馬義平， 許樂平， 胡以懷， 薛樹業(yè)， 趙 睿

(1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306；2.上海浦江教育出版社，上海 201306)

2017-04-11

馬義平(1977—)，男，安徽無為人，輪機(jī)長(zhǎng)，講師，博士，研究方向?yàn)榇皠?dòng)力裝置有害排放控制，現(xiàn)代輪機(jī)管理與安全技術(shù)。

E-mail:ypma@shmtu.edu.cn

許樂平(1957—)，男，河北衡水人,教授，博導(dǎo)，輪機(jī)長(zhǎng)，博士，從事船舶污染物控制及海洋環(huán)境保護(hù)研究。

E-mail:lpxu@shmtu.edu.cn

1000-4653(2017)03-0033-06

船用LNG動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)部分關(guān)鍵技術(shù)

馬義平1， 許樂平1， 胡以懷1， 薛樹業(yè)2， 趙 睿1

(1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306；2.上海浦江教育出版社，上海 201306)

為研究國(guó)內(nèi)外液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)差異，列表總結(jié)國(guó)內(nèi)外LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀，并對(duì)空燃比、動(dòng)態(tài)特性及點(diǎn)火技術(shù)等因素對(duì)其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放的影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明：影響NOx生成的主要因素有工作循環(huán)方式、空燃比、引燃油量和負(fù)荷等；提高空燃比可改善發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率及NOx排放，但會(huì)影響其動(dòng)力性和THC排放；點(diǎn)火技術(shù)影響空燃比，點(diǎn)火能量升高或柴油微引燃可拓寬稀燃界限，且點(diǎn)火或噴油提前角增加，缸內(nèi)最高壓力、溫度和NOx排放增加，THC和CO減??；采用可變截面渦輪增壓技術(shù)可改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放；雙燃料模式與純柴油模式相比，HC和CO排放增加，NOx和PM排放減少。

液化天然氣；發(fā)動(dòng)機(jī)；空燃比；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；點(diǎn)火技術(shù)

2015年12月4日，交通運(yùn)輸部下發(fā)了《珠三角、長(zhǎng)三角、環(huán)渤海(京津冀)水域船舶排放控制區(qū)實(shí)施方案》；2016年4月1日，長(zhǎng)三角核心港口率先實(shí)現(xiàn)排放控制。積極推進(jìn)液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)在船舶上的應(yīng)用為交通運(yùn)輸部提出的船舶污染物排放控制方案之一。目前，國(guó)內(nèi)外都有以LNG為燃料的船舶發(fā)動(dòng)機(jī)，但技術(shù)水平相差較大。對(duì)船用LNG動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)來說，除了考慮動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及尾氣排放之外，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也是需考慮的重點(diǎn)，直接影響船舶主機(jī)的選型。[1-2]

在船用LNG動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域：文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]對(duì)國(guó)產(chǎn)改造機(jī)雙燃料模式進(jìn)行動(dòng)力性、尾氣排放試驗(yàn)及經(jīng)濟(jì)性分析；雷偉等[5]對(duì)國(guó)產(chǎn)改造機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行研究，并提出未來的發(fā)展方向；馬義平等[6]從動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放等方面比較MAN與Wartsila的機(jī)型；盧瑞軍等[7]論述空燃比控制、點(diǎn)火技術(shù)和安全設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)；MOHR等[8]研究中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的CH4逃逸和引燃油量對(duì)燃燒效率及污染物排放的影響?？v觀已有研究，對(duì)國(guó)內(nèi)外船用LNG動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)差異產(chǎn)生原因及關(guān)鍵技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響進(jìn)行研究的文獻(xiàn)較少。

這里擬通過對(duì)國(guó)內(nèi)外船用LNG動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行比較，分析產(chǎn)生技術(shù)差異的主要原因，并研究關(guān)鍵技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

船用LNG動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀見表1。

1) MAN缸內(nèi)高壓直噴雙燃料機(jī)采用Diesel(狄塞爾)循環(huán)，壓縮比大，熱效率高，定壓加熱可噴射較多燃料，因此動(dòng)力性較大。

2) 低壓雙燃料機(jī)和氣體機(jī)均采用Otto(奧托)循環(huán)，壓縮比和熱效率都比柴油機(jī)小，稀薄燃燒，燃料噴射相對(duì)不多，動(dòng)力性也較小。

