國產雙燃料發動機NOx排放性能分析

大連海事大學輪機工程學院 李斌 孫培廷

隨著世界經濟的不斷發展，一方面對于發動機排放控制的國際法規和地方法規不斷出臺，排放法規越來越嚴格；另一方面由于石油資源的日益枯竭，油價不斷上漲。在這雙重壓力下，雙燃料發動機應運而生。

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。目前的主要機型是以中速柴油機為基礎進行燃用氣體燃料的改型。世界著名的柴油機制造商Wartsila 公司和MAN公司都推出了自己的雙燃料(DF)機型。如Wartsila 20DF, Wartsila 34DF,Wartsila 50DF發動機和MAN的L35/44DF，51 /60DF發動機等。國內的一些柴油機廠如淄柴、濟柴等也開發了自已的雙燃料發動機。雙燃料發動機可根據所使用燃料情況，在氣體燃料和液體燃料之間進行切換。

一、氣體運行模式工作原理和國產雙燃料發動機的改造

圖1 氣體運行模式的工作原理

雙燃料發動機有兩種工作模式: 一種是普通的柴油機工作模式，另一種是氣體燃料工作模式。采用氣體燃料工作模式時以液化天然氣（LNG）為主要燃料，以輕柴油為點火燃料。只有在啟動和某些特殊情況下才會用到柴油模式。在氣體燃料工作模式下，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。這里只描述氣體運行模式的工作原理。

雙燃料發動機氣體燃料工作模式的工作原理如圖1所示。在氣體燃料工作模式下，發動機在吸氣過程中，將氣體燃料通過專用的噴射器噴入進氣道，隨著活塞下行，將氣體燃料和空氣一起吸入氣缸，在壓縮過程中壓縮的是空氣和氣體燃料的混合氣，氣體燃料的燃燒是通過壓縮終點噴入的少量輕柴油來點燃的。

目前，國外較先進的雙燃料（DF）發動機機從技術上已經成熟，而國內柴油機廠在這一方面才剛剛起步，基本上是對原有的中速柴油機進行改裝。改裝對原柴油系統不進行任何改變，發動機仍然依靠機械調速器控制柴油來調速，燃氣控制系統只是控制燃氣的替代量，不參與調速。當系統滿足雙燃料運行模式要求的所示要求時進入“雙燃料運行模式”。此時負載發生變化時（加載或減載），首先是柴油迅速的變化（加油或減油）來維持轉速，然后雙燃料控制器根據內部預先設定好的“全程轉速范圍內的最低燃油位置曲線”生成當前轉速下期望的燃油供應量，通過逐漸提高燃氣的供應量使燃油量逐漸逼近期望值。并參考當前的轉速及燃油供桿位置，計算出燃氣在當前工況下的最高限制值，從而對燃氣的供應量進行最高值限制，在避免出現排溫過高和爆震的情況下盡可能實現高的燃氣替代率。其控制系統如圖2所示。

圖2 雙燃料（DF）發動機的燃氣控制部分

對柴油機進行雙燃料改裝時主機需加裝下述設備：雙燃料控制器、燃氣開度執行器、燃氣閥、燃氣混合器、排溫傳感器、增壓器壓力傳感器、燃油油門位置傳感器和轉速傳感器。雙燃料控制系統中的燃氣控制部分幾乎完全獨立于雙燃料發動機的柴油系統。僅需在柴油供油系統中加裝一個燃油油門位置傳感器。在雙燃料模式下當燃氣開始工作時，控制器不需要發送任何信號給柴油調速器，當部分柴油被燃氣替代時，發動機會自動減小油門以維持相同的轉速和負載。同理，當燃氣退出時，為了維持相同的轉速和負載就需要增加柴油的量，會自動增加油門。在這里會事先根據實驗做出一條“全程轉速范圍內的最低燃油位置曲線”來設定柴油油門，當柴油控制系統的油門齒條超過了這個目標設定曲線，燃氣才會逐漸跟進，通過逐漸提高燃氣的供應量使燃油量逐漸逼近期望值。

二、國產雙燃料發動機的NOx排放狀況

雙燃料（DF）發動機的一大優勢在于它良好的排放性能，目前國外比較成熟的雙燃料發動機都具有非常良好的排放性能，根據世界著名發動機制造廠商提供的資料，采用LNG作為燃料，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%， 這 樣，可以滿足TIER III的排放標準和IMO關于CO2減排的要求，也就是說可以全面達到當前和未來一段時間內IMO關于控制排放的要求。

