雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理及排放控制

大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 李 斌

雙燃料（DF）發(fā)動(dòng)機(jī)是指可以燃燒氣體（如LNG、LPG等）燃料和液體燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)。它是以普通的中速柴油機(jī)為基礎(chǔ)，并進(jìn)行了可燃用氣體燃料的改型。一般來(lái)說(shuō)，可根據(jù)所能獲得的燃料情況，在氣體燃料和液體燃料之間進(jìn)行切換。目前國(guó)際上比較成功的機(jī)型是Wartsila 20DF、Wartsila 34DF、Wartsila 50DF柴油機(jī)和MAN的51/60DF柴油機(jī)等。國(guó)內(nèi)的一些柴油機(jī)廠如淄柴、濟(jì)柴等也開發(fā)了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的雙燃料柴油機(jī)。在目前燃油價(jià)格高漲、國(guó)際國(guó)內(nèi)對(duì)排放控制越來(lái)越嚴(yán)格的情況下，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)越來(lái)越受到市場(chǎng)的青睞。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)一般用于LNG船的主機(jī)，也可以作為普通渡輪、滾裝船和集裝箱船以及海洋工程供應(yīng)船、海上浮式儲(chǔ)油裝置的主機(jī)。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)通常都是在燃?xì)饽Ｊ较逻\(yùn)轉(zhuǎn)，以LNG為主要燃料，只有在啟動(dòng)和某些特殊情況下才會(huì)用到柴油模式。在燃用LNG模式下，當(dāng)監(jiān)視燃燒的傳感器探測(cè)到某缸燃燒不正常時(shí)，機(jī)器會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)到燃用柴油模式。燃用LNG與燃用柴油時(shí)可獲得的輸出功率相同，轉(zhuǎn)換過(guò)程不會(huì)造成功率波動(dòng)。

一、氣體運(yùn)行模式工作原理

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)有兩種工作模式：一是氣體燃料工作模式，二是普通的柴油機(jī)工作模式。采用氣體燃料工作模式時(shí)以天然氣為主要燃料，以輕柴油為引燃燃料。這里只描述氣體運(yùn)行模式的工作原理和與燃?xì)獠僮饔嘘P(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)部件。

在以氣體運(yùn)行模式工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在吸氣過(guò)程中，在進(jìn)氣道噴入氣體燃料，并隨著進(jìn)氣空氣一起進(jìn)入汽缸，發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮過(guò)程中壓縮空氣和氣體燃料的混合氣，在壓縮過(guò)程的終點(diǎn)，通過(guò)噴入少量柴油來(lái)點(diǎn)燃（引燃柴油噴射）缸內(nèi)的燃料（燃?xì)?空氣混合物）。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)氣體運(yùn)行模式工作原理見圖1。

為了保證雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以在功率輸出、效率和排放方面得到較好的性能，通常采用稀薄燃燒的方式控制燃燒過(guò)程。所謂稀薄燃燒，就是通過(guò)控制空氣-燃?xì)饣旌衔锏谋壤齺?lái)控制燃燒，如圖2所示，在低負(fù)荷時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的工作窗口范圍較大，空氣-燃?xì)庖匀魏伪壤旌隙伎梢钥煽康厝紵S著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，不發(fā)火極限越來(lái)越接近敲缸極限，這意味著可用的運(yùn)行窗口范圍減少，在平均有效壓力達(dá)20 bar左右的情況下，空-燃比只有2.2左右時(shí)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)才能可靠工作。

此外，在低負(fù)荷時(shí)雖然雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以可靠工作，但其NOx排放特性和發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率并不好，所以，為了保證雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的良好工作特性，必須對(duì)空-燃比進(jìn)行有效的控制和優(yōu)化，使之維持在運(yùn)行窗口范圍內(nèi)。

為了達(dá)到要求的精確燃燒控制，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)燃?xì)獾倪M(jìn)入和點(diǎn)燃是通過(guò)電控的。各缸都配備了電控閥：一個(gè)進(jìn)氣閥使燃?xì)鈬娙脒M(jìn)氣道，一個(gè)引燃噴油器用來(lái)引燃。噴射是通過(guò)WECS控制的（見圖3）。

二、引燃燃油和備用燃油系統(tǒng)

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)有兩套燃油系統(tǒng)，一個(gè)是與普通柴油機(jī)相同的燃油噴射系統(tǒng)，另一個(gè)是用于氣體燃料點(diǎn)火的引燃燃油高壓系統(tǒng)，如圖4所示。

