可用于滿足未來行業(yè)需求的高壓雙燃料噴油器

【德】C.SENGHAAS M.WILLMANN I.BERGER

Woodward L′Orange公司開發(fā)了1種全新的高壓雙燃料噴油器。在這種技術(shù)支持下，整機(jī)廠開發(fā)出具有良好升功率和動態(tài)性能的發(fā)動機(jī)，從而滿足未來廢氣排放法規(guī)要求。關(guān)鍵詞：噴油器;高壓噴射;雙燃料

0 前言

出于多種原因，未來應(yīng)用于船舶領(lǐng)域的燃料依然存在著較高的危險性。最近國際海事組織（IMO）根據(jù)2020年的含硫量上限，要求在2050年之前，全球船舶在航行過程中所產(chǎn)生的溫室氣體總排放量至少比2008年降低50%，該項規(guī)定對發(fā)動機(jī)領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響。Woodward L′Orange公司的研究人員確信其旗下的高壓雙燃料（HPDF）噴油器能為行業(yè)提供更多的選擇方案，并且能使發(fā)動機(jī)在其壽命期內(nèi)燃用多種不同的燃料。

研究人員將發(fā)動機(jī)燃料從液態(tài)柴油切換為天然氣時，不僅降低了燃料含硫量，并且在優(yōu)化溫室氣體排放方面也具備一定優(yōu)勢。甲烷因其含碳量較少，在改善CO2排放方面具有一定的優(yōu)勢。需要注意的是，甲烷是1種重要的溫室氣體[1]，因此在燃燒過程中應(yīng)盡可能減少未燃甲烷的排放。

在采用氣體燃料發(fā)動機(jī)時，研究人員應(yīng)同時考慮到CO2排放量及溫室氣體總排放量。為滿足IMO所提出的目標(biāo)，研究人員充分利用天然氣的減排潛力，將氣體燃料與其他現(xiàn)有措施進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以有效實現(xiàn)該目標(biāo)。通過采用再生燃料轉(zhuǎn)換而成的電能以制取能源轉(zhuǎn)化型（PtX）燃料，還能進(jìn)一步減少溫室氣體排放。

目前，大多數(shù)氣體燃料發(fā)動機(jī)主要應(yīng)用于發(fā)電領(lǐng)域，例如在顆粒物和NOx等方面，采用均質(zhì)稀薄燃燒過程能達(dá)到較低的排放。Woodward L′Orange公司為其提供了寬廣的低壓氣體燃料進(jìn)氣閥型譜。

近年來，越來越多的商用車開始搭載大型移動式氣體燃料發(fā)動機(jī)，業(yè)界對該項舉措的關(guān)注度也與日俱增。由于對瞬態(tài)性能要求較高，應(yīng)用氣體燃料直接噴射技術(shù)的機(jī)型越來越多。此外，在道路車輛領(lǐng)域，其燃燒過程通常會在過量空氣系數(shù)λ=1的狀態(tài)下進(jìn)行，同時會采用三元催化轉(zhuǎn)化器，以滿足當(dāng)前的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。這種催化轉(zhuǎn)化器可將甲烷的原始排放降低約95%，目前，研究人員正努力將這種技術(shù)應(yīng)用于大型發(fā)動機(jī)領(lǐng)域。

1 船用氣體燃料發(fā)動機(jī)的燃燒方案

對船用柴油機(jī)而言，現(xiàn)階段的氣體燃料發(fā)動機(jī)可有效應(yīng)用火花點火或柴油引燃（低壓雙燃料）等稀薄燃燒方式，從而無須采用其他措施就能滿足當(dāng)前的廢氣排放限值要求。目前所面臨的主要問題在于稀薄燃燒發(fā)動機(jī)與三元催化轉(zhuǎn)化器并不兼容，因此會排放出大量的未燃甲烷，這是由較冷的氣缸壁面與燃燒室表面附近的甲烷不完全燃燒，以及換氣時的燃燒室縫隙泄漏所導(dǎo)致的（圖1）。

船用氣體燃料發(fā)動機(jī)絕大多數(shù)采用雙燃料運(yùn)行，以此能提供滿足船舶安全性規(guī)范要求的隨船備用燃料。Woodward L′Orange公司為行業(yè)市場提供了高品質(zhì)的雙燃料發(fā)動機(jī)噴油器（圖2）[2-3]。這些噴油器能使發(fā)動機(jī)在以氣體燃料運(yùn)行時提供精確的預(yù)噴油量，而當(dāng)發(fā)動機(jī)在以柴油運(yùn)行時也能噴射100%的重油。此外，將高壓氣體燃料直接噴射與柴油引燃噴射相結(jié)合的氣體燃料-柴油噴油器同樣可用于雙燃料發(fā)動機(jī)。這2種噴油器已應(yīng)用于Wrtsil旗下的發(fā)動機(jī)，并已成功投放市場。

