船用低速二沖程雙燃料發(fā)動機的排放控制

黃步松

摘要： 當代船舶運輸業(yè)的核心問題是廢氣排放和經(jīng)濟性。采用高效、安全、清潔和方便的天然氣作為發(fā)動機的能源是最優(yōu)的選擇之一。文章介紹船用低速二沖程雙燃料發(fā)動機的主要系統(tǒng)的組成，并對其排放性能和控制進行分析，供相關人員參考。

Abstract： The core issues of contemporary shipping industry are exhaust emission control and economy. Using efficient， safe， clean and convenient natural gas as the engine energy is one of the best choices. This paper introduces the main system composition of marine low-speed， two-stroke， dual-fuel engine， and analyzes its emission performance and control for reference of relevant personnel.

關鍵詞： 雙燃料發(fā)動機;燃料系統(tǒng);稀薄燃燒;排放控制

Key words： dual-fuel engine;fuel system;lean burn;emission control

中圖分類號：U698????????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0041-02

1? 排放法規(guī)

據(jù)統(tǒng)計，目前船舶運輸每年排放的氮氧化物（NOX）氣體占到總排放量的10-20%，硫氧化物（SOX）占總排放量的4～8%，二氧化碳（CO2）占到總排放量的6%[1]，可見，海洋和大氣的主要污染是船舶燃用的燃料油引起的。

國際海事組織（IMO）于2008年10月對MARPOL公約附則VI中關于船舶的廢氣排放提出了更苛刻的要求。對于NOX排放的限制，要求2016年在排放控制區(qū)域的英吉利海峽、英國北海、波羅的海、地中海、美國東西海岸以及澳大利亞沿海等區(qū)域滿足IMO Tier Ⅲ排放標準。對SOX排放的限制，附則VI要求，2020年1月1日及以后，一般航區(qū)船舶使用的含硫量不超過0.5%;排放控制區(qū)內(nèi)航行時不超過0.1%。我國交通運輸部在《船舶與港口污染防治專項行動實施方案（2015-2020年）》中提出[2]，與2015年相比，長三角、珠三角及環(huán)渤海水域船舶到2020年的氮氧化物應減少20%、硫氧化物減少65%、顆粒物排放量應減少30%。顯然，使用傳統(tǒng)的以燃燒燃油的柴油機作為船舶的主要動力裝置已不能滿足MARPOL公約附則VI的排放要求。為了滿足最新排放要求，采用高效、安全、清潔和方便的天然氣作為發(fā)動機的能源是最優(yōu)選擇。

2? 雙燃料發(fā)動機

雙燃料發(fā)動機是以可燃氣體為主要燃料，采用柴油為引火燃料的發(fā)動機。甲烷是液化天然氣LNG中的主要含量，占其總量90%以上，其它為乙烷、丙烷、丁烷等[3]。甲烷的碳氫質(zhì)量比為1∶4，是碳氫比最低的物質(zhì)，即發(fā)動機產(chǎn)生同樣熱量甲烷的CO2排放是最少。以天然氣為燃料的發(fā)動機NOX的排放只有原來的10～15%，SOX排放基本為零。目前，應用比較多的船用二沖程低速雙燃料發(fā)動機有MAN公司的高壓燃氣ME-GI型和WIN G&D公司的低壓燃氣XDF型兩種機型。主要用于海洋工程船、成品油船、渡輪、多用途船、滾裝船和集裝箱船等。

2.1 工作模式[4]

ME-GI發(fā)動機是MAN B&W公司在電控柴油機ME的基礎上設計而成的，其工作模式有：

①燃氣模式。即先導點火油噴油量保持不變，而每循環(huán)的燃料氣體的供給量改變。此時控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機負荷大小與轉(zhuǎn)速高低，自動增加或減少每循環(huán)的燃料氣體供給量。

②油氣混合模式。發(fā)動機工作時每循環(huán)天然氣的供給量保持不變，而每循環(huán)的先導點火油噴油量改變。此時發(fā)動機根據(jù)負荷與轉(zhuǎn)速的變化情況自動增加或減少每循環(huán)的燃油量。

