摻水乳化油對船用柴油機性能影響優化分析

楊捷波，高占斌,2，宋 佳，王彬彬，高敬博，卾新忠

(1. 集美大學，輪機工程學院，福建 廈門 361021；2. 福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021；3. 天津中海油能源發展油田設施管理有限公司，天津 濱海新區 300452)

0 引言

當今，航運業發展迅猛，柴油機因其熱效率高、燃油經濟性好、功率范圍廣等特點，已成為船舶運輸領域最主要動力來源[1-2]，其燃料主要由石油提煉而來。隨著經濟全球化趨勢日益明顯，各國對石油的需求量也越來越大，使得石油資源日漸枯竭、環境問題逐漸惡化，所以國際海事組織于2016年1月開始實施更為嚴格的TierⅢ排放法規[3-4]。因此，如何減少船舶柴油機NOx排放，已成為當前研究重點[5]。摻水燃燒技術是通過特定措施使一定量水進入氣缸參與缸內燃燒，可有效降低火焰燃燒溫度，使燃燒室溫度分布更加均勻，從而改善柴油機的排放性能[6]。該技術共有3種不同的方式：摻水乳化油、進氣加濕以及缸內直噴水[7-8]，其中，摻水乳化油技術具有成本低廉、減排潛力大等優勢，且相比于缸內直噴水和進氣加濕，對柴油機損傷較小，已成為未來船舶滿足排放法規要求的主要技術手段之一，受到廣泛關注[9-13]。因此，本文以TBD234V6 型柴油機為原型機，應用AVL-Fire建模仿真軟件，建立其燃燒室三維燃燒仿真模型，研究摻水乳化油對柴油機動力性、經濟性和排放性能影響，并與原機燃用純柴油對比分析，為摻水燃燒技術在實船應用提供一定的參考依據。

1 計算模型與驗證

1.1 發動機的主要技術參數

TBD234V6型增壓中冷柴油機基本參數如表1所示。

表1 TBD234V6型增壓柴油機基本參數表Tab. 1 Basic parameters of TBD234V6 supercharged diesel engine

1.2 計算模型及初始條件

本文主要通過仿真模擬柴油機的燃燒過程，因此選取進氣閥關閉（586.5°CA）到排氣閥開啟時刻（853°CA）這一區間開展研究[14]。由于TBD234V6型柴油機的噴孔呈偏心布置，需建立整機模型，上止點時刻網格分布情況如圖1 所示。3D網格具有2層邊界層，邊界層的厚度為0.35 mm，網格數目為26 496個。

圖1 上止點計算網格Fig. 1 Top dead center calculation grid

選用準確的湍流、噴霧和燃燒模型對模擬氣缸工作過程中的不穩定狀態、快速壓縮和強烈湍流的特性尤其重要。本文采用的子模型如表2所示。

表2 計算子模型Tab. 2 Calculation sub-model

仿真主要針對柴油機缸內燃燒與排放的高壓循環，只需計算壓縮和燃燒膨脹2個過程，不考慮進排氣道流動問題。因此，初始條件的設置決定著缸內空氣質量和初始狀態，其計算初始參數如表3所示。

表3 計算初始參數Tab. 3 Calculation of initial parameters

1.3 參數定義

由于摻水乳化油主要由水和柴油按一定比例均勻混合而成，但二者的密度與熱值均不相同。因此，通常采用摻水質量百分比和折合油耗率來分別描述摻水比與油耗率。其定義式如下：

式中：bEBS FC為折合油耗率，g/kW·h；bRS FC為摻水乳化油消耗率，g /kW·h；HL為摻水乳化油低熱值，MJ/kg；HLd為柴油低熱值，MJ/kg；θ為摻水率；mw和md分別為水和柴油的質量，kg；ρd與ρw分別為柴油和水的密度，kg/m3。

