柴油-LNG雙燃料船用發動機排放特性試驗研究

錢良智

(中國船級社武漢分社，武漢430022)

柴油-LNG雙燃料船用發動機排放特性試驗研究

錢良智

(中國船級社武漢分社，武漢430022)

為研究單點進氣雙燃料發動機的經濟性和排放性能,將一臺傳統船用發動機改裝成增壓器后單點進氣雙燃料發動機,進行原機和雙燃料模式的負荷特性對比試驗。結果表明,單點進氣雙燃料發動機經濟性略有下降,NOx排放基本持平,HC和CO排放大幅上升,說明簡單改裝的總管進氣雙燃料發動機的經濟性和排放性能都不具有優勢。

LNG;柴油;雙燃料;排放

隨著石油資源的日益匱乏,世界各國都在尋求理想的發動機替代燃料;近年來全球環保意識逐漸得到增強,對替代燃料的渴求也越來越強烈。作為世界主要運輸方式的承擔方,航運業已成為CO2的排放大戶。另外,近幾年來,國際海事組織(IMO)不斷對船舶有害氣體排放標準［1］進行修正,也促使船用發動機制造商想方設法降低發動機的廢氣排放量和有害氣體比例,并明確要求降低船用發動機尾氣的SOx和NOx比例。在船用柴油機眾多替代能源中,LNG是一種潔凈能源,在發達國家得到廣泛利用［2］。LNG也是一種易于推廣的替代能源,被公認為適應未來環保要求的船舶最佳燃料。目前,我國已有多艘船舶正在進行將LNG作為動力燃料的改建,為了了解簡單改裝雙燃料發動機的經濟性和排放情況,選取作為內河船舶動力源之一的Z6170柴油機為主要研究對象,選取常用的雙燃料進氣和控制系統,將常規柴油機Z6170改裝成柴油/LNG雙燃料發動機,進行排放對比試驗。

1 原理

柴油/LNG混合動力,是在不改變原柴油機結構的基礎上,加裝可燃用液化天然氣的混燃系統,改裝成柴油/LNG雙燃料混合動力。柴油/ LNG雙燃料發動機具有兩種工作狀態,兩套燃料儲存系統。當使用柴油/LNG混合燃燒時,以壓燃少量噴入缸內的柴油作為“引燃燃料”,LNG作為主要燃料［3-4］。在不適合使用燃氣的情況下(如燃氣噴射閥斷路、燃氣溫度壓力過低或水溫過低等),切斷燃氣噴射,并將柴油的控制權歸還原機控制單元。因此,發動機可以在純柴油和柴油/LNG雙燃料兩種模式下工作。目前這種方式是內河天然氣發動機的首選方式,因為改造完全不影響純柴油模式運行的性能,所以操作上具有極強的靈活性,便于在船舶上推廣使用。

2 試驗裝置

圖1為試驗系統結構示意圖。

圖1 試驗系統結構示意

試驗所用的柴油/LNG雙燃料發動機由一臺Z6170柴油機改裝而成,供氣系統采用增壓器后單點電控噴射進氣,其主要技術規格見表1。

表1 Z6170柴油機主要技術規格

試驗中所用的主要儀器設備型號:江蘇啟測Y880水力測功器,ECK500發動機測試控制系統,發動機廢氣排放分析儀CAI600。表2為試驗所用循環。

表2 恒速輔發動機試驗循環

3 試驗結果

對于雙燃料發動機,天然氣對于柴油的替代率是其主要評價指標之一,通常定義為:在發動機工況相同條件下,改用雙燃料工作方式后,天然氣所替代的柴油量md與純柴油工作模式下的柴油消耗量mt之比。即

式中:Φm——天然氣替代柴油率［5］。

試驗內容為負荷特性試驗,發動機的轉速為1 000 r/min,雙燃料模式時各工況點的柴油替代率列于表3,替代率的選取主要考慮覆蓋范圍、經濟性、發動機安全運行等因素。

