高占斌，王銀燕，何清林，王賀春

(1.哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

為了減少船舶對海洋環(huán)境的污染，國際海事組織制定了一系列的法律法規(guī)來限制船舶污染物的排放.《MARPOL73/78公約》附則VI“防止船舶造成空氣污染規(guī)則”，其中第Ⅲ章第13條規(guī)定對船用柴油機(jī)NOx排放量加以限制［1－2］.隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，降低船用柴油機(jī)的有害排放成為當(dāng)前研究的熱點.相繼增壓是20世紀(jì)70年代末西德MTU公司首先采用的技術(shù)，可以提高低壓縮比、高增壓發(fā)動機(jī)低速大扭矩特性，降低油耗，擴(kuò)大工作范圍［3］.

筆者以四沖程中冷直噴式V型船用柴油機(jī)TBD234V12為研究對象，建立該柴油機(jī)大小增壓器相繼增壓的仿真模型，進(jìn)行模擬計算，研究大小增壓器相繼增壓對船用柴油機(jī)排放性能的改善情況，為大小渦輪增壓器相繼增壓在船用柴油機(jī)上的應(yīng)用及降低排放奠定理論基礎(chǔ).

1 大小增壓器3區(qū)相繼增壓系統(tǒng)設(shè)計

1.1 大小增壓器相繼增壓系統(tǒng)設(shè)計

TBD234V12船用柴油機(jī)原增壓系統(tǒng)采用脈沖增壓，如圖1所示，大小增壓器相繼增壓系統(tǒng)保持原型機(jī)的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)基本不變，大增壓器(1TC-L)與小增壓器(1TC-S)并聯(lián)布置，其系統(tǒng)如圖2所示，將2列排氣管(靠近渦輪端)用一連通管連接，另外，分別在2壓氣機(jī)出口處安裝空氣閥A和空氣閥B，2渦輪入口前安裝燃?xì)忾yA和燃?xì)忾yB.燃?xì)忾y和空氣閥均為蝶閥.燃?xì)忾y的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為雙作用氣缸，耐高溫;空氣閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)為單作用氣缸.

圖1 TPD234V12柴油機(jī)常規(guī)增壓系統(tǒng)示意圖

圖2 大小增壓器相繼增壓示意圖

柴油機(jī)運(yùn)行在低工況時，空氣閥A和燃?xì)忾yA關(guān)閉，空氣閥B和燃?xì)忾yB開啟，小增壓器單獨(dú)工作(1TC-S);在高工況時，4只受控閥門(空氣閥A、燃?xì)忾yA、空氣閥B、燃?xì)忾yB)均開啟，2個增壓器均投入運(yùn)行(2TC);當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行在中間工況時，空氣閥A和燃?xì)忾yA開啟，空氣閥B及燃?xì)忾yB關(guān)閉，大增壓器單獨(dú)工作(1TC-L).由此可知，在柴油機(jī)的全工況范圍內(nèi)，通過控制4個閥門的開閉完成大、小增壓器的切入或切出［3－4］，實現(xiàn)不同的柴油機(jī)工況范圍內(nèi)采用不同的增壓器匹配方案，從而達(dá)到增壓系統(tǒng)與柴油機(jī)的最佳匹配.

1.2 大小增壓器的選擇

大小增壓器3區(qū)相繼增壓系統(tǒng)增壓器匹配選型:在最低轉(zhuǎn)速的最大轉(zhuǎn)矩工況點，匹配一定流通面積的小渦輪增壓器，使得流量、過量空氣系數(shù)達(dá)到一定要求值;在柴油機(jī)標(biāo)定工況點，匹配一定的總流通面積的渦輪增壓器(相當(dāng)于選定的小渦輪增壓器與大渦輪增壓器并聯(lián))，使得過量空氣系數(shù)達(dá)到一定要求值;在中間轉(zhuǎn)速使用大渦輪增壓器，此時的渦輪流通面積為標(biāo)定工況時的總渦輪流通面積與小渦輪流通面積之差.

