馬義平 王忠誠 時(shí)繼東 趙 睿 許樂平

（上海海事大學(xué) 商船學(xué)院 上海201306）

引 言

柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是在原柴油機(jī)基礎(chǔ)上改裝的既可以燃用天然氣（以少量柴油引燃）又可以用柴油作為單一燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)。天然氣的主要成分有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等，其中甲烷占70%～90%，硫化氫及氮?dú)夂课⑿?。天然氣的燃點(diǎn)約650℃，著火溫度較高，以天然氣為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮過程中缸內(nèi)氣體溫度達(dá)不到其自燃點(diǎn)，因此必須依靠電火花點(diǎn)火，或者先噴入少量柴油（柴油燃點(diǎn)一般為220℃），柴油自燃再引燃天然氣。用LNG 加柴油混合動(dòng)力的船舶，可比單獨(dú)使用柴油動(dòng)力節(jié)約燃料費(fèi)用25%左右，且其尾氣中CO2排放會(huì)減少25%，NOX排放減少約85%，SOX減排近99%，顆粒減排近98%［1］。

柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)最先應(yīng)用于LNG船，由于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，大有向普通貨船轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。船用二沖程柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)主要機(jī)型有MAN ME-GI［2］和兩種機(jī)型有諸多不同。對(duì)其進(jìn)行比較能為一般貨船的機(jī)型選擇和管理提供參考。

1 工作原理

1.1 MAN ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

MAN ME-GI柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用缸內(nèi)高壓直噴式，即在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮沖程末期，從噴油器噴入少量且油量固定的點(diǎn)火油作為點(diǎn)火燃料，隨后向缸內(nèi)高壓噴入天然氣，使天然氣依靠微量點(diǎn)火油著火釋放的能量進(jìn)行燃燒［3］。

圖1 MAN ME-GI缸內(nèi)高壓噴射示意圖

2-S DF柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用缸內(nèi)低壓噴射式，即在活塞將掃氣口關(guān)閉之后，以較低壓力向缸內(nèi)噴入天然氣，使天然氣和空氣混合。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)附近時(shí)向缸內(nèi)噴射少量點(diǎn)火油，利用點(diǎn)火油的著火能量將缸內(nèi)天然氣和空氣的混合氣點(diǎn)燃，從而進(jìn)行燃料的燃燒并完成做功過程。

圖2 2-S DF缸內(nèi)低壓噴射示意圖

2 點(diǎn)火油

2.1 點(diǎn)火油來源

ME-GI 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在缸蓋上安裝2個(gè)或3個(gè)燃油噴射閥及燃?xì)鈬娚溟y［4］。燃油噴射閥的開啟和關(guān)閉原理與普通ME 柴油機(jī)相同，純?nèi)加湍Ｊ綍r(shí)用作主噴油器，燃?xì)饽Ｊ綍r(shí)兼做點(diǎn)火噴油器使用。

2.2 點(diǎn)火油量

ME-GI通過燃油噴射閥噴入點(diǎn)火油后，點(diǎn)火油壓燃，然后才噴入高壓天然氣，根據(jù)燃油質(zhì)量不同，按油耗率（g/kW·h）計(jì)算，點(diǎn)火油一般在5%～8%。在100%負(fù)荷時(shí)，點(diǎn)火油約8 g/kW·h，燃油和柴油都可作為點(diǎn)火油。ME-GI發(fā)動(dòng)機(jī)在30%～100%負(fù)荷時(shí)，需要的點(diǎn)火油量可以恒定。在20%負(fù)荷以下時(shí)，燃?xì)饽Ｊ讲荒鼙ＷC穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)必須切換到純?nèi)加湍Ｊ?，所以ME-GI點(diǎn)火油的功能類似于維持最低發(fā)火轉(zhuǎn)速。

圖3 點(diǎn)火噴油器和預(yù)燃室

3 燃?xì)庀到y(tǒng)

3.1 燃?xì)鈮毫?/h3>

ME-GI是在壓縮沖程末端噴入燃?xì)?，此時(shí)缸內(nèi)壓力很高，所以燃?xì)鈬娚鋲毫σ埠艽?，一般約為3×107Pa［5］；而2-S DF是壓縮沖程中間行程噴入燃?xì)?，其時(shí)缸內(nèi)氣壓不高，所以燃?xì)鈬娚鋲毫σ草^低，一般在1.6×106Pa。