采用LNG作為燃料來降低發動機的排放，一方面取決于LNG本身的優良性能，另一方面則在于對發動機的良好的燃燒控制。

首先，LNG屬于清潔燃料，其90%以上的成份為甲烷，燃料中的含碳量為75%，與液體燃料相比具有較低的碳氫比，LNG是所有燃料中碳排放最低的，通過燃燒放出相同的熱量，LNG燃燒產生的CO2僅為柴油或重油的70-75%。其次，LNG在運輸和儲存中，需冷卻至－162℃以下液化，在液化過程中，必須除去其中的硫分和雜質，因此其排放中的SOx以及顆粒排放的數量都非常低。因此，只要使用LNG作為燃料，就可以降低排放中的CO2，SOx和顆粒排放。

圖3 空燃比和稀薄燃燒的工作窗口

然而NOx排放的降低則與發動機的性能和控制有關，通常采用稀薄燃燒的方式控制燃燒過程。以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，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，這個比例通常為2.2左右，如圖3所示，空一燃比在小于1時，其NOX排放隨空一燃比的增加而增加，在空一燃比為1左右達到最高值。然后隨著空一燃比的增大，NOx排放也隨之降低，在空一燃比為2.2時NOX排放會達到很低的數值。這就是在稀薄燃燒的工作窗口。空燃比過低會產生爆震等不正常的燃燒狀況，而空燃比過高則可能不發火。所以，為了保證雙燃料發動機的良好工作特性，必須對空一燃比進行有效的控制和優化，使之維持在運行窗口范圍內。

試驗用國產雙燃料發動機為C6170雙燃料柴油機和L8190雙燃料發動機，其基本參數如表1所示。

表1 試驗用國產雙燃料發動機的基本參數

從對國產雙燃料（DF）發動機的排放測試來看，其排放水平并沒有達到國外雙燃料發動機相應的指標，表2 和表3 為所測試的國產C6170雙燃料（DF）發動機采用雙燃料模式和純燃油模式的D2和E3循環的排放性能對比。表4 和表5 為所測試的國產L8190雙燃料（DF）發動機采用雙燃料模式和純燃油模式的D2和E3循環的排放性能對比。

表2 C170柴油機D2模式下純燃油與雙燃料的排放性能對比

表3 C170柴油機E3模式下純燃油與雙燃料的排放性能對比

表4 L190柴油機D2模式下純燃油與雙燃料的排放性能對比

表5 L190柴油機E3模式下純燃油與雙燃料的排放性能對比

三、國產雙燃料發動機的NOx排放性能分析

從NOx排放測試計算結果來看，國產雙燃料（DF）發動機在雙燃料模式下的NOx排放性能只是略好于純燃油模式，但并沒有達到IMO Tier III的標準要求，甚至可以說差距很大，只是達到了IMO Tier II的標準要求。其主要原因如下：

1. 空燃比的控制。在各種工況下保證適當的空一燃比，使發動機在稀薄燃燒的工作窗口范圍內工作，對于雙燃料發動機降低NOx排放至關重要。這需要對增壓器進行準確的選配和精確的控制。國外雙燃料發動機一般有一調節空一燃比的廢氣旁通閥，該旁通閥作為一個調節器，可根據發動機轉速、負荷的情況，通過調整廢氣旁通閥控制柴油機的進氣量，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。而更先進的發動機則采用了可變噴嘴環截面的增壓器。國產雙燃料（DF）發動機在實現對空一燃比的精確控制方面不夠完善，是其NOx排放較高的主要原因。

2. 噴油系統的設計。國外雙燃料（DF）發動機通常有兩套燃油系統，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系統。普通的燃油噴射系統用于燃油工作模式，在氣體燃料系統不能使用以及發動機啟動時維持發動機工作。用于氣體燃料點火的引燃燃油系統通常采用共軌系統，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。用以確保雙燃料發動機有足夠的點火能量和精確的定時。而國產雙燃料（DF）發動機只有一套普通的燃油系統，同時用于氣體燃料的點火和燃油工作模式。

3. 燃氣的替代率。國外雙燃料（DF）發動機由于對空燃比的精確控制和良好的燃油系統設計，保證了雙燃料（DF）發動機有很高的燃氣替代率，可高達90-95%，而目前國產的雙燃料（DF）發動機的燃氣替代率僅為70%左右，在低負荷時則更低，這樣即使發動機以燃氣模式工作，也有至少30%的燃油在工作，這也是國產雙燃料（DF）發動機NOx排放數值較高的另一重要原因。

四、結論

目前，國產的雙燃料（DF）發動機的技術水平還不夠成熟，因此其NOx排放還暫時達不到IMO TierIII的標準要求，其主要原因在于對燃燒過程空燃比的控制較為粗糙，噴油系統的設計不夠完善和燃氣的替代率不足。我們仍需在這些方面做大量的工作。

[1]李斌.雙燃料發動機的工作原理及排放控制[J]. 世界海運，2012（5）pp39-41.