船用双燃料发动机关键技术分析

雷　伟，甘少炜，周国强

(中国船级社 武汉规范研究所，武汉 430022)

船用双燃料发动机关键技术分析

雷伟，甘少炜，周国强

(中国船级社 武汉规范研究所，武汉 430022)

摘要：为促进船用双燃料发动机的技术进步，基于目前市场上的主要机型及其特点，对船用双燃料发动机的天然气供给、稀薄燃烧、动态特性优化和甲烷排放控制等关键技术问题进行分析，提出相应的解决途径。

关键词：船用双燃料发动机；天然气供给；稀薄燃烧；动态特性；甲烷排放

当前，使用天然气作为船舶燃料已成为航运业的新热点。然而，我国内河仍普遍使用较为落后的总管进气式混燃发动机，没有充分发挥天然气作为清洁燃料的优势，同时，其热效率也较柴油机没有提高。与混燃发动机相比，双燃料发动机具有明显的减排优势，无需安装尾气排放后处理装置便可满足国际海事组织(IMO)硫氧化物排放控制区(SECA)和氮氧化物排放控制区(NECA)的要求，且热效率也能得到提升。为推动高性能船用双燃料发动机在我国的发展和应用，对双燃料发动机燃烧控制、动力性和排放性能优化等相关技术进行分析，对若干关键技术问题提出解决途径。

1发展现状

双燃料发动机是指既能单独使用液体燃料(燃油)，又能单独使用气体燃料的发动机。在燃气模式下，它通常利用少量燃油(称为“引燃油”)的自行压燃来点燃气体燃料。

目前，Wärtsilä、MAN Diesel&Turbo和Caterpillar、GE等国外知名制造商在双燃料发动机研发方面处于领先地位，均推出了各自的船用双燃料发动机产品；亚洲研发能力较强的厂商，如日本新泻、日本大发、三菱重工、现代重工等，也加人了船用双燃料发动机的研发行列；国内的淄柴、济柴、玉柴等也在竞相开发船用双燃料发动机，力图抢占这一新兴市场。目前市场上的船用双燃料发动机基本上实现了低速机、中速机和高速机的全范围覆盖。

1.1低速机

全球范围内低速双燃料发动机的研发进度相对缓慢，目前仅有Wärtsilä和MAN Diesel&Turbo分别推出了RT-flex50DF和ME-GI等较成熟的二冲程低速双燃料发动机产品。

Wärtsilä的RT-flex50DF二冲程低速机采用低压缸内直喷的进气方式，即在扫气行程中将压力低于1.6 MPa的天然气直接喷入气缸内，在压缩行程终点附近由微量引燃油来点燃天然气，热力循环为Otto循环。缸内实现预混合稀薄燃烧，使得燃气模式下NOx排放可达到IMO Tier III标准。它在全负荷范围内均可在燃气模式下稳定运行，无需在低负荷工况下转换至燃油模式。同时，通过优化气门正时避免天然气直接逃逸、采用预燃室技术促进完全燃烧、优化燃烧室形状避免形成死角等技术，使得其HC排放较类似四冲程双燃料发动机明显降低。

MAN Diesel&Turbo的ME-GI二冲程低速机采用缸内高压直喷进气方式，天然气在压缩行程终点附近以高达30 MPa的压力直接喷入燃烧室内，采用Diesel循环，有3种运行模式：燃油运行模式(100%燃油)、最小燃油运行模式(5%引燃油+天然气)和定量燃气运行模式(引燃燃油+定量天然气)。由于采用高压直喷进气，可完全避免天然气直接逃逸，动力性、经济性及动态特性等均能维持与柴油机相当的水平。但比较显著的缺点在于，在各种运行模式下的NOx排放只能达到IMO Tier II标准，需结合排气后处理技术(如SCR、EGR等)才能达到 Tier III标准。

继Wärtsilä和MAN Diesel&Turbo之后，日本三菱重工正积极进入船用低速气体机领域，并于2012年对外宣称计划开发低速双燃料发动机UEC-LSGi。与ME-GI类似，将采用高压直喷进气方式。

1.2中速机

中速机由于功率相对较小，船上气体燃料储存问题容易解决，且能广泛应用于沿海和内河船舶，其发展受到更多关注，因此研发进度明显领先于低速机。目前Wärtsilä、MAN Diesel&Turbo和Caterpillar等主要制造商均推出了船用中速双燃料发动机。