采用氣體燃料直接噴射技術(shù)具有諸多優(yōu)點，由此證實了研究人員采用此類技術(shù)的合理性。在發(fā)動機(jī)進(jìn)行高壓噴射時，可通過預(yù)噴燃油點燃?xì)怏w燃料，并使氣體燃料在燃燒過程中得以充分轉(zhuǎn)化，從而使未燃甲烷排放降至最低。此外，這種燃燒過程還充分改善了爆燃現(xiàn)象，從而能使整機(jī)具有與柴油機(jī)相似的高升功率。同時，由于采用了直接噴射的方式，并且不產(chǎn)生節(jié)流損失，從而可實現(xiàn)較高的效率和快速的動態(tài)響應(yīng)特性。

通過可再生電能制取的燃料（E-燃料）通常被視為降低溫室氣體排放的有效對策。通過采用此類高壓直接噴射方式，內(nèi)燃機(jī)燃用E-燃料的可能性顯著提升。

由于在采用E-燃料的情況下涉及到低熱值燃料，因此所需要的噴油量明顯高于柴油噴油器的噴油量（圖3）。同時，因為其總體情況較為相似，在進(jìn)行燃料切換時，研究人員僅需要對設(shè)備進(jìn)行微調(diào)整。

為了能在高功率船用發(fā)動機(jī)上使用這些氣體燃料技術(shù)，Woodward L′Orange公司已開發(fā)了1種全新的雙燃料噴油器，其不僅能以高壓狀態(tài)噴射氣態(tài)燃料，而且也能用于噴射部分液態(tài)燃料。

2 挑戰(zhàn)和設(shè)計方式

發(fā)動機(jī)在噴射高壓氣體燃料和其他低熱值燃料時需要較高的點火能量，以實現(xiàn)穩(wěn)定的燃燒過程。為了點燃?xì)怏w燃料與空氣的混合氣，通常會以柴油引燃混合氣，該類方案也能將新型噴油器的柴油噴射裝置用作雙燃料機(jī)型的備用燃料系統(tǒng)。為了充分優(yōu)化燃燒過程，其前提條件是使氣體燃料與柴油在噴射時間上能進(jìn)行靈活調(diào)整。為了在以純柴油運(yùn)行時能滿足廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，柴油噴射系統(tǒng)必須以高度現(xiàn)代化的技術(shù)狀態(tài)投入運(yùn)作，這就意味著其需要具有與傳統(tǒng)柴油噴油器相同的噴油壓力（220 MPa）和液壓特性。為了滿足上述要求，新型噴油器的柴油噴射系統(tǒng)通常會采用共軌柴油噴油方式。研究人員在設(shè)計柴油噴射系統(tǒng)時采用的唯一折中方案是減小儲油容積，以此滿足布置需求。

氣體燃料系統(tǒng)針對50 MPa氣體燃料噴嘴設(shè)計，為此應(yīng)具有較高的壓力。即使在較高的氣缸峰值壓力（約為25 MPa）影響下，氣體也能以大于2的壓比實現(xiàn)超臨界流動。該設(shè)計可避免氣流馬赫數(shù)在低于1的情況下流動，并能在整個噴射過程中獲得確定的質(zhì)量流量，同時降低因發(fā)動機(jī)背壓產(chǎn)生的影響。研究人員對這種噴油嘴的結(jié)構(gòu)布置型式進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化，使噴射過程中的氣體燃料噴束能分布在柴油噴束的周圍（圖4）。

為了直接在針閥座附近準(zhǔn)備好一定數(shù)量的氣體燃料，研究人員優(yōu)化了噴油器內(nèi)部的儲氣容積，同時借助于計算流體動力學(xué)（CFD）模擬分析噴油器內(nèi)部的壓力損失，并使其降至最低。研究人員通過為噴油器采用較大的流通橫截面積，可使從噴油器進(jìn)口至噴油嘴的壓力損失小于共軌壓力的10%。

研究人員在設(shè)計噴油器氣體燃料系統(tǒng)時面臨的另1項挑戰(zhàn)是需要使發(fā)動機(jī)以純柴油運(yùn)行且不受限制（圖5）。當(dāng)發(fā)動機(jī)在以純柴油運(yùn)行時，氣體燃料系統(tǒng)內(nèi)所存留的介質(zhì)并不受到壓力影響，同時氣體燃料針閥必須在氣缸峰值壓力作用下實現(xiàn)可靠密封。彈簧通過堅固的彈簧接桿與氣體燃料針閥進(jìn)行連接，從而獲得以純柴油狀態(tài)運(yùn)行時所需要的密封壓力。

