環(huán)境濕度對(duì)船舶主機(jī)動(dòng)力和排放的影響

曾向明，何永明

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

二沖程柴油機(jī)在船舶上大量應(yīng)用，具有低油耗、高效率的特點(diǎn)，有著良好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。隨著全球大氣污染的加重和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，船舶柴油機(jī)的尾氣污染引起了大眾的廣泛關(guān)注，IMO 對(duì)船舶柴油機(jī)排放提出了更高的要求[1-2]。因此，船用二沖程柴油機(jī)的動(dòng)力性和排放性能成為船舶運(yùn)營商關(guān)注的焦點(diǎn)，故對(duì)柴油機(jī)的燃燒排放優(yōu)化提出了迫切的要求[3]。

環(huán)境濕度、環(huán)境溫度以及環(huán)境壓力都會(huì)對(duì)柴油機(jī)的燃燒過程產(chǎn)生影響，但是進(jìn)氣濕度對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放的影響具有較大的影響，且其具有難度低、成本小、耐久性好、減排潛力可觀的優(yōu)勢(shì)，是未來船舶柴油機(jī)達(dá)到法規(guī)的主要技術(shù)手段。進(jìn)氣濕度對(duì)柴油機(jī)燃燒的影響主要在熱效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)、稀釋效應(yīng)等方面。

1）水的高比熱容能降低燃燒溫度，水相對(duì)濕度的增加會(huì)提高進(jìn)氣的熱容值，進(jìn)而吸收更多的熱量降低燃燒溫度，從而減少NOx 的產(chǎn)生。

2）燃燒過程中，水的存在會(huì)導(dǎo)致“水煤氣反應(yīng)”進(jìn)而降低Soot 的排放，其本質(zhì)是水受熱分解為H 基和OH 基團(tuán)，OH 基和N 的反應(yīng)較遲鈍，且促進(jìn)Soot 的氧化。

3）進(jìn)氣濕度的增大會(huì)稀釋進(jìn)氣氧濃度，可抑制NOx 的產(chǎn)生，但同時(shí)會(huì)提高Soot 的生成[4-6]。

本文以GT-Power 為工具建立船用柴油機(jī)的一維模型，分析不同的進(jìn)氣濕度對(duì)柴油機(jī)NOx 和Soot 排放的影響。

1 計(jì)算模型介紹與驗(yàn)證

1.1 缸內(nèi)燃燒的基本方程

1）質(zhì)量守恒方程

式中：m 為噴入氣缸燃油質(zhì)量；mS為噴入氣缸空氣質(zhì)量；me為流出氣缸尾氣質(zhì)量；gf，kg/cyc 為柴油機(jī)的循環(huán)噴油量；為燃燒速率，或者稱為放熱率。

2）能量守恒方程

由熱力學(xué)第一定律dq=du+pdv 有：

式中：φ 為曲軸轉(zhuǎn)角；U 為系統(tǒng)的內(nèi)能；QB為燃料在燃燒時(shí)放出的能量；QW為氣缸與外界交換的熱量；hs、he為進(jìn)氣閥和排氣閥處工質(zhì)的比焓；p 為氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力；V 為氣缸工作容積；

3）動(dòng)量守恒方程

微元體中流體的動(dòng)能對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上各種力之和，由此定律可導(dǎo)出動(dòng)量守恒方程：

式中：p 為靜壓；τij為應(yīng)力張量；gi和Fi分別為i 方向上的重力體積力和外部體積力（如離散相相互作用產(chǎn)生的升力）。

1.2 模型的建立

以MAN B&W 6S35ME-B9 型船用二沖程柴油機(jī)為研究對(duì)象，其技術(shù)參數(shù)如表1 所示。在GT-POWER 中建立一個(gè)一維的仿真計(jì)算模型，燃燒模型選擇DIJET燃燒模型進(jìn)行模擬仿真。

1.3 模型的校核

以6S35ME-B9 在100%，75%，50%負(fù)荷下對(duì)實(shí)驗(yàn)值和模擬值進(jìn)行校核，缸壓曲線基本吻合。以75%負(fù)荷為例，可得出模擬值和實(shí)測(cè)值差值都小于5%，在工程允許的誤差之內(nèi)。具體對(duì)比如表2 和圖1 所示。