③燃油模式。當控制系統(tǒng)檢測到燃氣供給系統(tǒng)發(fā)生故障時，發(fā)動機將自動切斷燃氣的供應而轉(zhuǎn)換為使用100%燃油運行，此時即按ME電噴柴油機模式工作。

2.2 燃料噴射系統(tǒng)

ME-GI發(fā)動機的燃料噴射系統(tǒng)包括燃油噴射系統(tǒng)和燃氣噴射系統(tǒng)兩部分。燃油噴射系統(tǒng)的控制同ME電控柴油機一樣，但控制系統(tǒng)中增加了一個壓力傳感器，用于檢測點火油的噴射壓力。低壓燃油進入燃油升壓泵后由30MPa伺服油驅(qū)動送到每個氣缸蓋上的兩個噴油器中，通過電控燃油電磁閥FIVA實現(xiàn)對發(fā)動機噴油壓力、噴油定時和噴油量的控制。而燃氣系統(tǒng)使用共軌結(jié)構(gòu)。從BOG供給系統(tǒng)的高壓天然氣送到燃氣共軌管路系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)根據(jù)曲柄角度編碼器判斷各缸活塞的位置，通過ELGI燃氣控制閥，由伺服油驅(qū)動燃氣噴射閥的開啟[5]。

2.3 BOG供給系統(tǒng)

ME-GI雙燃料發(fā)動機在ME電控柴油機中增加了LNG天然氣蒸發(fā)氣即BOG（Boil-off gas）供給系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)有兩種，一種是采用壓縮機的供氣系統(tǒng)，另一種為低溫高壓泵供氣系統(tǒng)。船上一般使用兩組低溫高壓泵式燃氣供氣系統(tǒng)，而陸用電站采用壓縮機式燃氣供氣系統(tǒng)。低溫高壓泵供氣系統(tǒng)是將LNG的貨艙中蒸發(fā)出來的天然氣（BOG）由兩臺高壓泵加壓到25～30MPa后，送到燃氣共軌管路系統(tǒng)中。LNG貨艙內(nèi)的壓力在BOG減少時，控制系統(tǒng)會自動減少低溫高壓泵的排量或使BOG蒸發(fā)，加大BOG的供應量使之保持穩(wěn)定;當BOG的數(shù)量增加，使貨艙內(nèi)的壓力超出設定值時，控制系統(tǒng)會將過多的燃氣通過再液化裝置液化送回貨艙，也可以送到氣體燃燒器進行燃燒處理[5]，使LNG貨艙內(nèi)的壓力恒定。

2.4 空燃比

XDF氣體燃料發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性能主要取決于對燃燒的精確控制。圖1所示是“稀薄燃燒”的空燃比與發(fā)動機的平均有效壓力、熱效率及NOX排放的關系。由圖可知，燃燒室內(nèi)的空燃比在2～2.3之間時發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性最高，NOX排放最低。如果空燃比太低，在燃燒過程中易出現(xiàn)爆燃、效率降低、NOX排放過高等現(xiàn)象，而空燃比太高，則可能出現(xiàn)不著火的現(xiàn)象。在平均有效壓力大于20bar左右的高負荷區(qū)，爆燃區(qū)和不著火區(qū)非常接近，發(fā)動機只有在空燃比為2.2的很窄區(qū)域內(nèi)才能可靠運行。因此，通過電子控制各缸空燃比就可以使各缸達到低排放燃燒要求。雙燃料柴油機對每個缸氣體燃料的供氣量是根據(jù)發(fā)動機的負荷和燃氣的熱值自動進行單獨控制調(diào)整，并通過調(diào)整各缸的進氣空氣量和燃氣相匹配控制各缸的空燃比。

