雙燃料發動機研制與性能試驗等方面的研究

張成江，石志勇，唐永華

（1 山西柴油機工業有限責任公司，山西大同037036；2 德美和能源設備商貿（上海）有限公司，上海200433）

雙燃料指的是兩種燃料的混合燃燒（燃氣＋燃油），這兩種燃料在發動機燃燒室內同時燃燒。雙燃料技術手段是通過安裝在發動機空氣濾清器和渦輪增壓器之間的混合器，將可燃氣引入發動機；通過混合器形成較均勻的混合氣體進入氣缸，以壓燃少量噴入氣缸內的柴油作為“引燃燃料”，以燃氣作為主燃料。雙燃料發動機的優點：既可以用柴油引燃燃氣的雙模式運行，也可以用100%柴油燃料模式運行。基于美國Altronic，inc公司GTI雙燃料系統，對我公司16V165TE3柴油機安裝各傳感器的部位及電控系統進行適應性技術改造而開發研制的一種16V165SRL雙燃料發動機。根據實際應用環境條件對產品性能、可燃氣使用范圍、雙模式運行的性能對比、替代率的最大整定范圍、與上層電控系統的聯合控制等展開試驗性技術研究。

雙燃料發動機以可燃氣為燃料替代燃油，在合理利用資源推動低碳綠色經濟發展、減排增效等方面起到十分重要的作用，為國產高速大馬力柴油發動機雙燃料混合燃燒與應用開拓了新的途徑。

1 主要技術指標及特點

1.1 主要技術指標

（1）16V165SRL雙燃料發動機保持原機“持續運轉”或“主供功率”的使用要求。

（2）16V165SRL雙燃料發動機保持原機功率（1 360kW）和效率；替代燃油率為：63%～65.4%之間。

（3）16V165SRL雙燃料發動機排放廢氣中的有害物質減少，減少量如下：

NOx：15%～30%，

HC：20%～80%，

PM：20%～50%，

OPACITY（排氣煙度）：50%～80%，

SOx：50%～70%。

（4）16V165SRL雙燃料發動機的主要指標（見表1）。

表1 16V165SRL雙燃料發動機的主要性能指標

（5）GTI雙燃料系統安全防爆等級滿足CSA Certified ClassⅠ，Division 2，Group D。

1.2 特點

（1）原柴油機本體結構不需做任何改動，僅對需要安裝在發動機上各種傳感器的部位進行適應性技術加工，便于安裝并符合工程化技術的要求；在空氣濾清器后的進氣管加裝一個燃氣進氣混合器及相應的供氣管路，一旦完成這些工作，機體上的硬件要求基本完成。

（2）保持原機的柴油運行方式。雙燃料發動機在雙燃料模式運行是非常安全的，有多道保護措施；全柴油與雙燃料兩種工作模式可根據實際條件自動轉換（也可人工操作轉換），一旦可燃氣源出現故障，Bi－Fuel?System控制系統立即關閉可燃氣管路轉到全柴油工作模式運行。

（3）不需要高壓燃氣。對燃氣壓力要求不高：6.8～34kPa。適應不穩定的燃氣供應；在燃氣供應出現異常時，監控系統可自動切換回全柴油工作模式，故而能適應不穩定的燃氣供應。

（4）降低運行成本。燃氣為清潔能源，其燃燒無顆粒產生、無積炭，對氣缸套、活塞環磨損較少，對機油腐蝕減慢，發動機維護成本下降。延長發動機壽命，延長維護及服務的周期。

（5）完善的控制及監控系統。采用DE程序控制器，對燃氣供應壓力、調壓閥輸出壓力、空氣濾清器真空度、進氣支管氣體壓力和溫度、排氣溫度、發動機振動等參數實施監控，并可通過RS232／485接入原有的監控系統。

2 適應性改進及系統集成技術的研究

2.1 適應性改造技術

（1）對原柴油機上增裝傳感器的部位進行適應性改造技術

Bi－Fuel?System雙燃料系統的GPN2010V型控制器和Bi－Fue System Series IV型供氣系統，需要安裝監控發動機運行參數的各種傳感器，主要有進氣支管氣體壓力和溫度、發動機真空度、廢氣溫度、供氣壓力、振動等。對發動機機體上安裝傳感器的部位進行適應性技術改造介紹如下：