由表2 和圖1 可知，所建立的模型在缸內(nèi)壓力的預(yù)測(cè)和具體運(yùn)行工況吻合很好，可用來作為燃燒的具體研究。

2 不同環(huán)境濕度對(duì)單一因素的影響

柴油機(jī)環(huán)境濕度會(huì)影響柴油機(jī)的進(jìn)氣濕度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)置不同的環(huán)境濕度。數(shù)值模擬的基本條件有：發(fā)動(dòng)機(jī)恒定轉(zhuǎn)速129 r/min，單缸循環(huán)噴油量為10.285 g，掃氣壓力2.9 bar，以25 ℃，101 kPa 的大氣條件下，以相對(duì)濕度0%，25%，50%，75%，100%的條件下對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行模擬仿真，以期充分研究環(huán)境濕度對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放的影響規(guī)律。

表1 MAN B&W 6S35ME-B9 型機(jī)基本技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Basic technical parameters of MAN B&W 6S35ME-B9

表2 主要參數(shù)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比Tab. 2 Comparison of main parameter simulation results with experimental values

2.1 環(huán)境濕度對(duì)缸內(nèi)燃燒溫度的影響

圖1 缸內(nèi)壓力曲線對(duì)比圖Fig. 1 In-cylinder pressure curve comparison chart

圖3 局部放大Fig. 3 Partial enlargement

圖2 為不同環(huán)境濕度下缸內(nèi)最高燃燒溫度的變化趨勢(shì)，圖3 為不同進(jìn)氣濕度下最高燃燒溫度局部放大。可以看出，在壓縮過程中，缸內(nèi)壓力受進(jìn)氣加濕率的影響較小，但隨著燃燒的開始，不同進(jìn)氣濕度出現(xiàn)了溫度的分離，隨著相對(duì)濕度的提高，缸內(nèi)最高溫度和平均溫度都有降低的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵谌紵倪^程中，摻水蒸氣的空氣進(jìn)入燃燒區(qū)與燃油蒸氣融合，水分子占去了氧氣的比例，減緩了反應(yīng)的速率；低溫的摻水的空氣與高溫的燃油混合發(fā)生熱傳遞會(huì)減緩高溫燃油的混合傳遞，從而導(dǎo)致燃燒放熱率下降，相位后移；水的高比熱容能降低燃燒溫度，水相對(duì)濕度的增加會(huì)提高進(jìn)氣的熱容值，進(jìn)而吸收更多的熱量降低燃燒溫度，從而減少NOx 的產(chǎn)生[7]。另外，水蒸氣會(huì)吸收熱量分解為O 基和OH 基參與反應(yīng)，這也會(huì)導(dǎo)致燃燒溫度的降低。

2.2 環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)缸內(nèi)燃燒壓力的影響

圖4 不同濕度下缸內(nèi)壓縮壓力Fig. 4 In-cylinder compression pressure diagram under different humidity

圖5 不同濕度缸內(nèi)爆發(fā)壓力Fig. 5 Burst pressure diagram in different humidity cylinders

圖4 為不同相對(duì)濕度對(duì)壓縮壓力的影響，圖5 為不同相對(duì)濕度對(duì)缸內(nèi)最高燃燒壓力的影響。由圖4 可以看出在壓縮過程中，缸內(nèi)壓力隨著相對(duì)濕度的增加而增加，這是因?yàn)樗拿芏纫∮诳諝獾拿芏?，空氣中相?duì)濕度的增加會(huì)導(dǎo)致氣體的密度降低，進(jìn)而在壓縮終點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致更多的空氣進(jìn)入到缸內(nèi)，從而提高了壓縮空氣的壓力[8]。由圖5 可以看出，燃燒過程中隨著進(jìn)氣相對(duì)濕度的提高，最高爆發(fā)壓力會(huì)降低，這主要是由于在燃燒過程中水分子參與了燃燒過程，水分子間存在著締合分子，水在反應(yīng)中需要吸收熱量克服水之間的締合作用。另外，水的比熱較大，會(huì)大量吸收反應(yīng)中昌盛的熱量，從而降低反應(yīng)的速率，進(jìn)而降低其壓力。

2.3 不同濕度對(duì)NOx 的影響

影響柴油機(jī)NOx 生成率和排放率的根本因素是燃燒溫度、氧原子濃度和工質(zhì)在高溫環(huán)境下的持續(xù)時(shí)間（即形成NOx 的反應(yīng)時(shí)間）。柴油機(jī)燃料中的含氮量不足0.02%，排氣中氮氧化物主要是由空氣中所含氮?dú)庠诟邷叵律傻模磻?yīng)機(jī)理為：

