基于雙燃料發動機分析船舶動力節能減排實現

0 前言

在持續發展理念深入人心的當下，如何利用現有能源與技術對船舶進行升級，使其具備良好的節能性與環保性，成為社會各界關注的焦點。作為典型的清潔能源，天然氣在節能減排方面具有極為突出的優勢，用雙燃料發動機替代常規發動機，不僅與政府所提出持續發展目標相符，還能夠為企業帶來更為可觀的收入。現階段，國內諸多企業均選擇引入雙燃料發動機，圍繞該發動機的優勢和技術要點展開討論自然很有必要。

1 研究背景

隨著社會的發展，能源短缺的情況變得更加嚴峻，加之國內獲取油氣資源的途徑以進口為主，極易受到國際市場的影響，在此背景下，政府指出應盡快調整能源結構，并加大對新能源進行發展的力度。近幾年，越來越多的國家選擇加入生產、使用LNG(液化天然氣)的陣營，使得LNG一躍成為油氣工業全新熱點，出于確保能源持續功能并對消費結構加以改善的考慮，大規模石油企業紛紛將目光轉向LNG，可以預見的是，未來天然氣將逐漸占據能源格局的主導地位，若我國可牢牢把握這一契機，將使自身在石油儲備方面所存在不足得到有效彌補

。

此外，生態環境給經濟發展所造成影響同樣有目共睹。我國擁有大量船舶，隨著交通運輸業的發展，水路運輸所排放CO

持續增加，預計到2030年，國內水路運輸所排放CO

將達到2.2億t，與此同時，水路運輸所產生硫氧化物和氮氧化物，同樣會給環境造成嚴重污染，若不盡快解決該問題，不僅會導致空氣質量下降，還會使群眾健康受到威脅

。鑒于此，有關人員指出應以低碳發展為落腳點，充分利用現有技術促使水路運輸業轉型，達到節能減排的最終目標。

為控制水路運輸所排放污染物，多家公司選擇對天然氣加以使用。與柴油發動機相比，雙燃料發動機的優勢主要體現在兩個方面，一是能夠將CO

生成量減少20%、并將氮氧化物生成量減少約90%，二是將天然氣作為燃料，可有效解決傳統發動機會排放大量懸浮顆粒物、硫氧化物的問題

。由此可見，大力開發并使用天然氣，可使我國能源結構得到優化，同時有效消除石油消耗所形成壓力，在對能源結構進行調整的基礎上，憑借清潔能源達到節能減排的目標，使社會擁有持續發展所需先決條件。

2 天然氣燃料介紹

研究表明，天然氣中甲烷的占比可達90%，此外，天然氣還含有少量雜質及其他烷類

。有關企業往往會選擇將天然氣置于常壓環境下，通過將環境溫度降至-162℃的方式，使天然氣存在形式轉變為液體，為日后的儲存還有海運提供便利

。純甲烷和LNG的不同如表1所示：

在石油資源儲備稀缺的背景下，對氣體燃料加以運用已成為大勢所趨，作為國際社會所公認的綠色燃料，天然氣的優點主要體現在以下方面：

2.1 環保

綜上所述，國際法維度下搜救國協調權的沖突根源是理論上的對峙及立法上的寬泛，然而，解決這種沖突的方式并不必然需要從這種對峙及寬泛之中尋求一條直接且明確的路徑。從宏觀的角度出發調和這種理論上的對峙，并在實踐中回到技術范疇內尋求國家之間的深入合作，才是搜救國協調權得以順利行使的重要解決途徑。

2.2 儲備充足

3.2.1 配氣、增壓與燃燒系統

2.3 經濟性理想

本次研究發現多見于女性,這與國內外的相關研究相符。田俊等[1]調查了141例門診PVOD患者，發現女性患者是男性患者的2.3倍，西方PVOD患者大樣本調查也顯示了女性同樣容易發生PVOD。這些研究提示女性因為基因易感性，更容易在上呼吸道病毒感染后發生持續的嗅覺功能減退。在健康人群的嗅覺檢測中也發現了性別差異，研究發現女性較男性具有更高的嗅覺辨別覺、敏感度和分辨力，而且這種差異在不同的年齡段人群中均可體現，在老年人群尤為明顯[1]。這可能導致女性患者更傾向于因嗅覺問題就診。

3 雙燃料發動機設計說明

現階段，包括我國在內的諸多國家均已完成了開發雙燃料發動機的工作，實際應用效果表明，該發動機具有適應性佳、低排放還有低油耗的優點，現已在海上運輸領域得到了廣泛運用。

