黃猛，辛強之，劉艷，王超，賀建文，王延瑞，賈寶富，王樹山

1.淄柴動力有限公司，山東 淄博 255086； 2.中國農(nóng)業(yè)發(fā)展集團 舟山遠(yuǎn)洋漁業(yè)有限公司，浙江 舟山 316000

0 引言

隨著人們環(huán)保意識的增強，船舶發(fā)動機污染引起了社會的高度重視。我國內(nèi)河通航里程長達12.71萬km，沿海運輸貨運量高達20.13億t，隨著船舶運輸?shù)脑黾?，船舶發(fā)動機的污染物排放呈逐年上升的趨勢。文獻[1]對船舶動力提出嚴(yán)格的排放限值要求，使限制船舶污染物排放有據(jù)可依。

交通運輸部積極推動船舶動力使用替代能源，液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)具有清潔、環(huán)保、排放低的優(yōu)點，在船舶發(fā)動機上得到廣泛應(yīng)用[2]。目前，LNG發(fā)動機主要包括天然氣發(fā)動機與雙燃料發(fā)動機[3]。由于內(nèi)河及沿海缺乏LNG加注站，制約了天然氣發(fā)動機的推廣應(yīng)用，而雙燃料發(fā)動機既可以采用LNG-柴油雙燃料模式，也可以采用純柴油工作模式，燃料選擇更靈活。據(jù)統(tǒng)計，內(nèi)河LNG動力船舶已經(jīng)建造或者改造約300艘，積累了豐富的實踐經(jīng)驗,現(xiàn)階段雙燃料發(fā)動機作為船舶動力更加安全可靠[4]。

目前，國內(nèi)雙燃料發(fā)動機基本通過在柴油機上進行改裝，增加天然氣供給控制裝置，雙燃料發(fā)動機燃油噴射主要依靠機械噴油泵實現(xiàn)。天然氣噴射技術(shù)發(fā)展大體經(jīng)歷了2個階段：第一階段為天然氣預(yù)混進氣方式(包括增壓器前或者后的預(yù)混)，但不能實現(xiàn)單缸控制，經(jīng)濟性和排放性較差；第二階段為天然氣多點噴射方式，可以實現(xiàn)單缸進氣控制調(diào)節(jié)，提高了發(fā)動機的響應(yīng)性和經(jīng)濟性。以上2個階段的發(fā)動機均采用電子控制單元(electronic control unit,ECU)，控制天然氣的“氣進油退”。機械式高壓油泵供油提前角通過機械連接結(jié)構(gòu)確定，發(fā)動機所有工況下的噴油提前角相同，而發(fā)動機純柴油模式與雙燃料模式下混合氣燃燒特性差異較大，機械式高壓油泵無法兼顧不同模式及不同負(fù)荷下發(fā)動機缸內(nèi)燃燒，導(dǎo)致在低工況(25%額定功率以下)無法正常加氣運轉(zhuǎn)，限制了雙燃料模式下各工況的燃?xì)馓娲侍岣?，排放污染物不易控制，無法滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求。因此有必要在燃油噴射中使用ECU技術(shù)代替機械噴油泵開發(fā)一款油氣雙ECU雙燃料發(fā)動機，實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)、優(yōu)化缸內(nèi)燃燒、大幅提高燃?xì)馓娲?、降低污染物排放?/p>

1 發(fā)動機基本參數(shù)與總體技術(shù)方案

1.1 發(fā)動機基本參數(shù)

Z6180/S直列、四沖程、增壓中冷、油氣雙ECU發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.2 總體技術(shù)方案

在前期雙燃料發(fā)動機研發(fā)及應(yīng)用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用油氣雙ECU技術(shù)，電控組合泵實現(xiàn)柴油燃料的定時與定量噴射控制，解決原有機械噴油泵在不同負(fù)荷、不同模式工作時只能采用相同供油提前角的問題；采用天然氣公共氣軌供給燃?xì)?，緩沖壓力波動，在各缸進氣歧管設(shè)置高速燃?xì)鈬娚潆姶砰y，通過控制電磁閥的開啟與關(guān)閉時刻實現(xiàn)天然氣燃料的定時與定量控制，避開進、排氣門重疊角，減少掃氣過程中的天然氣損失，提高燃?xì)夤?yīng)一致性。柴油與天然氣燃料均通過ECU協(xié)同調(diào)節(jié)控制，分別設(shè)置獨立的ECU進行燃?xì)馀c燃油調(diào)節(jié)，2個ECU通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network,CAN)通信進行數(shù)據(jù)交互與共享。