3) 混燒機(jī)由柴油機(jī)改造而成，壓縮比基本上無變化，預(yù)混燃燒，理論上在高扭矩、高轉(zhuǎn)速工況下更容易爆震，但因引燃油量約30%，繁星式點(diǎn)火引燃天然氣，燃燒廣泛，降低了爆震傾向。[9]

在經(jīng)濟(jì)性方面，當(dāng)采用雙燃料模式時(shí)，以價(jià)格計(jì)算較為經(jīng)濟(jì)[3,10]，以熱效率計(jì)算時(shí)能耗增加[11]；在動(dòng)力性方面，與純柴油模式相比，雙燃料模式下的平均有效缸內(nèi)壓力略低[3,11-14]，功率下降1%～7%[10]，動(dòng)力性最大下降1.42%[12]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1空燃比控制

空燃比是一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)尾氣排放、發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都有很大影響。[7]

LNG動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的理論空燃比一般為17.2[15]，當(dāng)過量空氣系數(shù)λ(實(shí)際空燃比與理論空燃比)稍大于1時(shí)，燃燒效率最高，NOx排放最多[16]，HC排放最少；當(dāng)λ較小時(shí)，燃燒不完全，HC和CO排放較多；當(dāng)λ較大時(shí)，混合氣為稀薄氣體，燃燒速度變慢，燃燒不穩(wěn)定，HC排放增加，但因缸內(nèi)溫度降低，NOx排放減少[17]。圖1為文獻(xiàn)[5]中的圖2和文獻(xiàn)[18]中的圖1相結(jié)合的結(jié)果。由圖1可知：λ對(duì)NOx和HC的影響完全相反[19]；λ增加時(shí)，氧含量增加，CO減少；發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域同時(shí)受Pe(平均有效壓力)和λ的限制[4]。為提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，降低NOx排放，必須對(duì)空燃比進(jìn)行精確控制。[7,17]

圖1 過量空氣系數(shù)對(duì)燃燒排放和效率的影響

當(dāng)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)在75%負(fù)荷下運(yùn)行，λ從1.375增大到1.59時(shí)，NOx從4.3 g/(kW·h)降低到0.4 g/(kW·h)，扭矩從1 010 N·m降低到210 N·m。[20]燃燒計(jì)算[21]結(jié)果表明：空燃比增加，最高爆發(fā)壓力和指示功率降低，最高燃燒溫度減小并推遲(當(dāng)空燃比從17.2提高到26.3時(shí)，最高爆發(fā)壓力下降19.4%，指示功率下降18%)；當(dāng)空燃比為17.2和19.0時(shí)，燃?xì)鉁囟瘸^2 200 K(一般天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的最高平均燃?xì)鉁囟?，比稀燃時(shí)高250 K。

可見，較大的空燃比可改善熱效率及NOx排放[19]，但會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和HC排放。

目前國(guó)內(nèi)LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的λ值約取1.5，而國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)的λ值一般在2.0以上。λ值的大小與點(diǎn)火、噴射和缸內(nèi)預(yù)混合技術(shù)等密切相關(guān)(重汽WT61595天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的λ值取1.59時(shí)已非常接近失火界限[20]；多點(diǎn)噴射技術(shù)不佳很可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)失火和爆震等非正常燃燒[18]；預(yù)混合區(qū)內(nèi)湍流度高，容易點(diǎn)燃[14])，且受負(fù)荷[17,22]和燃?xì)馓娲蔥16]的影響，負(fù)荷和燃?xì)馓娲试龃?，λ減小。

空燃比控制通常采用可變截面渦輪增壓系統(tǒng)(Variable Geometry Turbocharge, VGT)和廢氣旁通或進(jìn)氣旁通系統(tǒng)。

2.2動(dòng)態(tài)特性

在20%平均有效缸內(nèi)壓力(BMEP)工況下，柴油機(jī)加載主要受煙度線限制，氣體機(jī)主要受爆燃線限制，柴油機(jī)空燃比較氣體機(jī)寬，因而加載能力較強(qiáng)，但兩者差距不大；在75%BMEP工況下，氣體機(jī)加載受爆燃線限制明顯，此時(shí)氣體機(jī)的加載能力明顯比柴油機(jī)差，這是氣體機(jī)的動(dòng)態(tài)特性不如柴油機(jī)的本質(zhì)原因。表1中各機(jī)型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如下：

1)MAN高壓缸內(nèi)直噴雙燃料機(jī)，引燃油先噴入壓燃，再噴射燃?xì)馊紵虮苊獗硷L(fēng)險(xiǎn)，可通過直接增加燃?xì)鈬娚淞縼硖岣吖β剩瑒?dòng)態(tài)響應(yīng)較好。

