姚春德， 王輝， 姚安仁， 蔡曉霞， 王斌， 陳超， 劉明寬， 李壯壯， 吳建

(1.天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072； 2.廣西玉柴機(jī)器股份公司 船電動力事業(yè)部，廣西 玉林 537000)

船舶是全世界重要的交通運(yùn)輸工具，目前我國的通航里程超過了12.7萬公里，2017年末全國擁有水上運(yùn)輸船舶14.49萬艘和59.93萬艘的機(jī)動漁船[1]。柴油機(jī)因動力性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好，熱效率高，穩(wěn)定性高等原因成為了船舶的主要動力[2]。但是隨著我國石油對外依賴度的日漸升高和船舶排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格[3]，高排放的傳統(tǒng)柴油機(jī)越來越難滿足未來船舶對動力系統(tǒng)的要求，因此尋找清潔可再生的替代能源已成為現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)[4-5]。

目前國內(nèi)外將船舶替代燃料的更多焦點(diǎn)聚焦在天然氣和生物柴油上[6-7]，雖然天然氣和生物柴油能夠減少船舶發(fā)動機(jī)有害污染物排放[8-9]，在我國 “少氣”的能源結(jié)構(gòu)[10]和生物資源不足的國情面前，其發(fā)展前景還是令人擔(dān)憂。甲醇作為一種結(jié)構(gòu)簡單的高含氧燃料，其燃燒清潔無污染；另外甲醇來源廣泛，煤炭、天然氣、生物質(zhì)等均可制得[11]，并且CO2加氫制取的方法取得了長足的進(jìn)步[12-13]；再加上我國甲醇產(chǎn)能居全球首位，因此甲醇作為船舶發(fā)動機(jī)的替代燃料有著較大的潛力。

由天津大學(xué)以車用柴油機(jī)為基礎(chǔ)研發(fā)的柴油/甲醇組合燃燒(DMCC)技術(shù)，利用甲醇的高氣化潛熱、高含氧量、燃燒速度快等特性實(shí)現(xiàn)了同時大幅降低NOx和PM排放的目的[14-15]。但目前較少見到船舶發(fā)動機(jī)應(yīng)用DMCC技術(shù)的研究報道，因此為了使船舶發(fā)動機(jī)能夠更好地應(yīng)對能源危機(jī)和環(huán)境壓力，本研究在一臺高速船用柴油機(jī)上應(yīng)用了DMCC技術(shù)，探究了其燃燒與排放特性。

1 試驗(yàn)設(shè)備與步驟

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)是在一臺直列六缸四沖程增壓中冷的船舶發(fā)動機(jī)上進(jìn)行的，技術(shù)參數(shù)見表1。該款發(fā)動機(jī)采用了高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)。該款發(fā)動機(jī)主要安裝于內(nèi)河船、沿海船、江海直達(dá)船、海峽[渡]船和漁船等船型上。發(fā)動機(jī)主要性能參數(shù)見表1。

試驗(yàn)前先將本船舶柴油機(jī)進(jìn)行DMCC模式的改裝。在柴油機(jī)的進(jìn)氣總管上安裝了3個甲醇噴嘴，由一個甲醇泵為其提供壓力為0.45 MPa的甲醇。甲醇的噴射量和噴射時間由自主開發(fā)的甲醇電控單元 (ECU)進(jìn)行控制，增加的甲醇供給與噴射系統(tǒng)與原機(jī)的燃油供給系統(tǒng)完全獨(dú)立。試驗(yàn)用柴油為含硫量小于10 ppm的市售國Ⅵ柴油，甲醇為純度99.9%的工業(yè)甲醇，兩者的主要性能對比如下表2所示。為防止甲醇所具有的腐蝕性，試驗(yàn)中用到的各涉醇部件均采用耐醇設(shè)計。試驗(yàn)中用INCA 7.0監(jiān)控發(fā)動機(jī)柴油的實(shí)時噴射參數(shù)，用2臺相同的油/醇耗儀分別測量柴油和甲醇質(zhì)量流量。Kistler 6125CU20壓力傳感器結(jié)合AVL 612 IndiSmart燃燒分析儀能夠監(jiān)控缸內(nèi)燃燒情況；ToCeiL20N150進(jìn)氣質(zhì)量流量計用來測量發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣流量； AVL415濾紙?jiān)嚐煻扔嬘脕頊y量PM排放，Horiba MEAX 7100DEGR和Horiba MEAX 6000FT分別用來測量發(fā)動機(jī)常規(guī)和非常規(guī)氣體排放。具體的臺架試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 臺架試驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｊ胶筒襟E