根據(jù)上述增壓器的選配方法，以及依據(jù)該機(jī)在標(biāo)定工況點(轉(zhuǎn)速為1800 r·min－1，功率為444 kW)，A列進(jìn)口(圖1):排氣溫度為695 K;排氣流量為0.495 kg·s－1;排氣壓力為 0.298 MPa.B 列進(jìn)口:排氣溫度為694 K;排氣流量為0.498 kg·s－1;排氣壓力為0.296 MPa;柴油機(jī)能承受的最高燃燒壓力為15.000 MPa.計算得出，大小增壓器3區(qū)相繼增壓選取的大增壓器是HOLSET公司的HT3B型渦輪增壓器;小增壓器是HOLSET公司的HX40W型渦輪增壓器.原機(jī)增壓器是2臺J100型渦輪增壓器.

2 大小增壓器相繼增壓柴油機(jī)仿真模型

采用模塊化的方法建模.對TBD234V12柴油機(jī)進(jìn)行建模，以柴油機(jī)氣體流動為順序，依次建立進(jìn)氣管、渦輪增壓器、中冷器、氣缸、曲軸箱和排氣管等模塊，同一模塊可以重復(fù)使用.

2.1 燃燒模型

為了較為準(zhǔn)確地模擬燃燒過程，缸內(nèi)燃燒模型采用準(zhǔn)維燃燒模型的油滴蒸發(fā)燃燒模型，該模型從實際燃燒的物理、化學(xué)過程出發(fā)，建立了接近“真實”的燃燒模型，并考慮燃燒過程的中間細(xì)節(jié)，如油束的形成和發(fā)展，油滴與空氣的相對運(yùn)動、氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度分布、油滴及油氣濃度分布等因素.將整個燃燒室劃分區(qū)域進(jìn)行計算，每個區(qū)域即是一個獨(dú)立的熱力學(xué)系統(tǒng)，從而考慮了缸內(nèi)的非均勻性，使其更接近實際燃燒過程，缸內(nèi)計算也更加準(zhǔn)確.

2.2 排放物模型

Soot排放計算是基于廣安模型的算法，NOx的算法是基于擴(kuò)充的Zeldovich機(jī)理.

2.2.1 碳煙模型

柴油機(jī)廢氣中的Soot主要是因為燃油中的燃油分子在氣缸內(nèi)局部高溫、缺氧和高壓環(huán)境下，裂解并脫氫而形成的.碳煙的形成要經(jīng)歷十分復(fù)雜的氣相反應(yīng)，還要經(jīng)歷從氣態(tài)到固態(tài)的相變過程以及后續(xù)的顆粒的生長和發(fā)展過程，從而涉及到顆粒動力學(xué)等相關(guān)理論.柴油機(jī)Soot的濃度取決于Soot的前期生成和后期氧化，故Soot的排放量可表示為Soot的生成量和氧化量之差:

Soot生成過程采用 Hiroyasu 模型［5－8］:

式中:K為碳煙生成的活化能;mF為未燃燃油蒸汽量;p為缸內(nèi)壓力;E為指前因子，根據(jù)發(fā)動機(jī)尾氣排放中碳煙含量的試驗數(shù)據(jù)來確定;R為氣體常數(shù);T為各單元內(nèi)工質(zhì)的瞬態(tài)溫度，可近似取絕熱火焰溫度.

Soot氧化過程采用NSC(nagle-strickland-constable，NSC)模型［6－7］:

式中:MC為碳的摩爾質(zhì)量;ρS為Soot的密度;DS為Soot粒子的直徑;ROx為表面反應(yīng)速率，將Soot粒子表面按其氧化反應(yīng)的難易程度分成容易反應(yīng)的A型和不易反應(yīng)的 B型，所占比例分別為 xA和(1－xA).

式中:pO2為氧的分壓;kA，kB，kt，kz為反應(yīng)速率常數(shù)，

2.2.2 氮氧化物模型

在氮氧化合物NOx中，NO占氮氧化合物的90%～95%，因此計算出NO在不同條件下的生成量也就確定了柴油機(jī)NOx的排放總量.在柴油機(jī)的各種排放物中，NO是目前唯一一種能精確地加以預(yù)測的污染物，因此主要計算NO生成量.