3.1 運行原理

雙燃料發動機的特點是可支持柴油運行、氣體運行兩種模式。正常運行工況下，發動機可通過對燃油噴油泵所安裝齒條進行調整的方式，達到對燃油噴入量加以控制的目的，與此同時，還可視情況調整天然氣的噴出節點和持續時間，確保燃氣配入量符合有關要求，以免發動機出現運行狀態不理想的情況。

3.2 技術方案

全球所儲備原油有限，隨著使用量的增多，其價格較以往有所提高，這也促使有關人員加大了對替代燃料進行開發的力度。天然氣既具備與石油燃料相近的性能，同時其儲備量較石油燃料更加豐富，國內多數能源企業均擁有大量天然氣，獲取天然氣的難度極小，這也為天然氣的大范圍應用提供了有力支持。

要想使發動機具備自動切換運行模式的功能，賦予其更加理想的節能性，關鍵是要保證缸內始終處于稀薄燃燒的狀態，分別針對不同運行模式展開研究，明確不同模式所適用結構型式和各項參數。有關人員應以所掌握資料為依據，利用仿真軟件建模并校準所建立模型，預測發動機運行情況，對可給發動機性能產生影響的參數加以確定，例如，配氣正式、壓縮比和空氣系數等，由此明確可確保發動機長期處于稀薄燃燒狀態的各項參數，調整凸輪軸及活塞，對中冷器、增壓器進行選型，改進配氣凸輪、燃燒等系統所使用零件規格，確保發動機在節能減排方面具有更加理想的表現

。

超聲量化分級系統將誒和超聲圖像細化分為0～3分，0分：存在多個結節，部分表現為囊性結節。1分：單發性結節（直徑＞10mm），混合型結節、點狀鈣化以及強回聲結節；2分：存在實質性的結節，內部存在不均勻回聲，甚至存在聲暈。3分：結節的縱橫比≥1，形態不規則，邊界不清楚，后方回聲逐漸衰減。在診斷過程中以病理結果作為標準，對良惡性分析。

3.2.2 汽化器、儲氣罐

用LNG替代船舶以往所使用燃料，可確保船舶航行期間，僅有少量氮氧化物及CO

生成，對其進行燃燒所生成硫化物，基本可以忽略不計。由此可見，LNG具備傳統燃料所不具有的優勢，對其加以使用很有必要。圖1為常用燃料排放情況。

3.2.4 混合燃料的系統

3.2.3 供應燃料的系統

對供應氣體燃料的系統進行設計時，通常需要考慮兩方面內容，一是發動機對供氣系統所提出要求，二是船舶結構及布局。汽化器、儲氣罐內部氣體，通常要先經過調壓閥、混合器和中冷器等設備的處理，方可進入缸內。空氣則要先通過濾清器到達混合器，再與混合器內部燃氣充分混合，經過渦輪增壓器的增壓處理后，便可正式投入使用。

該系統可被拆分成兩部分，分別是混合器、調節閥。其中，混合器應具備文丘里效應，確保空氣、燃氣能夠按照固定比例進行混合，同時聯合調節閥，以發動機各項參數為依據，對燃氣空燃比加以調整。而調節閥的作用主要是以發動機功率、轉速和當前燃燒狀態，更改燃氣的進氣流量與壓力。

在對船舶所搭載汽化器、儲氣罐進行選擇時，有關人員應以現行規范為依據。除特殊情況外，船舶所搭載儲氣罐均應滿足以下要求：儲氣罐主體所用材料具有良好的絕熱性及保溫性，容積在1000L以上，工作溫度以-196℃為宜，預設壓力應控制在1.6MPa左右，可確保船舶續航能力達到600海里及以上。若船舶需要遠距離航行，則可酌情增加預設壓力，為船舶續航能力提供保證。系統末端與加熱汽化器相連，可利用高溫循環水加熱液態天然氣，促使其狀態由液化轉變為汽化。與此同時，汽化器、儲氣罐對應出氣壓力均應被控制在0.5MPa以內，同時不得低于0.1MPa。

老道不但會相人，更會忽悠人。見人說人話，見鬼說鬼話，老道攬客的手段也不含糊。雖然沒有動用到王祥的玉器，但是這一老一少的新地攤生意是蒸蒸日上，這么一來，王祥在城里的生活費也有了些許著落。

