微噴引燃油量對雙燃料發動機燃燒的影響

黃祿豐

摘要：以ACD320DF發動機為研究對象，將發動機的NOx排放限制在同一水平，進行了引燃油量調整實驗，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，燃燒始點滯后，最大爆壓下降，但燃燒持續期縮短，發動機燃燒震動強度下降，噪聲減小，缸壓曲線更為平滑;50%負荷以下，最佳引燃油量占比約為1.5%～2%，而在100%負荷時引燃油量取最小值，替代率高達99.5%，發動機的熱效率達到最高。

關鍵詞：ACD320DF發動機;引燃油量;NOx排放;替代率;熱效率

0 ?引言

微噴引燃雙燃料發動機是當前排放法規日益嚴格下的特殊產物，結合了純天燃氣發動機和柴油發動機的優點，兼顧兩種模式，取長補短，淡化了純氣體機在加載、燃料配置等方面的限制，彌補了柴油機在排放方面的短板。

雙燃料發動機最初是由柴油機改造而成，早期的研究多基于簡單的改裝和匹配，提升替代率，但改造雙燃料發動機始終存在弊端，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，唯一的優點就是天然氣的燃料成本較柴油偏低;后來發展到全新燃氣系統設計、結構和布置的優化等[1-2]。

近來大量文獻表明，微噴引燃雙燃料發動機能大幅度改善NOx和顆粒物的排放水平，更多的主機廠相繼加入雙燃料發動機的開發行列。

瓦錫蘭自1996年前后推出了20DF、31DF、34DF、46DF和50DF五款雙燃料發動機，在柴油機的基礎上優化了氣門正時和燃燒室形狀，最高替代率達到了99%，燃氣模式實現TierIII排放，廣泛用于陸用發電、船用發電和推進[3]。

德國MAN公司（ME-GI）、美國卡特彼勒（M46DF）、韓國現代重工（H35DF/H27DF）、日本大發（GK28DF）、洋馬（EY26DF）等公司后續也紛紛推出了各自的雙燃料產品。

國內雙燃料發動機研究起步稍晚，當前生產雙燃料發動機的廠家主要有安慶中船、中船動力、緇柴、濰柴、寧波中策、勝動、河柴等。但大部分都為改造雙燃料發動機，替代率低，無法滿足TierIII，當前滿足TierIII的雙燃料發動機僅有安慶中船（ACD320DF）和中船動力（CMP-MAN L23/30DF，L28/32DF）兩家，其中中船動力微噴引燃和柴油模式采用同一套噴油系統，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立系統，微噴系統為電控共軌，引燃油量實現獨立、精確控制，在優化了噴孔設計后，最高替代率達到了99.5%，熱效率達到了49.3%。

以ACD320DF發動機為研究對象，改變發動機的引燃油量，在滿足排放的前提下，探究發動機引燃油量對發動機燃燒的影響及引燃油量的最佳值。

1 ?ACD320DF發動機與實驗裝置

安慶中船柴油機有限公司于2013年開始雙燃料發動機的研發，研制的ACD320DF發動機主要性能參數如表1所示。

燃氣系統采用多點歧管式噴射，微噴引燃系統與主噴系統相互獨立，微噴引燃系統采用斜置式布置，主噴噴油器略偏離中心，整個燃油系統組成示意圖如圖1所示。

發動機擺放在密閉的隔音房內進行，試驗過程中主要測試的是排放、最大爆壓、燃氣消耗，組成示意圖如圖2所示。

排放測試設備采用AVLgas1000，僅能測試排氣中的甲烷成分，因此數值偏小，但仍可反應總HC的趨勢。

燃燒分析儀通過采集缸壓和爆震信號（由于通道限制，僅采集了兩缸的爆震信號），可對主要的燃燒參數進行分析，數據采集系統則采集發動機的主要運行參數。燃燒分析儀與數據采集系統CAN通訊，確保數據同步。

2 ?試驗結果和分析

林志強的實驗表明，NOx、HC排放物之間存在折中關系，進行稀燃、減少引燃油量是減少NOx排放的有效途徑，如在稀燃的同時減少引燃油量會導致HC排放增大，燃燒不穩定性增大，甚至失火[4-5]。

