米勒循環降低船用中速柴油機NOx排放研究

王英乾

渤海船舶職業學院，遼寧興城 125105

MARPOL 公約的第六條附則《防止船舶造成大氣污染規則》中對于NOX排放的全球性限制分TierⅠ和TierⅡ兩個標準，并在一定的限制區域（ECAs） 內，執行更為嚴格的TierⅢ標準，因此米勒循環降低船用中速柴油機NOx 排放研究具有重要意義。

1 米勒循環與降低柴油機NOX 排放的關聯

所謂米勒循環，即使進氣沖程實際壓縮比小于排氣沖程膨脹比的一種內燃機熱力循環形式[1]，對于船用中速四沖程柴油機而言，一般采用調整進氣閥正時的方式，并可分為提前關閉進氣閥和延遲關閉進氣閥兩種，前者稱為狹義的米勒循環，后者又稱為阿特金森循環[2]。無論是米勒循環還是阿特金森循環，其在發明之初主要都是為了提高發動機的熱效率，根據其工作特性的不同，阿特金森循環適用于自然吸氣發動機，而米勒循環更適合船舶上普遍采用的增壓發動機。在實踐中發現，采用米勒循環可減小有效壓縮比，降低壓縮終點時的壓力和溫度，從而降低NOX的排放，因此在降低NOX排放領域，米勒循環成了研究熱點之一[3]。

2 仿真模型的建立及驗證

2.1 元件的組合建立

首先利用AVL BOOST 軟件，建立中速四沖程柴油機模型，如圖1 所示。SB1、SB2 為系統邊界，TC1 為廢氣渦輪增壓器，CO1 為冷卻器，C1、C2、C3、C4 為氣缸，MP1 至MP5 為工況測量點，J1 為多管道連接件，PL1 為容腔，1 至13為管路。

圖1 AVL BOOST 模型

以經典的Wartsila 4L20 型中速柴油機為模擬原型，結合機型說明書，填入柴油機轉速、柴油機各缸發火順序、理論空氣燃油比等全局參數。設置當柴油機處在工作狀態中時所在地點的當地溫度、壓力等系統邊界條件及13 條管路的尺寸、管壁的摩擦系數、流量系數等參數，設置氣缸參數，選用AVL MCC 模型。此模型的參數很少，只包含燃燒系數等五項關鍵參數，可更加簡便、迅速地進行模擬計算，選擇Woschni 1978 傳熱模型，設置進、排氣閥及中冷器參數，選擇Turbine Layout Calculation 增壓器模型。

2.2 NOX 排放計算

柴油機在裝船使用前，依據MARPOL 公約的要求，必須在不同的工況下試驗，保證在不同負荷下，NOx 排放均能滿足公約的要求，并以此作為發證標準之一[4]?；谏鲜瞿Ｐ?，模擬Wartsila 4L20 型中速柴油機在10%、25%、50%、75%和全負荷下的NOx 排放率，如表1 所示。

表1 Wartsila 4L20 型中速柴油機全負荷NOx 模擬排放率

Wartsila 4L20 型中速柴油機額定轉速為1 000 r/min，根據MARPOL 公約附則Ⅵ的要求，NOx限定排放率如表2 所示。

表2 額定轉速1 000r/min 柴油機NOx 限定排放率

通過表1 和表2 數據的對比可知，Wartsila 4L20 型中速柴油機在全負荷下NOX的排放率無法滿足TierⅡ要求，與TierⅢ要求更是相差甚遠。事實上，根據模型模擬數據，Wartsila 4L20 型中速柴油機在試驗的各種負荷下NOX的排放率均只能滿足TierⅠ要求，不能滿足TierⅡ要求，因此對于此機型而言，如果想繼續裝船使用，必須探索減少其NOx 排放量的方案。

3 仿真試驗

3.1 不同程度米勒循環對柴油機NOX 排放的影響

經查閱說明書，Wartsila 4L20 型中速柴油機進氣閥標定關閉角度為560°（將壓縮沖程上止點設為0°）。將進氣閥關閉角度逐漸提前，分別選取M560（原機）、M（530/520/510/500/490/480） 七個角度進行模擬試驗，模擬數據顯示隨著米勒循環程度的增強（進氣閥關閉角度的提前），有效壓縮比不斷降低，不但NOX排放量隨之降低，而且最高爆發壓力也有所下降，但同時柴油機功率下降，油耗率上升，并且相應的下降和上升速度都隨著米勒循環程度的增強而不斷加快，經分析，主要是因為隨著米勒循環程度的增強，使活塞的有效吸氣行程越來越短，導致混合氣燃燒時氣缸內的平均有效壓力不斷降低，柴油機熱效率也不斷下降，最終導致功率和油耗率的增速下降和上升。米勒循環對柴油機功率和油耗的影響如圖2所示。

圖2 米勒循環對柴油機功率和油耗的影響

綜上可知，米勒循環雖能使中速柴油機NOX排放量降低，但也會影響柴油機性能，導致船舶的營運成本增加，若采用此思路降低NOX排放，須同時對柴油機其他參數進行優化。

3.2 壓縮比影響

隨著壓縮比的提高，柴油機功率逐漸上升，而油耗率逐漸下降，這是由于隨著有效壓縮比的提高，壓縮終點缸內溫度和壓力均上升，燃燒提前，且燃燒更加迅速，提高了柴油機的熱效率。但壓縮比的提高導致燃燒過程中缸內平均溫度升高，使NOX排放量升高。同時，隨著壓縮比的提高，柴油機的最高爆發壓力越來越大，導致柴油機的機械負荷不斷增大，即便控制在承受范圍內，也會使柴油機的壽命大幅縮短[5]，壓縮比的提高還會使爆震現象增強。因此在提高柴油機壓縮比的同時，還要考慮降低柴油機的NOX排放和機械負荷，并設法抑制柴油機的爆震現象，這都可通過推遲噴油正時來實現。

3.3 噴油正時的影響

針對性的設定M500（增壓比18）、M490（增壓比18）、M480（增壓比19） 三種方案進行模擬試驗。噴油正時對NOX排放量、油耗率和最高爆發壓力的影響如表3 所示。

表3 噴油正時的影響

3.4 Wartsila 4L20 型中速柴油機降低NOX 排放方案

綜合以上數據，在降低NOX排放方面，M480（增壓比19） 方案表現最優，但油耗率也最高，M500（增壓比18） 和M490（增壓比18）方案雖然在降低NOX排放方面不及M480（增壓比19） 方案，但都低于TierⅡ限定值（8.98），從油耗率角度考慮，M500（增壓比18） 延遲噴油2°CA 的方案為相對最優方案。

綜上，對于Wartsila 4L20型中速柴油機，可選擇進氣閥提前開啟60°CA，壓縮比由15 提高至18，供油提前角由13°CA 降至11°CA 的優化方案，使NOX排放能夠滿足TierⅡ的要求。由此可知，采用米勒循環搭配提高壓縮比和降低供油提前角的思路，在保證柴油機經濟性和可靠性的前提下，可降低中速柴油機的NOX排放。