微喷引燃油量对双燃料发动机燃烧的影响

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NO x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。

1ACD320DF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。

参数数值
发动机型式
标定转速/（rpm）
气缸数
缸径/mm
活塞行程/mm
BMEP
单缸标定功率/kW
燃气模式最高燃油替代率
燃气模式排放
引燃油系统喷孔直径/mm
引燃油系统喷孔数量
四冲程增压
750
6
320
420
19.2
405
≥99.5%
TierIII
0.18
4
表1ACD320DF发动机技术参数
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。

图1燃料供给系统示意图
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。

微喷引燃油量对双燃料发动机燃烧的影响
黄禄丰①;梅加化①②;朱树林①②
（①中船动力研究院有限公司研究开发部，上海200120；②安庆中船柴油机有限公司技术中心，安庆246003）摘要:以ACD320DF发动机为研究对象，将发动机的NO x排放限制在同一水平，进行了引燃油量调整实验，在同等NO x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；NO x排放；替代率；热效率
图2
试验装置组成示意图
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，NO x 、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NO x 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NO x （C1和C2法规同时限制NO x 和HC ），因此本文在试验时将NO x 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。

负荷百分比转速/（r ·min -1）
负荷/kW 引燃量mm 3/inj
25%50%75%100%
473
595681750
607121518222430
60575550
表2负荷点列表
引燃油量的消耗与循环喷射量的换算如表3。

每循环引燃量mm 3
20
30
40
50
60
25%50%75%100%
2.371.491.140.94
3.562.241.711.41
4.742.982.271.88
5.933.732.842.357.114.473.412.82表3引燃油量列表
g/（kW ·h ）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，NO x 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，NO x 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，NO x 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，NO x 排放控制在
260ppm 左右，试验结果如图6所示。

从图可知，25%、50%负荷时，当每循环引燃油量超过40mm 3
（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30mm 3
（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40mm 3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50mm 3
（比例约1.2-1.5%），燃气消耗明显增加，IMEP 循环波动明显
图325%负荷时不同引燃油量对比
图450%负荷时不同引燃油量对比
图575%负荷时不同引燃油量对比
图
9引燃油量60时的缸压和爆震曲线
图6100%负荷时不同引燃油量对比
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20mm 3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。

图7
引燃油量20时的缸压和爆震曲线
图8引燃油量40时的缸压和爆震曲线
0引言
燃料在发动机气缸内燃烧后，其能量只有约1/3对外输出做功[1]，其余部分则损耗在散热、克服摩擦、泵气、驱动附件等方面，其中包括驱动发动机机油泵工作。

为节省这部分的能量消耗，越来越多的发动机使用了叶片式可变排量机油泵（简称变量泵）。

变量泵与发动机的匹配原则是“按需供给、减少浪费”。

因此，变量泵应根据发动机各零部件的用油需求以及发动机常用的转速区间、合理设置变排压力，以便尽可能的挖掘泵的节能潜力。

1二级变量泵的匹配方案
如图1，以某直列四缸发动机为例，其匹配了二级变量泵，在油温120℃时，各主要零部件的用油需求如下：①为液压挺柱（HLA）的需求，最苛刻点在怠速工况，要求主油道压力≥60kPa；
②为可变气门正时（VVT）的需求，最苛刻点同样在怠速工况，要求主油道压力≥100kPa；
③为曲轴颈在额定转速时的需求，根据台架耐久试验的统计数据，对该机型300kPa是比较安全的；
④为曲轴轴颈在各转速下的用油需求曲线。

因轴颈工作比较复杂，长期以来该需求一直比较模糊。

现以解决实际工程问题为目标，对该曲线进行了推导。

曲轴旋转时，润滑油不断从轴颈间隙处向外泄漏。

同时，润滑油道不断将新的润滑油补充至轴颈中。

二者平衡时即形成了轴颈对润滑油需求的总流量Q，如图2。

总流量Q应大于维持轴颈油膜所需要的流量Q t。

Q t 双包含端泄流量Q c与轴向流量Q p两部分[2]。

Qc是承载油膜起始点和终止点的流量差引起的；Q p则是压力供油时
3结论
在同等NO x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NO x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NO x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NO x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NO x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。

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可变排量机油泵与发动机的匹配方案优化
Optimization of Matching Scheme Between Variable Displacement Oil Pump and Engine
姜维JIANG Wei
（奇瑞汽车股份有限公司，芜湖241009）
（Chery Automobile Co.，Ltd，Wuhu241009，China）
摘要:为最大程度的挖掘可变排量机油泵的节能潜力，本文通过理论推导并结合台架试验数据得出了曲轴轴颈随转速的需求曲线，并以此为依据，对二级变量泵的匹配策略进行了调整，使之在中低转速区间的节能效果得到进一步提升。

并且，通过对比发现在特定使用条件下二级变量泵有着超过多级可变机油泵的性价比。

Abstract:In order to maximize the energy-saving potential of variable displacement oil pump,this paper obtains the demand curve of crankshaft journal with rotation speed through theoretical derivation and combined with bench test data.Based on this curve,the matching strategy of the two-stage variable displacement pump is adjusted to further improve the energy-saving effect in the low and medium speed range.In addition,it is found that the two-stage variable displacement pump has more cost performance than the multi-stage variable displacement pump under the specific conditions of use.
关键词:发动机；可变排量；机油泵；曲轴轴颈；匹配方案
Key words:engine；variable displacement；oil pump；crankshaft journal；matching scheme。