柴油多次喷射对船舶DMCC 发动机的影响

2020-01-09姚春德姚安仁李壮壮刘明宽

天津大学学报(自然科学与工程技术版) 2020年1期

姚春德，王辉，姚安仁，王斌，李壮壮，刘明宽

(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津 300072)

船舶尾气排放对大气环境造成的污染逐渐引起人们的重视，国际和国内关于船舶发动机尾气排放的标准也愈加严格．MARPOL73/78 附则Ⅵ关于船舶柴油机氮氧化物排放限值中的Tier Ⅲ阶段已于2016年1 月1 日强制实施，其排放限值是Tier Ⅰ的80%[1]．我国首部船舶发动机尾气排放的法规——《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)》也将于2021 年7 月1 日开始实施第二阶段[2]．因此降低船舶发动机污染物排放已成为各大船舶发动机企业和研究机构的重点研究内容[3]. 在我国石油资源匮乏的背景下，采用替代燃料来降低船舶发动机污染物排放越来越受到关注[4-6]．甲醇由于其来源广泛、含氧量高、燃烧速度快等特点被认为是最有前景的石油替代燃料之一[7]，且中国船级社于2017 年发布的《船舶应用替代燃料指南》也已将甲醇列入其中．由天津大学姚春德课题组研发的柴油/甲醇组合燃烧(DMCC)技术利用熏蒸法成功将甲醇作为燃料应用到柴油机上，且取得了同时降低NOx和PM 排放的效果[8-10]．

以往研究表明在柴油机中增加预喷策略能够缩短着火滞燃期，降低主燃烧期的缸压和压升率，降低燃烧噪音[11-13]．而甲醇参与燃烧后，能够延长滞燃期，使缸压和压力升高率升高[14-15]，且王全刚等[16]和Wang 等[17]的研究表明，大负荷爆压过高是限制DMCC 发动机甲醇替代率提高的一个重要因素．因此增加预喷策略具有降低DMCC 发动机双燃料模式下爆压过高、提高甲醇替代率的潜在优势．现阶段，电控高压共轨系统由于具有喷油正时和喷油量高精度、柔性控制等优点，已在车用柴油机上得到了广泛应用[18]，船用柴油机也将逐渐进入“共轨时代”．因此，探究带预喷的柴油多次喷射对船用柴油/甲醇双燃料发动机的影响具有重要意义．

危红媛等[19]研究了小负荷工况下不同预喷油量对车用DMCC 发动机的影响，但其并未对比研究有无预喷对发动机两种燃料模式时的影响，且目前鲜有人对船用柴油机开展过相关的研究．另外由于船用柴油机是按照推进特性运行的，运行工况为线工况，与车用发动机的面工况有较大的差别[20]，且船舶发动机运行参数条件与车用发动机也有所不同，有必要对船舶DMCC 发动机多次喷射策略进行相关研究．因此，本研究先在一台高压共轨船舶柴油机上应用了DMCC 技术，然后按发动机推进特性在25%、50%和75%额定功率点进行了相关的试验，对比研究了有无预喷对纯柴油模式和双燃料模式时发动机性能、燃烧和排放的影响．

1 试验设备与方法

1.1 试验设备介绍

试验原机是一台玉柴生产的增压中冷四冲程高速船舶柴油机．发动机的额定功率为257 kW，额定转速为1 800 r/min，并配有Boch 高压共轨燃油喷射系统，可以实现多次喷射．发动机其余主要技术参数如表1 所示．

表1 试验用船舶柴油机主要技术参数Tab.1 Main specifications of the test marine engine

为使该船舶发动机实现柴油/甲醇二元燃料燃烧，须对原柴油机进行柴油/甲醇双燃料模式改造．将甲醇喷嘴安装在发动机的进气总管上，并由一个甲醇泵为其提供0.4 MPa 的甲醇压力，甲醇的喷射量和喷射时间由自行开发的甲醇ECU 控制．甲醇喷入到进气总管后与空气混合，然后进入气缸；由于柴油着火温度较低，其喷入气缸后先着火，然后引燃甲醇空气混合气，从而实现柴油/甲醇组合燃烧．安装的甲醇喷射系统与柴油喷射系统相互独立，改装后的双燃料发动机可以在纯柴油模式下燃烧也可以在柴油/甲醇双燃料模式下燃烧．

