計算標準是在“GB/T 8190.1-2010”中一步算法的基礎上改進而來。為了更加準確地反映雙燃料發動機的排放水平，本文以“GB/T 8190.1往復式內燃機排放測量”（以下簡稱為“GB/T 8190.1”） 中的碳平衡法為主線，在原有柴油機排放算法的基礎上對其進行修改與重新推導，提出碳平衡模式下的雙燃料發動機的排放算法，并將此算法與新出臺的計算標準進行對比，以便能更加客觀地反映發動機的實際排放情況，這對于更好地評估雙燃料發動機的排放水平是十分必要的。

1.2 碳平衡模式下雙燃料發動機排放計算方法

“GB/T 8190.1”計算標準中將1 mol干空氣視為由0.768 5 molN2和0.231 5 molO2組成，考慮空氣的實際組成，本文在推導過程中將其按標準干空氣（1 mol標準干空氣含0.755 1 molN2、0.231 5 molO2、0.012 9 molAr和0.000 5 molCO2）處理。

假設在雙燃料發動機中，n1mol柴油（CHmSp）與n2mol天然氣（CxHy）共同參與燃燒反應。則柴油中氫、硫元素的含量m、p可由下式得到：

式中：ALF、BET、GAM分別為燃油中H、C、S的質量分數（%），可通過化驗分析得到。AWC、AWH、AWS依次為C、H、S元素的相對原子質量。

天然氣的成分并不完全為甲烷（CH4），可以視為由甲烷、乙炔、丙烷、丁烷、二氧化碳等多種化合物組成的混合物。將天然氣的化學分子式假定為CxHy，假設天然氣中各元素的含量（%） 用其分子式表示，則CxHy中x、y的計算式如下：

假設柴油的質量流量用GFUEL表示，天然氣的質量流量用GCxHy表示。根據上式可知，柴油、天然氣的流量配比n1、n2的計算式如下：

假設燃料完全燃燒，則化學反應式如下：

From the above analysis,we can see that foreign scholars have different opinions about the range of phonological awareness,but substantial researches are concerned with the relation between reading and phonological awareness.

式中：lv為理論過量空氣系數。

1 kg燃料完全燃燒需要的理論空氣量為：

式中：MWO2是氧氣的摩爾質量，MWN2是氮氣的摩爾質量，以此類推。

過量空氣系數EAFCDO為：

燃料中氫碳摩爾比HTCRAT為：

進氣空氣量為：

燃油特定系數FFH為：

在排放測試中，由于有水蒸氣（H2O） 存在，HC成分的干基濃度無法獲取。通過測量排氣中HC成分的濕基濃度（HCW），以及計算得到的EAFCDO、FFH等參數，可算出HC干基濃度（HCD）：

排氣的含碳組分比：

根據報告中給出的COD、HCD以及HTCRAT、EXHCPN等參數可計算實際過量空氣系數（EAFEXH）：

發動機排氣質量流量為：

2 雙燃料發動機排放計算一步法

對于雙燃料發動機的排氣質量流量，目前較為常用的算法是經“GB/T 8190.1-2010”標準中的一步法改進而來。“GB/T 8190.1-2010”中的一步法主要是針對柴油機的排放水平設計的，適用于含氮、氧成分的柴油。新出臺的雙燃料發動機的排放算法照比柴油模式有了改變，某些參數在選擇時，不僅要考慮柴油，作為主要燃料的天然氣也應該被考慮在內。相對于碳平衡法，此方法適合含氮、氧成分的柴油。算式如下：

式中：qmf為參與燃燒的燃料質量流量；WBET為燃料中的碳含量；ffd為干廢氣的燃料特定常量；fc為碳系數；qmew為排氣質量流量。

其中，碳系數fc與燃料特定系數ffd的計算公式如下：

式中：CCO2d為排氣中CO2的干體積濃度（%）；CCO2a為進氣中CO2的體積濃度（%）； CCOd為排氣中CO的干體積濃度（ppm）；CHCW為排氣中HC的濕體積濃度（ppm）；WALF為燃料中氫的含量 (%)；WDEL為燃料中氮的含量 (%)； WEPS為燃料中氧的含量 (%)。

3 雙燃料發動機排放算法分析

本文擬在C6190ZLCS船用雙燃料發動機臺架試驗的基礎上，利用上述兩種算法對此發動機的排放水平進行測評。該試驗所用燃料的特性及主要成分如表1所示。

表1 燃料特性及燃料主要成分

發動機的排放質量與其負荷緊密相關，不同種類的發動機對應著不同的工作循環模式。在進行排放測試時，每種發動機均有相應的試驗模式與之相對應。船用發動機的主要試驗模式主要有C1、D2、E2、E3四種，其中，C1工作模式對應的發動機種類為變速、變負荷運行的輔機（不包括D2和E3工作模式下的各類輔機）；D2模式對應的是恒速運行的輔機；E2模式對應的是恒速船用主機（包括柴油機電力驅動和調距槳裝置）；E3模式對應的是按推進特性運行的船用主機和輔機。

為了簡化試驗和便于比較不同種類發動機的排放水平，“GB/T 8190.1”根據發動機的載荷和速度對每種工作循環模式都規定了若干試驗點。本次試驗按E3模式進行，各工況下的實測數據如表2所示。

表2 雙燃料發動機E3模式臺架試驗參數

將表1、表2中的數據分別代入所推碳平衡法及一步法計算公式，可得到此發動機在兩種算法下的排氣質量流量，如表3所示。

表3 兩種算法對應的雙燃料發動機排氣質量流量

通過計算，可知本文所推導的碳平衡模式下的雙燃料發動機的排放計算結果與一步法的計算結果極為接近，誤差在1%以內。可以證明本文提出的算法具有較高的精確性，能夠應用于雙燃料發動機的排放計算。

4 結論

將柴油機改裝為柴油-天然氣雙燃料發動機，是在保證發動機的動力性和經濟性的前提下，最行之有效的方法。針對目前關于雙燃料發動機排放計算所做的研究還比較少這一問題，本文根據“GB/T 8190.1”中的簡單碳平衡法推導了適用于雙燃料發動機的排放算法。經過臺架試驗實際測算，本文所推算法與目前常用的“一步法”之間的誤差小于1%，可證明本文所推算法具有很強的實用性，能夠準確地反映雙燃料發動機的排放水平與排放規律，可以應用于雙燃料發動機的排放計算。