當前排放最主要限制的是NOx（C1和C2法規同時限制NOx和HC），因此本文在試驗時將NOx的排放水平控制在同一水平，在改變引燃油量的同時，調整空燃比，即低引燃油量低空燃比、高引燃油量高空燃比的模式，在此模式下對比發動機的HC排放、燃氣消耗、燃燒穩定性等指標，評估引燃油量大小對發動機性能的影響。IMEP循環波動是評價發動機運行穩定性的重要參數，燃氣模式一般要求≤3%，柴油模式一般<1%[6-9]。

ACD320DF發動機的主要負荷點如表2。

引燃油量的消耗與循環噴射量的換算如表3。

分別在25%、50%、75%、100%負荷下進行試驗。

25%負荷

分別設定引燃油量20、30、40、50、60，NOx排放控制在260ppm左右，試驗結果如圖3所示。

50%負荷

分別設定引燃油量20、30、40、50、60，NOx排放控制在240ppm左右，試驗結果如圖4所示。

75%負荷

分別設定引燃油量20、30、40、50、60，NOx排放控制在240ppm左右，試驗結果如圖5所示。

100%負荷

分別設定引燃油量20、30、40、50、60，NOx排放控制在260ppm左右，試驗結果如圖6所示。

從圖可知，25%、50%負荷時，當每循環引燃油量超過40mm3（引燃油量占比約1.6%-2%左右）后，燃氣消耗明顯提升，IMEP循環波動明顯增大，HC排放增大;但當每循環引燃油量降低至30mm3（引燃油量約1.2%-1.5%）以下時，HC排放在減小，但燃氣消耗上升，說明在低負荷時，過低的引燃油量導致點火能量變弱，燃燒始點滯后，甚至部分循環出現后燃，每循環引燃油量為40mm3時，25%負荷時的替代率為97.9%。

75%、100%負荷時，當每循環引燃油量超過50mm3（比例約1.2-1.5%），燃氣消耗明顯增加，IMEP循環波動明顯增大;隨著引燃油量的降低，發動機燃氣消耗下降，效率提升，IMEPcov變小，HC排放降低，性能指標全面提升，當每循環引燃量為20mm3時，100%負荷的替代率達到了99.5%，此時發動機的熱效率超過了49%。

隨著負荷升高，最佳燃油替代率上升，由25%時候的97.9%上升至100%負荷的99.5%。由100%負荷的試驗結果可知，當引燃油量大于60（替代率約98.5%）時，為滿足排放，燃氣消耗明顯增大，經濟性下降，運行穩定性下降甚至無法運行。

與燃氣消耗相對應的最大爆壓隨著引燃油量的降低而降低，進一步分析燃燒分析儀數據，對比不同引燃油量下的燃燒數據，圖7-圖9為100%負荷時不同引燃油量的缸壓曲線圖。

對比著火始點和燃燒持續期，發現隨著引燃油量的下降，著火始點下降，燃燒持續期縮短，燃燒結束時刻并沒有滯后。

從圖可知，隨著引燃油量的升高，爆震傳感器的震動幅度增大，爆震指數增大，缸壓曲線的不光滑度增大，毛刺變多，感受到的發動機運行噪聲增大。而爆震指數增大熱效率反而降低，意味著輕微爆震并不能增大發動機效率，對于雙燃料發動機而言，引燃油量對爆震指數的影響比空燃比更大。

3 ?結論

在同等NOx水平下，隨著引燃油量的降低，燃氣模式的空燃比降低，HC的排放降低，發動機的總排放水平改善;

負荷≥75%，在同等NOx水平下，引燃油量降低，燃氣消耗越低，熱效率提升;負荷≤50%，在同等NOx水平下，燃氣消耗隨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%，負荷越低，占比越高;

在同等NOx水平下，隨著引燃油量的降低，發動機的燃燒始點滯后，最大爆壓減小，但發動機的燃燒持續期變短，燃燒震動和噪聲減小，缸壓曲線更為平滑;

當前雙燃料發動機燃氣模式的NOx排放主要來源于引燃油，排放要求越嚴格，為獲得穩定的燃燒，需更低的引燃油量。

在日益嚴格的排放和最低引燃油量的雙重限制下，引燃油量越低，發動機性能指標越高。

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