1）渦輪增壓器的廢氣溫度

這就需要對原柴油機的A／B排兩個增壓器導流彎管和冷卻保護罩進行適應性技術加工，已滿足安裝熱電偶測點的需要。如圖1所示。

2）進氣支管的氣體壓力和溫度

兩個氣體壓力測點和兩個氣體溫度測點都要在A／B排氣支管的位置上，借助原柴油機上已有的預留方孔，進行輔助蓋板的配套加工，滿足安裝壓力和溫度傳感器測點的需要。如圖2和圖3所示。

圖1 增加器安裝熱電偶測點的部位示意圖

圖2 支管上安裝溫度測點的部位示意圖

圖3 支管上安裝壓力測點的部位示意圖

3）發動機振動幅度

為使雙燃料發動機在混合燃燒（可燃氣＋燃油）時能平穩運行，除要監測必要的熱工參數外，發動機運行時的振動幅值必須監測，所選擇的測點應為對角、離燃燒室最近的部位，借助原機機體上已有的預留孔，進行適應性及輔助襯套的加工，以滿足安裝振動傳感器測點的需要。如圖4所示。

4）發動機進氣口的真空度和Series IV型供氣系統的可燃氣壓力真空度傳感器主要檢測空氣濾清器和渦輪增壓器之間的真空信號。混合器的外壁上預留了真空度傳感器的安裝孔，真空度傳感器的螺紋規格為1／8NPT。如圖5所示。

圖4 發動機機體上安裝振動傳感器測點的部位示意

5）在Bi－Fuel?System雙燃料系統Series IV型供氣裝置中，在可燃氣過濾器兩端預留孔上，安裝監測供氣系統的可燃氣壓力傳感器。如圖6所示。

6）供氣系統供給發動機的燃氣壓力

在Bi－Fuel?System雙燃料系統Series IV型供氣裝置中的電磁閥上安裝有供給發動機可燃氣的壓力監測開關（量程可調）。如圖7所示。

（2）對原柴油機電控系統進行適應性技術改進

圖5 真空度傳感器安裝在混合器上示意圖

圖6 安裝在過濾器上壓力 傳感器示意圖

圖7 安裝在電磁閥上 壓力開關示意圖

雙燃料發動機在保持原柴油機電控系統基礎上，與新增加雙燃料Bi－Fuel?System控制系統進行適應性聯合控制技術研究，并集成一整套完整的燃油＋可燃氣監控和安保系統；這就需要對原柴油機電控系統做一些適應性技術改進工作。

2.2 系統集成與遙控系統兼容性的技術研究

（1）GTI雙燃料系統與原柴油機電控系統集成聯合控制及兼容性的技術研究

GTI雙燃料系統主要功能是控制可燃氣輸入量，并由混合器形成可燃燒的混合氣進入發動機氣缸內，壓燃實現替代燃油的目的。柴油機電控系統主要是實現發動機的控制、調速、監測及安保等功能，并與上層控制系統實現聯合控制的功能。兩系統集成后的雙燃料發動機控制系統如圖8所示。

圖8 兩系統集成后的雙燃料發動機控制系統示意圖

針對GTI雙燃料系統和柴油機電控系統的各自功能，開展了系統集成與兼容性技術的研究試驗，對原柴油機電控系統進行了適應性技術改進，使兩系統的數據傳輸、確認、邏輯控制及系統兼容等方面更加協調，確保了發動機在全燃油模式下或雙燃料模式下的正常運行。該控制系統流程如圖9所示。

（2）系統集成后的組成

16V165SRL雙燃料發動機的控制系統主要組成：YD908－DT396B型柴油機電控系統、GTI雙燃料控制系統（GPN2010V控制器等），該系統集成后的組成部件如圖10所示。