试验时用杭州博皓测控生产的WE51 型水力测功器和FST2E 型监控系统实时控制发动机的转速和扭矩．试验过程中用ETAS INCA 7.0 监控与更改发动机柴油喷射参数，用两台相同的油/醇耗仪分别测量柴油和甲醇质量流量，用ToCeiL20N150 进气质量流量计测量发动机的进气流量，用Horiba MEAX 7100FT 测量发动机的常规气体排放．发动机的1#～4#缸分别安装了Kistler 6125CU20 压力传感器，其采集的信号通过电荷放大器传送至AVL 612 IndiSmart燃烧分析仪，从而监控缸内的燃烧情况．试验中用AVL 415SE 滤纸式烟度计测量发动机排气的滤纸烟度(FSN)，然后依据AVL 提供的经验公式将FSN 转化为PM 排放(g/(kW·h))．具体的计算公式为

式中：q m,d 、q m,m和qm,aw分别为柴油、甲醇和空气的质量流量，kg/h；eP 为发动机的有效功率，kW．

具体的台架试验系统如图1 所示．以往试验表明发动机在柴油/甲醇双燃料模式下时会出现HC 和CO 排放大幅升高的现象[21-22]，因此本研究是在发动机排气管上加装一个双DOC(两个DOC 串联在一起)后处理器的情况下进行．

图1 台架试验系统Fig.1 Bench test system

1.2 试验方法

试验工况点是按照《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)》中规定的船舶发动机推进特性4 个循环工况点进行选择的．图2为本试验发动机按推进特性稳定运行时的工况曲线，由于船舶较少采用满负荷航行，因此本研究未将100%额定功率点作为重点试验工况，仅在25%、50%和75%额定功率点下增加了预喷策略，探究其对柴油/甲醇双燃料船舶发动机两种燃料模式时性能、燃烧和排放的影响．3 个工况点具体的柴油喷射参数和各工况点所增加的柴油预喷参数如表2 所示，双燃料模式下的甲醇喷射策略是进气总管连续喷射．试验时测功机使用“扭矩-转速”模式(即固定发动机的转速和扭矩)，且发动机先采用纯柴油模式达到目标工况．当甲醇参与燃烧后，测功器会主动通过减少油门踏板开度的方式来降低柴油的循环喷射量，从而控制发动机的扭矩和转速稳定在目标值，进而实现甲醇替换柴油的目的．因此各试验工况点下发动机在纯柴油模式和双燃料模式时的转速与扭矩相同，均按表2 所示的工况点进行．试验过程中发动机低温冷却水泵一直循环，高温冷却水由电磁比例阀调节控制其温度在80 ℃左右，燃油温度保持在30 ℃左右．试验用柴油为含硫量小于10×10-6市售国Ⅴ柴油，试验用纯度为99.9%的工业甲醇．