Wärtsilä在全球中速双燃料发动机领域处于领先地位，从1996年开始相继推出了50DF、34DF和20DF三款中速双燃料发动机，最近又相继推出了46DF和31DF，在燃气模式下均可达到IMO Tier III排放标准。Wärtsilä DF系列双燃料发动机采用进气道多点喷射方式，缸内可燃混合气由引燃油点燃，采用Otto循环，有3套燃料供应系统，包括燃气供应系统、主燃油供应系统和引燃油供应系统。其中，燃气供应采用双壁管直至天然气进入气缸为止，主燃油供应和引燃油供应集成在一个喷油器上，具有3种运行模式：燃气模式、燃油模式和后备模式。燃气模式下，使用引燃油点火，不供应主燃油，引燃油和燃气喷射量及喷射定时均由电控系统进行单缸精确控制；燃油模式下，燃气供应切断，引燃油和主燃油同时供应；后备模式下，使用主燃油工作，而引燃油和燃气供应均被切断。Wärtsilä DF系列双燃料发动机在陆用电站、船用发电、船舶主推进领域获得了十分广泛的应用。

MAN Diesel&Turbo于2007年推出了51/60DF双燃料发动机，包括直列型和V型2种，同样采用了支管多点喷射的缸外预混低压进气方式。与Wärtsilä DF机类似，51/60DF也具有燃气模式、燃油模式和后备模式，且只能在燃油模式下启动和停车。在燃气模式下，采用了稀薄燃烧技术以降低NOx排放。51/60DF起初主要用于陆用发电和船用发电，后逐步拓展至船用主机领域。

Caterpillar公司于2012年推出了M46DF中速双燃料发动机，在M43C柴油机的基础上改造而来，外形尺寸和发动机外观基本不变，着重从配气机构、燃烧室形状、凸轮轴型线、废气旁通阀等几个方面对原柴油机进行了优化设计，增加一套气体燃料供应与控制系统和点火系统，并采用了基于缸压检测、气体泄漏探测、防爆安全阀的安全保护措施。M46DF发动机也采用了支管多点喷射的低压进气方式，在燃气模式下可达到IMO Tier III排放标准，并通过了美国环保署(EPA)Tier 2排放认证。

此外，韩国现代重工推出了H35DF中速双燃料发动机；日本大发正在进行DE28DF和MD36DF中速双燃料发动机的研发；日本新泻已经完成28AHX-DF的研发和实船应用；我国淄柴也于2013年推出了210系列中速双燃料发动机，安庆中船柴油机有限公司也正在进行6230中速机的研发。

1.3高速机

高速双燃料发动机功率低，体积小，燃料需求量少，适合在内河船舶上使用。目前我国厂家主要生产混然发动机，其与双燃料发动机的主要区别体现在燃气模式下，前者是天然气与燃油的混合燃烧，两者的比例可根据发动机负荷的变化进行调节，而后者除微量引燃油外，参与缸内燃烧的全部是天然气。混燃发动机与柴油机相比，NOx排放没有显著改善，甲烷逃逸严重，热效率也没有提高，难以满足日益严格的节能减排市场需求。

目前，我国潍柴正在进行6M26HPDI船用高速双燃料发动机的研发，采用高压缸内直喷进气方式和微量柴油引燃技术。

2关键技术

2.1天然气供给

对于双燃料发动机而言，天然气供给技术直接影响其经济性、动力性和排放性能。目前，双燃料发动机的供气方式主要有支管电控多点喷射和缸内高压直喷两种[1]。

支管电控多点喷射，即在发动机各缸进气支管根部分别安装电控燃气喷射阀，并依照电控系统指令定时定量向相应气缸进气支管喷射天然气，与空气混合后进入气缸。同时，依照发动机的控制脉谱向各缸供给合理的引燃油量。这种供气方式虽然控制策略复杂，成本较高，但可实现各缸天然气喷射量与喷射时间的精确控制，可根据发动机转速和负荷调节空燃比，实现稀薄燃烧，进一步提高动力性和经济性[2]69。而且，其排放性能也明显优于同类型柴油机。目前国外先进的双燃料发动机大多采用这种供气方式。

缸内高压直喷，是指在压缩冲程终点附近将高压天然气(通常在20 MPa以上)通过电控燃气喷射阀直接喷入气缸内，通过微量柴油引燃混合气。这种供气方式由于需要高压燃气系统，因此成本高昂。但发动机采用了迪塞尔循环，实现燃气质调节，消除天然气对充气效率的影响，无爆燃风险[2]70，可采用较高的压缩比，实现与柴油机相当的动力性与热效率，动态特性好。此外，还具有支管电控多点喷射的所有优点。