2 發(fā)動機各系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計

2.1 燃油系統(tǒng)

以電控單體組合油泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械燃油泵，ECU通過調(diào)節(jié)電磁閥控制燃油油路的開啟及關(guān)閉，可以靈活地控制發(fā)動機供油提前角及供油量，降低排放，提高發(fā)動機性能，保證發(fā)動機各缸工作一致性與循環(huán)均勻性，有利于提高發(fā)動機的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和可靠性[5-7]。電控單體組合油泵外形如圖1所示。

圖1 電控單體組合油泵外形

2.2 燃?xì)庀到y(tǒng)

天然氣燃料供給采用整體公共氣軌，各缸設(shè)置獨立的燃?xì)鈬娚潆姶砰y。進氣歧管增加天然氣噴射引射管，使燃?xì)饽軌虮M量接近進氣道噴射，氣缸蓋內(nèi)形成準(zhǔn)內(nèi)混合式燃?xì)夤?yīng)，避免進氣管內(nèi)留存可燃?xì)怏w。燃油噴射閥出氣口與發(fā)動機進氣歧管采用雙壁波紋管連接設(shè)計，緩沖發(fā)動機運行時對燃?xì)夤苈返恼駝記_擊。天然氣供給管路采用雙壁管結(jié)構(gòu)設(shè)計，泄漏的燃?xì)饽軌蛲ㄟ^整船排風(fēng)系統(tǒng)進行抽吸并集中監(jiān)測，系統(tǒng)監(jiān)測到燃?xì)庑孤r自動切斷天然氣供給，滿足文獻[8]中規(guī)范要求。進氣管增加燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 進氣管增加燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 雙燃料控制系統(tǒng)

雙燃料控制系統(tǒng)選用國產(chǎn)雙燃料發(fā)動機控制系統(tǒng)，2個ECU分別設(shè)置6個控制節(jié)點，滿足燃油與燃?xì)獾目刂菩枨?。燃油ECU與燃?xì)釫CU之間通過CAN通信進行數(shù)據(jù)交互。當(dāng)發(fā)動機處于燃油模式工況下，由燃油ECU根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速-增壓中冷空氣壓力標(biāo)定供油提前角map圖及轉(zhuǎn)速閉環(huán)方式控制發(fā)動機運行；當(dāng)發(fā)動機處于雙燃料模式工況下，燃油與燃?xì)釫CU協(xié)同控制發(fā)動機運行，燃油ECU控制引燃柴油的供油提前角以及噴油量。燃?xì)釫CU通過調(diào)節(jié)燃?xì)鈬娚溟y噴射脈寬實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速及負(fù)荷調(diào)節(jié)。雙燃料控制系統(tǒng)采用雙電源設(shè)計，當(dāng)主電源失電時，備用電源能夠迅速啟用，保證控制系統(tǒng)的可靠運行。圖3為雙燃料控制系統(tǒng)原理圖。

圖3 雙燃料控制系統(tǒng)原理圖

2.4 安保系統(tǒng)

Z6180/S油氣雙電控雙燃料發(fā)動機采用獨立的安保系統(tǒng)，通過通信協(xié)議與控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸共享，避免發(fā)動機參數(shù)的重復(fù)采集，從而滿足文獻[8]對發(fā)動機安保的具體要求。根據(jù)文獻[8]要求，對曲軸箱內(nèi)發(fā)生氣體積聚的潛在風(fēng)險進行詳細(xì)評估。在任何情況下，若不能確保發(fā)動機曲軸箱內(nèi)的氣體濃度均不會超過爆炸下限濃度，應(yīng)在曲軸箱內(nèi)安裝油霧探測器或軸承溫度探測器，對曲軸箱內(nèi)的熱點進行監(jiān)測。Z6180/S雙燃料發(fā)動機各擋主軸承均配置軸承溫度探測器，當(dāng)主軸承溫度異常時，安保系統(tǒng)進行報警并停機，保障雙燃料發(fā)動機的安全可靠運行。

2.5 排氣系統(tǒng)

各缸增加排溫監(jiān)測用熱電偶，對發(fā)動機各缸的燃燒狀況進行監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳輸至雙燃料控制系統(tǒng)ECU；ECU根據(jù)反饋的參數(shù)，對發(fā)動機進行智能閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)燃料噴射量，使各缸排溫均勻性較好。排氣管路中設(shè)置廢氣旁通閥，基于寬域型廢氣氧傳感器反饋的過量空氣系數(shù)，自動調(diào)節(jié)廢氣旁通閥的開度，改變實際燃燒空燃比，優(yōu)化缸內(nèi)燃燒[9-10]。