本試驗(yàn)是在不改變原發(fā)動機(jī)柴油標(biāo)定MAP的條件下進(jìn)行的。試驗(yàn)時，測功機(jī)使用“扭矩-轉(zhuǎn)速”模式，發(fā)動機(jī)先采用純柴油模式達(dá)到目標(biāo)工況點(diǎn)，進(jìn)行純柴油模式試驗(yàn)(無DOC)，測量發(fā)動機(jī)的燃燒與排放的情況。然后通過甲醇ECU將甲醇噴入到發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣總管中，進(jìn)行雙燃料模式實(shí)驗(yàn)。由于甲醇參與燃燒，測功機(jī)為控制發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩不變會主動通過減少油門踏板開度的方式來降低柴油的循環(huán)噴射量，從而達(dá)到了甲醇替代柴油的目的。通過燃燒分析儀觀察缸內(nèi)的燃燒情況，控制發(fā)動機(jī)的缸壓、壓力升高率和各缸循環(huán)變動情況在規(guī)定的安全范圍內(nèi)，逐步增加甲醇的噴射量，直至發(fā)動機(jī)達(dá)到最大甲醇替代率。試驗(yàn)過程中發(fā)動機(jī)低溫冷卻水泵一直循環(huán)，高溫冷卻水由電磁比例閥調(diào)節(jié)控制其溫度在78 ℃附近，燃油溫度保持在30 ℃附近。

試驗(yàn)工況點(diǎn)是按照《船舶發(fā)動機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法(中國第一、二階段)》中規(guī)定的船舶發(fā)動機(jī)推進(jìn)特性4個循環(huán)工況點(diǎn)進(jìn)行選擇的，具體參數(shù)如下表3所示。

表3 試驗(yàn)工況點(diǎn)

將發(fā)動機(jī)改裝為雙燃料發(fā)動機(jī)后，甲醇對發(fā)動機(jī)功率的貢獻(xiàn)量用甲醇替代率RM表示，替代1 kg柴油所需消耗的甲醇量用替換比UM表示。替代率和替換比的計算方法為：

(1)

(2)

式中：RM為甲醇替代率；UM為替換比；MD為純柴油模式下的柴油消耗量，kg/h；Md、MM分別為同一工況雙燃料模式下的柴油消耗量和甲醇消耗量，kg/h。

2 燃燒情況分析

2.1 100%功率點(diǎn)燃燒分析

圖2為純柴油模式和雙燃料模式下100%功率點(diǎn)缸壓、放熱率、壓升率和缸內(nèi)平均溫度對比曲線。由缸壓曲線可知，雙燃料模式下壓縮沖程的缸內(nèi)壓力明顯低于純柴油模式。在試驗(yàn)中對發(fā)動機(jī)的標(biāo)定數(shù)據(jù)沒有進(jìn)行更改，隨著甲醇的加入使得柴油的噴油時刻提前，純柴油模式時噴油時刻為-5.6°CA ATDC，而雙燃料模式時噴油時刻為-7.9°CA ATDC，噴油時刻的前移使得燃燒相位前移；同時，雙燃料模式下燃燒一半燃料放熱對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角(CA50)較純柴油模式下提前了4.5°CA，而且雙燃料模式峰值放熱率明顯高于純柴油模式，燃燒更加集中且更靠近上止點(diǎn)。

圖2 100%功率點(diǎn)下發(fā)動機(jī)的缸壓、放熱率、壓升率和缸內(nèi)平均溫度曲線

從圖2中還可以看出，雙燃料模式下，最大缸壓明顯高于純柴油模式，最大壓力升高率也高于純柴油模式，這是由于放熱率峰值明顯高于純柴油模式，且更接近上止點(diǎn)，明顯提升了燃燒的等容度。此外，主燃燒期內(nèi)，雙燃料模式的缸內(nèi)平均溫度明顯高于純柴油模式，這是由于雙燃料模式下放熱速率明顯增加，累積放熱量增加。