支管电控多点喷射和缸内高压直喷均能实现单缸空燃比控制，具有充分发挥气体燃料优势的潜力，获得较好的经济性和排放性能。但支管电控多点喷射技术需要开发精确的燃气、燃油喷射系统及电子控制系统，而缸内高压直喷则需要克服高压燃气供应系统结构复杂、控制精度要求高、成本高昂和控制泄露风险等问题。

2.2稀薄燃烧

对于非缸内高压直喷双燃料发动机来说，其燃烧过程均为奥拓循环，通常天然气-空气混合气会参与整个缸内压缩过程，在此过程中，燃烧室中的高温高压可能会引起气体燃料的非受控燃烧，产生高压冲击波作用燃烧室壁上，这就是爆燃现象。爆燃不仅使发动机工作状态恶化，还会缩短发动机零部件寿命。船用发动机为改善动力性，提升功率，一般会采用较高的增压度和压缩比，但这同时也会增加爆燃的风险。

为解决发动机动力性与爆燃之间的矛盾，一个较好的方法就是采用稀薄燃烧技术。稀薄燃烧就是向缸内供给过量的空气，采用很高的空燃比，在相同的放热量条件下，由于部分热量用来加热多余的空气，从而起到降低缸内燃烧温度的作用，抑制爆燃倾向[3]。同时，稀薄燃烧技术还能够大大降低NOx排放，并有利于提高发动机热效率。

图1是典型奥拓循环气体燃料发动机燃烧工作区域。

图1　Otto循环气体燃料发动机工作区域

由图1可见，当平均有效压力较小时，空燃比在较大范围内变化时也不会造成爆燃。但是，为提高发动机动力性，采用较高的平均有效压力，此时为避免爆燃，势必要提高空燃比，但空燃比又不能过高，否则可能造成火焰猝熄甚至失火。因此，对于双燃料发动机来说，要实现稳定高效的稀薄燃烧，必须实现空燃比的精确控制，主要采用进气旁通和废气旁通技术[4]，前者由控制系统根据发动机转速、负荷、进气压力、进气温度等参数来决定进气旁通阀的开度，从而控制进去气缸的新鲜空气量，达到控制空燃比的目的；后者则是通过控制废气旁通阀的开度，控制进入涡轮机的废气量，间接实现空燃比的控制。

另外，稀薄燃烧技术还需要解决稀薄混合气的稳定点火问题。利用柴油引燃可燃混合气，为双燃料发动机提供了一种实现稀薄燃烧的途径，即在压缩上止点附近，将引燃油喷入气缸内，引燃油自行压燃之后，在燃烧室内形成多个火核，提供充分的点火能量，实现可燃混合气的多点着火。

2.3动态特性优化

动态特性反映了发动机通过燃料供给系统的调节作用来响应负荷变化从而保持转速稳定的能力。柴油机采用迪塞尔循环，无爆燃风险，当负荷突变时，可以通过调速器增加或减少燃油喷射量来保持发动机转速稳定。而对于采用奥拓循环的双燃料发动机而言，缸内燃烧存在爆燃区和失火区，见图1。当负荷过快突增时，如果大量增加燃气喷射量，而增压器涡轮转速来不及快速提高，导致新鲜充量不能迅速增加，则会造成空燃比下降，使得发动机进入爆燃区；相反，当负荷过快突卸时，如果大量减少燃气喷射量，则有可能由于空燃比增大使得发动机进入失火区。为避免上述现象发生，通常需对双燃料发动机在燃气模式下的加/减载速率加以限制。图2为Wärtsilä 34DF双燃料发动机驱动可调桨的加载速率[5]，在柴油模式下允许在20 s内完成额定负荷加载，而燃气模式下必须经过300 s才能完成额定负荷加载。

图2　Wärtsilä 34DF双燃料发动机加载能力

从上述分析可知，新鲜充量供应随负载变化的响应能力是影响双燃料发动机动态特性的根本原因。因此，可从改善空气进气能力的角度来改善动态特性。目前比较常用的是可变截面增压技术，即通过调整安装在涡轮外侧的由电控系统控制的导流叶片的角度，控制流过涡轮叶片的气体流量和流速，从而控制涡轮转速，改善空气进气响应工况变化的能力。

