蔡尚峰

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

0 引言

隨著全球船舶保有量的激增，石油的供需矛盾與廢氣排放造成的環(huán)境污染問(wèn)題引起了全世界的廣泛關(guān)注。為了有效地控制發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排量，目前常用的技術(shù)主要有：廢氣再循環(huán)（EGR）、選擇性催化還原（SCR） 和天然氣液化（LNG）等。就目前的技術(shù)、資源以及經(jīng)濟(jì)條件來(lái)看，液化天然氣（LNG） 在環(huán)保、供應(yīng)、安全以及經(jīng)濟(jì)性能等方面都比傳統(tǒng)能源有突出的優(yōu)勢(shì)，但若單一地將天然氣用作燃料，則會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性不足[1]。柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)大多由常規(guī)的柴油機(jī)改裝而成，因其改動(dòng)成本低、污染物排量小、使用靈活輕便等優(yōu)勢(shì)，在行業(yè)內(nèi)具有良好的推廣前景。

當(dāng)前，對(duì)于船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放研究主要朝著縱深方向發(fā)展，主要圍繞在如何改進(jìn)燃燒狀況以及如何控制排放質(zhì)量等問(wèn)題上，關(guān)于排放計(jì)算所做的研究還比較少。污染物的排放計(jì)算可以對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放水平作出功能性的評(píng)價(jià)，這對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的評(píng)估具有極其重要的作用[2]。本文致力于推導(dǎo)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放算法，以便能更加真實(shí)地反映雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放水平及排放規(guī)律。

1 碳平衡模式下的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放計(jì)算

衡量發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能優(yōu)劣的重要依據(jù)是各排氣組分比排放值 (g/kW·h)的大小，而計(jì)算比排放的關(guān)鍵則是保證發(fā)動(dòng)機(jī)排氣質(zhì)量流量 (kW/h)的精確性[3]。理論上講，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣質(zhì)量流量可以通過(guò)直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)煞N方法得到，且直接測(cè)量法更為直觀、準(zhǔn)確。然而，受船用發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境以及測(cè)試條件等諸多因素的限制，進(jìn)行直接測(cè)量的難度很大。因此，在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能測(cè)試時(shí)，無(wú)論是臺(tái)架試驗(yàn)，還是實(shí)船測(cè)試，均采用間接測(cè)量法，即通過(guò)測(cè)量燃料的質(zhì)量流量、各排氣組分濃度、各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等，再結(jié)合理論計(jì)算，最終確定發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣質(zhì)量流量。

1.1 碳平衡模式下雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放計(jì)算研究的必要性

關(guān)于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排氣質(zhì)量流量的計(jì)算，新出臺(tái)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)是在“GB/T 8190.1-2010”中一步算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)。為了更加準(zhǔn)確地反映雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放水平，本文以“GB/T 8190.1往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)排放測(cè)量”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“GB/T 8190.1”） 中的碳平衡法為主線，在原有柴油機(jī)排放算法的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行修改與重新推導(dǎo)，提出碳平衡模式下的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放算法，并將此算法與新出臺(tái)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，以便能更加客觀地反映發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際排放情況，這對(duì)于更好地評(píng)估雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放水平是十分必要的。

1.2 碳平衡模式下雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放計(jì)算方法

“GB/T 8190.1”計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中將1 mol干空氣視為由0.768 5 molN2和0.231 5 molO2組成，考慮空氣的實(shí)際組成，本文在推導(dǎo)過(guò)程中將其按標(biāo)準(zhǔn)干空氣（1 mol標(biāo)準(zhǔn)干空氣含0.755 1 molN2、0.231 5 molO2、0.012 9 molAr和0.000 5 molCO2）處理。

假設(shè)在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中，n1mol柴油（CHmSp）與n2mol天然氣（CxHy）共同參與燃燒反應(yīng)。則柴油中氫、硫元素的含量m、p可由下式得到：

式中：ALF、BET、GAM分別為燃油中H、C、S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%），可通過(guò)化驗(yàn)分析得到。AWC、AWH、AWS依次為C、H、S元素的相對(duì)原子質(zhì)量。

天然氣的成分并不完全為甲烷（CH4），可以視為由甲烷、乙炔、丙烷、丁烷、二氧化碳等多種化合物組成的混合物。將天然氣的化學(xué)分子式假定為CxHy，假設(shè)天然氣中各元素的含量（%） 用其分子式表示，則CxHy中x、y的計(jì)算式如下：

假設(shè)柴油的質(zhì)量流量用GFUEL表示，天然氣的質(zhì)量流量用GCxHy表示。根據(jù)上式可知，柴油、天然氣的流量配比n1、n2的計(jì)算式如下：

假設(shè)燃料完全燃燒，則化學(xué)反應(yīng)式如下：

From the above analysis,we can see that foreign scholars have different opinions about the range of phonological awareness,but substantial researches are concerned with the relation between reading and phonological awareness.

