黄禄丰

摘要：以ACD320DF发动机为研究对象，将发动机的NOx排放限制在同一水平，进行了引燃油量调整实验，在同等NOx排放的条件下，引燃油量越少，HC排放下降，总体排放水平改善;引燃油量降低，燃烧始点滞后，最大爆压下降，但燃烧持续期缩短，发动机燃烧震动强度下降，噪声减小，缸压曲线更为平滑;50%负荷以下，最佳引燃油量占比约为1.5%～2%，而在100%负荷时引燃油量取最小值，替代率高达99.5%，发动机的热效率达到最高。

关键词：ACD320DF发动机;引燃油量;NOx排放;替代率;热效率

0  引言

微喷引燃双燃料发动机是当前排放法规日益严格下的特殊产物，结合了纯天燃气发动机和柴油发动机的优点，兼顾两种模式，取长补短，淡化了纯气体机在加载、燃料配置等方面的限制，弥补了柴油机在排放方面的短板。

双燃料发动机最初是由柴油机改造而成，早期的研究多基于简单的改装和匹配，提升替代率，但改造双燃料发动机始终存在弊端，功率打折，安全性能差，且随着燃油喷射角度的提前，排放较之柴油模式更为恶化，唯一的优点就是天然气的燃料成本较柴油偏低;后来发展到全新燃气系统设计、结构和布置的优化等[1-2]。

近来大量文献表明，微喷引燃双燃料发动机能大幅度改善NOx和颗粒物的排放水平，更多的主机厂相继加入双燃料发动机的开发行列。

瓦锡兰自1996年前后推出了20DF、31DF、34DF、46DF和50DF五款双燃料发动机，在柴油机的基础上优化了气门正时和燃烧室形状，最高替代率达到了99%，燃气模式实现TierIII排放，广泛用于陆用发电、船用发电和推进[3]。

德国MAN公司（ME-GI）、美国卡特彼勒（M46DF）、韩国现代重工（H35DF/H27DF）、日本大发（GK28DF）、洋马（EY26DF）等公司后续也纷纷推出了各自的双燃料产品。

国内双燃料发动机研究起步稍晚，当前生产双燃料发动机的厂家主要有安庆中船、中船动力、缁柴、潍柴、宁波中策、胜动、河柴等。但大部分都为改造双燃料发动机，替代率低，无法满足TierIII，当前满足TierIII的双燃料发动机仅有安庆中船（ACD320DF）和中船动力（CMP-MAN L23/30DF，L28/32DF）两家，其中中船动力微喷引燃和柴油模式采用同一套喷油系统，微喷引燃油量很难精确控制。安庆中船的ACD320DF主喷和微喷采用两套独立系统，微喷系统为电控共轨，引燃油量实现独立、精确控制，在优化了喷孔设计后，最高替代率达到了99.5%，热效率达到了49.3%。

以ACD320DF发动机为研究对象，改变发动机的引燃油量，在满足排放的前提下，探究发动机引燃油量对发动机燃烧的影响及引燃油量的最佳值。

1  ACD320DF发动机与实验装置

安庆中船柴油机有限公司于2013年开始双燃料发动机的研发，研制的ACD320DF发动机主要性能参数如表1所示。

燃气系统采用多点歧管式喷射，微喷引燃系统与主喷系统相互独立，微喷引燃系统采用斜置式布置，主喷喷油器略偏离中心，整个燃油系统组成示意图如图1所示。

发动机摆放在密闭的隔音房内进行，试验过程中主要测试的是排放、最大爆压、燃气消耗，组成示意图如图2所示。

排放测试设备采用AVLgas1000，仅能测试排气中的甲烷成分，因此数值偏小，但仍可反应总HC的趋势。

燃烧分析仪通过采集缸压和爆震信号（由于通道限制，仅采集了两缸的爆震信号），可对主要的燃烧参数进行分析，数据采集系统则采集发动机的主要运行参数。燃烧分析仪与数据采集系统CAN通讯，确保数据同步。

2  试验结果和分析

林志强的实验表明，NOx、HC排放物之间存在折中关系，进行稀燃、减少引燃油量是减少NOx排放的有效途径，如在稀燃的同时减少引燃油量会导致HC排放增大，燃烧不稳定性增大，甚至失火[4-5]。