1.4 計算模型驗證

選取柴油機推進特性額定工況（186 kW，1500 r/min），將仿真所得缸壓曲線與試驗測量所得曲線進行對比。如圖2所示，其仿真結果與試驗缸壓數值差均小于5%，其存在偏差的主要原因為噴霧和燃燒等模型的提出基于一定的假設，模型不能完全仿真實際的燃燒過程，且考慮到計算時間，網格不能劃分過細，因而造成一定的誤差。TBD234V6型柴油機的仿真模型建立較為正確，各項系數設置較為合理，可使用該模型進行柴油機缸內燃燒過程的模擬計算。

圖2 缸壓試驗值與仿真值對比曲線Fig. 2 Comparison curve of cylinder pressure test value and simulation value

2 研究方案

本文主要研究在額定工況下，燃用不同摻混比例摻水乳化油對柴油機性能影響，研究方案見表3。

表4 仿真試驗研究方案Tab. 4 Simulation test research plan

3 摻水乳化油計算結果及分析

3.1 對缸內燃燒的影響

圖3～圖5分別為不同摻水比例乳化油對柴油機缸內壓力、缸內溫度及燃燒放熱率隨曲軸變化過程。由圖可知，柴油機摻燒摻水乳化油相比于原機，隨著摻水比的增大，缸內爆發、缸內最高燃燒溫度和放熱率峰值均呈下降趨勢，且摻水比越大，下降幅度越明顯；與此同時，滯燃期逐漸延長，燃燒末期放熱率值逐漸升高。這主要是因為：水分子間存在締合分子，需要通過吸收一定熱量來削弱分子間的締合作用，之后才能使水分子溫度升高；水的比熱在所有液、固態物質中是最大的，約為 4.2×103kJ/（kg·℃），所以汽化潛熱較大，會吸收較多缸內燃燒熱量，使得缸內溫度降低，加之與純柴油相比，摻水乳化油熱值較低，減緩燃燒速度，導致缸內平均壓力下降，放熱率峰值降低且后移，著火時刻推遲。但摻水乳化油在燃燒過程中，會產生微爆反應，減小油滴顆粒直徑，改善燃料與空氣混和狀態，從而提高燃油燃燒效率，加之在高溫缺氧區域中，水與碳粒容易產生“水煤氣”反應，所以摻水量較低的乳化油對上述原因所導致的柴油機動力性能下降問題有一定補償作用，如摻水比為5%時，與原機相比，缸內溫度和放熱率變化不明顯，缸內最高爆發壓力僅降低2.84%。當摻水比大于5%時，雖微爆反應一定程度上能改善油氣混合，由于摻水量較多，水汽化升溫吸收大量熱量，缸內溫度顯著降低，此時其影響占主導地位，燃燒反應速度減緩，尾燃增加，燃燒末期放熱率較高，因此最高溫度、最高爆發壓力及放熱率峰值下降明顯，如摻水比分別為20%和30%時，與原機相比，最高溫度分別降低12.65%和20.35%，最高爆發壓力分別降低14.86%和22.05%，放熱率峰值降低24.03%和34.07%。

圖3 不同摻水比對缸內壓力影響Fig. 3 The influence of different water mixing ratios on the cylinder pressure

圖4 不同摻水比對缸內溫度影響Fig. 4 The influence of different water mixing ratios on the temperature in the cylinder

圖5 不同摻水比對放熱率影響Fig. 5 The influence of different water mixing ratios on the heat release rate

由圖6可知，燃燒室高溫區主要集中在凹坑處及擠流區間隙，隨著摻水比的上升，燃燒溫度逐漸降低，高溫區域分布縮小。由于噴孔呈偏心布置，噴油油束的噴射方向指向燃燒室凹坑左側，導致燃燒室左側凹坑溫度明顯高于右側。

圖6 20°CA ATDC缸內溫度場對比Fig. 6 Comparison of temperature field in 20°CA ATDC cylinder

