舰船柴油主机尾气排放特性及其尾流抑制应用研究

张志友，金良安，苑志江

（海军大连舰艇学院航海系，辽宁 大连 116018）

舰船柴油主机尾气排放特性及其尾流抑制应用研究

张志友，金良安，苑志江

（海军大连舰艇学院航海系，辽宁 大连 116018）

通过检测曼哈姆（TBD）型船用柴油机尾气，总结不同负荷工况下柴油机尾气排放特性的变化规律，以实现利用尾气气体消除尾流微气泡。针对实验测试数据，研究基于主机尾气的舰船尾流消除技术的可行性，从主机尾气的排量、排温、溶解度、酸碱性、成分方面，分析尾气能否满足技术需求。实验结果表明：尾气气体成分较稳定，排温为350℃以上，排量达1000kg/h以上，尾气溶解度为0.12g/L，呈弱酸性；证明尾气气体的排气量充足，消泡速率高，对舰船次生危害少，具有消除尾流微气泡的作用，对于提升舰船尾流隐身及降低排气危害具有重要意义。

舰船；尾气特性；尾气应用；尾流抑制

0 引 言

尾流隐身技术有望消除或抑制水面舰船的气泡尾流，从根源上彻底解决对尾流自导鱼雷的防御问题[1]。近年来，国内外学者对尾流隐身技术的研发与应用进行了大量的研究，取得了诸多技术成果，包括：人工大气泡消泡法，超声消泡法、释放消泡剂法、尾流能量吸收法、边界层控制技术，优化船体型线、设计性能优良的螺旋桨等[2-3]。然而技术仍存在着诸多的问题，如隐身效果有限、对航行影响大、在实船上改造困难、装置设计要求高、制造使用成本高等，都限制了现有尾流隐身技术在军事领域的应用。基于对舰船主机排放的众多危害以及有效抑制尾流微气泡的考虑，在多种消尾流技术的基础上，作者首次提出“基于主机尾气的舰船尾流消除技术”。

当前中、小型现代舰艇、常规潜艇和军辅船等大多数舰船，都使用柴油机作为主机设备，因此检测柴油主机尾气，分析研究其排放特性和应用效果是该技术的首要任务。然而，目前研究主要是对不同转速与负荷条件下，军用、车用小型柴油机排气成分的预测与分析[4]。鲜有关于舰船大型柴油主机尾气检测以及柴油主机运行参数对尾气影响的研究。在基于主机尾气的舰船尾流消除技术中，尾气排量、溶解度决定能否满足消泡需求气量，尾气排温、酸碱性影响舰船隐身性，以上尾气排放特性决定技术可行性。但是，在对柴油主机尾气排温、排量、溶解度和酸碱性等尾气特性的研究则极其有限[5]。

鉴于上述情况，本文设计实验，重点对大型舰船柴油主机排放尾气特性进行检测分析，研究舰船柴油机尾气成分、排温、排量的排放规律，并分析柴油机尾气溶解度、酸碱性与各影响因素间的变化关系。基于以上排放特性，对舰船主机尾气的应用基础进行研究，为基于主机尾气的舰船尾流消除技术的完善发展提供一定的参考依据。

1 舰船柴油主机尾气排放特性分析

通过实验研究验证柴油机尾气排放规律，分析舰船柴油主机尾气排放特性，总结柴油机运行参数对排气物理特性的影响，为合理利用尾气进行消尾流提供理论依据。

1.1 实验取样

1.1.1 实验柴油机

实验测试机器为4台船用柴油机，测试机型分别为：TBD234V12、TBD316V16、TBD620L6、TBD620V16，其重要参数如表1所示。

表1 实验柴油机主要参数

测试机器涉及低功率及高功率柴油机、中等转速及高转速柴油机。可以更全面地对柴油机排放特性进行分析。本次测试结果主要针对柴油机尾气成分、排温、排量、溶解度以及酸碱性进行检测研究。