2.2 50%功率點(diǎn)燃燒分析

圖3為純柴油模式和雙燃料模式下50%功率點(diǎn)缸壓、放熱率、壓升率和缸內(nèi)平均溫度對比曲線圖。與上面工況點(diǎn)相同，雙燃料模式下壓縮階段的缸內(nèi)壓力明顯低于純柴油模式，而最大缸壓明顯高于純柴油模式。不同的是，雙燃料模式的著火時刻較純柴油模式大幅提前，這是由于柴油ECU標(biāo)定MAP在油量較小工況時的噴油時刻較早，同時增加了預(yù)噴策略，而在大油量工況噴油時刻較晚，沒有采用預(yù)噴策略。該工況下，甲醇的替代率達(dá)到了55%，純柴油模式時，發(fā)動機(jī)運(yùn)行在大油量區(qū)間，當(dāng)甲醇噴入后，柴油的循環(huán)油量下降，發(fā)動機(jī)工作在小油量區(qū)間，這時噴油時刻提前，同時還有預(yù)噴策略，因此使得該工況下的著火時刻大幅提前。

從圖3中還可以看出，雙燃料模式下最大壓力升高率超過了0.4 MPa/(°)，最大壓力升高率所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也較純柴油模式大幅提前。雙燃料模式下的缸內(nèi)平均溫度也明顯高于純柴油模式。

圖3 50%功率點(diǎn)下發(fā)動機(jī)的缸壓、放熱率、壓升率和缸內(nèi)平均溫度曲線

3 排放分析

3.1 CO排放分析

圖 4為發(fā)動機(jī)4個工況點(diǎn)不同模式下的CO比排放。由圖可知，純柴油模式下4個工況點(diǎn)的CO排放量均較低，其加權(quán)CO排放量為0.69 g/(kW·h)。雙燃料模式無DOC的模式下，CO排放量在不同功率點(diǎn)時都較高，其中75%功率點(diǎn)時達(dá)到了11.57 g/(kW·h)。其原因有2點(diǎn)：1)由于甲醇噴入時較高的汽化潛熱使缸內(nèi)溫度降低，使缸內(nèi)淬熄層的厚度增加，甲醇的火焰?zhèn)鞑ズ茈y到達(dá)這個區(qū)域；2)雙燃料模式下的滯燃期延長[16-17]，主燃燒相位提前，燃燒后期缸內(nèi)溫度將低，導(dǎo)致不完全燃燒和較高的CO排放[18-19]。在全負(fù)荷工況下CO排放較低，這是由于缸內(nèi)溫度較高，有利于CO的后期氧化。雙燃料模式有DOC的條件下，CO排放量極低，4個工況點(diǎn)的加權(quán)CO排放量為0.02 g/(kW·h)，而無DOC的條件下4個工況點(diǎn)的加權(quán)CO排放量為9.02 g/(kW·h)，DOC的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了99.77%。

圖4 不同模式下發(fā)動機(jī)的當(dāng)量CO比排放

3.2 HC排放分析

圖5為發(fā)動機(jī)4個工況點(diǎn)不同模式下的當(dāng)量HC比排放。由圖5可知，雙燃料模式無DOC的情況下HC排放量遠(yuǎn)高于純柴油模式，同時隨著功率的增加， HC的排放量逐漸減少。造成此現(xiàn)象的原因有以下幾點(diǎn)[18-19]：1)掃氣的影響，雙燃料模式下進(jìn)入氣缸的新鮮充量是空氣與甲醇的預(yù)混氣，在掃氣過程中少量未燃混合氣直接從排氣門排出缸外；2)雙燃料模式下甲醇與空氣混合后進(jìn)入氣缸，在整個進(jìn)氣和壓縮沖程中甲醇停留缸內(nèi)時間長，存在的壁面冷激效應(yīng)和狹隙效應(yīng)等都會增加HC排放；3)柴油機(jī)氣缸周圍的過量空氣系數(shù)較大，使得甲醇以未然HC的形式排出，小負(fù)荷時尤甚。

