黃祿豐

摘要：以ACD320DF發(fā)動機為研究對象，將發(fā)動機的NOx排放限制在同一水平，進(jìn)行了引燃油量調(diào)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(xù)期縮短，發(fā)動機燃燒震動強度下降，噪聲減小，缸壓曲線更為平滑;50%負(fù)荷以下，最佳引燃油量占比約為1.5%～2%，而在100%負(fù)荷時引燃油量取最小值，替代率高達(dá)99.5%，發(fā)動機的熱效率達(dá)到最高。

關(guān)鍵詞：ACD320DF發(fā)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(fā)動機是當(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)動機和柴油發(fā)動機的優(yōu)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(fā)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(fā)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(yōu)點就是天然氣的燃料成本較柴油偏低;后來發(fā)展到全新燃?xì)庀到y(tǒng)設(shè)計、結(jié)構(gòu)和布置的優(yōu)化等[1-2]。

近來大量文獻(xiàn)表明，微噴引燃雙燃料發(fā)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(fā)動機的開發(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)動機，在柴油機的基礎(chǔ)上優(yōu)化了氣門正時和燃燒室形狀，最高替代率達(dá)到了99%，燃?xì)饽Ｊ綄崿F(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MAN公司（ME-GI）、美國卡特彼勒（M46DF）、韓國現(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。

國內(nèi)雙燃料發(fā)動機研究起步稍晚，當(dāng)前生產(chǎn)雙燃料發(fā)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(fā)動機，替代率低，無法滿足TierIII，當(dāng)前滿足TierIII的雙燃料發(fā)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(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立系統(tǒng)，微噴系統(tǒng)為電控共軌，引燃油量實現(xiàn)獨立、精確控制，在優(yōu)化了噴孔設(shè)計后，最高替代率達(dá)到了99.5%，熱效率達(dá)到了49.3%。

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

1 ?ACD320DF發(fā)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(fā)動機的研發(fā)，研制的ACD320DF發(fā)動機主要性能參數(shù)如表1所示。

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

發(fā)動機擺放在密閉的隔音房內(nèi)進(jìn)行，試驗過程中主要測試的是排放、最大爆壓、燃?xì)庀?，組成示意圖如圖2所示。

排放測試設(shè)備采用AVLgas1000，僅能測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。

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(shù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則采集發(fā)動機的主要運行參數(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 ?試驗結(jié)果和分析

林志強的實驗表明，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，如在稀燃的同時減少引燃油量會導(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(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，在此模式下對比發(fā)動機的HC排放、燃?xì)庀?、燃燒穩(wěn)定性等指標(biāo)，評估引燃油量大小對發(fā)動機性能的影響。IMEP循環(huán)波動是評價發(fā)動機運行穩(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)動機的主要負(fù)荷點如表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。

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，試驗結(jié)果如圖6所示。

從圖可知，25%、50%負(fù)荷時，當(dāng)每循環(huán)引燃油量超過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，HC排放在減小，但燃?xì)庀纳仙?，說明在低負(fù)荷時，過低的引燃油量導(dǎo)致點火能量變?nèi)酰紵键c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，25%負(fù)荷時的替代率為97.9%。

75%、100%負(fù)荷時，當(dāng)每循環(huán)引燃油量超過50mm3（比例約1.2-1.5%），燃?xì)庀拿黠@增加，IMEP循環(huán)波動明顯增大;隨著引燃油量的降低，發(fā)動機燃?xì)庀南陆?，效率提升，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，100%負(fù)荷的替代率達(dá)到了99.5%，此時發(fā)動機的熱效率超過了49%。

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

與燃?xì)庀南鄬?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)荷時不同引燃油量的缸壓曲線圖。

對比著火始點和燃燒持續(xù)期，發(fā)現(xiàn)隨著引燃油量的下降，著火始點下降，燃燒持續(xù)期縮短，燃燒結(jié)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(shù)增大，缸壓曲線的不光滑度增大，毛刺變多，感受到的發(fā)動機運行噪聲增大。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)動機效率，對于雙燃料發(fā)動機而言，引燃油量對爆震指數(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)動機的總排放水平改善;

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)動機的燃燒始點滯后，最大爆壓減小，但發(fā)動機的燃燒持續(xù)期變短，燃燒震動和噪聲減小，缸壓曲線更為平滑;

當(dāng)前雙燃料發(fā)動機燃?xì)饽Ｊ降腘Ox排放主要來源于引燃油，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)動機性能指標(biāo)越高。

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