1.1.2 实验方案

实验采用直接连续取样法采集柴油机尾气气样。

1）待测量：柴油机尾气成分、尾气排量、尾气温度、尾气溶解度、尾气酸碱性。

2）改变量：柴油机型号、柴油机负荷。

实验中排放分析仪如图1所示。

图1 实验用排放分析仪

1.2 舰船柴油主机尾气实验结果

舰船柴油主机尾气进行水下排放时，成泡特性主要受气体成分影响；尾气排量决定消除尾流微气泡的大气泡供应量；尾气气体溶解度影响大气泡上浮过程气体形态变化；尾气排温、酸碱性可能会对舰船隐身安全性产生负面作用。为进行舰船柴油主机尾气可应用性研究，因此有必要对尾气成分、排量、排温、溶解性、酸碱性进行检测。

1.2.1 尾气成分

尾气中的主要成分：N2和O2是过量空气进入燃烧室燃烧后的产物；CO2和H2O是碳氢燃料完全燃烧的产物。这4种气体约占总成分91%～98%[6]。当主机在正常工况下运行时，改变负荷，主机排放废气主要成分的占比在一定范围内没有较大的变动[7]。本次实验对O2及CO2进行测量，实验结果得出O2的含量占总废气成分14%～18%，CO2含量则为5%～10%。不同测试机型的尾气中O2排放浓度、CO2排放浓度如图2、图3所示。

排气中的有害气体成分较为复杂，柴油机负荷的改变，会影响混合气体组成，继而影响尾气成分。实验选取NOx气体及碳烟烟度进行测量。结果如图4、图5。

可见，柴油机负荷增加，节气门开度增大，有利于燃烧室实现完全燃烧。所以当最高燃烧温度升高，循环供油量增加时，燃烧的过量空气减少，使得排气成分中NOx的生成量增大，烟度升高。

1.2.2 尾气排量及排温

图2 尾气中O2浓度

图3 尾气中CO2浓度

图4 尾气中NOx浓度

因动力及功率要求，舰船柴油主机排气量巨大[8]。随着负荷的增加，柴油机耗油量增加，柴油机排气流量将会上升。柴油主机排气流量如图6所示。

尾气在排气口处的温度可达350℃以上。被尾气带走的热量约占燃烧总热值的35%，排放气体温度由柴油机运行负荷及燃烧状况所决定，且与负荷间呈正相关性。柴油主机排气温度如图7所示。

图5 主机碳烟烟度

图6 主机排气流量

1.2.3 尾气溶解性

图7 主机尾气温度

由前文对尾气成分的分析知，尾气成分复杂，其溶解性也存在较大差异[9]。尾气中的主要气体N2、O2难溶于水，CO2可溶于水且可发生反应，水蒸气则直接液化。尾气有害排放物中，CO、NO等不溶于水，SO2、NO2等可与水发生反应。本实验处于298.15 K环境中，主要气体在298.15K，101.325kPa环境下气体体积溶解度如下：N2：14.34mL/L，O2：31.61mL/L，CO2：759mL/L，CO：21.42mL/L，NO：43.23mL/L，SO2：33.5L/L。

使用溶解度测定方法，注射器吸入20mL尾气气体及20mL水，常温常压下振荡混合，测定溶解度。实验进行15次，取10次有效实验平均值，可得20mL水在298.15 K，101.325 kPa环境下所能溶解尾气的最大体积约为1.8mL（2.4×10-3g）。因此可近似推算尾气在常温常压下溶解度为0.12g/L（90.76mL/L）。

尾气气体在海水中的溶解速率还受温度、排量、排放速度、排气深度等影响。温度越高，溶解的尾气量越少[10]。当尾气大气泡在深海中向上运动时，海水温度会呈升高趋势，导致尾气气泡的溶解能力减弱；主机气体排量、排放速度、排气深度都将影响尾气大气泡运动条件下的溶解性，气泡在上升过程中，需要有充足时间与水充分溶解，主机尾气排量与排放速度增大都将减少溶解时间，而增大排气深度有助于气液溶解。