圖9 雙燃料發動機控制系統流程示意圖

圖10 雙燃料發動機控制系統的部件組成示意圖

（3）GTI雙燃料系統與原柴油機電控系統集成后聯合控制的工作原理

16V165SRL雙燃料發動機運行在全燃油模式運行時，GTI雙燃料系統處于監測狀態，控制功能沒有激活（激活是由GPN2010V控制器上的工作轉換開關實現），當GPN2010V控制器上的轉換開關置于雙燃料工作模式時，雙燃料工作模式被激活，GPN2010V控制系統開始監控發動機的控制設置點（這些控制設置點是通過臺架試驗反復摸索測出這些參數的最小設置點和最大設置點，并寫入GPN2010V控制器中），用來描述雙燃料模式運行時發動機的負載特性。在燃氣供給電磁閥被打開后，燃氣與空氣在混合器中混合，利用渦輪增加器進氣口產生的負壓，將燃氣和空氣的混合氣吸入中冷器，通過發動機的進氣支管進入燃燒室內，隨著功率增大，進入發動機進氣支管的混合氣也隨之增加，而燃油的供給量將隨之減少，當雙燃料供給量達到65∶45左右時，發動機的控制系統在這個雙燃料供給平衡點上保持著正常運行所需的燃料，從而實現燃氣替代燃油的目的。當 GPN2010V控制器檢測到 MAP、MAT、EGT、VIB、GSP、VAC這些參數中有一個參數超出設定范圍時，GPN2010V控制器自動關閉燃氣供給電磁閥，此時的發動機自動恢復到全燃油模式運行。同時GPN2010V控制器會繼續自動監測這些參數的變化情況，如果參數恢復到設定范圍后，則GPN2010V控制器自動打開燃氣電磁閥，重新開啟雙燃料模式。否則供燃氣的電磁閥一直關閉，發動機一直在全燃油模式下運行；直到被檢測到的各項參數在設定范圍內。GPN2010V控制器對原發動機所有的控制系統都不干涉，也不控制燃油供給，只控制燃氣的供給和關閉。

（4）與遙控系統集成后聯合控制及兼容性的技術研究

GTI雙燃料系統與柴油機電控系統集成后的遙控系統，是根據用戶或實際使用要求，將柴油機電控系統中原有上傳數據功能經技術改進與上層遙控系統集成后組成一個具有遙控功能的雙燃料控制系統，可實現遙控監測和報警等功能，如操控發動機控制功能（預供（潤滑油）、啟動、停機和急停等）；顯示發動機運行的各種參數（轉速、潤滑油壓力、冷卻水溫度、A／B排排氣溫度、進氣真空度、運行時間計時等）；發動機各種越限報警（超速并停機、潤滑油壓力并停機、冷卻水溫度太高并停機、冷卻水溫度、A／B排排氣溫度、進氣真空度、可燃氣供氣壓力、進氣管混合氣壓力、爆振等）。

具有遙控功能的雙燃料發動機控制系統如圖11所示。

圖11 具有遙控功能的雙燃料發動機控制系統示意圖

3 產品的調試及性能試驗

3.1 調試試驗

3.1.1 預估燃氣／柴油比

在很多應用環境中，發動機并沒有安裝燃料流量計來顯示柴油的實際消耗量，因此，基于發動機燃油控制系統獲得的信息，GTI開發了一套可行的辦法來調整燃氣／柴油比率。所有定轉速的發動機均采用一些形式的燃油控制系統，根據負載變化來調整供油量，從而維持定轉速。不考慮燃油控制系統的方式，其基本工作原理是一樣的：燃油供給從0%（空載）到100%（滿負載）呈線性增加。對于特定的負載，控制系統將在0%～100%之間調節燃油供給以維持發動機定轉速。這個百分比值也就是經常所提及的“齒條位置”或者“燃油位置”。其他方面是相對應的，特定的發動機負載將對應確定的齒條位置，因此也就對應確定的燃油供給量。在雙燃料工作模式下，對于指定負載，相對于進入發動機的燃氣量，控制系統將調整齒條位置，從而維持設定的轉速。既然齒條位置和發動機負載相關聯，也就是反映了燃油量，因此，燃氣／燃油比率可以很好地計算。在實際應用中，“參考負載”是基于柴油流量和齒條位置來計算的，等同于燃氣／柴油比率中的柴油部分。例如：對于16V165TE3柴油機（1 360kW），設定燃氣混和氣為60%，那么參考負載就應該是544kW （1 360×40%＝544kW）。發動機柴油部分負載544kW，齒條位置則被記錄。整個發動機1 360kW的負載，發動機齒條維持在544kW輸出的水平，燃氣比率也得到實現。在這種情況下，發動機輸出功率1 360kW，其中利用柴油輸出544kW，其余部分由燃氣輸出。也就是發動機在雙燃料條件下運行，其中大約60%燃氣、40%燃油。發動機功率的測量采用試驗臺上的測功器進行測量；如果用于發電機組則發動機功率可采用千瓦（kW）或者安培來測量；如果用于水泵或者壓縮機，可能需要基于支管溫度或者由壓縮機／水泵的負載來測量發動機的負載。

