船用低速二沖程雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放控制

黃步松

摘要： 當(dāng)代船舶運(yùn)輸業(yè)的核心問(wèn)題是廢氣排放和經(jīng)濟(jì)性。采用高效、安全、清潔和方便的天然氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)的能源是最優(yōu)的選擇之一。文章介紹船用低速二沖程雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的主要系統(tǒng)的組成，并對(duì)其排放性能和控制進(jìn)行分析，供相關(guān)人員參考。

Abstract： The core issues of contemporary shipping industry are exhaust emission control and economy. Using efficient， safe， clean and convenient natural gas as the engine energy is one of the best choices. This paper introduces the main system composition of marine low-speed， two-stroke， dual-fuel engine， and analyzes its emission performance and control for reference of relevant personnel.

關(guān)鍵詞： 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī);燃料系統(tǒng);稀薄燃燒;排放控制

Key words： dual-fuel engine;fuel system;lean burn;emission control

中圖分類號(hào)：U698????????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0041-02

1? 排放法規(guī)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前船舶運(yùn)輸每年排放的氮氧化物（NOX）氣體占到總排放量的10-20%，硫氧化物（SOX）占總排放量的4～8%，二氧化碳（CO2）占到總排放量的6%[1]，可見(jiàn)，海洋和大氣的主要污染是船舶燃用的燃料油引起的。

國(guó)際海事組織（IMO）于2008年10月對(duì)MARPOL公約附則VI中關(guān)于船舶的廢氣排放提出了更苛刻的要求。對(duì)于NOX排放的限制，要求2016年在排放控制區(qū)域的英吉利海峽、英國(guó)北海、波羅的海、地中海、美國(guó)東西海岸以及澳大利亞沿海等區(qū)域滿足IMO Tier Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)SOX排放的限制，附則VI要求，2020年1月1日及以后，一般航區(qū)船舶使用的含硫量不超過(guò)0.5%;排放控制區(qū)內(nèi)航行時(shí)不超過(guò)0.1%。我國(guó)交通運(yùn)輸部在《船舶與港口污染防治專項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施方案（2015-2020年）》中提出[2]，與2015年相比，長(zhǎng)三角、珠三角及環(huán)渤海水域船舶到2020年的氮氧化物應(yīng)減少20%、硫氧化物減少65%、顆粒物排放量應(yīng)減少30%。顯然，使用傳統(tǒng)的以燃燒燃油的柴油機(jī)作為船舶的主要?jiǎng)恿ρb置已不能滿足MARPOL公約附則VI的排放要求。為了滿足最新排放要求，采用高效、安全、清潔和方便的天然氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)的能源是最優(yōu)選擇。

2? 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是以可燃?xì)怏w為主要燃料，采用柴油為引火燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)。甲烷是液化天然氣LNG中的主要含量，占其總量90%以上，其它為乙烷、丙烷、丁烷等[3]。甲烷的碳?xì)滟|(zhì)量比為1∶4，是碳?xì)浔茸畹偷奈镔|(zhì)，即發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生同樣熱量甲烷的CO2排放是最少。以天然氣為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)NOX的排放只有原來(lái)的10～15%，SOX排放基本為零。目前，應(yīng)用比較多的船用二沖程低速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)有MAN公司的高壓燃?xì)釳E-GI型和WIN G&D公司的低壓燃?xì)釾DF型兩種機(jī)型。主要用于海洋工程船、成品油船、渡輪、多用途船、滾裝船和集裝箱船等。

2.1 工作模式[4]

ME-GI發(fā)動(dòng)機(jī)是MAN B&W公司在電控柴油機(jī)ME的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成的，其工作模式有：

①燃?xì)饽Ｊ健＜聪葘?dǎo)點(diǎn)火油噴油量保持不變，而每循環(huán)的燃料氣體的供給量改變。此時(shí)控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷大小與轉(zhuǎn)速高低，自動(dòng)增加或減少每循環(huán)的燃料氣體供給量。

②油氣混合模式。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)每循環(huán)天然氣的供給量保持不變，而每循環(huán)的先導(dǎo)點(diǎn)火油噴油量改變。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)負(fù)荷與轉(zhuǎn)速的變化情況自動(dòng)增加或減少每循環(huán)的燃油量。