另外一个解决动态特性问题的方法是采用缸内高压直喷进气技术，即采用Diesel循环，是发动机避免爆燃和失火的问题，可获得与柴油机相当的动态响应能力。

2.4CH4排放控制

双燃料发动机在燃气模式运行过程中通常会产生较高的甲烷(CH4)排放。CH4排放不仅会影响发动机的热效率，还会造成比CO2更为严重的温室效应[6]。

双燃料发动机CH4排放的主要来源包括：①换气过程气门叠开期的CH4逃逸，这是CH4排放的重要来源；②稀燃区域淬熄，即在某些过于稀薄的区域(过量空气系数>3)，火焰传播不能稳定进行，造成淬熄，产生未燃CH4排放；③壁面淬熄，即在靠近气缸壁壁面的区域，由于热量损失较大产生火焰淬熄，从而造成未燃CH4排放；④狭隙效应，即燃烧室中各种狭窄的缝隙，如活塞、活塞环与气缸壁之间的间隙，由于面容比很大，火焰根本不能在其中传播，产生大量未燃CH4排放，这是双燃料发动机CH4排放的另一个重要来源。

对于双燃料发动机而言，控制CH4排放可从如下方面着手：①优化气门正时，合理控制进、排气门的启闭时刻，尽量减少气门叠开期的CH4逃逸；②改善空气与天然气的混合过程，尽量实现均匀混合，减少稀燃淬熄现象；③优化活塞环顶岸高度设计，尽量减少活塞与气缸壁之间的狭隙区域，事实证明，这是一个降低CH4排放非常有效的手段，日本新泻28AHX-DF双燃料发动机的研究数据表明，将原有活塞环顶岸高度降低一半，可减少CH4排放21%，同时提高热效率0.3%；④采用可变凸轮技术(flexible camshaft technology，FCT)，即在燃气模式和燃油模式采用不同的凸轮型线，图3为Caterpillar M46DF双燃料发动机采用的FCT技术。由图3可见，在全负荷工况下，燃气模式下的气门重叠角较燃油模式显著减小，有利于减少CH4逃逸。

图3　M46DF双燃料发动机FCT技术

3结论

1) 微引燃式支管电控多点喷射和缸内高压直喷有利于实现缸内燃烧控制，提高热效率，并获得较好的排放性能，是未来船用双燃料发动机的主要供气方式。

2) 采用稀薄燃烧技术可有效控制双燃料发动机在高平均有效压力条件下的爆燃风险，同时大幅降低NOx排放。可采用进气旁通、废气旁通来实现空燃比的精确控制，并利用柴油引燃实现稀薄混合气的稳定点火。

3) 奥拓循环双燃料发动机在燃气模式下由于受爆燃和失火的限制，动态特性较柴油机差，可通过可变截面增压、高压缸内直喷等技术来改善空气进气随负荷的响应能力，从而改善动态特性。

4) 双燃料发动机在燃气模式下运行时，由于气门叠开期间的天然气直接逃逸、稀燃区域淬熄、壁面淬熄、狭隙效应等因素，造成较高CH4排放。可通过气门正时优化、改善混合过程、优化活塞环槽顶岸高度、采用FCT等技术降低CH4排放。

参考文献

[1] 黄猛,王国仰,刘康，等.天然气-柴油双燃料船用发动机燃气喷射系统及推进特性研究[J].中国造船,2015,56(2):87-94.

[2] 孙化栋,曹海滨.船用气体燃料发动机的发展与技术分析[J].船海工程,2012,41(6):68-70.

[3] 刘振涛,俞晓莉,费少梅，等.天然气/柴油双燃料发动机燃气供给系统特性研究[J].内燃机工程,2002,20(2):15-19.

[4] 卢瑞军，周志勇，武宪磊.船用天然气发动机关键技术发展及应用[J].内燃机与动力装置,2014,31(3):57-60.

[5] Wärtsilä. Wärtsilä 34DF Product Guides[R].Wärtsilä,2011.

[6] Hinrich Mohr, Torsten Baufeld.面向未来的双燃料发动机技术进展[J].国外铁道机车与动车,2013(6):39-47.

Analysis of Key Technologies for Marine Dual-fuel Engines

LEI Wei, GAN Shao-wei, ZHOU Guo-qiang

(Wuhan Rule and Regulation Research Institute, China Classification Society, Wuhan 430022, China)

Abstract:To promote technical progress of marine dual fuel engines, based on the introduction of main type of marine dual-fuel engines and their characteristics, several key technical issues for marine dual-fuel engines is studied, such as technologies of gas admission, lean-burn, dynamic performance, and CH4 emissions control. The corresponding solutions aere analyzed.

Key words:marine dual-fuel engine; gas admission; lean-burn; dynamic performance; CH4 emissions

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.021

收稿日期：2015-09-30

第一作者简介：雷伟(1983—)，男，博士，高级工程师 E-mail:wlei@ccs.org.cn

中图分类号：U664.1

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)03-0086-05

修回日期：2015-12-04

研究方向:船用柴油机及气体燃料发动机技术