圖5 不同模式下發(fā)動機(jī)的當(dāng)量HC比排放

從圖中還可以看出，純柴油模式下HC排放量較低，4個工況點(diǎn)加權(quán)的HC排放量為0.1 g/(kW·h)；雙燃料模式有DOC的情況下4個工況點(diǎn)的HC排放量均為0 g/(kW·h)，而無DOC時4個工況點(diǎn)加權(quán)的HC排放量為2.79 g/(kW·h)，DOC的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了100%。

3.3 NOx排放分析

圖 6和圖 7為發(fā)動機(jī)4個工況不同模式下的NOx排放量和當(dāng)量NOx比排放對比圖。從圖中可以看出，雙燃料模式DOC之后的NOx排放量要高于純柴油模式，但是在除50%功率點(diǎn)外，雙燃料無DOC之后的當(dāng)量NOx比排放低于純柴油模式，其主要原因可能在于：雙燃料模式下燃燒相位早于純柴油模式，后燃比例降低，排氣溫度降低，這使得雙燃料模式時的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量要低于純柴油模式，從而導(dǎo)致了排氣流量的減少，進(jìn)而導(dǎo)致了比排放的降低。雙燃料模式主燃燒期時的燃燒持續(xù)期明顯縮短，從而限制了NOx排放生成。50%功率點(diǎn)時由于雙燃料模式時的主放熱時刻更接近上止點(diǎn)，缸內(nèi)溫度升高較多，因此NOx排放量有所增加。

圖6 不同模式下發(fā)動機(jī)的NOx排放量對比

圖7 不同模式下發(fā)動機(jī)的當(dāng)量NOx比排放

3.4 PM排放分析

圖8為發(fā)動機(jī)4個工況點(diǎn)不同模式下的當(dāng)量PM比排放。前人研究表明，柴油甲醇組合燃燒方式會大幅降低煙度排放[20-21]，其主要原因首先為甲醇含氧，燃燒時清潔無污染，甲醇的加入替代了部分柴油，使參與燃燒的柴油量減少；另外甲醇對柴油的抑制作用使滯燃期延長，預(yù)混燃燒比例增加，擴(kuò)散燃燒比例減少，從而使PM排放降低。本試驗(yàn)中，由圖8可知，50%功率點(diǎn)時PM排放較純柴油模式有較大降幅，其余3個工況點(diǎn)雙燃料模式和純柴油模式的PM排放相差不大，甚至在加裝DOC的條件下還有增加的現(xiàn)象。其原因主要為本試驗(yàn)未改變原機(jī)ECU參數(shù)，原柴油標(biāo)定MAP在中小油量區(qū)間的噴油壓力要低于大油量區(qū)間的噴油壓力，雙燃料模式時甲醇的加入減少了部分柴油，因此降低了此時柴油噴油壓力，使柴油霧化不良增加了PM排放。對于50%功率點(diǎn)而言，該工況點(diǎn)的替代率達(dá)到了55%，使噴進(jìn)的柴油量大幅減少，從而降低了PM排放。雙燃料模式下，在增加DOC的情況下PM排放略有增加的原因一方面可能是由于DOC的使用增加了排氣背壓，而導(dǎo)致PM的生成。

圖8 不同模式下發(fā)動機(jī)的當(dāng)量PM比排放

3.5 甲醛排放分析

前人研究表明，采用柴油/甲醇組合燃燒方式會使柴油機(jī)增加甲醛的排放，其主要原因?yàn)榧状嫉牟煌耆趸磻?yīng)生成了甲醛[22]。圖 9為船舶發(fā)動機(jī)4個工況點(diǎn)不同模式下的當(dāng)量甲醛比排放。由圖9可知，船舶發(fā)動機(jī)在采用柴油/甲醇雙燃料燃燒后的甲醛排放量也會升高，4個工況點(diǎn)加權(quán)排放量為2.04 g/(kW·h)。但經(jīng)過DOC后處理器后的甲醛排放大幅降低，4個工況點(diǎn)加權(quán)排放量為0.016 g/(kW·h)，DOC后處理器對甲醛的氧化效率達(dá)到了99.2%。