式中：lv為理論過(guò)量空氣系數(shù)。

1 kg燃料完全燃燒需要的理論空氣量為：

式中：MWO2是氧氣的摩爾質(zhì)量，MWN2是氮?dú)獾哪栙|(zhì)量，以此類(lèi)推。

過(guò)量空氣系數(shù)EAFCDO為：

燃料中氫碳摩爾比HTCRAT為：

進(jìn)氣空氣量為：

燃油特定系數(shù)FFH為：

在排放測(cè)試中，由于有水蒸氣（H2O） 存在，HC成分的干基濃度無(wú)法獲取。通過(guò)測(cè)量排氣中HC成分的濕基濃度（HCW），以及計(jì)算得到的EAFCDO、FFH等參數(shù)，可算出HC干基濃度（HCD）：

排氣的含碳組分比：

根據(jù)報(bào)告中給出的COD、HCD以及HTCRAT、EXHCPN等參數(shù)可計(jì)算實(shí)際過(guò)量空氣系數(shù)（EAFEXH）：

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣質(zhì)量流量為：

2 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放計(jì)算一步法

對(duì)于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣質(zhì)量流量，目前較為常用的算法是經(jīng)“GB/T 8190.1-2010”標(biāo)準(zhǔn)中的一步法改進(jìn)而來(lái)?！癎B/T 8190.1-2010”中的一步法主要是針對(duì)柴油機(jī)的排放水平設(shè)計(jì)的，適用于含氮、氧成分的柴油。新出臺(tái)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放算法照比柴油模式有了改變，某些參數(shù)在選擇時(shí)，不僅要考慮柴油，作為主要燃料的天然氣也應(yīng)該被考慮在內(nèi)。相對(duì)于碳平衡法，此方法適合含氮、氧成分的柴油。算式如下：

式中：qmf為參與燃燒的燃料質(zhì)量流量；WBET為燃料中的碳含量；ffd為干廢氣的燃料特定常量；fc為碳系數(shù)；qmew為排氣質(zhì)量流量。

其中，碳系數(shù)fc與燃料特定系數(shù)ffd的計(jì)算公式如下：

式中：CCO2d為排氣中CO2的干體積濃度（%）；CCO2a為進(jìn)氣中CO2的體積濃度（%）； CCOd為排氣中CO的干體積濃度（ppm）；CHCW為排氣中HC的濕體積濃度（ppm）；WALF為燃料中氫的含量 (%)；WDEL為燃料中氮的含量 (%)； WEPS為燃料中氧的含量 (%)。

3 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放算法分析

本文擬在C6190ZLCS船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用上述兩種算法對(duì)此發(fā)動(dòng)機(jī)的排放水平進(jìn)行測(cè)評(píng)。該試驗(yàn)所用燃料的特性及主要成分如表1所示。

表1 燃料特性及燃料主要成分

發(fā)動(dòng)機(jī)的排放質(zhì)量與其負(fù)荷緊密相關(guān)，不同種類(lèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)著不同的工作循環(huán)模式。在進(jìn)行排放測(cè)試時(shí)，每種發(fā)動(dòng)機(jī)均有相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c之相對(duì)應(yīng)。船用發(fā)動(dòng)機(jī)的主要試驗(yàn)?zāi)Ｊ街饕蠧1、D2、E2、E3四種，其中，C1工作模式對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)種類(lèi)為變速、變負(fù)荷運(yùn)行的輔機(jī)（不包括D2和E3工作模式下的各類(lèi)輔機(jī)）；D2模式對(duì)應(yīng)的是恒速運(yùn)行的輔機(jī)；E2模式對(duì)應(yīng)的是恒速船用主機(jī)（包括柴油機(jī)電力驅(qū)動(dòng)和調(diào)距槳裝置）；E3模式對(duì)應(yīng)的是按推進(jìn)特性運(yùn)行的船用主機(jī)和輔機(jī)。

為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)和便于比較不同種類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放水平，“GB/T 8190.1”根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的載荷和速度對(duì)每種工作循環(huán)模式都規(guī)定了若干試驗(yàn)點(diǎn)。本次試驗(yàn)按E3模式進(jìn)行，各工況下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)E3模式臺(tái)架試驗(yàn)參數(shù)

將表1、表2中的數(shù)據(jù)分別代入所推碳平衡法及一步法計(jì)算公式，可得到此發(fā)動(dòng)機(jī)在兩種算法下的排氣質(zhì)量流量，如表3所示。

表3 兩種算法對(duì)應(yīng)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排氣質(zhì)量流量

通過(guò)計(jì)算，可知本文所推導(dǎo)的碳平衡模式下的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放計(jì)算結(jié)果與一步法的計(jì)算結(jié)果極為接近，誤差在1%以內(nèi)?？梢宰C明本文提出的算法具有較高的精確性，能夠應(yīng)用于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放計(jì)算。

4 結(jié)論

將柴油機(jī)改裝為柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，是在保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的前提下，最行之有效的方法。針對(duì)目前關(guān)于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放計(jì)算所做的研究還比較少這一問(wèn)題，本文根據(jù)“GB/T 8190.1”中的簡(jiǎn)單碳平衡法推導(dǎo)了適用于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放算法。經(jīng)過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)際測(cè)算，本文所推算法與目前常用的“一步法”之間的誤差小于1%，可證明本文所推算法具有很強(qiáng)的實(shí)用性，能夠準(zhǔn)確地反映雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放水平與排放規(guī)律，可以應(yīng)用于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放計(jì)算。