2)混燒機(jī)引燃油量較大，雙燃料模式的調(diào)速特性與柴油模式相差不大。[2]

3)國(guó)內(nèi)氣體機(jī)的調(diào)速特性不如混燒機(jī)存在調(diào)速問題。[2]

4)目前，僅Rolls-Royce氣體機(jī)采用VGT[5]，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好(在50%負(fù)荷下，該氣體機(jī)的效率比雙燃料機(jī)高16%，負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間僅15 s，而雙燃料機(jī)卻需2 min[13])。

5)低壓進(jìn)氣雙燃料機(jī)或部分氣體機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，需嚴(yán)格控制加載速率(因?yàn)楫?dāng)負(fù)荷突變時(shí)，普通渦輪增壓器需一定時(shí)間來提高轉(zhuǎn)速，從而增加空氣供應(yīng)量，若燃?xì)鈬娚淞吭黾舆^快，則λ下降，發(fā)動(dòng)機(jī)面臨爆燃風(fēng)險(xiǎn)[5])。

2.2.1VGT

在不同工況下改變噴嘴環(huán)葉片的角度，從而控制渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和增壓壓力。VGT低速運(yùn)行時(shí)，扭矩可增加50%。[18]MATLAB/Simulink模擬顯示：在低速時(shí)增加負(fù)荷，普通渦輪增壓柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩過低；而VGT柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速快速上升并很快穩(wěn)定，具有較好的瞬間特性。[23]VGT可與柴油機(jī)各工況實(shí)現(xiàn)最佳匹配，在全工況范圍內(nèi)降低燃油消耗率(最高可降低10%)，低速高負(fù)荷工況下的性能得到明顯改善(扭矩約增加15N·m，油耗率降低2%，煙度降低約50%[24])。

2.2.2廢氣旁通或進(jìn)氣旁通系統(tǒng)

通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、進(jìn)氣壓力和排氣溫度來控制廢氣旁通閥或進(jìn)氣旁通閥的開度，從而控制空燃比。增壓直噴汽油機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)(突加速至90%目標(biāo)轉(zhuǎn)速需3.8 s)，但若在突加速初期關(guān)閉廢氣旁通閥，待發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升至一定程度之后調(diào)節(jié)廢氣旁通閥的開度，則能有效減少發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間(響應(yīng)時(shí)間減少1.9 s[25])。但是,此方法存在著明顯的邊際效應(yīng)：空燃比達(dá)到一定值之后，繼續(xù)提高進(jìn)氣量不會(huì)明顯改善燃燒。[26]基于經(jīng)濟(jì)性考慮，在中低轉(zhuǎn)速和中高負(fù)荷等空氣量不足的工況下，須關(guān)閉旁通閥提高增壓壓力來改善燃燒；在全轉(zhuǎn)速低負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷等空氣量充足的工況下，應(yīng)打開旁通閥來減少換氣過程的功率損失[26]，但旁通技術(shù)更多地考慮改善低轉(zhuǎn)速時(shí)的增壓效果，僅是一種過渡技術(shù)。[27]

2.3點(diǎn)火方式

天然氣的著火性能差，稀薄燃燒所需的點(diǎn)火能量約是汽油機(jī)的4.5倍。[18]點(diǎn)火方式有火花塞點(diǎn)火(預(yù)燃式和預(yù)燃室)和引燃油引燃。[7]

1)預(yù)燃式火花塞點(diǎn)火：點(diǎn)火能力為普通火花塞的100～1 000倍，發(fā)動(dòng)機(jī)λ值可達(dá)1.8 左右。

2)預(yù)燃室火花塞點(diǎn)火：λ值可達(dá)2.0左右。

3)引燃油引燃：通過引燃油噴油器或雙噴嘴噴油器中的引燃油噴嘴噴入一定量的引燃油[6]，引燃油壓燃后引燃天然氣；燃燒是由多處火焰前峰擴(kuò)散穿過混合氣作用的結(jié)果[9]，類似于多火花塞點(diǎn)燃式或繁星點(diǎn)燃式，由于引燃油引燃提供的能量遠(yuǎn)大于電火花提供的能量，使得發(fā)動(dòng)機(jī)可在高空燃比下運(yùn)行，耗能較低。