3.2 摻水乳化油對NOX排放的影響

由圖7可知，隨摻水比增加，NOX的初始生成時刻逐漸后移，生成速率隨之降低，生成量逐漸減小。這是因為：滯燃期階段，水汽化抑制壓縮空氣的溫度；燃燒階段，水蒸發吸收缸內熱量，降低燃燒火焰局部溫度，同時乳化油的二次霧化促進缸內燃燒，縮短氮氣在高溫區滯留時間。根據NOX生成機理，3種情況下，氮和氧濃度小，其在燃燒室內駐留時間短和燃燒溫度低，均會降低NOX排放，所以NOX質量分數變化曲線整體呈下降趨勢，NOX排放降低，當摻水比為20%和30%時，與原機相比，NOX排放量分別降低81.35%和82.90%。

由圖8可知，隨著摻水比增加，缸內溫度降低，NOX分布區域逐漸減少，當摻水比大于10%時，氣缸中心區及燃燒室凹坑處NOX濃度已處于相當低的水平，但擠流區內由于燃燒產物滯留時間長、壓力低，故NOX降低相對較慢。

圖7 不同摻水比對NOX生成的影響Fig. 7 The effect of different water mixing ratios on the formation of NOX

圖8 20oCA ATDC缸內NOX濃度場對比Fig. 8 Comparison of NOX concentration field in the 20°CA ATDCcylinder

3.3 摻水乳化油對Soot排放的影響

由圖9可知，隨摻水比增加，滯燃期延長，Soot生成時刻后移，其峰值先降低后升高，當摻水比為15%時，相比原機降低10.13%，達到最低值。這是因為：柴油機在急燃期，缸內溫度較高，適當摻水量可使缸內溫度降低，雖一定程度上降低Soot氧化速率，但同時也抑制碳化物脫氫脫水，析碳發生率下降；加之滯燃期延長可改善燃料混合和燃燒過程，減小局部缺氧和富油區，因此當摻水比≤15%時，此時Soot峰值隨摻水比增加而下降。當摻水比>15%時，著火時刻滯后明顯，導致缸內油氣含量過多，同時因摻水量過大，缸內溫度大幅度下降，抑制水煤氣反應的發生，導致Soot氧化速率明顯降低，大量Soot不能及時被氧化，此時Soot峰值隨摻水比增加而上升。但是，在膨脹后期，隨著摻水比增加，Soot不斷升高，原因主要是柴油機膨脹后期缸內溫度較低，氧氣質量分數減少，加之摻水乳化油更進一步降低缸內燃燒溫度，大幅度削弱碳煙后期氧化能力，導致碳煙最終排放量隨摻水比增加而升高。

圖9 不同摻水比對Soot生成的影響Fig. 9 The influence of different water mixing ratios on the formation of Soot

由圖10可知，Soot主要集中在燃燒室凹坑處，隨摻水比增加，Soot分布區域擴大，向燃燒室凹坑處聚集。

圖10 80oCA ATDC缸內Soot濃度場對比Fig. 10 Comparison of Soot concentration field in 80°CA ATDCcylinder

3.4 摻水乳化油經濟性分析

由圖11可知，隨摻水比增加，燃油消耗率先降低后升高，摻水量為20%時，與原機相比，燃油消耗率下降8.77%，達到最低值。這是因為水的沸點低于柴油，當溫度急劇升高時，乳化油內部水份率先汽化，產生水蒸氣，當水蒸氣達到一定量時，將沖破油膜的包裹發生液滴爆炸，形成更細小的油滴，同時進一步擴大油束區域，油氣混合質量得到改善，從而提高缸內燃燒效率，但與此同時水蒸發汽化又會降低缸內燃燒溫度，生成大量水蒸氣，減緩燃料熱量，使得缸內燃燒惡化，因此其折合消耗率是上述水對缸內燃燒2種截然相反的影響相互博弈的結果。

圖11 不同摻水比對燃油消耗率的影響Fig. 11 The influence of different water mixing ratios on fuel consumption