3.2 雙壁管

ME-GI和2-S DF發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)夤芏疾捎秒p壁式設(shè)計(jì)，內(nèi)管輸送高壓燃?xì)?，外管起保護(hù)作用，以防止內(nèi)管破裂時(shí)高壓燃?xì)鈬姵觥４送?，?nèi)外管之間機(jī)械通風(fēng)，內(nèi)外管之間空間的換氣能力約為30次/小時(shí)，抽出的氣體排放至安全區(qū)域。由于采用了抽吸式通風(fēng)，所以雙壁管中間空間的壓力低于機(jī)艙壓力。在通風(fēng)管末端安裝有HC（碳?xì)洌﹤鞲衅?，一旦探測(cè)到燃?xì)庑孤?，立刻給出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)自動(dòng)切換至燃油模式運(yùn)行。

3.3 惰氣系統(tǒng)

ME-GI的燃?xì)夤苈飞习惭b了惰氣系統(tǒng)［2］。在其每個(gè)工作循環(huán)中，供入每個(gè)缸的燃?xì)饪赏ㄟ^測(cè)量積聚器的壓降檢測(cè)出來。通過這種系統(tǒng)，無論是燃?xì)鈬娚溟y咬死還是燃?xì)忾y堵塞，任何非正常的燃?xì)饬鲗?huì)被立刻檢測(cè)出來，燃?xì)夤?yīng)將會(huì)停止，燃?xì)夤芫€將被惰氣清洗，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)切換到純?nèi)加湍Ｊ健?/p>

圖4 ME-GI燃?xì)庀到y(tǒng)

4 尾氣排放

4.1 NOX排放

高溫、富氧和高溫持續(xù)時(shí)間是影響柴油機(jī)NOX生成的主要因素。當(dāng)反應(yīng)的溫度高于2 200 K 時(shí)，溫度每上升90 K，氮氧化物NOX的生成量會(huì)翻倍增加［6］。

MAN 4T50ME-GI-X性能測(cè)試表明，與燃油模式相比，燃?xì)饽Ｊ较碌拓?fù)荷時(shí)NOX減排較小，在75%負(fù)荷左右時(shí)NOX減排最顯著。E3循環(huán)測(cè)試下，燃油模式和燃?xì)饽Ｊ降腘OX比排放值分別為15.7 g/kW·h和 11.9 g/kW·h，NOX減 排 達(dá) 24%，滿足IMO Tier II的NOX排放要求。因此，MAN ME-GI必須配備EGR（廢氣再循環(huán)）或SCR（選擇性催化還原）系統(tǒng)才能滿足Tier III 的NOX排放標(biāo)準(zhǔn)［7］。

ME-GI屬于狄塞爾循環(huán)，而2-S DF屬于奧托循環(huán)。從圖5中可以看出，狄塞爾循環(huán)中氣缸內(nèi)的最高燃燒溫度明顯高于奧托循環(huán)，高溫持續(xù)時(shí)間也較長，因此當(dāng)燃燒室氧氣濃度相當(dāng)時(shí)，狄塞爾循環(huán)中NOX的生成量要高于奧托循環(huán)［8］。宣稱其2-S DF發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较翹OX排放約2 g/kW·h（圖7），滿足Tier III 排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 狄塞爾循環(huán)和奧托循環(huán)的溫度比較

因此，從尾氣NOX排放方面來說，2-S DF要優(yōu)于MAN ME-GI，這也是ME-GI 發(fā)動(dòng)機(jī)采用狄塞爾循環(huán)而產(chǎn)生的弊端。

4.2 CO2排放

發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中CO2含量主要與進(jìn)機(jī)燃料和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷相關(guān)。MAN 4T50ME-GI-X測(cè)試表明，與燃油模式相比，不同負(fù)荷燃?xì)饽Ｊ綍r(shí)CO2減排量基本一致，約為23%［7］。2-S DF燃?xì)饽Ｊ綍r(shí)尾氣中CO2排放會(huì)減少25%［1］。因此，從CO2排放及控制角度來看，兩種機(jī)型差別很小。

