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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：
[1]黄超伟，聂志斌，秦炳甲，等.国内外双燃料发动机发展现状[J].内燃机与配件，2018（17）：67-70.
[2]严欢.燃油喷射参数对双燃料发动机燃烧过程影响研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2015.
[3]雷伟，甘少炜，周国强，等.船用天然气发动机技术现状及发展[J].航海工程，2014，43（6）：110-112.
[4]柴油引燃式天然气发动机最佳引燃油量及过量空气系数浓限、稀限的研究[J].内燃机学报，2002，20（6）：505-510.
[5]苏万华，林志强，汪洋，等.气口顺序喷射、稀燃、全电控柴油/天然气双燃料发动机的研究[J].内燃机学报，2001，19（2）：104-108.
[6]WANG J， HAO C， BING L， et a1. Study of cycle—by-cycle variations of a spark ignition engine fueled with natural gas--hydrogen blends[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2009，38（18）：4876-4883.
[7]段启蒙.柴油/天然气双燃料发动机的控制策略与试验研究[D].西安：长安大学，2015.
[8]KORAKIANITIS T， NAMASIVAYAM A M， CROOKES R J. Diesel and repressed methyl ester （RME） pilot fuels for hydrogen and natural gas duel-fuel combustion in compression ignition engines[J]. Fuel， 2011， 90（7）： 2384-2395.
[9]替代率對柴油引燃天然气发动机性能的影响[J].甘肃农业大学学报，2012，47（6）：151-155.
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：
[1]黄超伟，聂志斌，秦炳甲，等.国内外双燃料发动机发展现状[J].内燃机与配件，2018（17）：67-70.
[2]严欢.燃油喷射参数对双燃料发动机燃烧过程影响研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2015.
[3]雷伟，甘少炜，周国强，等.船用天然气发动机技术现状及发展[J].航海工程，2014，43（6）：110-112.
[4]柴油引燃式天然气发动机最佳引燃油量及过量空气系数浓限、稀限的研究[J].内燃机学报，2002，20（6）：505-510.
[5]苏万华，林志强，汪洋，等.气口顺序喷射、稀燃、全电控柴油/天然气双燃料发动机的研究[J].内燃机学报，2001，19（2）：104-108.
[6]WANG J， HAO C， BING L， et a1. Study of cycle—by-cycle variations of a spark ignition engine fueled with natural gas--hydrogen blends[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2009，38（18）：4876-4883.
[7]段启蒙.柴油/天然气双燃料发动机的控制策略与试验研究[D].西安：长安大学，2015.
[8]KORAKIANITIS T， NAMASIVAYAM A M， CROOKES R J. Diesel and repressed methyl ester （RME） pilot fuels for hydrogen and natural gas duel-fuel combustion in compression ignition engines[J]. Fuel， 2011， 90（7）： 2384-2395.
[9]替代率對柴油引燃天然气发动机性能的影响[J].甘肃农业大学学报，2012，47（6）：151-155.