天然氣價格約為柴油價格的3/4，在航行距離相同的情況下，混合動力船舶所投入成本僅為柴油船舶的75%，其經濟性有目共睹

如表2所示。

3.2.5 檢測系統

Rhodamine-123經過與細胞共孵育，快速透過細胞膜，使具有正常線粒體膜電勢的細胞在共聚焦顯微鏡激發下呈現紅色熒光。光動力處理后的細胞熒光強度減弱，表明線粒體膜電位降低，膜通透性發生改變。圖5為rhodamine-123染色標記了光動力處理之后線粒體膜通透性的改變。Rodamine-123的平均熒光強度由55.13降低到22.47，F=4.372,P=0.009。

分別在機艙出風口、混合器上方增設探測裝置，保證每套裝置均可獨立運行，若探測范圍內可燃氣體含量達到限值，探測器將第一時間發布預警，并將供應氣體燃料的途徑切斷，此時，發動機將從最初的雙燃料模式自動切換成燃油模式。另外，還需要對燃燒情況進行實時監控，具體做法如下：在恰當位置安裝傳感器，用來對排溫和缸溫進行監控，確保失火、爆燃等情況能夠被及時發現并得到解決。在保證船舶安全性及可靠性的前提下，使其在節能減排方面所具有優勢得到充分發揮。

依法納稅不僅是每個公民應盡的義務，也是現代文明的重要標志。依法誠信納稅，是一個公民社會信譽的最好證明。“國是籬笆稅是樁，拆了樁子籬散光”，可見稅收是為國聚財，為民收稅。因此納稅不僅是每個公民和法人應盡的義務，而且積極納稅、合法納稅等也是個人信譽的重要表征，納稅光榮更是社會信譽大廈根基所在。

4 雙燃料發動機技術要點探究

要想憑借雙燃料發動機達到節能減排的效果，關鍵是要了解發動機的特點并準確掌握其所使用的技術，充分利用現有技術對發動機性能進行強化。考慮到雙燃料發動機所用燃料并不固定，同時不同燃料所適用燃燒方式往往有所不同，要想突出其所具有的節能性，通常需要用到以下技術：

4.1 稀薄燃燒

石油燃料和天然氣的區別，主要是后者的活化能極高，同時對火焰進行傳播的速度較慢，不僅燃燒周期更長，其后燃傾向也較石油燃料更加嚴重。由此而造成的問題，便是一部分燃氣無法在上止點周圍燃燒，排氣溫度隨之升高，且熱效率也難以得到保證。研究證實，若使用天然氣的發動機，其空燃比在1.6～2.2這一范圍內，則表示發動機處于稀薄燃燒的狀態，有效功率Pe及熱效率相對較高，與此同時，排氣溫度也可以得到相應的制約，此時，發動機各項運行參數基本能夠達到理想水平。對處于氣體模式的發動機而言，柴油噴射的作用主要是微噴引燃，燃燒柴油的過程和常規純氣體機基本相同，隨著稀薄燃燒組織的加入，發動機熱效率將得到顯著提高，其排放量也能夠被維持在較低水平。

4.2 可變配氣正時

本文所討論發動機往往搭載兩種不同的運行模式，分別是柴油模式、氣體模式。考慮到其幾何壓縮比固定，并且對幾何壓縮比加以確定的依據，是采用柴油模式時發動機所表現出的性能，單純采用氣體模式，極易由于壓縮比偏大，導致發動機所承受爆發壓力持續上升，進而出現爆震的情況，給其日常運行所具有穩定性造成不良影響。而配合使用米勒循環、氣體模式，同時對增壓的壓力進行提高，可使稀薄燃燒對應爆震邊界得到拓寬，即使有效壓縮比持續降低，膨脹比仍然能夠維持在較為理想的數值，發動機熱效率自然可得到保障。由此可見，本文所討論發動機應配合使用可變配氣正時的工藝，通過對配氣凸輪軸加以控制的方式，實現以發動機所處運行模式為依據，對配氣正時進行及時切換的設想，若發動機采用柴油模式，則配氣正時所對應循環為狄塞爾循環，如果發動機改用氣體模式，應將配氣正時所對應循環由狄塞爾更改為米勒，同時對米勒循環所具有強度加以控制。

