微噴引燃油量對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響

黃祿豐

摘要：以ACD320DF發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，將發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放限制在同一水平，進(jìn)行了引燃油量調(diào)整實(shí)驗(yàn)，在同等NOx排放的條件下，引燃油量越少，HC排放下降，總體排放水平改善;引燃油量降低，燃燒始點(diǎn)滯后，最大爆壓下降，但燃燒持續(xù)期縮短，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒震動(dòng)強(qiáng)度下降，噪聲減小，缸壓曲線(xiàn)更為平滑;50%負(fù)荷以下，最佳引燃油量占比約為1.5%～2%，而在100%負(fù)荷時(shí)引燃油量取最小值，替代率高達(dá)99.5%，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率達(dá)到最高。

關(guān)鍵詞：ACD320DF發(fā)動(dòng)機(jī);引燃油量;NOx排放;替代率;熱效率

0 ?引言

微噴引燃雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是當(dāng)前排放法規(guī)日益嚴(yán)格下的特殊產(chǎn)物，結(jié)合了純天燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，兼顧兩種模式，取長(zhǎng)補(bǔ)短，淡化了純氣體機(jī)在加載、燃料配置等方面的限制，彌補(bǔ)了柴油機(jī)在排放方面的短板。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)最初是由柴油機(jī)改造而成，早期的研究多基于簡(jiǎn)單的改裝和匹配，提升替代率，但改造雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)始終存在弊端，功率打折，安全性能差，且隨著燃油噴射角度的提前，排放較之柴油模式更為惡化，唯一的優(yōu)點(diǎn)就是天然氣的燃料成本較柴油偏低;后來(lái)發(fā)展到全新燃?xì)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和布置的優(yōu)化等[1-2]。

近來(lái)大量文獻(xiàn)表明，微噴引燃雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)能大幅度改善NOx和顆粒物的排放水平，更多的主機(jī)廠相繼加入雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)行列。

瓦錫蘭自1996年前后推出了20DF、31DF、34DF、46DF和50DF五款雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，在柴油機(jī)的基礎(chǔ)上優(yōu)化了氣門(mén)正時(shí)和燃燒室形狀，最高替代率達(dá)到了99%，燃?xì)饽Ｊ綄?shí)現(xiàn)TierIII排放，廣泛用于陸用發(fā)電、船用發(fā)電和推進(jìn)[3]。

德國(guó)MAN公司（ME-GI）、美國(guó)卡特彼勒（M46DF）、韓國(guó)現(xiàn)代重工（H35DF/H27DF）、日本大發(fā)（GK28DF）、洋馬（EY26DF）等公司后續(xù)也紛紛推出了各自的雙燃料產(chǎn)品。

國(guó)內(nèi)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究起步稍晚，當(dāng)前生產(chǎn)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的廠家主要有安慶中船、中船動(dòng)力、緇柴、濰柴、寧波中策、勝動(dòng)、河柴等。但大部分都為改造雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，替代率低，無(wú)法滿(mǎn)足TierIII，當(dāng)前滿(mǎn)足TierIII的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)僅有安慶中船（ACD320DF）和中船動(dòng)力（CMP-MAN L23/30DF，L28/32DF）兩家，其中中船動(dòng)力微噴引燃和柴油模式采用同一套噴油系統(tǒng)，微噴引燃油量很難精確控制。安慶中船的ACD320DF主噴和微噴采用兩套獨(dú)立系統(tǒng)，微噴系統(tǒng)為電控共軌，引燃油量實(shí)現(xiàn)獨(dú)立、精確控制，在優(yōu)化了噴孔設(shè)計(jì)后，最高替代率達(dá)到了99.5%，熱效率達(dá)到了49.3%。

以ACD320DF發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的引燃油量，在滿(mǎn)足排放的前提下，探究發(fā)動(dòng)機(jī)引燃油量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響及引燃油量的最佳值。

1 ?ACD320DF發(fā)動(dòng)機(jī)與實(shí)驗(yàn)裝置

安慶中船柴油機(jī)有限公司于2013年開(kāi)始雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)，研制的ACD320DF發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)如表1所示。

燃?xì)庀到y(tǒng)采用多點(diǎn)歧管式噴射，微噴引燃系統(tǒng)與主噴系統(tǒng)相互獨(dú)立，微噴引燃系統(tǒng)采用斜置式布置，主噴噴油器略偏離中心，整個(gè)燃油系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)擺放在密閉的隔音房?jī)?nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中主要測(cè)試的是排放、最大爆壓、燃?xì)庀?，組成示意圖如圖2所示。

排放測(cè)試設(shè)備采用AVLgas1000，僅能測(cè)試排氣中的甲烷成分，因此數(shù)值偏小，但仍可反應(yīng)總HC的趨勢(shì)。

燃燒分析儀通過(guò)采集缸壓和爆震信號(hào)（由于通道限制，僅采集了兩缸的爆震信號(hào)），可對(duì)主要的燃燒參數(shù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則采集發(fā)動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)行參數(shù)。燃燒分析儀與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)CAN通訊，確保數(shù)據(jù)同步。

2 ?試驗(yàn)結(jié)果和分析

林志強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)表明，NOx、HC排放物之間存在折中關(guān)系，進(jìn)行稀燃、減少引燃油量是減少NOx排放的有效途徑，如在稀燃的同時(shí)減少引燃油量會(huì)導(dǎo)致HC排放增大，燃燒不穩(wěn)定性增大，甚至失火[4-5]。