2.3.1火花塞點(diǎn)火

2.3.1.1 點(diǎn)火提前角

點(diǎn)火提前角減小，后燃加重，最高爆壓和NOx排放有所降低(點(diǎn)火提前角從曲柄轉(zhuǎn)角14°減小到6°時(shí)，扭矩從950 N·m減小到850 N·m，NOx從2.7 g/(kW·h)減少到1 g/(kW·h)。[20]點(diǎn)火提前角增加，最大缸內(nèi)壓力、壓力升高率及缸內(nèi)最高溫度逐漸增加，點(diǎn)火提前角為34°時(shí)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性最佳。[28]點(diǎn)火提前角增大可彌補(bǔ)天然氣火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?約33. 8 m/s[9])導(dǎo)致的熱效率下降，從而改善缸內(nèi)燃燒，增大功率、降低燃?xì)庀穆省29]點(diǎn)火提前角增大造成的缸內(nèi)壓力和溫度升高可通過調(diào)整λ來改善。[20]

2.3.1.2 點(diǎn)火能量

①點(diǎn)火能量達(dá)到35 mJ[30]或41 mJ[31]以上, 發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性無明顯差別。

②點(diǎn)火能量提高可使點(diǎn)火可靠、燃燒改善，對(duì)降低HC較為明顯[32]；點(diǎn)火能量減小會(huì)引起HC排放增加[30-32]，在高負(fù)荷或高速工況下, 點(diǎn)火能量<194 mJ時(shí)，HC 排放有明顯增加[31]。

③點(diǎn)火能量減小，CO排放幾乎無變化[31-32]，而NOx波動(dòng)無明顯趨勢(shì)。

④較高的點(diǎn)火能量可使燃燒更穩(wěn)定可靠[29]，從而降低失火的可能性，拓寬稀燃界限(因λ較大值降低了點(diǎn)火放電時(shí)刻缸內(nèi)的溫度和壓力，減緩了化學(xué)反應(yīng)速率和火焰?zhèn)鞑ニ俾蔥30])。

2.3.2燃油引燃

2.3.2.1 噴油提前角

噴油提前角增加, THC和CO排放減少, NOx排放增加[17,33-34]；THC和CO排放在BMEP為200～400 kPa時(shí)最多，而NOx排放則隨BMEP的增加而增加[17]。此外，碳煙降低，CO2升高，輸出功率先增大后降低，燃料消耗率先降低后增大，最大功率處燃油消耗最低。[15]在BTDC 28°～BTDC 36°范圍內(nèi)，最高燃燒壓力、最大瞬時(shí)放熱率及缸內(nèi)最高溫度隨點(diǎn)火提前角的增大而增大。在雙燃料模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)供油提前角應(yīng)適當(dāng)增大(19 °左右), 既可降低HC和CO排放，又不使NOx增加很多。[34]

2.3.2.2 引燃油量

NOx排放量與引燃油量呈線性關(guān)系。[9]油門較小時(shí)，NOx排放降低；油門較大時(shí)，NOx排放升高。[32]Wartsila(引燃油量1%)和MAN(引燃油量7%)支管進(jìn)氣雙燃料機(jī)NOx排放分別滿足Tier III標(biāo)準(zhǔn)和Tier II標(biāo)準(zhǔn)的要求，MAN正研究減小引燃油量至1%。引燃油量增加，THC減小，NOx增加[8,17]，引燃油量較低時(shí)NOx增加更顯著[8]。此外，NOx在中低負(fù)荷下增加尤為明顯，在高負(fù)荷下改變引燃油量對(duì)THC，CO和NOx的影響變小。[17]引燃油量增加，CO有增加[8]或下降[17,33]。CO排放存在差異可能是國(guó)內(nèi)的引燃油點(diǎn)火技術(shù)與國(guó)外存在差異造成的。此外，引燃油量越多，效率越低，最高有效效率是在占總能量輸入1%左右的引燃油量時(shí)獲得的。[8]

2.3.2.3 噴油壓力

噴油壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率有明顯影響，適宜的軌壓可提高1%的熱效率，噴油壓力在略超過1 000 bar時(shí)獲得最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)效率。[9]

2.3.3小結(jié)

(1) 在雙燃料模式下運(yùn)行時(shí)，可適當(dāng)增大點(diǎn)火或噴油提前角，以改善燃燒和排放；

(2) 點(diǎn)火或噴油提前角增大，燃燒提前，缸內(nèi)最高壓力、溫度和NOx排放增加，THC和CO減少；

(3) 較高的點(diǎn)火或引燃能量可拓寬稀燃界限；

(4) 點(diǎn)火或引燃能量增加，HC減小，但CO，NOx及經(jīng)濟(jì)性的變化因點(diǎn)火或引燃方式的不同而略有不同，原因可能是引燃油能量遠(yuǎn)大于火花塞點(diǎn)火能量。