图2 发动机推进特性运行曲线Fig.2 Operating curve of engine propulsion characteristics

表2 试验工况点参数Tab.2 Parameters of test operating cases

为衡量发动机在双燃料模式时甲醇对功率的贡献率，用甲醇替代率表示，其计算公式为

式中：MR为甲醇替代率，%；MD为纯柴油模式下的柴油消耗率，kg/h；Md为同一工况双燃料模式下的柴油消耗率，kg/h．

2 结果与分析

2.1 预喷对发动机甲醇替代率的影响

试验时采用AVL 612 IndiSmart 燃烧分析仪实时监控发动机1#～4#缸的燃烧情况，当发动机出现爆压超限(15 MPa)、压升率超限(1.2 MPa/°CA)或某一循环单缸失火的现象时，表明此时甲醇喷入量已超过该工况点所允许的最大甲醇喷入量，发动机不能安全稳定运行．本文中的甲醇替代率是在发动机能够安全稳定运行(没有出现爆压超限、压升率超限和单缸失火现象)时的最大甲醇替代率．图3 所示为各工况点下发动机双燃料模式在有预喷和无预喷时的甲醇替代率．由图3 可知，增加预喷策略后，发动机双燃料模式在25%、50%和75%额定功率点下的甲醇替代率均有较大的提高，增幅分别为68.7%、31.7%和38.8%．这是由于增加预喷策略改善了发动机的燃烧状况．以往小型车用柴油/甲醇双燃料发动机试验结果表明甲醇替代率的提高受到发动机失火、部分燃烧和爆压过高3 方面的限制[23]．本试验船舶发动机在25%、50%和75%额定功率点时甲醇替代率的提升均是受到发动机失火的限制．其原因在于该试验发动机采用甲醇进气总管喷射的方式，在大甲醇替代率时由于存在部分甲醇未完全汽化，从而使各缸甲醇进入量不完全相同．甲醇进入量多的缸会使缸内温度降低较多，滞燃期过长，会优先发生柴油不能被压燃的现象，造成单缸失火，从而限制了甲醇替代率的提高．相比于无预喷时，发动机在有预喷的情况下，预喷的燃油提前放热可以使缸内压力与温度升高，从而使滞燃期缩短，缓解了双燃料模式下单缸甲醇进入量过多时所造成的滞燃期过长的问题，进而缓解了发动机发生单缸失火的现象，使燃烧稳定性增加，从而大幅提高了甲醇替代率．以下文中数据分析的发动机双燃料模式均是在此甲醇替代率下进行的．

图3 双燃料模式有无预喷策略时的甲醇替代率Fig.3 Methanol substitution rate in dual fuel mode with and without application of the pilot injection strategy

图4 有无预喷策略时的缸压和放热率曲线Fig.4 Curves of in-cylinder pressure and heat release rates with and without application of the pilot injection strategy

2.2 预喷对发动机燃烧特性的影响

图4 为发动机3 个工况点下不同燃料模式有无预喷时的缸压和放热率曲线，图5 为压升率和缸内平均温度曲线，图6(a)、(b)分别为不同燃料模式有无预喷策略时的CA05 和CA50．CA05 是燃料放热量达到累积放热量5%时的曲轴转角，一般代表着燃烧开始时刻；CA50 是燃料放热量达到累积放热量50%时的曲轴转角，一般代表着燃烧中点[24]．

由图4 放热率曲线和图6(a)可知，各工况点下，无论是纯柴油模式还是双燃料模式，发动机在增加预喷策略后的着火时刻均提前，且在双燃料模式下提前较多；另外，增加预喷策略后发动机在纯柴油模式下的放热率峰值降低不明显，但在双燃料模式时降低较多．造成上述现象的原因在于预喷柴油的提前放热使得缸内温度与压力较高(从缸压曲线和缸内平均温度曲线可以看出)，从而使得滞燃期较无预喷时短，且在双燃料模式时滞燃期缩短更多．发动机双燃料模式下滞燃期缩短更多的原因在于双燃料模式下参与预喷燃油放热的不仅为柴油，还有缸内的预混甲醇，参与放热的燃料量越多，缸内温度升高也越多，从而使滞燃期缩短更多，预混燃烧比例降低更多，放热率峰值大幅降低．

另外从放热率曲线和图6(a)还可知，无预喷时，发动机在各功率点双燃料模式下的着火时刻均晚于纯柴油模式，而在有预喷的情况下，双燃料模式下的着火时刻却早于纯柴油模式，且随着功率点的增加，着火时刻提前越多．这是由于在无预喷时甲醇的汽化吸热降低了缸内温度，且甲醇对柴油低温放热有抑制作用[25-26]，从而延长了滞燃期，而在有预喷时，预喷燃油的放热缩短了着火滞燃期，且功率点越高时甲醇当量比越高，预喷阶段放热量更多，从而使得滞燃期缩短更多．