③燃油模式。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到燃?xì)夤┙o系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將自動(dòng)切斷燃?xì)獾墓?yīng)而轉(zhuǎn)換為使用100%燃油運(yùn)行，此時(shí)即按ME電噴柴油機(jī)模式工作。

2.2 燃料噴射系統(tǒng)

ME-GI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴射系統(tǒng)包括燃油噴射系統(tǒng)和燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)兩部分。燃油噴射系統(tǒng)的控制同ME電控柴油機(jī)一樣，但控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)壓力傳感器，用于檢測(cè)點(diǎn)火油的噴射壓力。低壓燃油進(jìn)入燃油升壓泵后由30MPa伺服油驅(qū)動(dòng)送到每個(gè)氣缸蓋上的兩個(gè)噴油器中，通過(guò)電控燃油電磁閥FIVA實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油壓力、噴油定時(shí)和噴油量的控制。而燃?xì)庀到y(tǒng)使用共軌結(jié)構(gòu)。從BOG供給系統(tǒng)的高壓天然氣送到燃?xì)夤曹壒苈废到y(tǒng)中，控制系統(tǒng)根據(jù)曲柄角度編碼器判斷各缸活塞的位置，通過(guò)ELGI燃?xì)饪刂崎y，由伺服油驅(qū)動(dòng)燃?xì)鈬娚溟y的開(kāi)啟[5]。

2.3 BOG供給系統(tǒng)

ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在ME電控柴油機(jī)中增加了LNG天然氣蒸發(fā)氣即BOG（Boil-off gas）供給系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)有兩種，一種是采用壓縮機(jī)的供氣系統(tǒng)，另一種為低溫高壓泵供氣系統(tǒng)。船上一般使用兩組低溫高壓泵式燃?xì)夤庀到y(tǒng)，而陸用電站采用壓縮機(jī)式燃?xì)夤庀到y(tǒng)。低溫高壓泵供氣系統(tǒng)是將LNG的貨艙中蒸發(fā)出來(lái)的天然氣（BOG）由兩臺(tái)高壓泵加壓到25～30MPa后，送到燃?xì)夤曹壒苈废到y(tǒng)中。LNG貨艙內(nèi)的壓力在BOG減少時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)減少低溫高壓泵的排量或使BOG蒸發(fā)，加大BOG的供應(yīng)量使之保持穩(wěn)定;當(dāng)BOG的數(shù)量增加，使貨艙內(nèi)的壓力超出設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)將過(guò)多的燃?xì)馔ㄟ^(guò)再液化裝置液化送回貨艙，也可以送到氣體燃燒器進(jìn)行燃燒處理[5]，使LNG貨艙內(nèi)的壓力恒定。

2.4 空燃比

XDF氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能主要取決于對(duì)燃燒的精確控制。圖1所示是“稀薄燃燒”的空燃比與發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力、熱效率及NOX排放的關(guān)系。由圖可知，燃燒室內(nèi)的空燃比在2～2.3之間時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性最高，NOX排放最低。如果空燃比太低，在燃燒過(guò)程中易出現(xiàn)爆燃、效率降低、NOX排放過(guò)高等現(xiàn)象，而空燃比太高，則可能出現(xiàn)不著火的現(xiàn)象。在平均有效壓力大于20bar左右的高負(fù)荷區(qū)，爆燃區(qū)和不著火區(qū)非常接近，發(fā)動(dòng)機(jī)只有在空燃比為2.2的很窄區(qū)域內(nèi)才能可靠運(yùn)行。因此，通過(guò)電子控制各缸空燃比就可以使各缸達(dá)到低排放燃燒要求。雙燃料柴油機(jī)對(duì)每個(gè)缸氣體燃料的供氣量是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷和燃?xì)獾臒嶂底詣?dòng)進(jìn)行單獨(dú)控制調(diào)整，并通過(guò)調(diào)整各缸的進(jìn)氣空氣量和燃?xì)庀嗥ヅ淇刂聘鞲椎目杖急取?/p>