提高稀燃條件下的氣體燃料燃燒速率是氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，提高點(diǎn)火能量、改變?nèi)伎栈旌蠚庑再|(zhì)和微引燃柴油等方法都可提高稀薄燃燒的燃燒速率。[14]

2.4尾氣排放

2.4.1NOx排放

溫度、氧含量和高溫持續(xù)時(shí)間是影響發(fā)動(dòng)機(jī)NOx生成的主要因素。當(dāng)反應(yīng)溫度高于2 200 K時(shí)，溫度每上升90 K，NOx生成量會(huì)成倍增加。[6]在保持相同的缸內(nèi)最高壓力時(shí)，Diesel定壓加熱循環(huán)的壓縮終了溫度和缸內(nèi)平均溫度均比Otto定容加熱循環(huán)大，由于Diesel循環(huán)壓縮比較大，因此壓縮終了的氣體溫度較高，且Diesel循環(huán)避免了爆燃，循環(huán)過程中燃料噴入量較多。Diesel循環(huán)和Otto循環(huán)的溫度比較[6]見圖2，兩者的最高溫差導(dǎo)致NOx生成量不同，如表1中MAN缸內(nèi)高壓直噴雙燃料機(jī)采用Diesel循環(huán)，其排放僅滿足Tier II標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖2 Diesd循環(huán)和Otto循環(huán)的溫度比較

在雙燃料模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放降低[34]，最高降低88.3%，穩(wěn)態(tài)循環(huán)為15.3%，瞬態(tài)循環(huán)為13.3%[12]，且隨著負(fù)荷的增加，NOx近似線性增加[10]或波動(dòng)增加[12]。但是,有部分文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果(高負(fù)荷下雙燃料模式NOx排放高于純柴油模式[4,10])與上述現(xiàn)象矛盾。文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[10]認(rèn)為高負(fù)荷工況下雙燃料模式的溫度高于柴油模式，因此采用雙燃料模式時(shí)，溫度高于[5,12]或低于[40,41]柴油模式，溫度差異導(dǎo)致NOx生成量不同。甲烷火焰?zhèn)鞑ニ俣缺炔裼偷?2%，因此在采用雙燃料模式時(shí)可能存在后燃，使得平均排氣溫度要高于柴油模式。此外，燃?xì)馓娲蕦?duì)NOx排放也有一定影響，在中低速工況下NOx排放隨替代率的增大而增大，在標(biāo)定工況下NOx排放隨替代率增大而減小，燃?xì)馓娲蕦?duì)NOx排放的影響與實(shí)際空燃比有關(guān)。[16]

綜上所述，影響LNG發(fā)動(dòng)機(jī)NOx生成的主要因素有工作循環(huán)方式(Diesel或Otto)、空燃比、引燃油量和負(fù)荷。

2.4.2HC和CO排放

排放的HC主要來自于未燃燒的HC和甲烷(CH4)逃逸。在中、低負(fù)荷下，λ較大、部分天然氣-空氣混合氣稀薄及未達(dá)到著火界限而不能完全燃燒是HC排放高的主要原因。[22]未燃燒的HC除了可控制空燃比之外，還可優(yōu)化氣道設(shè)計(jì)形成良好的缸內(nèi)氣體流動(dòng)，促使燃?xì)馀c空氣良好混合，實(shí)現(xiàn)充分燃燒。CH4逃逸的原因[8]有：氣門疊開；氣隙(如活塞頂部的環(huán)岸區(qū)域)；燃燒室壁附近的火焰冷激效應(yīng)。CH4逃逸的控制方式[8,18]有：優(yōu)化天然氣供氣和氣門正時(shí)(如可變凸輪軸技術(shù)[5])；減小環(huán)岸容積；增強(qiáng)湍流，提高近壁區(qū)域的溫度。

國(guó)內(nèi)混燒機(jī)為保證在柴油模式下有較高的熱效率，基本未對(duì)原型柴油機(jī)進(jìn)行改動(dòng)，因此CH4逃逸量較大。模擬顯示，LNG泄漏隨氣門重疊角和增壓比的增大而急劇增加，當(dāng)增壓比為1.8～3.0時(shí)，排氣門LNG泄漏量可達(dá)全部LNG的1%～5%；適當(dāng)減小排氣門直徑是減少LNG泄漏的有效措施。[36]