对比不同工况点下预喷燃油后的放热率曲线可知，功率点越高，双燃料模式预喷燃油放热时刻越晚于纯柴油模式，且双燃料模式预喷燃油放热后的放热率曲线逐渐抬升．这是由于功率点较高时甲醇当量比较高，甲醇对柴油着火的抑制作用越明显，且功率点越高，缸内温度越高，预喷燃油的放热逐渐引燃了周围较浓的甲醇空气混合气．

从缸压曲线和缸内平均温度曲线可以看出，发动机有预喷时的压缩终点压力和温度均高于无预喷时的压缩终点压力和温度，且双燃料模式时温度高出更多，这是由预喷燃油放热所致，且在双燃料模式下放热量更多．从缸压曲线和缸内平均温度曲线还可以看出，双燃料模式下压缩行程前期的缸内压力与温度均低于纯柴油模式，且在有预喷时低得较多，这是由于甲醇的汽化吸热造成的，且在有预喷时甲醇替代率更高，缸内压力、温度降低得更多．由压升率曲线可知，两种燃料模式下，发动机在无预喷时的压升率均高于有预喷时的情况，且在双燃料模式下高出更多．这是由于预喷燃油的放热使滞燃期缩短，预混燃烧比例降低，且在双燃料模式下降低更多所致．

从图6(b)可知，增加预喷策略后，各功率点下发动机在纯柴油模式时的CA50 变化无明显规律，而在双燃料模式时的CA50 均提前，且随着功率点的增加CA50 提前越多．这是由于随着功率点的增加，有预喷时的燃烧开始时刻较无预喷时提前越多，且功率点越高时缸内温度越高，甲醇当量比越高，甲醇燃烧速度更快，从而使得燃烧中点对应的曲轴转角越提前.CA50 越接近上止点，主放热时刻越接近上止点，热效率越高．如图7 所示，双燃料模式有预喷时的发动机热效率(BTE)都较无预喷时高，且功率点越高，热效率提高越多．

图5 有无预喷策略时的压升率和缸内平均温度曲线Fig.5 Curves of pressure rise rate and in-cylinder mean temperature with and without application of the pilot injection strategy

图6 不同燃料模式有无预喷策略时的CA05、CA50Fig.6 CA05 and CA50 in different fuel modes with and without application of the pilot injection strategy

图7 不同燃料模式有无预喷策略时的BTEFig.7 BTE in different fuel modes with and without application of the pilot injection strategy

2.3 预喷对发动机排放特性的影响

由于试验时在发动机排气总管上安装了双DOC后处理器，CO 和HC 排放量极低，故本文仅对发动机两种燃料模式下有无预喷时的NOx和PM 排放特性进行了对比分析．

2.3.1 预喷对NOx排放的影响

图8 为各工况点下不同燃料模式有无预喷时的NOx排放量．从图中可以看出，无预喷策略时，发动机在3 个工况点下从纯柴油模式转至双燃料模式后NOx排放量均大幅增加，最大增幅为48.7%；而在有预喷时，发动机从纯柴油模式转至双燃料模式时NOx排放均是降低的．其原因在于无预喷时，发动机从纯柴油模式转换至双燃料模式后由于滞燃期的增加，造成预混燃烧比例增加，最高放热率大幅增加(如图4放热率曲线所示)，从而造成短时间内缸内温度迅速升高，氮气中的氮氮健迅速断裂，并与氧结合，从而生成大量的NOx；虽然双燃料模式时的燃烧持续期较短，但相比于温度的升高，其对降低NOx生成的作用不明显，最终造成发动机NOx排放的增加．而在有预喷的情况下，由于发动机预混燃烧比例较低，放热率峰值与纯柴油模式相差不大，从而造成最高燃烧温度相差不大，但加上双燃料模式时燃烧持续期较短和进气量较少(进气量的减少是由于双燃料模式下发动机的排气温度降低进而使涡轮增压器增压比降低造成的，如图9 所示)，从而造成NOx排放的降低．