3? 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放控制

WIN G&D公司XDF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是燃?xì)庠诘蛪海s為1.6MPa）噴射預(yù)混合燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)按照奧特循環(huán)采用“微點(diǎn)火”原理工作[6]，此時(shí)低壓天然氣是在活塞上行到將掃氣口關(guān)閉后，到達(dá)中部時(shí)噴入缸內(nèi)，在活塞上行過(guò)程中，燃?xì)庠跉飧變?nèi)與空氣進(jìn)行混合并參與壓縮過(guò)程被壓縮;當(dāng)活塞上行到接近上止點(diǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)（WECS）控制每個(gè)氣缸蓋上的小噴油器，使噴油器向缸內(nèi)噴射少量點(diǎn)火油，點(diǎn)燃缸內(nèi)混合的氣體燃燒膨脹并推動(dòng)活塞下行完成做功。由于XDF發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饽Ｊ讲捎脢W托循環(huán)，其NOX排放主要與發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的控制有關(guān)。由圖1可知，空燃比小于1時(shí)，空燃比增加，NOX排放也增加;空燃比大于1時(shí)，空燃比增大，NOX排放減少，當(dāng)空燃比等于2.2時(shí)達(dá)到了最低值。因此只要通過(guò)精確控制空燃比和點(diǎn)火時(shí)間，就可以獲得最佳燃燒速度，使氣缸內(nèi)燃燒溫度降低，由于NOX排放與氣缸內(nèi)燃燒溫度成正比，從而可以降低NOX排放。據(jù)WIN G&D公司介紹，XDF的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)饽Ｊ絅OX排放比燃油模式能減少90%，能夠直接滿足Tier III的NOX排放要求。

ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)饽Ｊ绞侨細(xì)庠诟邏海s為30MPa）下直接噴入氣缸的擴(kuò)散式燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)按照狄賽爾循環(huán)采用“微點(diǎn)火”原理工作。活塞上行至掃氣口關(guān)閉之前為掃氣行程，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)附近時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)（WECS）控制每個(gè)缸頭上的小噴油器向缸內(nèi)噴射少量點(diǎn)火油，隨后噴入高壓燃?xì)猓ㄈ細(xì)獠粎⑴c氣缸內(nèi)壓縮過(guò)程）并被點(diǎn)火油點(diǎn)燃，使氣體燃料燃燒，高溫燃?xì)馔苿?dòng)活塞下行完成做功過(guò)程。

由于ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是按狄賽爾循環(huán)原理工作，燃?xì)庵苯訃娚涓變?nèi)燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率高，氣缸內(nèi)燃燒溫度也高。由NOX的生成過(guò)程可知，NOX生成與發(fā)動(dòng)機(jī)燃過(guò)程中氣缸內(nèi)氧氣的含量、燃燒溫度以及在高溫氣缸內(nèi)燃?xì)獾耐Ａ魰r(shí)間等條件有關(guān)。燃燒室內(nèi)溫度及氧氣含量升高，燃?xì)庠诟邷貧飧變?nèi)停留時(shí)間延長(zhǎng)，NOX含量都會(huì)增加。據(jù)MAN公司介紹，ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)饽Ｊ娇梢员绕淙加湍Ｊ浇档?4%的NOX排放，但不能滿足Tier III NOX排放要求，還要在排氣管后面加裝EGR或者SCR等尾氣處理技術(shù)才能達(dá)到減排要求[7]。MAN公司在2019年5月已開(kāi)發(fā)低壓燃?xì)獾腗E-GA發(fā)動(dòng)機(jī)，其工作原理與XDF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，燃?xì)饽Ｊ讲捎脢W托循環(huán)，以降低氣缸內(nèi)燃燒溫度，使NOX排放能夠直接符合Tier III要求。

4? 總結(jié)

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料中沒(méi)有硫份，其SOX排放基本為零，沒(méi)有碳煙和顆粒物質(zhì)，CO2排放可減少25～30%。通過(guò)精確控制空燃比和尾氣后處理，可使NOx排放能夠直接滿足Tier III要求。特別是當(dāng)今在應(yīng)對(duì)限硫令法規(guī)方面，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在排放性能方面的優(yōu)點(diǎn)顯得更加突出，將使其在商船上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

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