雙燃料模式下的HC排放比純柴油模式增加4倍以上。[10]此外，負(fù)荷增加，燃?xì)馓娲试龃?，THC 排放增加。[4]在各工況點(diǎn)下，隨著CNG替代率的增大，HC排放呈上升的趨勢(shì)。[16]

雙燃料模式下CO排放比純柴油模式增加3倍左右[10]或2～3倍[4]，且在高速、高負(fù)荷工況下兩者的差值更大，因?yàn)樵摴r下燃?xì)馓娲噬?，加上高速時(shí)短時(shí)間燃燒及天然氣火焰?zhèn)鞑ニ俣?約33.8 m/s[18])低于柴油混合氣，著火滯后期延長(zhǎng)，部分混合氣不能充分燃燒，以至于CO排放量迅速上升[23]。在CNG替代率為35%～55%時(shí)，CO排放量達(dá)到最大值，隨后隨替代率的升高而降低；最大轉(zhuǎn)矩工況下CO排放最低。研究表明，CO生成率主要受空燃比的影響，燃料成分對(duì)CO生成的影響不大。[18]

另有研究表明，進(jìn)氣節(jié)流和廢氣再循環(huán),在降低HC排放的同時(shí)，也能減少中等負(fù)荷時(shí)的CO排放，且可保持NOx的排放水平，顯著提高中、低負(fù)荷下的熱效率。[22]

2.4.3PM排放

高溫、高壓和缺氧是碳煙生成的3個(gè)根本條件。[18]雙燃料模式可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的煙度及顆粒排放，穩(wěn)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)PM降低25.0%；瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)PM降低56.1%。碳煙排放量在純柴油模式下為2.0～3.5 rb，在雙燃料模式下為1.5 rb以下[10]；雙燃料模式的煙度僅為純柴油模式的1%[3]。此外，燃?xì)馓娲噬?，碳煙排放降低。[16]PM排放減少的原因有：燃燒完全；天然氣碳?xì)滟|(zhì)量比(C/H)小。有研究[37]顯示：LNG氣化溫度降低有利于降低雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙，NO，CO2和CH4的排放量，但會(huì)造成CO排放增加。

3 結(jié)束語

1)國(guó)內(nèi)混燒機(jī)在雙燃料模式下運(yùn)行，雖能降低運(yùn)行成本，但會(huì)使實(shí)際耗能增加，且CH4逃逸較多，與國(guó)外機(jī)型相比，在能耗和尾氣排放上都有差距。

2)LNG發(fā)動(dòng)機(jī)在雙燃料模式下運(yùn)動(dòng)，HC和CO排放增加，NOx和PM排放減小。

3)影響LNG發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的主要因素有工作循環(huán)方式(Diesel或Otto)、空燃比、引燃油量和負(fù)荷等，其中：工作循環(huán)方式影響最大；而引燃油量與NOx排放量約呈線性關(guān)系。

4)點(diǎn)火技術(shù)影響空燃比，較大的點(diǎn)火能量或柴油微引燃可拓寬稀燃界限，且燃燒穩(wěn)定；當(dāng)點(diǎn)火或噴油提前時(shí)，燃燒提前，缸內(nèi)壓力、溫度及NOx排放增加，但THC和CO排放減小。

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SomeKeyTechnologiesofMarineLNGFueledEngines

MAYiping1,XULeping1,HUYihuai1,XUEShuye2，ZHAORui1

(1.Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China; 2. Shanghai Pujiang Education Press, Shanghai 201306, China)

The technical features of Liquefied Natural Gas(LNG) fueled engines at home and abroad is summarized in an table and the influences of technical factors is analyzed, such as air-fuel ratio, dynamic characteristics and ignition technology on the power, economy and emissions. The results show that the main factors affecting NOxare the work cycle, the air-fuel ratio, the quantity of pilot fuel, and the load. A larger air-fuel ratio is favorable for thermal efficiency and NOxemissions, but deteriorates the power and THC emissions. Ignition technology affects the air-fuel ratio. Higher ignition energy or pilot fuel can extend the lean-burn limit and increase advance angle of ignition or pilot fuel injection, leading to higher maximum pressure, temperature and NOxand lower THC and CO emission. The Variable Geometry Turbocharger (VGT) can improve the dynamic response, economy and emissions of the engine. Compared to the pure diesel mode with the Dual-fuel mode, the emissions of HC and CO are higher and those of NOxand PM are lower.

LNG; engine; air-fuel ratio; dynamic response; ignition technology

U664.1

A