3 基于臺架試驗的燃燒特性與排放、耐久性試驗分析

3.1 燃燒特性試驗

基于臺架試驗研究雙燃料發(fā)動機的各項燃燒特性，結(jié)果表明：1)與純柴油模式相比，雙燃料模式下的功率相同，發(fā)動機不存在功率損失；2)雙燃料模式與純柴油模式切換平穩(wěn)，穩(wěn)定時間為5 s，轉(zhuǎn)速波動變化率小于5%；3)燃?xì)庾罡咛娲蔬_到90%。

3.2 排放試驗

采用發(fā)動機排氣成分直接測試方法，調(diào)整發(fā)動機相關(guān)參數(shù)，研究發(fā)動機主要參數(shù)對發(fā)動機排放的影響[11-13]。純柴油模式下顆粒物(particulate matter,PM)與NOx排放是影響排放的關(guān)鍵因素，實測得到的排放中NOx體積分?jǐn)?shù)、燃油消耗率與供油提前角的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知：隨供油提前角的增大，NOx排放增加，燃油消耗率降低，所以應(yīng)確定NOx排放的標(biāo)定平衡點，使燃油消耗率和NOx排放均滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的限值要求。

圖4 NOx體積分?jǐn)?shù)、燃油消耗率隨供油提前角變化曲線 圖5 THC、CO體積分?jǐn)?shù)隨天然氣質(zhì)量變化曲線

總碳?xì)?THC)、CO體積分?jǐn)?shù)隨每缸每循環(huán)燃?xì)夤赓|(zhì)量變化曲線如圖5所示。由圖5可知：CO與THC排放滿足國家排放標(biāo)準(zhǔn)要求；隨天然氣供氣質(zhì)量增加，CO與THC的體積分?jǐn)?shù)線性增加。

雙燃料模式與純柴油模式工況下PM比排放量分別為0.046、0.100 g/(kW·h)，與純柴油模式相比，發(fā)動機在雙燃料工作模式下的PM排放大幅降低。

試驗得到純柴油模式下CO體積分?jǐn)?shù)為50×10-6，THC體積分?jǐn)?shù)為30×10-6；對比雙燃料模式下的排放試驗結(jié)果，雙燃料模式下CO和THC排放高于純柴油模式；但可以通過優(yōu)化燃燒控制CO與THC排放。

3.3 耐久試驗

文獻[1]對船舶發(fā)動機排放限值更加嚴(yán)格，增加了控制排放的污染物種類，并且要求對發(fā)動機進行耐久性試驗，確保船機及其后處理裝置在正常工況、正常使用壽命期內(nèi)能夠發(fā)揮作用，保證發(fā)動機全生命周期排放達標(biāo)。按照文獻[8，14-15]的要求，對Z6180/S雙燃料發(fā)動機進行了2500 h耐久劣化試驗。為減少耐久試驗周期，采用等功原則進行加速老化的耐久試驗方法，耐久性試驗結(jié)果驗證了該型雙燃料發(fā)動機的可靠性。

4 結(jié)語

針對雙燃料發(fā)動機排放技術(shù)升級需求，提出油氣雙電控技術(shù)方案，設(shè)計開發(fā)了Z6180/S油氣雙電控雙燃料發(fā)動機。采用燃油、燃?xì)怆pECU協(xié)同控制技術(shù)，純柴油模式下燃油ECU基于發(fā)動機轉(zhuǎn)速-增壓中冷空氣壓力的供油提前角map與轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速與負(fù)荷調(diào)節(jié)；雙燃料模式下，燃油ECU控制電控單體組合油泵按照設(shè)定數(shù)值進行柴油定量噴射，并基于發(fā)動機轉(zhuǎn)速-增壓中冷空氣壓力的供油提前角map定時供給，燃?xì)釫CU通過控制燃?xì)鈬娚溟_啟與關(guān)閉時刻來實現(xiàn)發(fā)動機調(diào)速，燃油ECU與燃?xì)釫CU通過CAN通信交互數(shù)據(jù)。采用油氣雙電控技術(shù)方案后，發(fā)動機純柴油模式與雙燃料模式不同負(fù)荷下具有與工況相適應(yīng)的供油提前角，改善了機械泵技術(shù)路線不同工況相同供油提前角度的弊端，優(yōu)化發(fā)動機缸內(nèi)燃燒。經(jīng)發(fā)動機臺架試驗及排放耐久性試驗，Z6180/S油氣雙電控雙燃料發(fā)動機工作可靠，燃油替代率達到90%，污染物排放滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。