不同供油提前角對船用柴油機排放的影響

許 越，倪培永，鄧紅喜

(1.南通大學 機械工程學院，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、燃油消耗率低等優點，在船舶上得到了廣泛的應用。然而由于船用柴油機所引起的環境污染越來越嚴重，因此船用柴油機的排放標準日益嚴格。我國首部關于船舶柴油機排放控制的國家標準《船舶發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年發布，第二階段將于2021年7月1號實行。根據《中國移動源環境管理年報（2019）》2018年數據[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中，供油參數對柴油機的排放影響較大，因此供油參數對柴油機的排放影響成為許多專家學者研究的課題。

梅德清等[3]使用CFD軟件對采用預噴-預噴-主噴噴油策略的單缸增壓柴油機燃燒過進行數值仿真計算，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和氮氧化物排放的影響。Jia等[5]應用CFD軟件模擬了噴油正時和進氣門關閉時刻對PCCI柴油機的排放影響，研究發現優化噴油正時和延遲關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動力學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致NOx、HC、CO、峰值壓力、點火延遲、燃燒持續時間和放熱率等排放和燃燒參數的降低。Jain等[10]在不同的主噴油時刻、預噴油時刻和EGR率下進行了試驗。結果表明，在上死點（BTDC）前40°CA的預噴油時刻開始時，顆粒數密度最小，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、顆粒物數密度和質量濃度隨粒徑的變化，分析了NOx與煙塵的權衡關系。Lee等[12]利用CMC湍流反應流模型和粒子群求解器掃描預測了碳煙顆粒的數密度以及粒徑分布，研究結果表明，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排放規律開展研究，進行實驗驗證，為柴油機噴油參數優化提供參考，為進一步降低柴油機排放提供理論依據。

1 試驗裝置與仿真計算模型建立

1.1 試驗裝置

本文的試驗發動機是T6138ZLCZU型船舶直噴6缸柴油機，其主要應用在近海漁業捕撈、長江內河船舶的主機以及中小型漁船上。柴油機臺架的主要技術參數如表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。考慮到活塞中8孔噴油器的對稱性，為了節省計算時間，計算使用含有單個噴孔的45°網格，共計64 880個單元數。三維計算網格如圖1所示。

表1 柴油機相關技術參數和運行條件Tab.1 Related technical parameters and operating conditions of diesel engines

圖1 計算網格Fig.1 Computing grid

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

1.2.2 數學模型

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

1.3 缸內初始邊界條件與計算方法

計算模型初始條件設置如下：缸內初始壓力為2.3 bar，缸內初始溫度為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，噴油持續期為曲軸轉角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閉時的過程，計算是從進氣門關閉時刻153°CA BTDC 開始至排氣門打開時刻 142°CA ATDC 結束，曲軸轉角持續了295°CA。

表2 數學模型Tab.2 Mathematical model

2 計算結果與分析

2.1 缸內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溫度與缸內壓力隨曲軸轉角變化的曲線。研究發現，隨著供油時刻的提前，缸內最高平均溫度持續上升，分別達到 1 517 K，1 550 K，1 553 K 和 1 580 K；而缸內最大平均爆發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，促進了預混合燃燒，導致缸內溫度和壓力都有所增加[13]。

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

圖4 缸內碳煙平均質量分數曲線Fig.4 Curve of average mass fraction of soot in cylinder

2.2 碳煙質量分數分析

圖4給出了4種供油提前角下的缸內碳煙平均質量分數隨曲軸轉角變化的曲線。由圖可知，缸內碳煙平均質量分數隨著曲軸轉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，缸內油氣混合不均勻，燃油周圍呈現局部高溫缺氧狀態，導致碳煙不斷生成；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，缸內局部高溫缺氧的情況減少，從而導致碳煙的排放減少[14]。

圖5 缸內碳煙平均粒徑曲線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角變化的曲線。由圖可知，缸內碳煙平均粒徑呈現出雙峰形態。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密度隨曲軸轉角變化的曲線。由圖可知，缸內碳煙平均數密度隨曲軸轉角的增大先增大后減小。在燃燒前期，缸內碳煙平均數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，導致碳煙顆粒的數量增大。在燃燒后期，這4種供油提前角下的數密度趨近，這可能是因為噴油提前角增大后，碳煙顆粒碰撞凝結導致顆粒數減少的傾向更多。研究表明，供油提前角的變化對最終生成的碳煙平均數密度影響較小。

圖6 缸內碳煙平均數密度曲線Fig.6 Curve of soot average density in cylinder

圖7 缸內氮氧化物平均質量分數曲線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氮氧化物平均質量分數和缸內氮氧化物生成速率隨曲軸轉角變化曲線。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，柴油機在滯燃期內噴入缸內的預混合油量增大，導致起火燃燒時氣缸內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 實驗結果與分析

圖9給出了按GB 15 097-2016四工況E3循環進行試驗后加權計算得到PM和NOx排放量。由圖可以看出，PM和NOx呈現出一種trade-off關系，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生，而預混合燃燒時缸內的氧氣較充分，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 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。研究結果表明：

1）缸內碳煙平均質量分數隨著曲軸轉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密度影響較小。

3）隨供油提前角的增大，缸內溫度和缸內壓力都有所增高，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排放之間呈現出此消彼長的相互關系。