LNG—柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)使用優(yōu)勢(shì)分析研究

劉春青

摘 要：針對(duì)目前石油資源危機(jī)的加劇和環(huán)境污染嚴(yán)重，迫切需要需找一種發(fā)動(dòng)機(jī)替代能源。LNG作為一種清潔環(huán)保的新型能源，具有運(yùn)輸方便、清潔環(huán)保等特點(diǎn)，在此背景下產(chǎn)生了LNG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。本文通過LNG的基本性質(zhì)，在其經(jīng)濟(jì)性、可行性等方面分析LNG在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際裝船使用的LNG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析，驗(yàn)證LNG在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的可行性，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性進(jìn)一步分析對(duì)比，凸顯LNG在發(fā)動(dòng)機(jī)上的使用優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：LNG-柴油；雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；燃油替代率；可行性；經(jīng)濟(jì)性；

一、引言

石油作為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展引擎的原材料，具有儲(chǔ)量大、分布廣等優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期以來在能源中占主導(dǎo)地位，是汽車、輪船等交通工具的優(yōu)質(zhì)動(dòng)力燃料。但隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人類對(duì)石油的需求越來越大，導(dǎo)致石油總儲(chǔ)量逐年遞減，能源危機(jī)日益加重，環(huán)境污染加劇等問題。

石油燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放氣體污染嚴(yán)重，特別是氮氧化物和硫氧化物及溫室氣體二氧化碳等氣體的排放尤為突出。其中，汽車、船舶等燃油發(fā)動(dòng)機(jī)所排放的顆粒污染物（PM）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX）、硫氧化物（SOX）等有害物是大氣污染的主要污染源，對(duì)人體和環(huán)境造成嚴(yán)重的損害[1]。為了控制石油燃料發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放并緩解能源危機(jī)等問題，各國(guó)都制定了嚴(yán)格的排放法規(guī)。同時(shí)，積極尋找新型、節(jié)能減排的替代燃料，開發(fā)新能源發(fā)動(dòng)機(jī)。LNG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的推廣使用，可以解決石油資源短缺的問題，減少有害氣體排放，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

二、LNG特性

（一）LNG基本特性

常溫常壓下天然氣是無色、無味、無毒、無腐蝕，是一種以飽和烴類為主的混合氣體。其主要成分是甲烷，約含有85%-95%，并含有少量的氮?dú)?、硫化物。隨著天然氣的加工、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、應(yīng)用等技術(shù)的不斷成熟，天然氣應(yīng)用范圍不斷拓展，其中在汽車、船舶等發(fā)動(dòng)機(jī)上的使用最為顯著。

液化天然氣（Liquefied Natural Gas簡(jiǎn)稱LNG）是天然氣經(jīng)壓縮、冷卻，在-160℃下液化而成，主要成分是甲烷。天然氣在液化過程中進(jìn)一步凈化，甲烷純度高，幾乎不含氮?dú)夂土蚧铩Ｆ渥鳛橐环N優(yōu)質(zhì)燃料，具有潔凈、經(jīng)濟(jì)、高效、資源豐富和方便儲(chǔ)運(yùn)等優(yōu)點(diǎn)。天然氣用作汽車、船舶等設(shè)備的替代燃料，與汽油、柴油相比，其二氧化碳、硫氧化物和氮氧化物的排放量明顯降低，幾乎不含顆粒物，是一種理想的發(fā)動(dòng)機(jī)綠色替代燃料；其燃料、維護(hù)保養(yǎng)成本較低，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益[2]。經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展，LNG產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了液化、儲(chǔ)存、運(yùn)輸及終端使用一整套工藝技術(shù)和裝備。

LNG的密度取決于其組分，由于LNG產(chǎn)地不同其密度通常在430kg/m3-470kg/m3之間。其主要特點(diǎn)如下[3]：

1、LNG體積是同質(zhì)量天然氣的1/625，重量?jī)H為同體積水的45%，可以使用汽車、火車、輪船等常規(guī)設(shè)備運(yùn)輸。

2、LNG儲(chǔ)存效率高，占地少。

3、LNG作為優(yōu)質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料與石油相比，它具有辛烷值高、抗爆性能好、燃料費(fèi)用低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。LNG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中，HC減少72%，NOx減少39%，CO減少90%，幾乎不含有Sox及顆粒物。