4 最佳摻水比確定

確定摻水乳化油最佳摻水比需綜合考慮乳化油對柴油機動力、經濟及排放等多方面的影響。灰色決策理論在解決多目標最優問題上具有弱化人為因素干擾、降低過程主觀性的優勢，其決策模型主要包括：局勢集、決策目標、效果樣本矩陣、測度矩陣和綜合測度矩陣。其中，綜合效果測度矩陣為摻水乳化油綜合性能優化結果最終體現，所以本文將通過該決策理論以柴油機摻水乳化油燃燒為事件、不同摻水比為對策值，結合影響柴油機性能主要因素，選取最高燃燒壓力、燃油消耗率、NOx 及Soot 值為決策目標，對乳化油最佳摻水比進行選擇。關于決策目標的權重分配問題，當前尚無統一的指導理論。決策目標的權重分配主要基于其自身的特征。為避免純主觀或純客觀賦權所帶來的極端偏差，對核心決策目標采用主觀賦權，對從屬決策目標采用客觀賦權。因本文以TBD234V6型柴油機100%負荷為研究對象，該工況下，NOX排放嚴重，因此選擇NOX排放量為核心決策目標，賦權α1＝0.300 0，缸內最高燃燒壓力、油耗率和Soot排放量為從屬決策目標，通過灰色關聯分析法計算核心決策目標與從屬決策目標的絕對關聯程度，求解從屬決策目標的權重值分別為：α2=0.222 1，α3=0.259 5，α4=0.218 4。然后，采用熵權法摒除主觀因素，其客觀權重分別為：ε1=0.330 5，ε2=0.232 9，ε3=0.222 6，ε4=0.214 0。求得最終權重值為：η1=0.388 2，η2=0.202 5，η3=0.226 2，η4=0.183 1。從而可得出額定工況下不同摻水比綜合性能優化值。

如圖12所示，乳化油摻水比對柴油機綜合性能影響由高到低依次為：10%乳化油>20%乳化油>5%乳化油>15%乳化油>原機（0%乳化油）>30%乳化油，其中，摻水比為10%時，綜合性能優化值最高，為0.982 9，此時，為最優摻水比。

圖12 不同摻比綜合優化值對比Fig. 12 Comparison of comprehensive optimization values of different blending ratios

由圖13可知，與純柴油相比，最優摻水比下，最高燃燒壓力下降0.82 MPa，降幅約6.90%；燃油消耗率降低14.70 g/kW·h，降幅約6.50%；NOX質量分數下降55.11×10-6，下降約36.1%；Soot質量分數升高4.5×10-6，上升約110.6%。由此表明，在額定工況下，最優摻水比為10%，可良好地改善柴油機的經濟性與NOX排放性，但動力性及Soot排放性有所下降。

圖13 額定工況下最優摻混比與純柴油對柴油機性能影響對比Fig. 13 Comparison of the influence of optimal blending ratio and pure diesel on diesel engine performance under rated operating conditions

5 結 語

1）額定工況下，隨著摻水乳化油摻水比的增加，柴油機最高燃燒壓力逐漸降低，燃油消耗率呈先下降后上升的趨勢。當摻水比為20%時，最高燃燒壓力較純柴油燃燒下降約14.86%，燃油消耗率降幅最大約為8.77%。

2）摻燒摻水乳化油后，NOX排放量顯著降低，其分布區域逐漸減少，缸內平均溫度下降；Soot排放量明顯升高，燃燒室凹坑處Soot分布區域逐漸擴大。

3）基于灰色決策理論，通過主客觀賦權法，以NOX排放量為核心決策目標，最高燃燒壓力、油耗率和Soot排放量為從屬決策目標，確定最優摻水比為10%。在此摻水比下，最高燃燒壓力下降6.9%，燃油消耗率下降6.5%，NOX排放降低36.1%，Soot排放上升110.6%。