表3 負荷特性試驗時各工況點的柴油替代率

3.1 當量耗油率

當量耗油率是衡量雙燃料發動機經濟性能的重要指標。當量耗油率是當量耗油量與有效功率的比值,當量油耗量需經過LNG與柴油的熱值進行轉換計算。本次試驗用LNG的主要成分為:甲烷(CH4)96.7%、乙烷(C2H6)1.68%、氮氣(N2) 1.00%、丙烷(C3H8)0.32%。該成分LNG的低熱值約為49.5MJ/kg,柴油低熱值為42.8MJ/kg。雙燃料模式當量耗油率與純柴油耗油率對比見圖2。

圖2 雙燃料模式當量耗油率與純柴油耗油率對比

低負荷時的過量空氣系數較大,缸內溫度較低,不利于天然氣的燃燒,在10%和25%低負荷工況未摻入LNG。在50%、75%和100%負荷下,雙燃料模式的當量耗油率均高于柴油機,上升幅度不超過10%。

3.2 NOx排放對比

NOx排放對比見圖3。由圖3可見,中低負荷下,雙燃料模式NOx排放略有降低或基本持平, 100%負荷則大幅上升,加權總比排放微略增加。

圖3 NO x排放對比

3.3 THC排放對比

THC排放對比見圖4。

圖4 THC排放對比

由圖4可見,低負荷情況下,未摻入LNG燃料,雙燃料模式THC排放變化較小,中高負荷情況下THC排放大幅上升,各負荷下的替代率逐漸增大,隨著負荷的增加,THC排放增加,100%負荷上升幅度最明顯。因此,雙燃料模式THC加權排放值大幅增加。

3.4 CO排放對比

CO排放對比見圖5。

圖5 CO排放對比

由圖可見,在50%、75%和100%負荷下,雙燃料模式的CO都比純柴油的高得多,但增加的幅度越來越小。低負荷情況下基本持平。雙燃料模式CO的加權排放值大幅增加。

4 結果分析

由圖2可以看出,采用總管進氣的雙燃料發動機的當量耗油率比常規發動機略高,表明總管進氣的預混合燃燒方式在經濟性上沒有優勢,這是由幾方面的原因造成的。首先,這種總管進氣方式,類似于傳統汽油機的供油方式,在原理上比通過質調節的缸內直噴方式要差一些。相較于缸內直噴,總管進氣會有更多的未燃天然氣沒有得到有效利用而直接隨廢氣排出,氣門疊開期間不可避免地會有部分可燃混合氣從排氣門直接排出。其次,總管進氣方式只能對整機的空燃比進行控制,不能實現單缸精確控制,也就無法實現分層燃燒,還會影響充氣效率,難以達到較高的燃燒熱效率。有文獻表明,雙燃料發動機的效率比柴油機要低10%。因此,總管進氣的供氣方式,無論是增壓器前還是增壓器后進氣,都無法獲得較好的經濟性,與常規柴油機持平甚至略差。

由圖3可以看出,NOx排放特性呈現出高負荷工況下雙燃料模式NOx排放量比柴油機高,中低負荷工況下雙燃料模式NOx排放量比柴油機低的現象。這是因為負荷特性試驗循環每個工況的轉速都相同,影響NOx排放量的主要因素是氧含量和最高燃燒溫度。中低負荷工況下過量空氣系數較大,但由于缸內溫度和壓力低,天然氣的燃燒持續期較長,抑制了NOx的生成;高負荷工況雖然替代率較大,過量空氣系數較小,但總體還是富氧狀態,缸內溫度和壓力高,燃料混合氣充分燃燒,燃燒持續期較短,使得最高燃燒溫度上升,高溫的持續期也較長,促進了NOx的生成。整體來看,雙燃料發動機采用總管進氣方式,對于降低NOx排放的效果不是很明顯,基本與常規柴油機相當,從降低NOx排放的角度出發,高負荷工況不宜采用過高的替代率。