3.1.2 調試方法

齒條位置測量方法：為了調試雙燃料系統達到期望的替代率，在給定負載的情況下，我們需要測量發動機的“齒條位置”或者“燃油位置”。如下的方法可供使用：從調速器到執行器控制信號的測量（例如YD923MK的電子調速器）。或通過使用安裝在調速器和執行器之間的萬用表來衡量或直接從機旁操作儀表箱上的LED上讀取。

（1）燃油齒條物理位置的測量

16V165SRL發動機的燃油系統設計時有一燃油齒條伸縮帶刻度的觀察窗，借助該窗可直接測量齒條伸縮量的軌跡。整個齒條位置從0%～100%是一段很短的距離，反饋電壓相對應為：DC0～9V／0～10mm；注意的是這種測量需要確保較高的精度。燃油齒條用萬用表，見圖12的“2”接線箱上獲取反饋電壓值，并結合燃油齒條伸出量觀察窗上的刻度，見圖12的“6”一起設定，如圖12所示。情況下，高質量燃氣（CH4含量高于95%），結合適當的發動機功率水平和低的冷卻后溫度，盡管還有其他因素可能會形成限制，燃氣替代率可能達到50%～70%的水平。由于最終的燃氣替代率受到爆振發動機尾氣排放溫度或者其他運行因素的限制，實際燃氣替代率應由調整試驗的情況來整定。

（3）最低燃油位置曲線設定

試驗前根據發動機純柴油模式下的運行情況，在雙燃料控制程序中設定一條“全程轉速范圍內的最低燃油位置曲線”，最低燃油位置曲線坐標含義如下：X：轉速；Y：對應轉速下的最低燃油位置設定值。設定好的燃油位置在其發動機運行時采集的曲線如13圖所示。

圖12 燃油齒條伸出量測量和觀察窗示意圖

圖13 燃油齒條伸出量與發動機運行時的曲線示意圖

3.2 性能對比試驗

上述功能調整好之后，就可在試驗站對整機進行動態調試；首先發動機在全柴油模式下運行，記錄各功率段對應的燃油齒條伸出量及油耗率等指標，將作為GPN2010V控制器的重要控制參數存入數據表中，全柴油模式摸底試驗記錄卡如表2所示。

在摸清、總結分析和歸納這些實測數據的基礎上，開始進行雙燃料模式的調整試驗。這個試驗的主要技術工作就是在這些控制參數基本設定的基礎上，對DTI的Bi－Fue System Series IV調整功率（燃氣）閥（一大兩小）進行反復運行試驗調整，使其達到預期的燃油替代設計值，如14圖所示。

（2）目標燃氣／柴油比率

根據供氣質量、發動機設計、發動機型號和保養狀況、發動機負載要素、中冷后的空氣溫度、周邊環境（海拔高度及溫度）等的不同，燃氣替代率會不同，即使在非常理想的狀況下，燃氣替代率也不會超過70%。一般

圖14 調整功率（燃氣）閥示意圖

表2 全柴油模式試驗記錄卡

在第1輪試驗調整中我們得到了具體的運行數據，其結果表明發動機在1 360kW時的柴油替代率僅為37.5%，遠遠低于預期的設計替代率60%以上；對檢測的各項參數 MAP、MAT、EGT、VIB、GSP、VAC以及測量的爆壓等指標分析與驗算后表明功率閥還有調整的較大余度；因此，在其他技術數據和狀態維持不變情況下，將DTI的Bi－Fue System Series IV調整功率（燃氣）閥進行重新調整開度，即大閥開啟6圈、兩個小閥各開啟7圈和大閥開啟9圈、兩個小閥各開啟8圈，進行第2輪和第3輪的實際運行對比試驗。

試驗具體數據與運行結果見表3。

表3 雙燃料模式調整試驗記錄卡

通過表3的數據得知：發動機在1 360kW雙燃料運行時的柴油替代率為65.4% （208→72g／kW.h），達到設計的替代率60%以上，檢測的各項參數 MAP、MAT、EGT、VIB、GSP、VAC以及測量的爆壓、爆振等均在設定數值內，滿足雙燃料發動機的整體設計要求。

