国产双燃料发动机NOx排放性能分析

2014-03-06大连海事大学轮机工程学院李斌孙培廷

世界海运 2014年1期

大连海事大学轮机工程学院李斌孙培廷

随着世界经济的不断发展，一方面对于发动机排放控制的国际法规和地方法规不断出台，排放法规越来越严格；另一方面由于石油资源的日益枯竭，油价不断上涨。在这双重压力下，双燃料发动机应运而生。

双燃料(DF)发动机是指可以燃烧气体(如LNG, LPG等)燃料和液体燃料的发动机。目前的主要机型是以中速柴油机为基础进行燃用气体燃料的改型。世界著名的柴油机制造商Wartsila 公司和MAN公司都推出了自己的双燃料(DF)机型。如Wartsila 20DF, Wartsila 34DF,Wartsila 50DF发动机和MAN的L35/44DF，51 /60DF发动机等。国内的一些柴油机厂如淄柴、济柴等也开发了自已的双燃料发动机。双燃料发动机可根据所使用燃料情况，在气体燃料和液体燃料之间进行切换。

一、气体运行模式工作原理和国产双燃料发动机的改造

图1 气体运行模式的工作原理

双燃料发动机有两种工作模式: 一种是普通的柴油机工作模式，另一种是气体燃料工作模式。采用气体燃料工作模式时以液化天然气（LNG）为主要燃料，以轻柴油为点火燃料。只有在启动和某些特殊情况下才会用到柴油模式。在气体燃料工作模式下，当监视燃烧的传感器探测到某缸燃烧不正常时，机器会自动转到燃用柴油模式。这里只描述气体运行模式的工作原理。

双燃料发动机气体燃料工作模式的工作原理如图1所示。在气体燃料工作模式下，发动机在吸气过程中，将气体燃料通过专用的喷射器喷入进气道，随着活塞下行，将气体燃料和空气一起吸入气缸，在压缩过程中压缩的是空气和气体燃料的混合气，气体燃料的燃烧是通过压缩终点喷入的少量轻柴油来点燃的。

目前，国外较先进的双燃料（DF）发动机机从技术上已经成熟，而国内柴油机厂在这一方面才刚刚起步，基本上是对原有的中速柴油机进行改装。改装对原柴油系统不进行任何改变，发动机仍然依靠机械调速器控制柴油来调速，燃气控制系统只是控制燃气的替代量，不参与调速。当系统满足双燃料运行模式要求的所示要求时进入“双燃料运行模式”。此时负载发生变化时（加载或减载），首先是柴油迅速的变化（加油或减油）来维持转速，然后双燃料控制器根据内部预先设定好的“全程转速范围内的最低燃油位置曲线”生成当前转速下期望的燃油供应量，通过逐渐提高燃气的供应量使燃油量逐渐逼近期望值。并参考当前的转速及燃油供杆位置，计算出燃气在当前工况下的最高限制值，从而对燃气的供应量进行最高值限制，在避免出现排温过高和爆震的情况下尽可能实现高的燃气替代率。其控制系统如图2所示。

图2 双燃料（DF）发动机的燃气控制部分

对柴油机进行双燃料改装时主机需加装下述设备：双燃料控制器、燃气开度执行器、燃气阀、燃气混合器、排温传感器、增压器压力传感器、燃油油门位置传感器和转速传感器。双燃料控制系统中的燃气控制部分几乎完全独立于双燃料发动机的柴油系统。仅需在柴油供油系统中加装一个燃油油门位置传感器。在双燃料模式下当燃气开始工作时，控制器不需要发送任何信号给柴油调速器，当部分柴油被燃气替代时，发动机会自动减小油门以维持相同的转速和负载。同理，当燃气退出时，为了维持相同的转速和负载就需要增加柴油的量，会自动增加油门。在这里会事先根据实验做出一条“全程转速范围内的最低燃油位置曲线”来设定柴油油门，当柴油控制系统的油门齿条超过了这个目标设定曲线，燃气才会逐渐跟进，通过逐渐提高燃气的供应量使燃油量逐渐逼近期望值。

二、国产双燃料发动机的NOx排放状况

双燃料（DF）发动机的一大优势在于它良好的排放性能，目前国外比较成熟的双燃料发动机都具有非常良好的排放性能，根据世界著名发动机制造厂商提供的资料，采用LNG作为燃料，可以使NOx排放降低80%，SOx排放降低 100%，PM排放降低100%，CO2排放降低30%，这样，可以满足TIER III的排放标准和IMO关于CO2减排的要求，也就是说可以全面达到当前和未来一段时间内IMO关于控制排放的要求。