3? 雙燃料發(fā)動機的排放控制

WIN G&D公司XDF雙燃料發(fā)動機是燃氣在低壓（約為1.6MPa）噴射預混合燃燒，發(fā)動機按照奧特循環(huán)采用“微點火”原理工作[6]，此時低壓天然氣是在活塞上行到將掃氣口關閉后，到達中部時噴入缸內(nèi)，在活塞上行過程中，燃氣在氣缸內(nèi)與空氣進行混合并參與壓縮過程被壓縮;當活塞上行到接近上止點時，發(fā)動機控制系統(tǒng)（WECS）控制每個氣缸蓋上的小噴油器，使噴油器向缸內(nèi)噴射少量點火油，點燃缸內(nèi)混合的氣體燃燒膨脹并推動活塞下行完成做功。由于XDF發(fā)動機燃氣模式采用奧托循環(huán)，其NOX排放主要與發(fā)動機空燃比的控制有關。由圖1可知，空燃比小于1時，空燃比增加，NOX排放也增加;空燃比大于1時，空燃比增大，NOX排放減少，當空燃比等于2.2時達到了最低值。因此只要通過精確控制空燃比和點火時間，就可以獲得最佳燃燒速度，使氣缸內(nèi)燃燒溫度降低，由于NOX排放與氣缸內(nèi)燃燒溫度成正比，從而可以降低NOX排放。據(jù)WIN G&D公司介紹，XDF的雙燃料發(fā)動機在燃氣模式NOX排放比燃油模式能減少90%，能夠直接滿足Tier III的NOX排放要求。

ME-GI雙燃料發(fā)動機的燃氣模式是燃氣在高壓（約為30MPa）下直接噴入氣缸的擴散式燃燒，發(fā)動機按照狄賽爾循環(huán)采用“微點火”原理工作?；钊闲兄翏邭饪陉P閉之前為掃氣行程，當活塞運動到上止點附近時，發(fā)動機控制系統(tǒng)（WECS）控制每個缸頭上的小噴油器向缸內(nèi)噴射少量點火油，隨后噴入高壓燃氣（燃氣不參與氣缸內(nèi)壓縮過程）并被點火油點燃，使氣體燃料燃燒，高溫燃氣推動活塞下行完成做功過程。

由于ME-GI雙燃料發(fā)動機是按狄賽爾循環(huán)原理工作，燃氣直接噴射缸內(nèi)燃燒，發(fā)動機熱效率高，氣缸內(nèi)燃燒溫度也高。由NOX的生成過程可知，NOX生成與發(fā)動機燃過程中氣缸內(nèi)氧氣的含量、燃燒溫度以及在高溫氣缸內(nèi)燃氣的停留時間等條件有關。燃燒室內(nèi)溫度及氧氣含量升高，燃氣在高溫氣缸內(nèi)停留時間延長，NOX含量都會增加。據(jù)MAN公司介紹，ME-GI雙燃料發(fā)動機在燃氣模式可以比其燃油模式降低24%的NOX排放，但不能滿足Tier III NOX排放要求，還要在排氣管后面加裝EGR或者SCR等尾氣處理技術才能達到減排要求[7]。MAN公司在2019年5月已開發(fā)低壓燃氣的ME-GA發(fā)動機，其工作原理與XDF雙燃料發(fā)動機一樣，燃氣模式采用奧托循環(huán)，以降低氣缸內(nèi)燃燒溫度，使NOX排放能夠直接符合Tier III要求。

4? 總結(jié)

雙燃料發(fā)動機的燃料中沒有硫份，其SOX排放基本為零，沒有碳煙和顆粒物質(zhì)，CO2排放可減少25～30%。通過精確控制空燃比和尾氣后處理，可使NOx排放能夠直接滿足Tier III要求。特別是當今在應對限硫令法規(guī)方面，雙燃料發(fā)動機在排放性能方面的優(yōu)點顯得更加突出，將使其在商船上的應用越來越廣泛。

參考文獻：

[1]袁江帆，等.船用LNG雙燃料發(fā)動機的技術發(fā)展及應用現(xiàn)狀[J].上海：造船技術，2017（1）.

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[3]李斌，等.主推進動力裝置[M].北京：人民交通出版社，2020.

[4]咎憲生，張興芝.用于LNG船的ME-GI型雙燃料智能內(nèi)燃機[J].上海：航海技術，2006（2）.

[5]周明順，崔向東，毛宏雨.船舶柴油機[M].大連：大連海事大學出版社，2019.

[6]默寧，等.船用雙燃料發(fā)動機工作原理及排放控制[J].黑龍江：黑龍江科技信息，2016（25）.

[7]李斌.雙燃料發(fā)動機的工作原理及排放控制[J].大連：世界海運，2012（5）.