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4.3 雙柴油噴射

研究表明，雙燃料發動機所處運行模式多為氣體模式，若出現負荷快速變化或是燃料不足的情況，該發動機能夠在1s的時間內，將運行模式由氣體模式更改為柴油模式，但需要嚴格控制柴油模式的運行時長，以免燃燒室內部產生大量積炭，致使發動機再次變更為氣體模式后出現爆震或其他問題，給其燃燒穩定性造成不利影響。為保證柴油模式經濟性理想，有關人員指出應將HFO作為主噴燃油，將MDO作為微噴引燃。由此可見，該發動機所搭載噴射系統應為雙柴油系統，其中，一路噴射系統為HFO，另一路噴射系統為MDO，其中，HFO既可以采用高壓共軌，同時也可以采用傳統的機械系統，MDO則為高壓共軌，這樣設計可降低對點火時刻進行控制的難度，確保點火及時。此外，還可以選擇對兩路噴射系統進行集成，同時搭載高壓共軌，在噴油器內恰當位置安裝噴嘴，用來對兩組針閥進行控制。現階段，MAN發動機多采取前一種方案，而瓦錫蘭發動機更傾向于采取后一種方案，在實際運用中，有關人員可酌情選用。

4.4 及時調整空燃比

天然氣可靠、穩定燃燒所對應空燃比往往較柴油更窄，一旦出現空燃比偏高的情況，天然氣著火所具有穩定性便會受到影響，甚至會發生無法著火的問題，不僅會導致可燃氣被大量浪費，還會給發動機正常運行造成不利影響。反之，如果空燃比偏低，天然氣有一定概率出現爆燃情況，進而損壞發動機零件，且受熱零件所承受熱負荷與空燃比成反比，一旦空燃比低于預設值，受熱零件所具有可靠性便會大幅下降，致使發動機無法正常運行。

處于氣體模式時，為保證發動機性能理想，使其達到稀薄燃燒的條件，有關人員往往會根據轉速及負荷對空燃比進行調整，確保在任何工況下，發動機均能夠實現可靠且穩定的運行，同時保證其熱效率可達到理想水平。本文所討論發動機滿足搭載可調增壓系統的條件，該系統通常由增壓器、進排氣/廢氣旁通閥構成，可聯合空冷系統對進氣溫度、增壓的壓力進行調節，由此達到對空燃比加以控制的目的。事實證明，這樣做既能夠使稀薄燃燒組織的設想成為現實，使發動機熱效率得到大幅提高，又可以有效規避爆震等問題的出現，提高發動機所具有的穩定性與可靠性。

4.5 多點燃氣噴射

多點燃氣噴射需要在缸蓋進氣道、進氣歧管的恰當位置安裝燃氣噴射閥，確保在關閉氣門折疊角的同時對燃氣進行噴射，同時保證噴射燃氣的壓力和進氣壓力間所存在差值固定。利用上述方式噴射燃氣，一方面可使天然氣量得到準確控制，另一方面可為燃氣混合效果提供保證。且多點燃氣噴射能夠被用來控制各缸噴射燃氣量，不僅能夠保證各缸始終處于平衡狀態，還能避免空燃比不斷變化的情況出現，提升發動機響應氣體負荷的能力。可以預見的是，未來多點燃氣噴射將在發動機領域得到更加廣泛的運用，有關人員應對此引起重視。

4.6 集成控制發動機

稀薄燃燒將在一定程度上影響發動機空燃比，導致有效空燃比范圍變得更窄，只有做到準確調整發動機各項參數，才能杜絕失火、爆震等問題出現。引入具有監測以及控制運行參數功能的集成系統，可確保發動機在各功率段均能夠做到稀薄燃燒。該系統往往會搭載多個電控模塊，各模塊對應功能均有所不同，可經由數據總線對自身所掌握數據信息進行實時共享，由控制系統負責對發動機參數進行處理，并將經過處理的參數上傳到用戶界面，供用戶使用。

對斜拉橋進行地震響應分析是一個規模巨大而且極為復雜的問題。反應譜方法通過反應譜概念巧妙地將動力問題靜力化，概念簡單，計算方便，可以用較少的計算量獲得結構的最大反應值[1]。因此，世界各國規范都把它作為一種基本分析手段。從1943年M.Biot提出反應譜概念，并且給出了第一條彈性反應譜曲線以來，反應譜理論逐步發展，并被許多國家采納到結構設計抗震規范中。

結論：綜上，無論是從戰略層面、還是從行業發展的角度分析，雙燃料發動機在節能減排方面，均具有較常規船舶動力更為突出的表現。考慮到天然氣具有環保清潔、儲備充足以及燃燒效率高的特點，未來，該發動機必然會得到更加廣泛的運用，要想牢牢把握這一契機，促使船舶動力盡快實現轉型，關鍵需要做到以下幾點：首先是對附加值理想的配套產品進行研發，對進口進行替代；其次是將中速機作為核心，研發相應的雙燃料產品，將產品工程化所存在壁壘徹底打破；最后是將成品油化船和工作串作為目標，對相關產品進行研發，為行業今后的發展提供科學指導。

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