雙燃料發動機的工作原理及排放控制

大連海事大學輪機工程學院 李 斌

雙燃料（DF）發動機是指可以燃燒氣體（如LNG、LPG等）燃料和液體燃料的發動機。它是以普通的中速柴油機為基礎，并進行了可燃用氣體燃料的改型。一般來說，可根據所能獲得的燃料情況，在氣體燃料和液體燃料之間進行切換。目前國際上比較成功的機型是Wartsila 20DF、Wartsila 34DF、Wartsila 50DF柴油機和MAN的51/60DF柴油機等。國內的一些柴油機廠如淄柴、濟柴等也開發了自主知識產權的雙燃料柴油機。在目前燃油價格高漲、國際國內對排放控制越來越嚴格的情況下，雙燃料發動機越來越受到市場的青睞。

雙燃料發動機一般用于LNG船的主機，也可以作為普通渡輪、滾裝船和集裝箱船以及海洋工程供應船、海上浮式儲油裝置的主機。雙燃料發動機通常都是在燃氣模式下運轉，以LNG為主要燃料，只有在啟動和某些特殊情況下才會用到柴油模式。在燃用LNG模式下，當監視燃燒的傳感器探測到某缸燃燒不正常時，機器會自動轉到燃用柴油模式。燃用LNG與燃用柴油時可獲得的輸出功率相同，轉換過程不會造成功率波動。

一、氣體運行模式工作原理

雙燃料發動機有兩種工作模式：一是氣體燃料工作模式，二是普通的柴油機工作模式。采用氣體燃料工作模式時以天然氣為主要燃料，以輕柴油為引燃燃料。這里只描述氣體運行模式的工作原理和與燃氣操作有關的發動機部件。

在以氣體運行模式工作時，發動機在吸氣過程中，在進氣道噴入氣體燃料，并隨著進氣空氣一起進入汽缸，發動機在壓縮過程中壓縮空氣和氣體燃料的混合氣，在壓縮過程的終點，通過噴入少量柴油來點燃（引燃柴油噴射）缸內的燃料（燃氣-空氣混合物）。雙燃料發動機氣體運行模式工作原理見圖1。

為了保證雙燃料發動機可以在功率輸出、效率和排放方面得到較好的性能，通常采用稀薄燃燒的方式控制燃燒過程。所謂稀薄燃燒，就是通過控制空氣-燃氣混合物的比例來控制燃燒，如圖2所示，在低負荷時，雙燃料發動機的工作窗口范圍較大，空氣-燃氣以任何比例混合都可以可靠地燃燒，但隨著發動機負荷的增加，不發火極限越來越接近敲缸極限，這意味著可用的運行窗口范圍減少，在平均有效壓力達20 bar左右的情況下，空-燃比只有2.2左右時雙燃料發動機才能可靠工作。

此外，在低負荷時雖然雙燃料發動機可以可靠工作，但其NOx排放特性和發動機的熱效率并不好，所以，為了保證雙燃料發動機的良好工作特性，必須對空-燃比進行有效的控制和優化，使之維持在運行窗口范圍內。

為了達到要求的精確燃燒控制，雙燃料發動機汽缸內燃氣的進入和點燃是通過電控的。各缸都配備了電控閥：一個進氣閥使燃氣噴入進氣道，一個引燃噴油器用來引燃。噴射是通過WECS控制的（見圖3）。

二、引燃燃油和備用燃油系統

雙燃料發動機有兩套燃油系統，一個是與普通柴油機相同的燃油噴射系統，另一個是用于氣體燃料點火的引燃燃油高壓系統，如圖4所示。

普通的燃油噴射系統一般用于備用模式，在氣體燃料系統因故障或其他原因不能使用以及發動機啟動時使用。其燃油系統與正常的柴油機相同。燃油由加壓泵送至由凸輪控制的高壓油泵產生高壓，然后經高壓油管送至噴油器噴射霧化，用于發動機的燃燒。

用于氣體燃料點火的引燃燃油系統采用共軌系統，其主要組成部分包括一個泵單元、共軌管路、供油管和噴射器。

泵單元可以使引燃燃油泵至所需的壓力值。它包括電動或機械驅動的徑向柱塞泵（內置高壓旁通閥）、燃油濾器和壓力控制閥。如果是電動泵，泵單元應安裝在雙燃料發動機所在的機艙。

高壓燃油由泵單元泵送至共軌管路。從泵到噴油器之間的所有高壓管路都是雙壁的。在雙壁管路的環形空間內發生的任何泄漏都會被收集，并導入到一個安裝有泄漏傳感器的收集裝置中。共軌管路將引燃燃油輸送至各個噴油器，同時它還作為一個蓄壓器，防止壓力波動。供油管將引燃燃油從共軌管路分配到噴射閥。

雙燃料發動機使用的是雙針閥噴油器。大的針閥在燃油和備用操作模式下用于噴射主燃油，小的針閥在氣體操作模式下用于噴射引燃燃油。引燃燃油噴油器針閥的定時和噴射延遲時間通過電磁閥來控制。為了保持引燃燃油針閥的清潔，當雙燃料發動機以柴油模式工作時，引燃燃油噴射閥仍然處于工作狀態。

三、雙燃料發動機的排放控制分析和空-燃比控制

一般認為，雙燃料發動機具有良好的排放性能，與柴油機相比，其CO2排放可減少30%，NOx排放可降低70%～80%。

CO2排放的降低是由于氣體燃料中的碳氫比較低，如LNG的主要成分是甲烷（CH4），燃料中的含碳量為75%，是所有燃料中碳排放最低的，在發動機具有相同的熱效率時，其CO2排放約為使用燃油時的70%。

NOx排放的降低則與發動機的性能和控制有關，而其中最重要的是空-燃比的控制。如圖2所示，NOx排放與空-燃比密切相關，空-燃比在小于1時，其NOx排放隨空-燃比的增加而增加，在空-燃比為1左右達到最高值。然后隨著空-燃比的增大，NOx排放也隨之降低，在空-燃比為2.2時達到了很低的數值。這正好是在稀薄燃燒的工作窗口之內。

為了使雙燃料發動機的性能始終保持在最佳狀態，在各種工況下保證適當的空-燃比至關重要。目前世界上較先進的雙燃料發動機對空-燃比都有精確的控制。圖5為Wartsila雙燃料發動機用來調節空-燃比的廢氣旁通系統。廢氣旁通閥允許一部分的廢氣旁通。該旁通閥作為一個調節器，根據發動機轉速、負荷的情況，通過調整廢氣旁通閥控制柴油機的進氣量，并將旁通閥閥位的反饋信號傳至Wartsila發動機控制系統（WECS），把空-燃比調節至適當的數值，而不考慮環境條件（溫度、濕度等）的變化。

為了精確地控制發動機在運行窗口范圍內工作，在各種條件下優化各缸的安全、效率和排放性能，雙燃料發動機需要對各缸進行精確的單缸燃燒控制，使各缸在燃氣質量、環境溫度等發生變化的情況下總能達到最佳的工作性能。如果不能實現對雙燃料發動機空-燃比的精確控制，其NOx排放可能達到很高的數值，甚至高于普通柴油機的NOx排放。

[1]Alternative Fuels for Ships[EB/OL].[2012-02-03].http://www.wartsila.Com/Wartsila/global/docs/en/ship_power/media_publications/prese_ntations/alternative-fuels-for-ships-presentation.pdf.

[2]李斌.LNG作為船舶代用燃料的應用分析[J].世界海運,2012(1):14-16.