4、LNG汽化潛熱高，液化過程中的冷量可回收利用。

（二）LNG燃燒特性

石油燃料燃燒排出的廢氣主要成分是NOX、CO、CO2、SOX和顆粒物等有害氣體[4]。二氧化碳（CO2）加劇溫室效應(yīng)，溫室效應(yīng)導(dǎo)致海平面上升、土地面積減少，且使氣溫上升，厄爾尼諾現(xiàn)象嚴(yán)重，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。NOX和SOX在空氣中氧化，生成NO2和SO2是酸雨形成的主要原因，大氣中氮氧化物和硫氧化物濃度高了就會(huì)產(chǎn)生煙霧和酸雨，刺激人的呼吸道和肺部，引起肺炎和支氣管炎。

LNG燃燒與汽油相比，CO2排放減少27%左右；與柴油燃燒相比，CO2排放減少35%左右。

（三）LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的類型及特點(diǎn)

根據(jù)最新國(guó)內(nèi)內(nèi)河船舶規(guī)范——2013年01月01日，《內(nèi)河綠色船舶規(guī)范》船級(jí)社要求，內(nèi)河船舶柴油機(jī)排放要求如下[5]：

1、氮氧化物（NOX）

凡輸出功率超過130KW的柴油機(jī)（應(yīng)急發(fā)動(dòng)機(jī)以及安裝在救生艇上或只在應(yīng)急情況下使用的任何設(shè)備或裝置上的柴油機(jī)除外），其NOX的排放量（按總的NOX加權(quán)排放量計(jì)算）應(yīng)在下列限制內(nèi)：

14.4g/kwh當(dāng)n<130r/min時(shí)

40ng/kwh當(dāng)130r/min7、7g/kwh當(dāng)n>2000r/min時(shí)

其中，n為柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速

2、硫氧化物（SOX）

船上使用的任何燃油的含硫量，應(yīng)不超過3.5%。也可采用清潔后處理裝置將排放廢氣中SOX排放量控制在14.0g/kwh以下。因此，建設(shè)綠色船舶，節(jié)能減排是航運(yùn)業(yè)面臨的重大課題。

由于LNG-柴油所具有的優(yōu)勢(shì)，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車、船舶等領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。為了適應(yīng)不同的應(yīng)用要求，各機(jī)構(gòu)和企業(yè)開發(fā)了多種燃料供給方式的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，主要有進(jìn)氣道噴射、缸內(nèi)直噴等方式[6]。

（1）進(jìn)氣道噴射：空氣/天然氣進(jìn)氣總管混合、柴油引燃雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，天然氣直接噴射入進(jìn)氣總管，天然氣與空氣混合均勻，有利于充分燃燒。缺點(diǎn)是未經(jīng)燃燒的混合氣容易進(jìn)入排氣管，造成氣體浪費(fèi)和排氣管爆炸等危險(xiǎn)。

（2）缸內(nèi)直噴：發(fā)動(dòng)機(jī)可燃燒較稀的混合氣體提高經(jīng)濟(jì)性；發(fā)動(dòng)機(jī)不安裝節(jié)氣門，節(jié)流損失??；可以抑制爆燃，可以采用較高的壓縮比改善發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性；可通過噴射正時(shí)、空燃比和點(diǎn)火提前角等手段優(yōu)化匹配，改善燃燒過程。采用壓燃式工作方式，噴入少量引燃柴油，該方式保留了柴油機(jī)高效率的特點(diǎn)，同時(shí)具有較好的機(jī)動(dòng)性，天然氣的使用又很好地達(dá)到了經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保的目的。該類型的柴油機(jī)在原來發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，只需增加一套燃?xì)夤┙o系統(tǒng)即可解決問題，這是目前柴油機(jī)改造和生產(chǎn)最主要的模式。

三、結(jié)論

根據(jù)實(shí)際裝船使用的LNG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中數(shù)據(jù)分析，LNG燃料替代柴油燃料平均替代率最高可達(dá)60%-70%[7]。同時(shí)，與柴油燃料相比，LNG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)二氧化碳排放量可減少18%-22%，氮氧化物、硫氧化物減少均達(dá)到90%，顆粒物排放基本為零，運(yùn)行成本減少30%左右。LNG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的使用很大程度上解決了船舶、汽車等運(yùn)輸工具的污染問題，同時(shí)也符合國(guó)家節(jié)能減排的要求。但因?yàn)長(zhǎng)NG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)需要在原燃油系統(tǒng)上增加一套供氣系統(tǒng)，存在控制系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性下降等問題，需要進(jìn)一步完善。（作者單位：貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

參考文獻(xiàn)：

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[7] 韓金麗，楊永慧，張悅.北京市發(fā)展天然氣汽車的探討[J].煤氣與熱力，2011（4）：11-20.