該類主燃料針閥可通過獨立的液壓閥進(jìn)行操縱，并具有較高的布置靈活性，以此適應(yīng)用戶對發(fā)動機(jī)提出的設(shè)計方案。為了節(jié)省噴油器的內(nèi)部空間，研究人員將該操縱閥布置在噴油器的頂端（圖6）。

對于寬廣的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)型譜而言，這種新型的噴油器方案具有較好的適應(yīng)能力。為了向用戶提供1種可靠且較為經(jīng)濟(jì)的解決方案，噴油器通常同時配備有柴油針閥和氣體燃料針閥。除此之外，Woodward L′Orange公司提供了不同的噴油器結(jié)構(gòu)型式，以供用戶選擇。同時，為使發(fā)動機(jī)順利燃用液態(tài)E-燃料，研究人員將單獨的儲油腔集成到噴油器設(shè)計方案中。

研究人員開發(fā)出此類全新的噴油器的目的主要是為滿足高速發(fā)動機(jī)的技術(shù)需求，但其同樣適用于中速發(fā)動機(jī)，并能為氣體發(fā)動機(jī)制造商的設(shè)計方案提供寬廣的型譜。

3 應(yīng)用

在經(jīng)歷了性能檢驗和短期耐久性試驗后，新系統(tǒng)可用于光學(xué)研究和單缸機(jī)試驗[4-7]。首次試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)已充分實現(xiàn)了減少甲烷排放和提高整機(jī)效率的開發(fā)目標(biāo)。這些項目表明，該系統(tǒng)所采用的許多參數(shù)已允許研究人員將大量數(shù)據(jù)用于發(fā)動機(jī)燃燒建模過程中。發(fā)動機(jī)廢氣后處理通過采用選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)就能滿足IMO-Tier-Ⅲ法規(guī)要求。通過發(fā)動機(jī)長達(dá)100 h的運(yùn)行試驗驗證，該類噴油器充分證實了其可靠性[7]。

4 結(jié)語

該新型高壓雙燃料噴油嘴主要用于新型移動式氣體燃料發(fā)動機(jī)，并可使發(fā)動機(jī)燃用E-燃料，從而改善了未燃甲烷排放。該方案已在單缸試驗機(jī)上運(yùn)行了100 h，以此證實了技術(shù)的可靠性。該項技術(shù)能使發(fā)動機(jī)的升功率和動態(tài)性能達(dá)到與傳統(tǒng)柴油機(jī)相近的水平，同時可滿足未來的廢氣排放法規(guī)，尤其可顯著降低未燃甲烷排放?？傮w而言，這種新型噴油器方案具有以下特點：（1）共軌柴油側(cè)可燃用100%柴油，并具有高達(dá)220 MPa的噴射壓力;（2）能以高達(dá)50 MPa的壓力噴射氣體燃料;（3）具有緊湊的噴油器結(jié)構(gòu);（4）配備有能用于控制氣體燃料系統(tǒng)的整體式控制閥;（5）氣體燃料系統(tǒng)能實現(xiàn)快速響應(yīng);（6）無論是柴油系統(tǒng)還是氣體燃料系統(tǒng)都能實現(xiàn)多次噴射;（7）具有較高的燃料靈活性。

[1]PACHAURI R K.Climate change 2014：synthesis report[R]. Contribution of Working Groups I，II and III to the fifth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC， 2014.

[2]SENGHAAS C，WILLMANN M，KOCH H J.Simplified L’Orange fuel injection system for dual fuel applications[C]. CIMAC Congress， Helsinki， 2016.

[3]BOOG M，DUMSER F，BERGER I，u.a. Entwicklung eines high pressure dual fuel konzepts für schnelllaufende drehzahlvariable motoren in schiffsantrieben[C].Dessauer Gasmotoren-Konferenz， Dessau， 2019.

[4]FRANKL S，GLEIS S，WACHTMEISTER G.Interpretation of ignition and combustion in a full-optical high-pressure-dual fuel （HPDF） engine using 3D-CFD methods[C]. CIMAC Congress，Vancouver，2019.

[5]ABMUS K，REDTENBACHER C，WINTER H，et al.Simulation based predesign and validation of a diesel ignited high-pressure gas direct injection combustion concept[C]. 14th International Congress Engine Combustion and Alternative Concepts （ENCOM）， Essen， 2019.

[6]REDTENBACHER C，ABMUS K，KIESLING C，et al.Detailed assessment of an innovative combined gas-diesel injector for diesel ignited high-pressure gas direct injection combustion concepts[C]. CIMAC Congress， Vancouver， 2019.

[7]SENGHAAS C，WILLMANN M，BERGER I.New injector family for high pressure gas and low caloric liquid fuels[C]. CIMAC Congress，Vancouver， 2019.

范明強(qiáng) 譯自 MTZ，2020，81（11）

伍賽特 編輯

（收稿時間：2020-11-15）