普通的燃油噴射系統(tǒng)一般用于備用模式，在氣體燃料系統(tǒng)因故障或其他原因不能使用以及發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)使用。其燃油系統(tǒng)與正常的柴油機(jī)相同。燃油由加壓泵送至由凸輪控制的高壓油泵產(chǎn)生高壓，然后經(jīng)高壓油管送至噴油器噴射霧化，用于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒。

用于氣體燃料點(diǎn)火的引燃燃油系統(tǒng)采用共軌系統(tǒng)，其主要組成部分包括一個(gè)泵單元、共軌管路、供油管和噴射器。

泵單元可以使引燃燃油泵至所需的壓力值。它包括電動(dòng)或機(jī)械驅(qū)動(dòng)的徑向柱塞泵（內(nèi)置高壓旁通閥）、燃油濾器和壓力控制閥。如果是電動(dòng)泵，泵單元應(yīng)安裝在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)所在的機(jī)艙。

高壓燃油由泵單元泵送至共軌管路。從泵到噴油器之間的所有高壓管路都是雙壁的。在雙壁管路的環(huán)形空間內(nèi)發(fā)生的任何泄漏都會(huì)被收集，并導(dǎo)入到一個(gè)安裝有泄漏傳感器的收集裝置中。共軌管路將引燃燃油輸送至各個(gè)噴油器，同時(shí)它還作為一個(gè)蓄壓器，防止壓力波動(dòng)。供油管將引燃燃油從共軌管路分配到噴射閥。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)使用的是雙針閥噴油器。大的針閥在燃油和備用操作模式下用于噴射主燃油，小的針閥在氣體操作模式下用于噴射引燃燃油。引燃燃油噴油器針閥的定時(shí)和噴射延遲時(shí)間通過(guò)電磁閥來(lái)控制。為了保持引燃燃油針閥的清潔，當(dāng)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)以柴油模式工作時(shí)，引燃燃油噴射閥仍然處于工作狀態(tài)。

三、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放控制分析和空-燃比控制

一般認(rèn)為，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的排放性能，與柴油機(jī)相比，其CO2排放可減少30%，NOx排放可降低70%～80%。

CO2排放的降低是由于氣體燃料中的碳?xì)浔容^低，如LNG的主要成分是甲烷（CH4），燃料中的含碳量為75%，是所有燃料中碳排放最低的，在發(fā)動(dòng)機(jī)具有相同的熱效率時(shí)，其CO2排放約為使用燃油時(shí)的70%。

NOx排放的降低則與發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和控制有關(guān)，而其中最重要的是空-燃比的控制。如圖2所示，NOx排放與空-燃比密切相關(guān)，空-燃比在小于1時(shí)，其NOx排放隨空-燃比的增加而增加，在空-燃比為1左右達(dá)到最高值。然后隨著空-燃比的增大，NOx排放也隨之降低，在空-燃比為2.2時(shí)達(dá)到了很低的數(shù)值。這正好是在稀薄燃燒的工作窗口之內(nèi)。

為了使雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能始終保持在最佳狀態(tài)，在各種工況下保證適當(dāng)?shù)目?燃比至關(guān)重要。目前世界上較先進(jìn)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)空-燃比都有精確的控制。圖5為Wartsila雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)用來(lái)調(diào)節(jié)空-燃比的廢氣旁通系統(tǒng)。廢氣旁通閥允許一部分的廢氣旁通。該旁通閥作為一個(gè)調(diào)節(jié)器，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的情況，通過(guò)調(diào)整廢氣旁通閥控制柴油機(jī)的進(jìn)氣量，并將旁通閥閥位的反饋信號(hào)傳至Wartsila發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)（WECS），把空-燃比調(diào)節(jié)至適當(dāng)?shù)臄?shù)值，而不考慮環(huán)境條件（溫度、濕度等）的變化。

為了精確地控制發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行窗口范圍內(nèi)工作，在各種條件下優(yōu)化各缸的安全、效率和排放性能，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)需要對(duì)各缸進(jìn)行精確的單缸燃燒控制，使各缸在燃?xì)赓|(zhì)量、環(huán)境溫度等發(fā)生變化的情況下總能達(dá)到最佳的工作性能。如果不能實(shí)現(xiàn)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)空-燃比的精確控制，其NOx排放可能達(dá)到很高的數(shù)值，甚至高于普通柴油機(jī)的NOx排放。

[1]Alternative Fuels for Ships[EB/OL].[2012-02-03].http://www.wartsila.Com/Wartsila/global/docs/en/ship_power/media_publications/prese_ntations/alternative-fuels-for-ships-presentation.pdf.

[2]李斌.LNG作為船舶代用燃料的應(yīng)用分析[J].世界海運(yùn),2012(1):14-16.