米勒循环降低船用中速柴油机NOx排放研究

王英乾

渤海船舶职业学院，辽宁兴城 125105

MARPOL 公约的第六条附则《防止船舶造成大气污染规则》中对于NOX排放的全球性限制分TierⅠ和TierⅡ两个标准，并在一定的限制区域（ECAs） 内，执行更为严格的TierⅢ标准，因此米勒循环降低船用中速柴油机NOx 排放研究具有重要意义。

1 米勒循环与降低柴油机NOX 排放的关联

所谓米勒循环，即使进气冲程实际压缩比小于排气冲程膨胀比的一种内燃机热力循环形式[1]，对于船用中速四冲程柴油机而言，一般采用调整进气阀正时的方式，并可分为提前关闭进气阀和延迟关闭进气阀两种，前者称为狭义的米勒循环，后者又称为阿特金森循环[2]。无论是米勒循环还是阿特金森循环，其在发明之初主要都是为了提高发动机的热效率，根据其工作特性的不同，阿特金森循环适用于自然吸气发动机，而米勒循环更适合船舶上普遍采用的增压发动机。在实践中发现，采用米勒循环可减小有效压缩比，降低压缩终点时的压力和温度，从而降低NOX的排放，因此在降低NOX排放领域，米勒循环成了研究热点之一[3]。

2 仿真模型的建立及验证

2.1 元件的组合建立

首先利用AVL BOOST 软件，建立中速四冲程柴油机模型，如图1 所示。SB1、SB2 为系统边界，TC1 为废气涡轮增压器，CO1 为冷却器，C1、C2、C3、C4 为气缸，MP1 至MP5 为工况测量点，J1 为多管道连接件，PL1 为容腔，1 至13为管路。

图1 AVL BOOST 模型

以经典的Wartsila 4L20 型中速柴油机为模拟原型，结合机型说明书，填入柴油机转速、柴油机各缸发火顺序、理论空气燃油比等全局参数。设置当柴油机处在工作状态中时所在地点的当地温度、压力等系统边界条件及13 条管路的尺寸、管壁的摩擦系数、流量系数等参数，设置气缸参数，选用AVL MCC 模型。此模型的参数很少，只包含燃烧系数等五项关键参数，可更加简便、迅速地进行模拟计算，选择Woschni 1978 传热模型，设置进、排气阀及中冷器参数，选择Turbine Layout Calculation 增压器模型。

2.2 NOX 排放计算

柴油机在装船使用前，依据MARPOL 公约的要求，必须在不同的工况下试验，保证在不同负荷下，NOx 排放均能满足公约的要求，并以此作为发证标准之一[4]。基于上述模型，模拟Wartsila 4L20 型中速柴油机在10%、25%、50%、75%和全负荷下的NOx 排放率，如表1 所示。

表1 Wartsila 4L20 型中速柴油机全负荷NOx 模拟排放率

Wartsila 4L20 型中速柴油机额定转速为1 000 r/min，根据MARPOL 公约附则Ⅵ的要求，NOx限定排放率如表2 所示。

表2 额定转速1 000r/min 柴油机NOx 限定排放率

通过表1 和表2 数据的对比可知，Wartsila 4L20 型中速柴油机在全负荷下NOX的排放率无法满足TierⅡ要求，与TierⅢ要求更是相差甚远。事实上，根据模型模拟数据，Wartsila 4L20 型中速柴油机在试验的各种负荷下NOX的排放率均只能满足TierⅠ要求，不能满足TierⅡ要求，因此对于此机型而言，如果想继续装船使用，必须探索减少其NOx 排放量的方案。

3 仿真试验

3.1 不同程度米勒循环对柴油机NOX 排放的影响

经查阅说明书，Wartsila 4L20 型中速柴油机进气阀标定关闭角度为560°（将压缩冲程上止点设为0°）。将进气阀关闭角度逐渐提前，分别选取M560（原机）、M（530/520/510/500/490/480） 七个角度进行模拟试验，模拟数据显示随着米勒循环程度的增强（进气阀关闭角度的提前），有效压缩比不断降低，不但NOX排放量随之降低，而且最高爆发压力也有所下降，但同时柴油机功率下降，油耗率上升，并且相应的下降和上升速度都随着米勒循环程度的增强而不断加快，经分析，主要是因为随着米勒循环程度的增强，使活塞的有效吸气行程越来越短，导致混合气燃烧时气缸内的平均有效压力不断降低，柴油机热效率也不断下降，最终导致功率和油耗率的增速下降和上升。米勒循环对柴油机功率和油耗的影响如图2所示。

图2 米勒循环对柴油机功率和油耗的影响

综上可知，米勒循环虽能使中速柴油机NOX排放量降低，但也会影响柴油机性能，导致船舶的营运成本增加，若采用此思路降低NOX排放，须同时对柴油机其他参数进行优化。

3.2 压缩比影响

随着压缩比的提高，柴油机功率逐渐上升，而油耗率逐渐下降，这是由于随着有效压缩比的提高，压缩终点缸内温度和压力均上升，燃烧提前，且燃烧更加迅速，提高了柴油机的热效率。但压缩比的提高导致燃烧过程中缸内平均温度升高，使NOX排放量升高。同时，随着压缩比的提高，柴油机的最高爆发压力越来越大，导致柴油机的机械负荷不断增大，即便控制在承受范围内，也会使柴油机的寿命大幅缩短[5]，压缩比的提高还会使爆震现象增强。因此在提高柴油机压缩比的同时，还要考虑降低柴油机的NOX排放和机械负荷，并设法抑制柴油机的爆震现象，这都可通过推迟喷油正时来实现。

3.3 喷油正时的影响

针对性的设定M500（增压比18）、M490（增压比18）、M480（增压比19） 三种方案进行模拟试验。喷油正时对NOX排放量、油耗率和最高爆发压力的影响如表3 所示。

表3 喷油正时的影响

3.4 Wartsila 4L20 型中速柴油机降低NOX 排放方案

综合以上数据，在降低NOX排放方面，M480（增压比19） 方案表现最优，但油耗率也最高，M500（增压比18） 和M490（增压比18）方案虽然在降低NOX排放方面不及M480（增压比19） 方案，但都低于TierⅡ限定值（8.98），从油耗率角度考虑，M500（增压比18） 延迟喷油2°CA 的方案为相对最优方案。

综上，对于Wartsila 4L20型中速柴油机，可选择进气阀提前开启60°CA，压缩比由15 提高至18，供油提前角由13°CA 降至11°CA 的优化方案，使NOX排放能够满足TierⅡ的要求。由此可知，采用米勒循环搭配提高压缩比和降低供油提前角的思路，在保证柴油机经济性和可靠性的前提下，可降低中速柴油机的NOX排放。