Z6180/S油氣雙電控雙燃料發(fā)動機開發(fā)

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)脑黾樱鞍l(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混進氣方式(包括增壓器前或者后的預混)，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荷下發(fā)動機缸內(nèi)燃燒，導致在低工況(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氣替代率提高，排放污染物不易控制，無法滿足排放標準要求。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)速和負荷的精準調(diào)節(jié)、優(yōu)化缸內(nèi)燃燒、大幅提高燃氣替代率、降低污染物排放。

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氣，緩沖壓力波動，在各缸進氣歧管設(shè)置高速燃氣噴射電磁閥，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，提高燃氣供應一致性。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進行燃氣與燃油調(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 燃氣系統(tǒng)

天然氣燃料供給采用整體公共氣軌，各缸設(shè)置獨立的燃氣噴射電磁閥。進氣歧管增加天然氣噴射引射管，使燃氣能夠盡量接近進氣道噴射，氣缸蓋內(nèi)形成準內(nèi)混合式燃氣供應，避免進氣管內(nèi)留存可燃氣體。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)動機運行時對燃氣管路的振動沖擊。天然氣供給管路采用雙壁管結(jié)構(gòu)設(shè)計，泄漏的燃氣能夠通過整船排風系統(tǒng)進行抽吸并集中監(jiān)測，系統(tǒng)監(jiān)測到燃氣泄漏時自動切斷天然氣供給，滿足文獻[8]中規(guī)范要求。進氣管增加燃氣噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 進氣管增加燃氣噴射系統(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，滿足燃油與燃氣的控制需求。燃油ECU與燃氣ECU之間通過CAN通信進行數(shù)據(jù)交互。當發(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；當發(fā)動機處于雙燃料模式工況下，燃油與燃氣ECU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。燃氣ECU通過調(diào)節(jié)燃氣噴射閥噴射脈寬實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速及負荷調(diào)節(jié)。雙燃料控制系統(tǒng)采用雙電源設(shè)計，當主電源失電時，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險進行詳細評估。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)燃氣最高替代率達到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體積分數(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，所以應確定NOx排放的標定平衡點，使燃油消耗率和NOx排放均滿足有關(guān)標準的限值要求。

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

總碳氫(THC)、CO體積分數(shù)隨每缸每循環(huán)燃氣供氣質(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準要求；隨天然氣供氣質(zhì)量增加，CO與THC的體積分數(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體積分數(shù)為50×10-6，THC體積分數(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。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、燃氣雙ECU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，燃氣ECU通過控制燃氣噴射開啟與關(guān)閉時刻來實現(xiàn)發(fā)動機調(diào)速，燃油ECU與燃氣ECU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荷下具有與工況相適應的供油提前角，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準要求。