柴油機(jī)NO的生成途徑主要是高溫、富氧，在內(nèi)燃機(jī)較高的燃燒溫度和接近理論化學(xué)當(dāng)量燃空比的條件下，NO的生成遵循擴(kuò)充的Zeldovihc生成機(jī)理.采用擴(kuò)充的Zeldovich生成機(jī)理，NOx生成過程為

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)理論，假定N原子濃度為常數(shù)，則NO的反應(yīng)速率方程為

式中:c為物質(zhì)的瞬時濃度;ce為物質(zhì)的平均濃度;R1，R2，R3為平衡時的反應(yīng)速率，R1=k1ceNOceN，R2=k2ceNceO2，R3=k3ceNceOH.

從化學(xué)平衡計算可得出 ceO，ceN2，ceNO，ceH，從而算出R1，R2，R3.上式微分方程式中僅有 ceNO一個變量可以求解，對上式求積分，即可求出單元內(nèi)的NO濃度，所有單元積分之和，為氣缸內(nèi)產(chǎn)生的總的NO量，即為排氣中NO量.

2.3 模型驗證

TBD234V12船用柴油機(jī)機(jī)主要結(jié)構(gòu)和性能參數(shù):缸徑為 128 mm;行程為 140 mm;壓縮比為15∶1;V型夾角為60°;12個氣缸;直噴式ω形燃燒室;2臺J100徑流式渦輪增壓器;額定功率444 kW;額定轉(zhuǎn)速為 1800 r·min－1;發(fā)火次序為 A1，B5，A5，B3，A3，B6，A6，B2，A2，B4，A4，B1;配氣相位為進(jìn)氣閥開，上止點前26.5°(文中角度為曲軸轉(zhuǎn)角φ);進(jìn)氣閥閉為下止點后46.5°;排氣閥開為下止點前47°;排氣閥閉為上止點后13°.

模型建立后，首先驗證其正確性，標(biāo)定工況下柴油機(jī)缸內(nèi)壓力模擬計算與試驗曲線的對比圖，如圖3所示，TDC為(活塞運(yùn)行)上止點，柴油機(jī)在標(biāo)定工況下，缸內(nèi)壓力變化曲線的模擬計算結(jié)果與試驗實測示功圖形狀基本吻合，說明模型邊界條件設(shè)置合理，仿真計算結(jié)果準(zhǔn)確.

圖3 標(biāo)定工況下柴油機(jī)缸內(nèi)壓力模擬值與試驗值的對比曲線

另外，對TBD234V12柴油機(jī)采用常規(guī)脈沖增壓和大小增壓器相繼增壓模型按照標(biāo)準(zhǔn)螺旋槳特性(P=Cn3，式中:P為功率;C為常數(shù);n為轉(zhuǎn)速)進(jìn)行計算，為了對該柴油機(jī)作為船用主機(jī)推進(jìn)特性工況的排放特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，選取9個工況點進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬工況點見表1，PH為額定功率，nH為額定轉(zhuǎn)速.

表1 數(shù)值模擬工況點

按以上選取的柴油機(jī)推進(jìn)特性工況點，對柴油機(jī)燃油消耗率和渦前排氣溫度進(jìn)行數(shù)值模擬，推進(jìn)工況下原柴油機(jī)油耗率計算與試驗的對比曲線如圖4所示，推進(jìn)工況下原柴油機(jī)渦前排溫計算與試驗的對比曲線如圖5所示.從圖4，5可以看出，在柴油機(jī)推進(jìn)工況下，油耗、渦前排溫的計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好，進(jìn)一步驗證了模型在變工況條件下的準(zhǔn)確性.

圖4 原機(jī)燃油消耗率模擬計算與試驗對比曲線

圖5 原機(jī)渦前排溫模擬計算與試驗對比曲線

3 模擬結(jié)果對比及分析

3.1 燃油消耗率對比分析

原機(jī)常規(guī)增壓模擬值與大小增壓器相繼增壓數(shù)值計算燃油消耗率對比曲線如圖6所示.