圖9 不同燃料模式下的當(dāng)量甲醛比排放

3.6 加權(quán)排放分析

表4為發(fā)動機(jī)推進(jìn)特性4個工況點(diǎn)的加權(quán)比排放。由表可知，雙燃料模式無DOC的情況下HC、CO和甲醛排放較高，但在有DOC的情況下HC排放為0，CO排放僅為國Ⅰ排放限制的0.4%，甲醛排放低于純柴油模式?？傊?，在不改動原機(jī)ECU數(shù)據(jù)的前提下，雙燃料模式可以滿足國 Ⅰ 排放標(biāo)準(zhǔn)。

表4 推進(jìn)特性4個工況加權(quán)比排放

4 油耗特性分析

4.1 替代率和替換比分析

圖 10為滿足國Ⅰ排放限值的柴油甲醇雙燃料發(fā)動機(jī)在推進(jìn)特性4個工況點(diǎn)下的替代率和替換比。由圖可知，4個工況點(diǎn)中50%和25%功率點(diǎn)的替代率超過了50%，其中50%功率點(diǎn)的替代率達(dá)到了55.21%，25%功率點(diǎn)的替代率為50%，100%功率點(diǎn)由于最大缸壓的限制而限制了替代率。4個工況點(diǎn)的替換比都低于理論替換比2.16(理論替換比是依據(jù)甲醇熱值與柴油熱值計算，2.16 kg甲醇的熱值等于1 kg柴油的熱值)，且在100%功率點(diǎn)時替換比最低，僅為1.58。由此表明船舶發(fā)動機(jī)采用柴油甲醇組合燃燒模式能夠提高發(fā)動機(jī)的熱效率。

圖10 4個工況點(diǎn)甲醇替代率和替換比

4.2 當(dāng)量比油耗分析

為比較不同燃料模式下發(fā)動機(jī)的當(dāng)量比油耗(BSFC)，采用以下公式計算其當(dāng)量比油耗：

(3)

式中：HLD和HLM分別是柴油和甲醇的低質(zhì)量熱值，kJ/kg；MD和MM分別是柴油和甲醇的消耗量，kg/h；Pe為發(fā)動機(jī)的有效功率，kW。

圖 11為推進(jìn)特性4個循環(huán)不同模式下BSFC對比圖。由圖11可知，純柴油模式的BSFC均高于210 g/(kW·h)，而DMCC模式無DOC的BSFC均低于210 g/(kW·h)，其中50%功率點(diǎn)的BSFC僅為191.63 g/(kW·h)，較純柴油模式降低了11.97%。

純柴油模式4個工況點(diǎn)的加權(quán)BSFC為215.2 g/(kW·h)，雙燃料模式無DOC的加權(quán)BSFC為203.44 g/(kW·h)，雙燃料模式有DOC的加權(quán)BSFC為204.79 g/(kW·h)。整體而言，各工況點(diǎn)雙燃料模式的BSFC都低于純柴油模式。

圖11 推進(jìn)特性4個循環(huán)不同模式下BSFC對比

5 結(jié)論

1)雙燃料模式時的燃燒相位都較純柴油模式時有所提前，主放熱時刻更接近上止點(diǎn)，最大缸壓、放熱率峰值和最高壓升率都較純柴油模式時高。

2)雙燃料模式無DOC時的CO、HC和甲醛排放較高，但在加裝DOC 之后幾乎可以將其完全消除。

3)在不改動原機(jī)柴油ECU標(biāo)定數(shù)據(jù)的條件下，發(fā)動機(jī)雙燃料模式加DOC時可以滿足國Ⅰ排放標(biāo)準(zhǔn)。大部分加權(quán)排放指標(biāo)都低于純柴油模式，PM與純柴油模式時相當(dāng)。

4)除100%功率點(diǎn)外，其余工況點(diǎn)下的甲醇替代率均高于40%。4個工況點(diǎn)的替換比均低于理論替換比。發(fā)動機(jī)雙燃料模式時的油耗特性優(yōu)于純柴油模式，其中50%功率點(diǎn)無DOC時比油耗較純柴油降低了11.97%。