可用于满足未来行业需求的高压双燃料喷油器

【德】C.SENGHAAS M.WILLMANN I.BERGER

Woodward L′Orange公司开发了1种全新的高压双燃料喷油器。在这种技术支持下，整机厂开发出具有良好升功率和动态性能的发动机，从而满足未来废气排放法规要求。关键词：喷油器;高压喷射;双燃料

0 前言

出于多种原因，未来应用于船舶领域的燃料依然存在着较高的危险性。最近国际海事组织（IMO）根据2020年的含硫量上限，要求在2050年之前，全球船舶在航行过程中所产生的温室气体总排放量至少比2008年降低50%，该项规定对发动机领域产生了重大影响。Woodward L′Orange公司的研究人员确信其旗下的高压双燃料（HPDF）喷油器能为行业提供更多的选择方案，并且能使发动机在其寿命期内燃用多种不同的燃料。

研究人员将发动机燃料从液态柴油切换为天然气时，不仅降低了燃料含硫量，并且在优化温室气体排放方面也具备一定优势。甲烷因其含碳量较少，在改善CO2排放方面具有一定的优势。需要注意的是，甲烷是1种重要的温室气体[1]，因此在燃烧过程中应尽可能减少未燃甲烷的排放。

在采用气体燃料发动机时，研究人员应同时考虑到CO2排放量及温室气体总排放量。为满足IMO所提出的目标，研究人员充分利用天然气的减排潜力，将气体燃料与其他现有措施进行有机结合，以有效实现该目标。通过采用再生燃料转换而成的电能以制取能源转化型（PtX）燃料，还能进一步减少温室气体排放。

目前，大多数气体燃料发动机主要应用于发电领域，例如在颗粒物和NOx等方面，采用均质稀薄燃烧过程能达到较低的排放。Woodward L′Orange公司为其提供了宽广的低压气体燃料进气阀型谱。

近年来，越来越多的商用车开始搭载大型移动式气体燃料发动机，业界对该项举措的关注度也与日俱增。由于对瞬态性能要求较高，应用气体燃料直接喷射技术的机型越来越多。此外，在道路车辆领域，其燃烧过程通常会在过量空气系数λ=1的状态下进行，同时会采用三元催化转化器，以满足当前的废气排放标准。这种催化转化器可将甲烷的原始排放降低约95%，目前，研究人员正努力将这种技术应用于大型发动机领域。

1 船用气体燃料发动机的燃烧方案

对船用柴油机而言，现阶段的气体燃料发动机可有效应用火花点火或柴油引燃（低压双燃料）等稀薄燃烧方式，从而无须采用其他措施就能满足当前的废气排放限值要求。目前所面临的主要问题在于稀薄燃烧发动机与三元催化转化器并不兼容，因此会排放出大量的未燃甲烷，这是由较冷的气缸壁面與燃烧室表面附近的甲烷不完全燃烧，以及换气时的燃烧室缝隙泄漏所导致的（图1）。

船用气体燃料发动机绝大多数采用双燃料运行，以此能提供满足船舶安全性规范要求的随船备用燃料。Woodward L′Orange公司为行业市场提供了高品质的双燃料发动机喷油器（图2）[2-3]。这些喷油器能使发动机在以气体燃料运行时提供精确的预喷油量，而当发动机在以柴油运行时也能喷射100%的重油。此外，将高压气体燃料直接喷射与柴油引燃喷射相结合的气体燃料-柴油喷油器同样可用于双燃料发动机。这2种喷油器已应用于Wrtsil旗下的发动机，并已成功投放市场。

采用气体燃料直接喷射技术具有诸多优点，由此证实了研究人员采用此类技术的合理性。在发动机进行高压喷射时，可通过预喷燃油点燃气体燃料，并使气体燃料在燃烧过程中得以充分转化，从而使未燃甲烷排放降至最低。此外，这种燃烧过程还充分改善了爆燃现象，从而能使整机具有与柴油机相似的高升功率。同时，由于采用了直接喷射的方式，并且不产生节流损失，从而可实现较高的效率和快速的动态响应特性。

通过可再生电能制取的燃料（E-燃料）通常被视为降低温室气体排放的有效对策。通过采用此类高压直接喷射方式，内燃机燃用E-燃料的可能性显著提升。

由于在采用E-燃料的情况下涉及到低热值燃料，因此所需要的喷油量明显高于柴油喷油器的喷油量（图3）。同时，因为其总体情况较为相似，在进行燃料切换时，研究人员仅需要对设备进行微调整。

为了能在高功率船用发动机上使用这些气体燃料技术，Woodward L′Orange公司已开发了1种全新的双燃料喷油器，其不仅能以高压状态喷射气态燃料，而且也能用于喷射部分液态燃料。

2 挑战和设计方式

发动机在喷射高压气体燃料和其他低热值燃料时需要较高的点火能量，以实现稳定的燃烧过程。为了点燃气体燃料与空气的混合气，通常会以柴油引燃混合气，该类方案也能将新型喷油器的柴油喷射装置用作双燃料机型的备用燃料系统。为了充分优化燃烧过程，其前提条件是使气体燃料与柴油在喷射时间上能进行灵活调整。为了在以纯柴油运行时能满足废气排放标准，柴油喷射系统必须以高度现代化的技术状态投入运作，这就意味着其需要具有与传统柴油喷油器相同的喷油压力（220 MPa）和液压特性。为了满足上述要求，新型喷油器的柴油喷射系统通常会采用共轨柴油喷油方式。研究人员在设计柴油喷射系统时采用的唯一折中方案是减小储油容积，以此满足布置需求。

