環境濕度對船舶主機動力和排放的影響

曾向明，何永明

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

0 引 言

二沖程柴油機在船舶上大量應用，具有低油耗、高效率的特點，有著良好的經濟性和動力性。隨著全球大氣污染的加重和人們環保意識的增強，船舶柴油機的尾氣污染引起了大眾的廣泛關注，IMO 對船舶柴油機排放提出了更高的要求[1-2]。因此，船用二沖程柴油機的動力性和排放性能成為船舶運營商關注的焦點，故對柴油機的燃燒排放優化提出了迫切的要求[3]。

環境濕度、環境溫度以及環境壓力都會對柴油機的燃燒過程產生影響，但是進氣濕度對柴油機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、減排潛力可觀的優勢，是未來船舶柴油機達到法規的主要技術手段。進氣濕度對柴油機燃燒的影響主要在熱效應、化學反應、稀釋效應等方面。

1）水的高比熱容能降低燃燒溫度，水相對濕度的增加會提高進氣的熱容值，進而吸收更多的熱量降低燃燒溫度，從而減少NOx 的產生。

2）燃燒過程中，水的存在會導致“水煤氣反應”進而降低Soot 的排放，其本質是水受熱分解為H 基和OH 基團，OH 基和N 的反應較遲鈍，且促進Soot 的氧化。

3）進氣濕度的增大會稀釋進氣氧濃度，可抑制NOx 的產生，但同時會提高Soot 的生成[4-6]。

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

1 計算模型介紹與驗證

1.1 缸內燃燒的基本方程

1）質量守恒方程

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

2）能量守恒方程

由熱力學第一定律dq=du+pdv 有：

式中：φ 為曲軸轉角；U 為系統的內能；QB為燃料在燃燒時放出的能量；QW為氣缸與外界交換的熱量；hs、he為進氣閥和排氣閥處工質的比焓；p 為氣缸內工質壓力；V 為氣缸工作容積；

3）動量守恒方程

微元體中流體的動能對時間的變化率等于外界作用在該微元體上各種力之和，由此定律可導出動量守恒方程：

式中：p 為靜壓；τij為應力張量；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為研究對象，其技術參數如表1 所示。在GT-POWER 中建立一個一維的仿真計算模型，燃燒模型選擇DIJET燃燒模型進行模擬仿真。

1.3 模型的校核

以6S35ME-B9 在100%，75%，50%負荷下對實驗值和模擬值進行校核，缸壓曲線基本吻合。以75%負荷為例，可得出模擬值和實測值差值都小于5%，在工程允許的誤差之內。具體對比如表2 和圖1 所示。

由表2 和圖1 可知，所建立的模型在缸內壓力的預測和具體運行工況吻合很好，可用來作為燃燒的具體研究。

2 不同環境濕度對單一因素的影響

柴油機環境濕度會影響柴油機的進氣濕度，根據實驗目的設置不同的環境濕度。數值模擬的基本條件有：發動機恒定轉速129 r/min，單缸循環噴油量為10.285 g，掃氣壓力2.9 bar，以25 ℃，101 kPa 的大氣條件下，以相對濕度0%，25%，50%，75%，100%的條件下對柴油機進行模擬仿真，以期充分研究環境濕度對柴油機燃燒和排放的影響規律。

表1 MAN B&W 6S35ME-B9 型機基本技術參數Tab. 1 Basic technical parameters of MAN B&W 6S35ME-B9

表2 主要參數模擬結果與實驗值的對比Tab. 2 Comparison of main parameter simulation results with experimental values

2.1 環境濕度對缸內燃燒溫度的影響

圖1 缸內壓力曲線對比圖Fig. 1 In-cylinder pressure curve comparison chart

圖3 局部放大Fig. 3 Partial enlargement

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

2.2 環境相對濕度對缸內燃燒壓力的影響

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

圖5 不同濕度缸內爆發壓力Fig. 5 Burst pressure diagram in different humidity cylinders

圖4 為不同相對濕度對壓縮壓力的影響，圖5 為不同相對濕度對缸內最高燃燒壓力的影響。由圖4 可以看出在壓縮過程中，缸內壓力隨著相對濕度的增加而增加，這是因為水的密度要小于空氣的密度，空氣中相對濕度的增加會導致氣體的密度降低，進而在壓縮終點會導致更多的空氣進入到缸內，從而提高了壓縮空氣的壓力[8]。由圖5 可以看出，燃燒過程中隨著進氣相對濕度的提高，最高爆發壓力會降低，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，會大量吸收反應中昌盛的熱量，從而降低反應的速率，進而降低其壓力。

2.3 不同濕度對NOx 的影響

影響柴油機NOx 生成率和排放率的根本因素是燃燒溫度、氧原子濃度和工質在高溫環境下的持續時間（即形成NOx 的反應時間）。柴油機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氣在高溫下生成的，反應機理為：

圖6 為不同進氣濕度產生的NOx 曲線。可知，隨著進氣濕度的提高，NOx 的生成量呈減少趨勢。上述反應中OH 原子是水在高溫分解時產生的，OH 原子的存在會促進NO 原子的生成，所以OH 原子的濃度是NO 原子生成的一個因素。另外，由上述溫度可知，相對濕度的增加會導致溫度的降低，進而導致NOx 產生量減少。由實驗可知，溫度對NOx 的產生具有主導作用[9]。

2.4 不同濕度對Soot 產生的影響

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。在高溫富油區域，由氣相燃料核變為固相，隨后周圍的碳氫化合物或者其余可用分子便在核心上凝結或者被吸收。Particulate 則是Soot 和其余一些液相或者固相物質的結合物。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得到公認的Soot 生成反應方程式，但實驗已經證明Soot 的生成主要受到壓力、溫度和混合氣當量比等因素的影響。Soot 產生量的常用計算方法為，以HiroyasuSoot 模型和NSC(Nagle and Strickland-Constable)Soot 氧化模型為基礎，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為燃油蒸汽質量；Af為前置系數；P 為缸內壓力；Ef為Soot 形成的活化能；R 為氣體常數；T 為氣缸內溫度。

2）NSCSoot 氧化模型

假設Soot 顆粒為球形，大小一致，并且Soot 顆粒表面由易氧化物質和不易氧化物質組成。

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

由圖7 可知，隨著相對濕度的增加，Soot 排量呈現出上升的趨勢，且在燃燒過程中，其相對增量增加迅速，其主要原因是進氣相對濕度提高導致滯燃期延長，Soot 的生成時刻也相對延遲。理論上講，滯燃期延長可以使油氣混合的時間延長，使得局部缺氧、富油區減少，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 的后期氧化會隨著加濕率的增加而減小，其主要是因為水蒸氣占據了原本氧的比例，使得燃油的燃燒后期氧的含量不足，導致Soot 的產量增加，最終呈現的是隨著相對濕度的增加，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 語

1）隨著進氣濕度的提高，柴油機缸內壓力和燃燒溫度均出現下降，缸內最高爆發壓力降低的幅度約有12.95 bar，缸內最高燃燒溫度降低約210 K。

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

3）隨著進氣濕度的增加，Soot 的排放呈上升的趨勢，主要因為燃燒后期氧氣的不足導致氧化能力的降低。

4）在進一步研究相對濕度對柴油機的影響時應考慮動力性和排放的綜合效果，繼續研究經濟性最優的方法。