1.2.4 尾气酸碱性

尾气中主要成分为中性气体N2、O2，水蒸气以及酸性气体 CO2、SO2、NO2等。

酸性气体溶解于水及海水溶液，会发生不同溶解反应：

在海水溶液中，海水因含有强碱弱酸盐而呈弱碱性，酸性气体会与弱碱性海水发生中和反应：

在0.101 MPa、298.15 K时，CO2饱和水溶液pH值为3.9，体积约占总气体成分7.1%；虽然SO2饱和水溶液pH值为0.89，而且NO2可与水完全反应生成强酸，但SO2和NO2分别约占总体积的0.06%、0.08%，对尾气整体酸碱性影响微弱。

将过量尾气气体分别通入淡水与海水中进行pH值检测实验，通气时间为1～5min，保证尾气气体与液体充分接触混合。测量数据如图8所示。

尾气在进入水溶液后，pH值降低速率呈先快后慢的趋势，主要因为随着提高尾气进气量，水对酸性气体逐渐趋于饱和状态，水酸化速率降低。

图8 pH值变化图

当尾气进入海水溶液后，酸性气体与海水中电离出OH-迅速反应，因此pH值降低速度较快。

2 应用尾气抑制尾流研究

显然，柴油机尾气排放对舰船航行安全性及环境都产生一定的负面效应，比如红外辐射、烟气及噪声暴露、舰载机着舰环境恶化、环境污染等[11]。因此有必要分析尾气可应用性降低尾气排放危害，更重要的是，实现舰船尾流气泡的有效隐身[12-13]，保障航行安全，以达到对尾气利用最大化。

2.1 尾气可应用性的提出

基于有效抑制尾流微气泡以及对舰船主机排放的众多危害的考虑，首次提出基于主机尾气的舰船尾流消除技术。该技术作为舰船尾流隐身技术的重要研究方向，是将主机排放的尾气，直接或经适度增压处理后，由水下进行排放，从而：一方面可以利用尾气施放的大量气泡，通过与尾流微气泡发生聚并、携带、中和等作用，使尾流微气泡快速上浮至水面，破裂或者溶解消失，有效消除尾流微小气泡，以增强尾流隐身效果；另一方面可以利用海水对主机的高温尾气进行快速冷却，实现红外隐身的目的，同时从根本上消除舰船周围空间的可视烟迹暴露问题，对降低环境污染也有一定作用。其系统装置如图9所示。

其具体实施方法：

1）在舰船底部设置尾气排放装置。尾气在排放时可根据排气背压要求选择是否加装增压装置。

2）舰船主机尾气通过排放装置进行排放，在舰船尾流下方形成大量的尾气大气泡，能快速消除尾流中微小气泡。

3）排气装置末端设有多个喷气孔，通过控制加压装置或排放角度，使尾气气泡群可以完整覆盖尾流气泡区域。

图9 主机尾气消除尾流装置

2.2 技术的可行性研究

基于主机尾气的舰船尾流消除技术，其实质就是对主机所排放的大量尾气的一种综合应用，而主机尾气的排量、排温、溶解度、酸碱性、成分等能否满足其需求，则是决定该技术可行性的关键。

2.2.1 排量

在相同航速条件下，产生大气泡的供气量越大，快速消除微气泡的效果越好。利用大气泡群“当量厚度”作为抑制舰船尾流气泡场的标准[14]：

式中：H——当量厚度，m；

q——驱动气体流量，m3/h；

ν——拖带速度，m/s；

B——大气泡生成装置的产泡宽度，m。

在实船测试中，航速稳定在（6.6，6.7 kn（1 kn=1.852km/h）），气泡生成装置宽度为4.85m的条件下，当大气泡当量厚度H=6×10-3m时，可使目标舰船尾流声特征强度最大衰减5 dB，尾流中的气泡数密度减少70%左右。柴油主机尾气排气量因机型及工况不同可达到约 1 000～10 000 kg/h（752～7 520 m3/h），在相同实验条件下，理想状况下，对应当量厚度为（83.7～837）×10-3m，消泡效果更佳。