气体燃料系统针对50 MPa气体燃料喷嘴设计，为此应具有较高的压力。即使在较高的气缸峰值压力（约为25 MPa）影响下，气体也能以大于2的压比实现超临界流动。该设计可避免气流马赫数在低于1的情况下流动，并能在整个喷射过程中获得确定的质量流量，同时降低因发动机背压产生的影响。研究人员对这种喷油嘴的结构布置型式进行了设计优化，使喷射过程中的气体燃料喷束能分布在柴油喷束的周围（图4）。

为了直接在针阀座附近准备好一定数量的气体燃料，研究人员优化了喷油器内部的储气容积，同时借助于计算流体动力学（CFD）模拟分析喷油器内部的压力损失，并使其降至最低。研究人员通过为喷油器采用较大的流通横截面积，可使从喷油器进口至喷油嘴的压力损失小于共轨压力的10%。

研究人员在设计喷油器气体燃料系统时面临的另1项挑战是需要使发动机以纯柴油运行且不受限制（图5）。当发动机在以纯柴油运行时，气体燃料系统内所存留的介质并不受到压力影响，同时气体燃料针阀必须在气缸峰值压力作用下实现可靠密封。弹簧通过坚固的弹簧接杆与气体燃料针阀进行连接，从而获得以纯柴油状态运行时所需要的密封压力。

该类主燃料针阀可通过独立的液压阀进行操纵，并具有较高的布置灵活性，以此适应用户对发动机提出的设计方案。为了节省喷油器的内部空间，研究人员将该操纵阀布置在喷油器的顶端（图6）。

对于宽广的发动机结构型谱而言，这种新型的喷油器方案具有较好的适应能力。为了向用户提供1种可靠且较为经济的解决方案，喷油器通常同时配备有柴油针阀和气体燃料针阀。除此之外，Woodward L′Orange公司提供了不同的喷油器结构型式，以供用户选择。同时，为使发动机顺利燃用液态E-燃料，研究人员将单独的储油腔集成到喷油器设计方案中。

研究人员开发出此类全新的喷油器的目的主要是为满足高速发动机的技术需求，但其同样适用于中速发动机，并能为气体发动机制造商的设计方案提供宽广的型谱。

3 应用

在经历了性能检验和短期耐久性试验后，新系统可用于光学研究和单缸机试验[4-7]。首次试验结果表明，该系统已充分实现了减少甲烷排放和提高整机效率的开发目标。这些项目表明，该系统所采用的许多参数已允许研究人员将大量数据用于发动机燃烧建模过程中。发动机废气后处理通过采用选择性催化还原（SCR）系统就能满足IMO-Tier-Ⅲ法规要求。通过发动机长达100 h的运行试验验证，该类喷油器充分证实了其可靠性[7]。

4 结语

该新型高压双燃料喷油嘴主要用于新型移动式气体燃料发动机，并可使发动机燃用E-燃料，从而改善了未燃甲烷排放。该方案已在单缸试验机上运行了100 h，以此证实了技术的可靠性。该项技术能使发动机的升功率和动态性能达到与传统柴油机相近的水平，同时可满足未来的废气排放法规，尤其可显著降低未燃甲烷排放。总体而言，这种新型喷油器方案具有以下特点：（1）共轨柴油侧可燃用100%柴油，并具有高达220 MPa的喷射压力;（2）能以高达50 MPa的压力喷射气体燃料;（3）具有紧凑的喷油器结构;（4）配备有能用于控制气体燃料系统的整体式控制阀;（5）气体燃料系统能实现快速响应;（6）无论是柴油系统还是气体燃料系统都能实现多次喷射;（7）具有较高的燃料灵活性。

[1]PACHAURI R K.Climate change 2014：synthesis report[R]. Contribution of Working Groups I，II and III to the fifth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC， 2014.

[2]SENGHAAS C，WILLMANN M，KOCH H J.Simplified L’Orange fuel injection system for dual fuel applications[C]. CIMAC Congress， Helsinki， 2016.

[3]BOOG M，DUMSER F，BERGER I，u.a. Entwicklung eines high pressure dual fuel konzepts für schnelllaufende drehzahlvariable motoren in schiffsantrieben[C].Dessauer Gasmotoren-Konferenz， Dessau， 2019.

[4]FRANKL S，GLEIS S，WACHTMEISTER G.Interpretation of ignition and combustion in a full-optical high-pressure-dual fuel （HPDF） engine using 3D-CFD methods[C]. CIMAC Congress，Vancouver，2019.

[5]ABMUS K，REDTENBACHER C，WINTER H，et al.Simulation based predesign and validation of a diesel ignited high-pressure gas direct injection combustion concept[C]. 14th International Congress Engine Combustion and Alternative Concepts （ENCOM）， Essen， 2019.

[6]REDTENBACHER C，ABMUS K，KIESLING C，et al.Detailed assessment of an innovative combined gas-diesel injector for diesel ignited high-pressure gas direct injection combustion concepts[C]. CIMAC Congress， Vancouver， 2019.

[7]SENGHAAS C，WILLMANN M，BERGER I.New injector family for high pressure gas and low caloric liquid fuels[C]. CIMAC Congress，Vancouver， 2019.

范明強 译自 MTZ，2020，81（11）

伍赛特 编辑

（收稿时间：2020-11-15）