柴油-天然气双燃料发动机排放算法的应用

蔡尚峰

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

0 引言

随着全球船舶保有量的激增，石油的供需矛盾与废气排放造成的环境污染问题引起了全世界的广泛关注。为了有效地控制发动机的NOx排量，目前常用的技术主要有：废气再循环（EGR）、选择性催化还原（SCR） 和天然气液化（LNG）等。就目前的技术、资源以及经济条件来看，液化天然气（LNG） 在环保、供应、安全以及经济性能等方面都比传统能源有突出的优势，但若单一地将天然气用作燃料，则会导致发动机的动力性不足[1]。柴油-天然气双燃料发动机大多由常规的柴油机改装而成，因其改动成本低、污染物排量小、使用灵活轻便等优势，在行业内具有良好的推广前景。

当前，对于船用双燃料发动机的排放研究主要朝着纵深方向发展，主要围绕在如何改进燃烧状况以及如何控制排放质量等问题上，关于排放计算所做的研究还比较少。污染物的排放计算可以对整个发动机的排放水平作出功能性的评价，这对于整个系统的评估具有极其重要的作用[2]。本文致力于推导双燃料发动机的排放算法，以便能更加真实地反映双燃料发动机的排放水平及排放规律。

1 碳平衡模式下的双燃料发动机排放计算

衡量发动机排放性能优劣的重要依据是各排气组分比排放值 (g/kW·h)的大小，而计算比排放的关键则是保证发动机排气质量流量 (kW/h)的精确性[3]。理论上讲，发动机的排气质量流量可以通过直接测量和间接测量两种方法得到，且直接测量法更为直观、准确。然而，受船用发动机的结构、工作环境以及测试条件等诸多因素的限制，进行直接测量的难度很大。因此，在进行发动机的排放性能测试时，无论是台架试验，还是实船测试，均采用间接测量法，即通过测量燃料的质量流量、各排气组分浓度、各项试验参数、环境参数等，再结合理论计算，最终确定发动机的排气质量流量。

1.1 碳平衡模式下双燃料发动机排放计算研究的必要性

关于双燃料发动机排气质量流量的计算，新出台的计算标准是在“GB/T 8190.1-2010”中一步算法的基础上改进而来。为了更加准确地反映双燃料发动机的排放水平，本文以“GB/T 8190.1往复式内燃机排放测量”（以下简称为“GB/T 8190.1”） 中的碳平衡法为主线，在原有柴油机排放算法的基础上对其进行修改与重新推导，提出碳平衡模式下的双燃料发动机的排放算法，并将此算法与新出台的计算标准进行对比，以便能更加客观地反映发动机的实际排放情况，这对于更好地评估双燃料发动机的排放水平是十分必要的。

1.2 碳平衡模式下双燃料发动机排放计算方法

“GB/T 8190.1”计算标准中将1 mol干空气视为由0.768 5 molN2和0.231 5 molO2组成，考虑空气的实际组成，本文在推导过程中将其按标准干空气（1 mol标准干空气含0.755 1 molN2、0.231 5 molO2、0.012 9 molAr和0.000 5 molCO2）处理。

假设在双燃料发动机中，n1mol柴油（CHmSp）与n2mol天然气（CxHy）共同参与燃烧反应。则柴油中氢、硫元素的含量m、p可由下式得到：

式中：ALF、BET、GAM分别为燃油中H、C、S的质量分数（%），可通过化验分析得到。AWC、AWH、AWS依次为C、H、S元素的相对原子质量。

天然气的成分并不完全为甲烷（CH4），可以视为由甲烷、乙炔、丙烷、丁烷、二氧化碳等多种化合物组成的混合物。将天然气的化学分子式假定为CxHy，假设天然气中各元素的含量（%） 用其分子式表示，则CxHy中x、y的计算式如下：