因此可证明利用主机尾气形成的气泡，排量大，可抑制多种量级的微气泡，作为消除尾流微气泡的新媒介可行性高[15]。

2.2.2 排温

气泡在上浮过程中，高排温的主机尾气将会与低温海水发生传热作用。符合公式：

式中：Q——单位时间热流量，J；

c——比热容，J/（kg·K）；

ρg——气体密度，kg/m3；

ρl——液体密度，kg/m3；

V——气泡体积，m3；

ΔT——气液温差，K。

其中：

虽然气液间温差大，但因海水密度远远大于尾气气体。因此在传热量一定的情况下，海水升温幅度有限，且流动海水间会发生热传导作用，基本不会对海水温度造成影响。

2.2.3 溶解性

主机尾气因为成分的复杂性，大气泡在上浮运动过程中，会发生溶解于海水的反应。气泡体积主要受溶解引起的体积减小、上浮压强减小引起的体积变大的影响。

海水中尾气气泡上浮与传质过程的耦合模型[14]如下：

式中：CA——液相主体中的气体质量浓度，kg/m3；

CD——黏性阻力系数；

CI——气液界面处的气体质量浓度；kg/m3；

DAB——气体分子在液体中扩散速率，m2/s；

Patm——气液两相体系外界压强，Pa；

R——气泡半径，m；

νb——气泡上浮速度，m/s；

μ——动力黏度系数，Pa·s；

σ——表面张力系数，N/s；

ρg0——压力Patm对应的气体密度，kg/m3。

气泡上浮与传质耦合过程的仿真及实验数据可知，对难溶性气体如N2（溶解度为14.34mL/L），上浮过程体积呈现缓慢增大的趋势。对易溶性气体如半径为0.3mm的NH3气泡（溶解度为700L/L）上浮0.35m完全溶解。经本文实验数据可知，尾气中主要成分难溶气体约占90%，溶解度约90.76mL/L，在气体整个上浮过程中，气泡整体仍缓慢增大，因此不会影响尾流微气泡的消除效果。

2.2.4 酸碱性

尾气气泡在上浮过程中，因为酸性气体与海水作用，尾气气泡将改变尾气周围微环境的酸碱性。从实验中对尾气酸碱性的研究，可以发现，尾气与静止海水溶液长时间、大面积充分接触，可以使微环境的pH值降低到6。但是当尾气在真实海况下进行水下排气时，上浮时间不足1min，且海水流动迅速，因此舰船周围海水pH值改变有限。

综上分析，尾气的高温及酸碱性都不足以改变舰船航行周边海水物理环境，更不会造成舰船隐身的次生危害。

2.2.5 成 分

柴油机碳烟颗粒的存在总体上引起了气泡聚并时间的减小，而且直径较大的固体颗粒的存在对气泡聚并时间的影响大；主机排放的尾气有一部分酸性气体，酸碱中和反应有助于减小气泡聚并时使液膜变薄的作用力。因此尾气中碳烟颗粒、酸性气体会缩短尾气大气泡与微气泡的聚并时间，且可有效实现对碳烟的可视化隐身。

经过以上分析，尾气气体满足消除尾流微气泡技术的现实要求，可以作为对尾气自隐及它隐的新技术加以推广。

3 结束语

本文对船用柴油机尾气进行检测，研究得到：柴油机尾气成分较稳定，排温为350℃以上，排量达到1 000kg/h以上的排放规律。并对柴油机尾气溶解度、酸碱性进行实验分析，常温常压下，尾气溶解度约0.12g/L、呈弱酸性。在此基础上，总结舰船柴油主机运行参数对尾气排放特性的影响规律。

基于尾气排放特性，从成分、排量、排温、溶解性、酸碱性5个角度对尾气的应用基础进行积极探索。通过研究，可以得到：尾气供应量充足，保证了消泡效果持续性；气泡间聚并受尾气溶解度影响小；尾气成分有助于聚并微气泡；尾气排温、酸碱性对舰船隐身的次生危害小。

尾气大气泡可以作为消除尾流微小气泡新媒介，以达到增强舰船尾流隐身的性能，对于提升舰船生命力及降低排气危害具有重要的意义。

本文主要是针对尾气应用于尾流消除的前期设想和初步研究，在今后的工作中需对尾气大气泡在海水中的运动特性以及其消除尾流微气泡作用机理进行深入研究，在此基础上，实现成熟的技术装置，满足背压要求及降低尾气对螺旋桨效率的影响等实际排放问题。

[1]BHARATI P V， RAO S K，KRISHNA A R.Undersea defence technology[J].Sea Technology，2015，56（5）：25-26.