采用LNG作为燃料来降低发动机的排放，一方面取决于LNG本身的优良性能，另一方面则在于对发动机的良好的燃烧控制。

首先，LNG属于清洁燃料，其90%以上的成份为甲烷，燃料中的含碳量为75%，与液体燃料相比具有较低的碳氢比，LNG是所有燃料中碳排放最低的，通过燃烧放出相同的热量，LNG燃烧产生的CO2仅为柴油或重油的70-75%。其次，LNG在运输和储存中，需冷却至－162℃以下液化，在液化过程中，必须除去其中的硫分和杂质，因此其排放中的SOx以及颗粒排放的数量都非常低。因此，只要使用LNG作为燃料，就可以降低排放中的CO2，SOx和颗粒排放。

图3 空燃比和稀薄燃烧的工作窗口

然而NOx排放的降低则与发动机的性能和控制有关，通常采用稀薄燃烧的方式控制燃烧过程。以保证双燃料发动机可以在功率输出、效率和排放方面得到较好的性能，所谓“稀薄燃烧”，就是通过控制空气——燃气混合物的比例来控制燃烧，这个比例通常为2.2左右，如图3所示，空一燃比在小于1时，其NOX排放随空一燃比的增加而增加，在空一燃比为1左右达到最高值。然后随着空一燃比的增大，NOx排放也随之降低，在空一燃比为2.2时NOX排放会达到很低的数值。这就是在稀薄燃烧的工作窗口。空燃比过低会产生爆震等不正常的燃烧状况，而空燃比过高则可能不发火。所以，为了保证双燃料发动机的良好工作特性，必须对空一燃比进行有效的控制和优化，使之维持在运行窗口范围内。

试验用国产双燃料发动机为C6170双燃料柴油机和L8190双燃料发动机，其基本参数如表1所示。

表1 试验用国产双燃料发动机的基本参数

从对国产双燃料（DF）发动机的排放测试来看，其排放水平并没有达到国外双燃料发动机相应的指标，表2 和表3 为所测试的国产C6170双燃料（DF）发动机采用双燃料模式和纯燃油模式的D2和E3循环的排放性能对比。表4 和表5 为所测试的国产L8190双燃料（DF）发动机采用双燃料模式和纯燃油模式的D2和E3循环的排放性能对比。

表2 C170柴油机D2模式下纯燃油与双燃料的排放性能对比

表3 C170柴油机E3模式下纯燃油与双燃料的排放性能对比

表4 L190柴油机D2模式下纯燃油与双燃料的排放性能对比

表5 L190柴油机E3模式下纯燃油与双燃料的排放性能对比

三、国产双燃料发动机的NOx排放性能分析

从NOx排放测试计算结果来看，国产双燃料（DF）发动机在双燃料模式下的NOx排放性能只是略好于纯燃油模式，但并没有达到IMO Tier III的标准要求，甚至可以说差距很大，只是达到了IMO Tier II的标准要求。其主要原因如下：

1. 空燃比的控制。在各种工况下保证适当的空一燃比，使发动机在稀薄燃烧的工作窗口范围内工作，对于双燃料发动机降低NOx排放至关重要。这需要对增压器进行准确的选配和精确的控制。国外双燃料发动机一般有一调节空一燃比的废气旁通阀，该旁通阀作为一个调节器，可根据发动机转速、负荷的情况，通过调整废气旁通阀控制柴油机的进气量，使各缸在燃气质量、环境温度等发生变化的情况下总能达到最佳的工作性能。而更先进的发动机则采用了可变喷嘴环截面的增压器。国产双燃料（DF）发动机在实现对空一燃比的精确控制方面不够完善，是其NOx排放较高的主要原因。

2. 喷油系统的设计。国外双燃料（DF）发动机通常有两套燃油系统，一个是与普通柴油机相同的燃油喷射系统，另一个是用于气体燃料点火的引燃燃油系统。普通的燃油喷射系统用于燃油工作模式，在气体燃料系统不能使用以及发动机启动时维持发动机工作。用于气体燃料点火的引燃燃油系统通常采用共轨系统，其主要组成部分包括一个泵单元、共轨管路、供油管和喷射器。用以确保双燃料发动机有足够的点火能量和精确的定时。而国产双燃料（DF）发动机只有一套普通的燃油系统，同时用于气体燃料的点火和燃油工作模式。

3. 燃气的替代率。国外双燃料（DF）发动机由于对空燃比的精确控制和良好的燃油系统设计，保证了双燃料（DF）发动机有很高的燃气替代率，可高达90-95%，而目前国产的双燃料（DF）发动机的燃气替代率仅为70%左右，在低负荷时则更低，这样即使发动机以燃气模式工作，也有至少30%的燃油在工作，这也是国产双燃料（DF）发动机NOx排放数值较高的另一重要原因。