大連海事大學(xué)輪機工程學(xué)院 李 斌

雙燃料（DF）發(fā)動機是指可以燃燒氣體（如LNG、LPG等）燃料和液體燃料的發(fā)動機。它是以普通的中速柴油機為基礎(chǔ)，并進行了可燃用氣體燃料的改型。一般來說，可根據(jù)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(nèi)的一些柴油機廠如淄柴、濟柴等也開發(fā)了自主知識產(chǎn)權(quán)的雙燃料柴油機。在目前燃油價格高漲、國際國內(nèi)對排放控制越來越嚴格的情況下，雙燃料發(fā)動機越來越受到市場的青睞。

雙燃料發(fā)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(yīng)船、海上浮式儲油裝置的主機。雙燃料發(fā)動機通常都是在燃氣模式下運轉(zhuǎn)，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(jiān)視燃燒的傳感器探測到某缸燃燒不正常時，機器會自動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)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(guān)的發(fā)動機部件。

在以氣體運行模式工作時，發(fā)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(fā)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(nèi)的燃料（燃氣-空氣混合物）。雙燃料發(fā)動機氣體運行模式工作原理見圖1。

為了保證雙燃料發(fā)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(fā)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(fā)動機負荷的增加，不發(fā)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(fā)動機才能可靠工作。

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

為了達到要求的精確燃燒控制，雙燃料發(fā)動機汽缸內(nèi)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(tǒng)

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

普通的燃油噴射系統(tǒng)一般用于備用模式，在氣體燃料系統(tǒng)因故障或其他原因不能使用以及發(fā)動機啟動時使用。其燃油系統(tǒng)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(chǎn)生高壓，然后經(jīng)高壓油管送至噴油器噴射霧化，用于發(fā)動機的燃燒。

用于氣體燃料點火的引燃燃油系統(tǒng)采用共軌系統(tǒng)，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(qū)動的徑向柱塞泵（內(nèi)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(yīng)安裝在雙燃料發(fā)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(huán)形空間內(nèi)發(fā)生的任何泄漏都會被收集，并導(dǎo)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(fā)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(fā)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(tài)。

三、雙燃料發(fā)動機的排放控制分析和空-燃比控制

一般認為，雙燃料發(fā)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(fā)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(fā)動機的性能和控制有關(guān)，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(guān)，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(shù)值。這正好是在稀薄燃燒的工作窗口之內(nèi)。

為了使雙燃料發(fā)動機的性能始終保持在最佳狀態(tài)，在各種工況下保證適當?shù)目?燃比至關(guān)重要。目前世界上較先進的雙燃料發(fā)動機對空-燃比都有精確的控制。圖5為Wartsila雙燃料發(fā)動機用來調(diào)節(jié)空-燃比的廢氣旁通系統(tǒng)。廢氣旁通閥允許一部分的廢氣旁通。該旁通閥作為一個調(diào)節(jié)器，根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷的情況，通過調(diào)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(fā)動機控制系統(tǒng)（WECS），把空-燃比調(diào)節(jié)至適當?shù)臄?shù)值，而不考慮環(huán)境條件（溫度、濕度等）的變化。

為了精確地控制發(fā)動機在運行窗口范圍內(nèi)工作，在各種條件下優(yōu)化各缸的安全、效率和排放性能，雙燃料發(fā)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(zhì)量、環(huán)境溫度等發(fā)生變化的情況下總能達到最佳的工作性能。如果不能實現(xiàn)對雙燃料發(fā)動機空-燃比的精確控制，其NOx排放可能達到很高的數(shù)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(yīng)用分析[J].世界海運,2012(1):14-16.