[2] 金良安，闫雪飞，迟卫，等.基于LES和BPBE的舰船气泡尾流数值分析方法[J].船舶力学，2015（z1）：28-34.

[3] 王维.舰船尾流微小气泡幕光学测量技术研究[D].西安：中国科学院研究生院，2015.

[4]PETROVA E V，TISHKOVETS V P.Light scattering by aggregates of varying porosity and the opposition phenomena observed in the low-albedo particulate media[J].Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer,2011，112（13）：2226-2233.

[5]袁晓红.汽车发动机尾气余热温差发电装置热电转换技术研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[6]MURPHY S M，AGRAWAL H，SOROOSHIAN A.Comprehensive simultaneous shipboard and airborne characterization of exhaust from a modern container ship at sea[J].Journal of Coastal Research，2009，43（13）：4626-4640.

[7] 张南林.舰船柴油机技术现状及发展趋势[J].舰船科学技术，2010（1）：17-21.

[8]张斌，李见波，吴淑梅.基于Matlab的柴油机建模及欧-VI标定方法研究[J].内燃机工程，2016（2）：101-104.

[9]JOUYBAN A，SHAYANFAR A，GHAFOURIAN T.Solubility prediction of pharmaceuticals in dioxane+water mixtures at various temperatures： Effectsof different descriptors and feature selection methods[J].Journal of Molecular Liquids，2014（195）：125-131.

[10]代晓巍，金良安，迟卫，等.水中上升气泡体积变化率的图像分析技术[J].实验流体力学，2010（6）：83-87.

[11]MATTHIAS V， BEWERSDORFF I， AULINGER A.The contribution of ship emissions to air pollution in the North Sea regions[J].Environmental Pollution，2010，158（6）：2241-2250.

[12]MARIA D G， MARCO D， GIANCRLO R.Ship heading and velocity analysis by wake detection in SAR images[J].Acta Astronautica，2016（128）：72-82.

[13]JIANG W Q，ZHANG M，NIE D.Ship motion estimation from polarized Doppler spectra from ship wakes on twodimensional sea surfaces[J].Taylor&Francis Journal，2016，26（3）：284-300.

[14]田恒斗.舰船气泡尾流抑制技术的理论与实验研究[D].大连：海军大连舰艇学院，2010.

[15]KEVIN E P， LUCA Z， TARMO S.Depression waves generated by large ships in the venice lagoon[J].Journal of Coastal Research，2016（75）：907-911.

（编辑：刘杨）

Warship diesel engine exhaust emission characteristics and its wake elimination applicability research

ZHANG Zhiyou， JIN Liang'an， YUAN Zhijiang
（Department of Navigation，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China）

Through testing on the characteristics of TBD-type marine diesel engine exhaust，the change rules of the diesel engine emission performance under different loads are summarized to eliminate wake micro bubbles by taking advantage of the exhaust.Based on the experimental test data，feasibility study of the warship wake elimination via engine technology is grounded upon to have the technical demand of whether the exhaust can meet analyzed from the aspects of the exhaust displacement， temperature， solubility， acid-base property， composition.The experimental results show that the exhaust composition is stable with exhaust temperature of above 350℃and displacement of above 1 000 kg/h and the solubility of 0.12 g/L，having slight acid property.It proves the sufficiency of exhaust displacement，higher defoaming efficiency and fewer hazards to the warship，being capable of eliminating wake micro bubbles and having the significance to warship wake stealth and exhaust hazard reduction.

warship； exhaust characteristics； exhaust applicability； wake elimination

A

1674-5124（2017）06-0016-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.06.004

2016-10-10；

2016-11-10

海军国防预研课题（401040301）

张志友（1989-），男，辽宁大连市人，博士研究生，研究方向为军事航海安全保障与防护技术。