在上述技術狀態和控制參數固化之后，雙燃料發動機整個系統又進行了負荷特性試驗和4h的持續功率穩定性試驗，試驗具體數據與運行結果見表4。

表4 雙燃料發動機參數調整后負荷特性試驗結果

3.3 試驗結論

16V165SRL雙燃料發動機通過全柴油模式摸底試驗、雙燃料調整對比試驗、負荷特性試驗及持續功率穩定性試驗等各種試驗探索了雙燃料發動機的燃氣耗量、柴油耗量與供油齒條伸出量之間的變化趨勢，詳見圖15。

圖15 燃氣、柴油和齒條伸出量變化趨勢圖

試驗結果表明研制的16V165SRL（1 360kW／1 500r／min）雙燃料發動機各系統工作安全可靠、性能穩定、各項指標全部滿足設計要求。

16V165SRL雙燃料發動機在全柴油模式滿載運行時的油耗率為208g／（kW·h）；在雙燃料模式滿載運行時的油耗率為72g／（kW·h）；燃氣為246m3／h，柴油替代率為65.4%。在全柴油模式滿載運行時的排煙指標為0.91SZ；而在雙燃料模式滿載運行時的排煙指標為0.18SZ，排氣煙度減少80%。從這兩項主要指標可以看到雙燃料發動機應用的經濟性和社會效益。

值得注意的是在很多應用環境中，決定最大燃氣替代率的一個重要因素是發動機爆振情況。多數情況下，短暫的爆振不會對發動機造成傷害；但運行時間一長則對發動機會造成傷害。16V165SRL（1 360kW）雙燃料發動機安裝了振動傳感器，Bi－Fuel雙燃料系統通過振動傳感器數據來實時診斷發動機的爆振情況。如果在雙燃料運行時檢測到爆振，Bi－Fuel雙燃料系統會很快將發動機切換到100%柴油運行模式，或采取降低燃氣替代率、降低發動機負載（人工干預）等措施消除爆振。

16V165SRL（1 360kW）雙燃料發動機在雙燃料模式運行期間，GPN2010V控制器監控發動機的振動幅度以便監測到不正常的燃燒（所產生的振動），一般我們將振動安全范圍值設置在0.10英寸／s之內，作為在額定負載下正常的發動機振動幅度。

4 產品的特點和應用領域

16V165SRL（1 360kW）雙燃料發動機是在船用柴油機基礎上研制成的，特別適合海上環境條件使用，產品主要應用與配套領域是柴油電站、調峰電站、主供柴油發電機組、備用柴油發電機組、分布式電站、油氣田、油泵、天然氣壓縮、船舶、泵、壓縮機等領域。具有初期成本更低、適應不穩定燃氣、效率與回報率較高、減少操作和維護成本的特點。

雙燃料發動機經過試驗和實際經驗的積累，適合以下氣體燃料：

管道天然氣、壓縮天然氣（CNG）、液化天然氣（LNG）、油井氣＊、煤層氣＊、生物氣＊沼氣（填埋、廢水）等。

＊這些氣體需要進行適當的預處理；包括過濾、脫水、脫硫和去除雜質等。

5 結束語

16V165SRL（1 360kW）雙燃料發動機及其配套產品已經開始走向海洋鉆井平臺，由于該機是在MTU396船用柴油機型的基礎上研制開發的，特別適合海上環境，當平臺移動或特殊條件時，該發動機可采用全柴油運行模式，為平臺提供動力或電能；當平臺就位打出油井氣時，將這些油井氣收集后經過預處理系統直接輸送到該發動機，作為燃料供給，此時的發動機轉為雙燃料運行模式，即充分利用這一特有的清潔能源、節約了成本又減少了排放，為大功率高速柴油發動機向清潔能源應用領域進軍提供了良好的實用技術。

隨著清潔能源的開發和利用，16V165SRL（1 360 kW）雙燃料發動機有著廣泛的應用和配套前景。

［1］ Altronic，inc GTI BI－FUEL SYSTEM installation ＆operating manual FORM GTI IOM 9－08.http∥www.gti－altronicinc.com