由圖4可以看出,雙燃料發動機的THC排放大幅上升,這也印證了總管進氣發動機在經濟性上沒有太大的優勢。對于柴油機而言,由于短促噴油后壓燃,燃油滯留在氣缸內的時間較短,HC主要來自燃油噴注的外圍因來不及著火而形成的過稀混合氣,其量一般較少［6］。對于總管進氣的雙燃料發動機,天然氣以預混方式進入氣缸,在壓縮沖程,缸內壓力升高,混合氣被擠入燃燒室的各種縫隙中,如活塞、活塞環與氣缸壁之間的間隙,縫隙壁面溫度較低,火焰無法傳播到這些地方,缸內壓力繼續上升,又有部分混合氣被進一步擠入縫隙,活塞下行缸內壓力降低后,被擠入的混合氣流回缸內,但此時缸內的氧含量和溫度都較低,這些回流的混合氣大部分無法燃燒將直接隨廢氣排出;對于增壓四沖程發動機,換氣過程中的氣門疊開期會造成燃料混合氣的直接排出,增加THC排放。此外,壁面冷激效應也是造成HC排放很高的一個原因。因此,LNG燃料發動機在燃燒過程中存在燃氣不完全燃燒的狀況,致使一部分天然氣燃料通過排煙管排放到大氣當中［7］。總管進氣的雙燃料發動機類似于傳統汽油機,THC排放很高,氣態燃料這一屬性更加劇了這種情況。

從圖5可以看出,雙燃料發動機的CO排放也大幅上升。CO的生成原因是缺氧和低溫,以及反應時間過短。在上述生成HC的狹隙效應中,回流的混合氣在相對缺氧和較低的溫度條件下也會大量生成CO,所以總管進氣的雙燃料發動機CO排放也非常高。而隨著負荷的增加,CO增加的幅度逐漸減小,這是因為增壓柴油機雖然局部有缺氧的情況,總體還是處于富氧狀態,所以在負荷增加的過程中,溫度成為影響CO生成的主要因素。隨著負荷的增加,缸內溫度逐漸升高,有利于CO的氧化,所以CO增加的幅度逐漸減小。

5 結論

1)采用總管進氣改裝方式,空燃比控制不夠精確,經濟性與常規柴油機持平甚至略差。

2)總管進氣混燒型雙燃料發動機的NOx排放與柴油機基本相當。

3)總管進氣混燒型雙燃料發動機的THC和CO排放大幅升高,在一定程度上惡化了雙燃料發動機的經濟性。

4)通過優化替代率可能還有進一步降低NOx排放的潛力,后續的優化中應重點關注如何降低THC和CO排放。

5)總管進氣的雙燃料發動機,結構簡單,改裝成本較低,較易得到推廣應用。但為了更好發揮天然氣這一清潔燃料的優勢,同時解決雙燃料發動機動力性、經濟性和排放性問題,天然氣缸內直噴是具有巨大潛力的技術路徑之一。

［1］國際海事組織.海上環境保護委員會第57屆至58屆會議通過的決議［S］.北京:人民交通出版社,2009.

［2］王 峰,澲繼林.LNG動力船舶發展現狀與趨勢［J］.江蘇船舶,2011,28(5):16-18.

［3］李 斌.雙燃料發動機的工作原理及排放控制［J］.船舶機電技術,2012,35(5):39-41.

［4］吳增剛.大功率190柴油/天然氣雙燃料發動機的試驗研究［J］.內燃機與動力裝置,2010(3):18-25.

［5］孫建文.柴油-天然氣雙燃料發動機的開發與試驗研究［D］.濟南:山東大學,2012.

［6］于偉崢,楊挺然.柴油機排放物的生成機理及降低排放的技術措施［J］.汽車節能,2007(3):17-19.

［7］陳瑞權.LNG產業法規標準的完善性分析［J］.船海工程,2014,43(5):145-150.

Experimental Analysis of Exhaust Emissions in a Dual-fuel Marine Engine

QIAN Liang-zhi
(Wuhan Branch of China Classification Society,Wuhan 430022,China)

In order to research the economy and emission performance of the dual fuel engine with a single point of the air inletmode,a traditionalmarine engine is converted into a dual fuel engine with a single point of the gas intake after the supercharger.In the load characteristics contrast test between the original engine and the dual fuel engine,the experimental results show that the economy of single point intake dual fuel engine declined slightly,the NOx emission is at the same levelwith the original engine,while the HC and CO emissions rise sharply.The simplemodification has no advantage over the original engine on economy and emission performance.

LNG;diesel;dual-fuel;emission

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.034

U664.1

A

1671-7953(2015)03-0142-04

2014-12-24

修回日期:2015-01-30

交通部科技建設項目(2013328811530)

錢良智(1960-),男,學士,高級工程師

研究方向:船用輪機產品檢驗

E-mail:lzqian@ccs.org.cn