當(dāng)前排放最主要限制的是NOx（C1和C2法規(guī)同時(shí)限制NOx和HC），因此本文在試驗(yàn)時(shí)將NOx的排放水平控制在同一水平，在改變引燃油量的同時(shí)，調(diào)整空燃比，即低引燃油量低空燃比、高引燃油量高空燃比的模式，在此模式下對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放、燃?xì)庀?、燃燒穩(wěn)定性等指標(biāo)，評(píng)估引燃油量大小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。IMEP循環(huán)波動(dòng)是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的重要參數(shù)，燃?xì)饽Ｊ揭话阋蟆?%，柴油模式一般<1%[6-9]。

ACD320DF發(fā)動(dòng)機(jī)的主要負(fù)荷點(diǎn)如表2。

引燃油量的消耗與循環(huán)噴射量的換算如表3。

分別在25%、50%、75%、100%負(fù)荷下進(jìn)行試驗(yàn)。

25%負(fù)荷

分別設(shè)定引燃油量20、30、40、50、60，NOx排放控制在260ppm左右，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

50%負(fù)荷

分別設(shè)定引燃油量20、30、40、50、60，NOx排放控制在240ppm左右，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

75%負(fù)荷

分別設(shè)定引燃油量20、30、40、50、60，NOx排放控制在240ppm左右，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

100%負(fù)荷

分別設(shè)定引燃油量20、30、40、50、60，NOx排放控制在260ppm左右，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

從圖可知，25%、50%負(fù)荷時(shí)，當(dāng)每循環(huán)引燃油量超過(guò)40mm3（引燃油量占比約1.6%-2%左右）后，燃?xì)庀拿黠@提升，IMEP循環(huán)波動(dòng)明顯增大，HC排放增大;但當(dāng)每循環(huán)引燃油量降低至30mm3（引燃油量約1.2%-1.5%）以下時(shí)，HC排放在減小，但燃?xì)庀纳仙f(shuō)明在低負(fù)荷時(shí)，過(guò)低的引燃油量導(dǎo)致點(diǎn)火能量變?nèi)酰紵键c(diǎn)滯后，甚至部分循環(huán)出現(xiàn)后燃，每循環(huán)引燃油量為40mm3時(shí)，25%負(fù)荷時(shí)的替代率為97.9%。

75%、100%負(fù)荷時(shí)，當(dāng)每循環(huán)引燃油量超過(guò)50mm3（比例約1.2-1.5%），燃?xì)庀拿黠@增加，IMEP循環(huán)波動(dòng)明顯增大;隨著引燃油量的降低，發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀南陆担侍嵘?，IMEPcov變小，HC排放降低，性能指標(biāo)全面提升，當(dāng)每循環(huán)引燃量為20mm3時(shí)，100%負(fù)荷的替代率達(dá)到了99.5%，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率超過(guò)了49%。

隨著負(fù)荷升高，最佳燃油替代率上升，由25%時(shí)候的97.9%上升至100%負(fù)荷的99.5%。由100%負(fù)荷的試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)引燃油量大于60（替代率約98.5%）時(shí)，為滿(mǎn)足排放，燃?xì)庀拿黠@增大，經(jīng)濟(jì)性下降，運(yùn)行穩(wěn)定性下降甚至無(wú)法運(yùn)行。

與燃?xì)庀南鄬?duì)應(yīng)的最大爆壓隨著引燃油量的降低而降低，進(jìn)一步分析燃燒分析儀數(shù)據(jù)，對(duì)比不同引燃油量下的燃燒數(shù)據(jù)，圖7-圖9為100%負(fù)荷時(shí)不同引燃油量的缸壓曲線(xiàn)圖。

對(duì)比著火始點(diǎn)和燃燒持續(xù)期，發(fā)現(xiàn)隨著引燃油量的下降，著火始點(diǎn)下降，燃燒持續(xù)期縮短，燃燒結(jié)束時(shí)刻并沒(méi)有滯后。

從圖可知，隨著引燃油量的升高，爆震傳感器的震動(dòng)幅度增大，爆震指數(shù)增大，缸壓曲線(xiàn)的不光滑度增大，毛刺變多，感受到的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行噪聲增大。而爆震指數(shù)增大熱效率反而降低，意味著輕微爆震并不能增大發(fā)動(dòng)機(jī)效率，對(duì)于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)而言，引燃油量對(duì)爆震指數(shù)的影響比空燃比更大。

3 ?結(jié)論

在同等NOx水平下，隨著引燃油量的降低，燃?xì)饽Ｊ降目杖急冉档?，HC的排放降低，發(fā)動(dòng)機(jī)的總排放水平改善;

負(fù)荷≥75%，在同等NOx水平下，引燃油量降低，燃?xì)庀脑降?，熱效率提?負(fù)荷≤50%，在同等NOx水平下，燃?xì)庀碾S著引燃油量的降低先降后升，最佳引燃油量占比約為1.5-2%，負(fù)荷越低，占比越高;

在同等NOx水平下，隨著引燃油量的降低，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒始點(diǎn)滯后，最大爆壓減小，但發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒持續(xù)期變短，燃燒震動(dòng)和噪聲減小，缸壓曲線(xiàn)更為平滑;

當(dāng)前雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饽Ｊ降腘Ox排放主要來(lái)源于引燃油，排放要求越嚴(yán)格，為獲得穩(wěn)定的燃燒，需更低的引燃油量。

在日益嚴(yán)格的排放和最低引燃油量的雙重限制下，引燃油量越低，發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)越高。

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