假设柴油的质量流量用GFUEL表示，天然气的质量流量用GCxHy表示。根据上式可知，柴油、天然气的流量配比n1、n2的计算式如下：

假设燃料完全燃烧，则化学反应式如下：

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为理论过量空气系数。

1 kg燃料完全燃烧需要的理论空气量为：

式中：MWO2是氧气的摩尔质量，MWN2是氮气的摩尔质量，以此类推。

过量空气系数EAFCDO为：

燃料中氢碳摩尔比HTCRAT为：

进气空气量为：

燃油特定系数FFH为：

在排放测试中，由于有水蒸气（H2O） 存在，HC成分的干基浓度无法获取。通过测量排气中HC成分的湿基浓度（HCW），以及计算得到的EAFCDO、FFH等参数，可算出HC干基浓度（HCD）：

排气的含碳组分比：

根据报告中给出的COD、HCD以及HTCRAT、EXHCPN等参数可计算实际过量空气系数（EAFEXH）：

发动机排气质量流量为：

2 双燃料发动机排放计算一步法

对于双燃料发动机的排气质量流量，目前较为常用的算法是经“GB/T 8190.1-2010”标准中的一步法改进而来。“GB/T 8190.1-2010”中的一步法主要是针对柴油机的排放水平设计的，适用于含氮、氧成分的柴油。新出台的双燃料发动机的排放算法照比柴油模式有了改变，某些参数在选择时，不仅要考虑柴油，作为主要燃料的天然气也应该被考虑在内。相对于碳平衡法，此方法适合含氮、氧成分的柴油。算式如下：

式中：qmf为参与燃烧的燃料质量流量；WBET为燃料中的碳含量；ffd为干废气的燃料特定常量；fc为碳系数；qmew为排气质量流量。

其中，碳系数fc与燃料特定系数ffd的计算公式如下：

式中：CCO2d为排气中CO2的干体积浓度（%）；CCO2a为进气中CO2的体积浓度（%）； CCOd为排气中CO的干体积浓度（ppm）；CHCW为排气中HC的湿体积浓度（ppm）；WALF为燃料中氢的含量 (%)；WDEL为燃料中氮的含量 (%)； WEPS为燃料中氧的含量 (%)。

3 双燃料发动机排放算法分析

本文拟在C6190ZLCS船用双燃料发动机台架试验的基础上，利用上述两种算法对此发动机的排放水平进行测评。该试验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

发动机的排放质量与其负荷紧密相关，不同种类的发动机对应着不同的工作循环模式。在进行排放测试时，每种发动机均有相应的试验模式与之相对应。船用发动机的主要试验模式主要有C1、D2、E2、E3四种，其中，C1工作模式对应的发动机种类为变速、变负荷运行的辅机（不包括D2和E3工作模式下的各类辅机）；D2模式对应的是恒速运行的辅机；E2模式对应的是恒速船用主机（包括柴油机电力驱动和调距桨装置）；E3模式对应的是按推进特性运行的船用主机和辅机。

为了简化试验和便于比较不同种类发动机的排放水平，“GB/T 8190.1”根据发动机的载荷和速度对每种工作循环模式都规定了若干试验点。本次试验按E3模式进行，各工况下的实测数据如表2所示。

表2 双燃料发动机E3模式台架试验参数

将表1、表2中的数据分别代入所推碳平衡法及一步法计算公式，可得到此发动机在两种算法下的排气质量流量，如表3所示。

表3 两种算法对应的双燃料发动机排气质量流量

通过计算，可知本文所推导的碳平衡模式下的双燃料发动机的排放计算结果与一步法的计算结果极为接近，误差在1%以内。可以证明本文提出的算法具有较高的精确性，能够应用于双燃料发动机的排放计算。

4 结论

将柴油机改装为柴油-天然气双燃料发动机，是在保证发动机的动力性和经济性的前提下，最行之有效的方法。针对目前关于双燃料发动机排放计算所做的研究还比较少这一问题，本文根据“GB/T 8190.1”中的简单碳平衡法推导了适用于双燃料发动机的排放算法。经过台架试验实际测算，本文所推算法与目前常用的“一步法”之间的误差小于1%，可证明本文所推算法具有很强的实用性，能够准确地反映双燃料发动机的排放水平与排放规律，可以应用于双燃料发动机的排放计算。