圖6 為不同進(jìn)氣濕度產(chǎn)生的NOx 曲線?？芍?，隨著進(jìn)氣濕度的提高，NOx 的生成量呈減少趨勢(shì)。上述反應(yīng)中OH 原子是水在高溫分解時(shí)產(chǎn)生的，OH 原子的存在會(huì)促進(jìn)NO 原子的生成，所以O(shè)H 原子的濃度是NO 原子生成的一個(gè)因素。另外，由上述溫度可知，相對(duì)濕度的增加會(huì)導(dǎo)致溫度的降低，進(jìn)而導(dǎo)致NOx 產(chǎn)生量減少。由實(shí)驗(yàn)可知，溫度對(duì)NOx 的產(chǎn)生具有主導(dǎo)作用[9]。

2.4 不同濕度對(duì)Soot 產(chǎn)生的影響

圖6 不同濕度NOx 的排放Fig. 6 NOx emission diagram from different humidity

Soot 源自未燃燃料。在高溫富油區(qū)域，由氣相燃料核變?yōu)楣滔?，隨后周圍的碳?xì)浠衔锘蛘咂溆嗫捎梅肿颖阍诤诵纳夏Y(jié)或者被吸收。Particulate 則是Soot 和其余一些液相或者固相物質(zhì)的結(jié)合物。Particulate分為可溶組分和不可溶組分，而Soot 為Particulate 的不可溶組分，比例一般要高于50%。

雖然目前還沒有一個(gè)得到公認(rèn)的Soot 生成反應(yīng)方程式，但實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明Soot 的生成主要受到壓力、溫度和混合氣當(dāng)量比等因素的影響。Soot 產(chǎn)生量的常用計(jì)算方法為，以HiroyasuSoot 模型和NSC(Nagle and Strickland-Constable)Soot 氧化模型為基礎(chǔ)，通過Arrhenius 公式來模擬Soot 的生成量[10]。

1）HiroyasuSoot 生成模型

式中：MSf為Soot 生成總量；Mfv為燃油蒸汽質(zhì)量；Af為前置系數(shù)；P 為缸內(nèi)壓力；Ef為Soot 形成的活化能；R 為氣體常數(shù)；T 為氣缸內(nèi)溫度。

2）NSCSoot 氧化模型

假設(shè)Soot 顆粒為球形，大小一致，并且Soot 顆粒表面由易氧化物質(zhì)和不易氧化物質(zhì)組成。

式中：MSO為Soot 氧化質(zhì)量；Mc 為碳原子的摩爾質(zhì)量；ρ 為Soot 密度；DS為Soot 的直徑； PO2為氣缸內(nèi)氧氣壓力；x 為Soot 顆粒表面易氧化物質(zhì)所占的比例。

由圖7 可知，隨著相對(duì)濕度的增加，Soot 排量呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，且在燃燒過程中，其相對(duì)增量增加迅速，其主要原因是進(jìn)氣相對(duì)濕度提高導(dǎo)致滯燃期延長，Soot 的生成時(shí)刻也相對(duì)延遲。理論上講，滯燃期延長可以使油氣混合的時(shí)間延長，使得局部缺氧、富油區(qū)減少，從而減少Soot 的形成。另外，水分子在高溫下分解的OH 基可加速Soot 的氧化。但是Soot 的后期氧化會(huì)隨著加濕率的增加而減小，其主要是因?yàn)樗魵庹紦?jù)了原本氧的比例，使得燃油的燃燒后期氧的含量不足，導(dǎo)致Soot 的產(chǎn)量增加，最終呈現(xiàn)的是隨著相對(duì)濕度的增加，Soot 的最終生成量增加。

圖7 不同濕度下Soot 排放Fig. 7 Soot emission diagram under different humidity

3 結(jié) 語

1）隨著進(jìn)氣濕度的提高，柴油機(jī)缸內(nèi)壓力和燃燒溫度均出現(xiàn)下降，缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力降低的幅度約有12.95 bar，缸內(nèi)最高燃燒溫度降低約210 K。

2）隨著進(jìn)氣濕度的提高，可以減少局部富氧區(qū)的形成，降低燃燒反應(yīng)溫度，抑制NOx 的形成。

3）隨著進(jìn)氣濕度的增加，Soot 的排放呈上升的趨勢(shì)，主要因?yàn)槿紵笃谘鯕獾牟蛔銓?dǎo)致氧化能力的降低。

4）在進(jìn)一步研究相對(duì)濕度對(duì)柴油機(jī)的影響時(shí)應(yīng)考慮動(dòng)力性和排放的綜合效果，繼續(xù)研究經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的方法。