可用于滿足未來行業需求的高壓雙燃料噴油器

【德】C.SENGHAAS M.WILLMANN I.BERGER

Woodward L′Orange公司開發了1種全新的高壓雙燃料噴油器。在這種技術支持下，整機廠開發出具有良好升功率和動態性能的發動機，從而滿足未來廢氣排放法規要求。關鍵詞：噴油器;高壓噴射;雙燃料

0 前言

出于多種原因，未來應用于船舶領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生的溫室氣體總排放量至少比2008年降低50%，該項規定對發動機領域產生了重大影響。Woodward L′Orange公司的研究人員確信其旗下的高壓雙燃料（HPDF）噴油器能為行業提供更多的選擇方案，并且能使發動機在其壽命期內燃用多種不同的燃料。

研究人員將發動機燃料從液態柴油切換為天然氣時，不僅降低了燃料含硫量，并且在優化溫室氣體排放方面也具備一定優勢。甲烷因其含碳量較少，在改善CO2排放方面具有一定的優勢。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盡可能減少未燃甲烷的排放。

在采用氣體燃料發動機時，研究人員應同時考慮到CO2排放量及溫室氣體總排放量。為滿足IMO所提出的目標，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有措施進行有機結合，以有效實現該目標。通過采用再生燃料轉換而成的電能以制取能源轉化型（PtX）燃料，還能進一步減少溫室氣體排放。

目前，大多數氣體燃料發動機主要應用于發電領域，例如在顆粒物和NOx等方面，采用均質稀薄燃燒過程能達到較低的排放。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動機，業界對該項舉措的關注度也與日俱增。由于對瞬態性能要求較高，應用氣體燃料直接噴射技術的機型越來越多。此外，在道路車輛領域，其燃燒過程通常會在過量空氣系數λ=1的狀態下進行，同時會采用三元催化轉化器，以滿足當前的廢氣排放標準。這種催化轉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應用于大型發動機領域。

1 船用氣體燃料發動機的燃燒方案

對船用柴油機而言，現階段的氣體燃料發動機可有效應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動機與三元催化轉化器并不兼容，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致的（圖1）。

船用氣體燃料發動機絕大多數采用雙燃料運行，以此能提供滿足船舶安全性規范要求的隨船備用燃料。Woodward L′Orange公司為行業市場提供了高品質的雙燃料發動機噴油器（圖2）[2-3]。這些噴油器能使發動機在以氣體燃料運行時提供精確的預噴油量，而當發動機在以柴油運行時也能噴射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合的氣體燃料-柴油噴油器同樣可用于雙燃料發動機。這2種噴油器已應用于Wrtsil旗下的發動機，并已成功投放市場。

采用氣體燃料直接噴射技術具有諸多優點，由此證實了研究人員采用此類技術的合理性。在發動機進行高壓噴射時，可通過預噴燃油點燃氣體燃料，并使氣體燃料在燃燒過程中得以充分轉化，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象，從而能使整機具有與柴油機相似的高升功率。同時，由于采用了直接噴射的方式，并且不產生節流損失，從而可實現較高的效率和快速的動態響應特性。

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，內燃機燃用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，在進行燃料切換時，研究人員僅需要對設備進行微調整。

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

2 挑戰和設計方式

發動機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，以實現穩定的燃燒過程。為了點燃氣體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型的備用燃料系統。為了充分優化燃燒過程，其前提條件是使氣體燃料與柴油在噴射時間上能進行靈活調整。為了在以純柴油運行時能滿足廢氣排放標準，柴油噴射系統必須以高度現代化的技術狀態投入運作，這就意味著其需要具有與傳統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通常會采用共軌柴油噴油方式。研究人員在設計柴油噴射系統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。

氣體燃料系統針對50 MPa氣體燃料噴嘴設計，為此應具有較高的壓力。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的壓比實現超臨界流動。該設計可避免氣流馬赫數在低于1的情況下流動，并能在整個噴射過程中獲得確定的質量流量，同時降低因發動機背壓產生的影響。研究人員對這種噴油嘴的結構布置型式進行了設計優化，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備好一定數量的氣體燃料，研究人員優化了噴油器內部的儲氣容積，同時借助于計算流體動力學（CFD）模擬分析噴油器內部的壓力損失，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，可使從噴油器進口至噴油嘴的壓力損失小于共軌壓力的10%。

研究人員在設計噴油器氣體燃料系統時面臨的另1項挑戰是需要使發動機以純柴油運行且不受限制（圖5）。當發動機在以純柴油運行時，氣體燃料系統內所存留的介質并不受到壓力影響，同時氣體燃料針閥必須在氣缸峰值壓力作用下實現可靠密封。彈簧通過堅固的彈簧接桿與氣體燃料針閥進行連接，從而獲得以純柴油狀態運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行操縱，并具有較高的布置靈活性，以此適應用戶對發動機提出的設計方案。為了節省噴油器的內部空間，研究人員將該操縱閥布置在噴油器的頂端（圖6）。

對于寬廣的發動機結構型譜而言，這種新型的噴油器方案具有較好的適應能力。為了向用戶提供1種可靠且較為經濟的解決方案，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構型式，以供用戶選擇。同時，為使發動機順利燃用液態E-燃料，研究人員將單獨的儲油腔集成到噴油器設計方案中。

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

3 應用

在經歷了性能檢驗和短期耐久性試驗后，新系統可用于光學研究和單缸機試驗[4-7]。首次試驗結果表明，該系統已充分實現了減少甲烷排放和提高整機效率的開發目標。這些項目表明，該系統所采用的許多參數已允許研究人員將大量數據用于發動機燃燒建模過程中。發動機廢氣后處理通過采用選擇性催化還原（SCR）系統就能滿足IMO-Tier-Ⅲ法規要求。通過發動機長達100 h的運行試驗驗證，該類噴油器充分證實了其可靠性[7]。

4 結語

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動機，并可使發動機燃用E-燃料，從而改善了未燃甲烷排放。該方案已在單缸試驗機上運行了100 h，以此證實了技術的可靠性。該項技術能使發動機的升功率和動態性能達到與傳統柴油機相近的水平，同時可滿足未來的廢氣排放法規，尤其可顯著降低未燃甲烷排放。總體而言，這種新型噴油器方案具有以下特點：（1）共軌柴油側可燃用100%柴油，并具有高達220 MPa的噴射壓力;（2）能以高達50 MPa的壓力噴射氣體燃料;（3）具有緊湊的噴油器結構;（4）配備有能用于控制氣體燃料系統的整體式控制閥;（5）氣體燃料系統能實現快速響應;（6）無論是柴油系統還是氣體燃料系統都能實現多次噴射;（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 譯自 MTZ，2020，81（11）

伍賽特 編輯

（收稿時間：2020-11-15）