当前排放最主要限制的是NOx（C1和C2法规同时限制NOx和HC），因此本文在试验时将NOx的排放水平控制在同一水平，在改变引燃油量的同时，调整空燃比，即低引燃油量低空燃比、高引燃油量高空燃比的模式，在此模式下对比发动机的HC排放、燃气消耗、燃烧稳定性等指标，评估引燃油量大小对发动机性能的影响。IMEP循环波动是评价发动机运行稳定性的重要参数，燃气模式一般要求≤3%，柴油模式一般<1%[6-9]。

ACD320DF发动机的主要负荷点如表2。

引燃油量的消耗与循环喷射量的换算如表3。

分别在25%、50%、75%、100%负荷下进行试验。

25%负荷

分别设定引燃油量20、30、40、50、60，NOx排放控制在260ppm左右，试验结果如图3所示。

50%负荷

分别设定引燃油量20、30、40、50、60，NOx排放控制在240ppm左右，试验结果如图4所示。

75%负荷

分别设定引燃油量20、30、40、50、60，NOx排放控制在240ppm左右，试验结果如图5所示。

100%负荷

分别设定引燃油量20、30、40、50、60，NOx排放控制在260ppm左右，试验结果如图6所示。

從图可知，25%、50%负荷时，当每循环引燃油量超过40mm3（引燃油量占比约1.6%-2%左右）后，燃气消耗明显提升，IMEP循环波动明显增大，HC排放增大;但当每循环引燃油量降低至30mm3（引燃油量约1.2%-1.5%）以下时，HC排放在减小，但燃气消耗上升，说明在低负荷时，过低的引燃油量导致点火能量变弱，燃烧始点滞后，甚至部分循环出现后燃，每循环引燃油量为40mm3时，25%负荷时的替代率为97.9%。

75%、100%负荷时，当每循环引燃油量超过50mm3（比例约1.2-1.5%），燃气消耗明显增加，IMEP循环波动明显增大;随着引燃油量的降低，发动机燃气消耗下降，效率提升，IMEPcov变小，HC排放降低，性能指标全面提升，当每循环引燃量为20mm3时，100%负荷的替代率达到了99.5%，此时发动机的热效率超过了49%。

随着负荷升高，最佳燃油替代率上升，由25%时候的97.9%上升至100%负荷的99.5%。由100%负荷的试验结果可知，当引燃油量大于60（替代率约98.5%）时，为满足排放，燃气消耗明显增大，经济性下降，运行稳定性下降甚至无法运行。

与燃气消耗相对应的最大爆压随着引燃油量的降低而降低，进一步分析燃烧分析仪数据，对比不同引燃油量下的燃烧数据，图7-图9为100%负荷时不同引燃油量的缸压曲线图。

对比着火始点和燃烧持续期，发现随着引燃油量的下降，着火始点下降，燃烧持续期缩短，燃烧结束时刻并没有滞后。

从图可知，随着引燃油量的升高，爆震传感器的震动幅度增大，爆震指数增大，缸压曲线的不光滑度增大，毛刺变多，感受到的发动机运行噪声增大。而爆震指数增大热效率反而降低，意味着轻微爆震并不能增大发动机效率，对于双燃料发动机而言，引燃油量对爆震指数的影响比空燃比更大。

3  结论

在同等NOx水平下，随着引燃油量的降低，燃气模式的空燃比降低，HC的排放降低，发动机的总排放水平改善;

负荷≥75%，在同等NOx水平下，引燃油量降低，燃气消耗越低，热效率提升;负荷≤50%，在同等NOx水平下，燃气消耗随着引燃油量的降低先降后升，最佳引燃油量占比约为1.5-2%，负荷越低，占比越高;

在同等NOx水平下，随着引燃油量的降低，发动机的燃烧始点滞后，最大爆压减小，但发动机的燃烧持续期变短，燃烧震动和噪声减小，缸压曲线更为平滑;

当前双燃料发动机燃气模式的NOx排放主要来源于引燃油，排放要求越严格，为获得稳定的燃烧，需更低的引燃油量。

在日益严格的排放和最低引燃油量的双重限制下，引燃油量越低，发动机性能指标越高。

参考文献：

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