图8 不同燃料模式有无预喷策略时的NOx 排放Fig.8 NOx emissions in different fuel modes with and without application of the pilot injection strategy

图9 不同燃料模式有无预喷策略时的排气温度Fig.9 Exhaust temperatures in different fuel modes with and without application of the pilot injection strategy

从图8 中还可以看出，在纯柴油模式下，增加预喷策略后NOx排放在各个工况点下变化不大且规律不明显；但相比之下，在双燃料模式下，增加预喷策略后，NOx排放在各个工况点均大幅降低，3 个工况点分别降低24.97%、37.98%和40.02%．由此表明船舶DMCC 发动机在双燃料模式时增加预喷策略能够大幅降低NOx排放．

2.3.2 预喷对PM 排放的影响

图10 为各工况点下不同燃料模式有无预喷时的PM 排放．从图中可以看出，无论是纯柴油模式还是双燃料模式，采用预喷策略后PM 排放均升高，这是因为预喷的燃油提前消耗了缸内的氧气，使缸内柴油局部过浓区域增加，且滞燃期的缩短使得扩散燃烧比例增加，从而增加了碳烟的生成．另外，从图中还可

以看出，无论是在有预喷还是无预喷的情况下，发动机采用柴油/甲醇双燃料模式时都较纯柴油模式时的PM 排放有大幅降低，最多时降低87.1%．这是由于多方面的原因造成的；首先，甲醇不含碳碳键，燃烧时不产生碳烟，且甲醇参与燃烧后替换掉了部分柴油，使柴油喷射量减少，缸内柴油局部过浓区域减少，再加上甲醇中含氧，进一步减少了碳烟的生成[27]；其次，甲醇属于小分子HC 燃料，其参与燃烧后会大幅降低碳烟前驱体的生成，且甲醇在燃烧过程中产生的大量·OH 基团对生成的碳烟有较强的氧化作用[28]；另外，甲醇参与燃烧后使着火滞燃期延长，柴油预混燃烧比例增加，扩散燃烧比例降低，最终大幅减少了碳烟的生成[29]．

虽然发动机在两种燃料模式下增加预喷策略后PM 排放均有所增加，但是在双燃料模式有预喷的情况下，PM 排放仍低于纯柴油无预喷的情况，最多时降低29.0%，这得益于甲醇参与燃烧后所导致的PM排放降低的作用大于采用预喷策略后所导致的PM排放增加的作用．

图10 不同燃料模式有无预喷策略时的PM排放Fig.10 PM emissions in different fuel modes with and without pilot application of the injection strategy

2.4 预喷对发动机当量比油耗的影响

为比较发动机同一工况不同燃料模式下的当量比油耗，采用的计算公式为

式中：BSFC 为当量比油耗，g/(kW·h)；HL,D和HL,M分别是柴油和甲醇的低质量热值，kJ/kg．

由式(3)计算出的各工况点下不同燃料模式有无预喷时的当量比油耗如图11 所示．从图中可以看出，发动机在双燃料模式各工况点下有预喷时的BSFC 都比无预喷时的低，且功率点越大，BSFC 降低得越多，在75%额定功率点时降低了13.7 g/(kW·h).而有无预喷对纯柴油模式时的BSFC 影响规律不明显．这是由于采用预喷策略后发动机双燃料模式时的CA50 均较无预喷时提前，且功率点越高时CA50提前越多，从而使燃烧定容度提升，发动机热效率提高，BSFC 降低．另外，从图中还可以看出，在有预喷的情况下，发动机各工况点在双燃料模式时的BSFC均低于在纯柴油模式下的情况，最多时低17.27 g/(kW·h). 这也是由于双燃料模式下的CA50较纯柴油模式提前，燃烧定容度提升，发动机热效率提高．由此表明，DMCC 船舶发动机在双燃料模式时增加预喷策略能够降低有效燃油消耗率．