4.3 SOX排放

低速二沖程柴油機(jī)的燃油消耗率一般在160～195 g/kW·h，假定兩機(jī)型的燃油消耗率都為180 g/kW·h，燃油含硫量為全球船用燃油平均含硫標(biāo)準(zhǔn)2.7%，根據(jù)點(diǎn)火油量大約可計(jì)算出尾氣中SOX含量。MAN ME-GI的點(diǎn)火油量一般在5%～8%之間，最新宣傳其點(diǎn)火油量可降低到3%，假如點(diǎn)火油量按5%計(jì)算，考慮尾氣中SOX主要是SO2，SO2分子量64，比S增加1倍，因此燃?xì)饽Ｊ较?，尾氣中SOX含量約為180×0.05×0.027×2=0.486 g/kW·h。

5 經(jīng)濟(jì)性

狄塞爾循環(huán)的熱效率隨壓縮比的增大而增大，ME-GI發(fā)動(dòng)機(jī)與ME發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比相同，缸內(nèi)平均有效壓力幾乎不變，因此燃?xì)饽Ｊ较戮哂信c二沖程柴油機(jī)相同的熱效率，均達(dá)到50% 左右［7］。此外，天然氣中甲烷值量對(duì)ME-GI發(fā)動(dòng)機(jī)影響甚小，一般情況下，MAN ME-GI發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饽Ｊ綍r(shí)都能100%功率輸出。

圖6 2-S DF發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出

6 安全性

6.1 空燃比控制

由于甲烷與空氣混合物的著火延遲時(shí)間要長于柴油，甲烷燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫驳陀诓裼停圆裼?天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)易產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象［8］。

（1）適當(dāng)增加點(diǎn)火油量，減少天然氣量，低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)效果特別明顯；

（2）提高轉(zhuǎn)速，加強(qiáng)燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)，提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，降低燃?xì)饨K燃溫度，減緩爆震；

圖7 2-S DF發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比控制

ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)采用狄塞爾循環(huán)，壓縮行程只壓縮新鮮空氣，燃?xì)獠粎⑴c壓縮過程，點(diǎn)火油壓燃后，天然氣高壓噴入直接燃燒，因此無需空燃比控制，消除失火和爆燃問題，可采用與柴油機(jī)相當(dāng)?shù)膲嚎s比。由于ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)消除爆燃問題，因此對(duì)燃?xì)鉀]有抗爆性能的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃?xì)獾倪m應(yīng)性好，可以使用低甲烷值的燃?xì)猓踔量梢允褂靡簯B(tài)石油氣LPG作為燃料。

6.2 燃?xì)膺M(jìn)入掃氣箱

MAN ME-GI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油和天然氣是在壓縮行程的末端噴入，天然氣噴入氣缸內(nèi)直接燃燒，因此天然氣穿過活塞環(huán)到達(dá)掃氣箱的危險(xiǎn)較??；但是是在壓縮中間行程噴入天然氣，因此壓縮行程中天然氣穿過活塞環(huán)到達(dá)掃氣箱的危險(xiǎn)較大?；谏鲜隼斫?，DF對(duì)活塞環(huán)的密封性要求較高，需要監(jiān)測(cè)和安全保護(hù)措施［10］。2-S DF安裝燃?xì)忾y傳感器檢查燃?xì)忾y的動(dòng)作，當(dāng)燃?xì)忾y誤動(dòng)作時(shí)，切斷燃?xì)夤?yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)切換到純?nèi)加湍Ｊ?，但仍有可能因燃?xì)鈬娚溟y的閥面/閥座接觸不良，致使發(fā)動(dòng)機(jī)在活塞越過燃?xì)鈬娚溟y后（如圖2中右圖：點(diǎn)火膨脹做功位置）燃?xì)庑孤┻M(jìn)入掃氣箱。

7 結(jié) 論

［1］ Wartsial.Wartsila 50DF product guide［EB/OL］.［2010-02］http：//www.wartsila-hyundai.com/data/project_guide/Project_guide.pdf.

［2］ MAN Diesel.ME-GI Dual Fuel MAN B&W Engines：A Technical，Operational and Cost-effective Solution for Ships Fuelled by Gas［EB/OL］.［2010］.http：//www.dma.dk/themes/LNGinfrastructureproject/Documents/Bunkering%20operations%20and%20ship%20propulsion/ME-GI%20Dual%20Fuel%20MAN%20Engines.pdf.

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