圖6 燃油消耗率對比曲線

從圖6可以看出，在小于50%PH時燃油消耗率有明顯的下降，特別是在10%PH時燃油消耗率下降達(dá)13.5%，說明大、小增壓器相繼增壓比原機(jī)常規(guī)增壓低工況經(jīng)濟(jì)性有較大的提高.這是因為在柴油機(jī)低工況采用一個小增壓器(1TC-S)或一個大增壓器(1TC-L)的增壓壓力高，使過量空氣系數(shù)增大，油氣混合比較充分，燃燒完全，所以油耗率低;而在高工況大小增壓器2TC與原機(jī)的常規(guī)增壓的2TC增壓壓力接近，過量空氣系數(shù)基本一致，油耗率相差不大.柴油機(jī)進(jìn)氣壓力對比曲線如圖7所示.

圖7 柴油機(jī)進(jìn)氣壓力對比曲線

3.2 碳煙(Soot)排放對比分析

原機(jī)常規(guī)增壓模擬值及大小增壓器相繼增壓數(shù)值模擬Soot排放對比曲線如圖8所示.

圖8 Soot排放對比曲線

從圖8可以看出，在整個推進(jìn)特性工況范圍內(nèi)，Soot均有下降，75%PH以前Soot排放有明顯的下降，在45%PH左右下降幅度最大達(dá)73.6%.這是因為在柴油機(jī)低工況采用一個小增壓器(1TC-S)或一個大增壓器(1TC-L)的增壓壓力高，過量空氣系數(shù)大，進(jìn)氣密度大，油氣混合比較充分，燃燒完全，所以Soot排放低，而在高工況大小增壓器2TC與原機(jī)的常規(guī)增壓壓力接近，過量空氣系數(shù)相對較小，Soot排放2種增壓方式下都趨于上升的趨勢，2種增壓方式Soot排放值相差不多.

3.3 NOx排放對比分析

原機(jī)常規(guī)增壓試驗值和原機(jī)常規(guī)增壓模擬值及大小增壓器相繼增壓數(shù)值模擬NOx排放對比曲線如圖9所示，在整個推進(jìn)特性工況范圍內(nèi)，NOx均有明顯下降，在40%PH降幅達(dá)到最大，分析原因在柴油機(jī)低速高負(fù)荷采用一個小增壓器(1TC-S)或一個大增壓器(1TC-L)工況下的進(jìn)氣壓力大，進(jìn)氣量充足，缸內(nèi)平均燃空當(dāng)量比降低，燃燒變好.另外通過計算流體動力學(xué)的仿真和燃燒試驗發(fā)現(xiàn)［9］:當(dāng)溫度低于1700 K時，NO的生成速率比較緩慢.為原機(jī)常規(guī)增壓和大小增壓器相繼增壓數(shù)值模擬在40%PH工況的缸內(nèi)溫度曲線對比如圖10所示，由于采用1TC-L的缸內(nèi)進(jìn)氣壓力高于原機(jī)(見圖7)，提高了進(jìn)氣密度，而且空冷器后溫度即柴油機(jī)氣缸進(jìn)氣溫度基本保持不變，進(jìn)入氣缸低溫氣體多，使得缸內(nèi)燃燒和膨脹過程溫度低于原機(jī)，最高燃燒溫度降低，而且低于1700 K，所以NOx的體積分?jǐn)?shù)有明顯的降低［10］.

圖9 NOx排放對比曲線

圖10 40%PH工況缸內(nèi)溫度對比

4 結(jié)論

1)通過所建準(zhǔn)維模型的計算結(jié)果與原機(jī)試驗結(jié)果對比，驗證了模型的可靠性和初始經(jīng)驗參數(shù)選取的準(zhǔn)確性.

2)模擬結(jié)果表明:船用柴油機(jī)采用大小增壓器相繼增壓后，柴油機(jī)在中低工況區(qū)提高了廢氣能量的利用率，使增壓壓力提高，柴油機(jī)油耗率降低.

3)原機(jī)常規(guī)增壓數(shù)值模擬值與大小增壓器相繼增壓數(shù)值模擬值進(jìn)行對比，結(jié)果表明:在柴油機(jī)中低工況區(qū)NOx和Soot的濃度都有明顯的降低，為船用柴油機(jī)采用大小增壓器相繼增壓降低排放提供了理論依據(jù).

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