葛越鋒，龔希武，張 恒

（浙江海洋大學 船舶與海洋工程學院，浙江 舟山 316022）

輪機與輔機

雙燃料柴油機超負荷工況燃燒特性分析

葛越鋒，龔希武，張 恒

（浙江海洋大學 船舶與海洋工程學院，浙江 舟山 316022）

超負荷工況是船舶柴油機設(shè)計和運行中應(yīng)考慮的一個重要工況，為更好地提高 LNG/柴油雙燃料柴油機超負荷工況下的動力性、經(jīng)濟性和環(huán)保性，應(yīng)用Chemkin-pro程序?qū)Τ摵晒r下雙燃料柴油機的燃燒性能進行初步研究分析。在超負荷工況下，當甲烷替代率為70%時，缸內(nèi)溫度最高點和壓力最高點都有所降低且滯后；當甲烷替代率為50%時，缸內(nèi)燃燒溫度和壓力的變化與純柴油時基本一致。通過分析得出，在超負荷工況下，甲烷替代率為50%比70%更合理，且能保證柴油機的動力性、經(jīng)濟性和環(huán)保性。

雙燃料；柴油機；超負荷；燃燒特性

0 引 言

當前，隨著環(huán)境保護方面的要求越來越嚴格和化石能源急劇減少，迫切需要尋找清潔高效的新能源。在此情況下，液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）因具有清潔、高效、安全等優(yōu)點而成為關(guān)注的焦點。與傳統(tǒng)的柴油機相比，雙燃料柴油機采用雙燃料運行時可使CO2排放量降低約22%，SOx排放量和顆粒物排放量降低約100%，NOx排放量降低約92%[1]。

目前對 LNG/柴油雙燃料柴油機的研究大多集中在對其額定工況下的燃燒特性、做功情況和柴油機特性等進行分析，而對雙燃料柴油機超負荷工況下的燃燒性能分析卻很少。然而，船舶在正常航行過程中往往會因惡劣海況、臺風及航道地貌等因素影響造成主機超負荷，此時主機若不能提供足夠的動力將導致船舶陷入危險的境地。因此，需對雙燃料柴油機超負荷工況下的燃燒、做功和柴油機性能等進行分析。這里僅對雙燃料柴油機超負荷工況下的燃燒情況進行簡要分析。

我國投入營運的船舶眾多，其中大部分船舶采用以純柴油為主的柴油發(fā)動機。為滿足更為嚴格的國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）TierⅢ法規(guī)要求，對這些純柴油發(fā)動機進行改造，使其采用 LNG/柴油雙燃料更具有實用價值。這里研究的發(fā)動機以能在燃氣模式下超負荷安全運行的船用雙燃料發(fā)動機為主。

1 雙燃料柴油機超負荷工況

我國船舶建造規(guī)范[2]規(guī)定，船舶主機必須能在超負荷工況下（標定功率的110%）連續(xù)運行1h。在惡劣海況下，風、浪、流的變化更大，螺旋槳在海水中受到的阻力不斷變化。此時為平衡阻力、提供動力，柴油機的工作狀況也變得極不穩(wěn)定。柴油機在超負荷工況下運行時，主機工作條件差，氣缸內(nèi)的溫度和壓力都很高，熱負荷和機械負荷比正常工況下大很多。此時柴油機部件內(nèi)外溫差大，熱應(yīng)力和氣缸內(nèi)部壓力過大，產(chǎn)生爆缸、拉缸的可能性隨之增大[3]。這些因素都會縮短主機的使用壽命。

柴油的燃點為220℃，LNG的燃點為650℃，遠高于柴油。因此，燃燒天然氣時需要更高的溫度，在柴油機內(nèi)燃燒時缸內(nèi)的壓力也比原來高。當雙燃料柴油機在超負荷工況下運行時，其溫度變高，壓力更大，柴油機拉缸、爆燃的可能性更大。雖然溫度高有利于天然氣燃燒，但發(fā)生爆燃時未燃的碳氫含量（HC）也會增加，這既不利于燃料利用，也不利于環(huán)境保護。

2 柴油機燃燒模擬

柴油機的燃料由柴油替換為 LNG/柴油雙燃料后，其燃燒性能是否會有大的變化、是否有利于主機運行需作相應(yīng)驗證?？衫肅HEMKIN軟件，根據(jù)化學反應(yīng)機理對各種燃燒過程進行化學模擬，詳細分析燃燒過程及燃燒產(chǎn)物。同時，該軟件自帶內(nèi)燃機模型，能更好地模擬柴油機燃燒做功的過程，進而分析柴油機的工作狀況。對此，利用CHEMKIN軟件進行模擬，針對柴油機額定工況下運行的情況，從溫度、壓力和排放等方面進行分析，驗證LNG替代柴油的可行性。

由于天然氣的燃點要比柴油高很多，因此若以純LNG為燃料，柴油機的壓縮比會增大。若要精確控制天然氣的噴入量，需引入電子噴射系統(tǒng)及尾氣排放控制設(shè)備等，這需要對柴油機進行大的改進。然而，在保證柴油機原有動力性能的情況下，對其進行盡可能小的改進更具有實用價值。因此，采用以柴油引燃、以 LNG/柴油為燃料的柴油機，這樣僅需增加一條天然氣進氣管道，對柴油機改動小。MAN ME-GI和W?rtsil? 2-S DF船用雙燃料發(fā)動機[4]就是采用該方式，能保證發(fā)動機的動力性和安全性。段長曉[5]通過分析多種型號的雙燃料發(fā)動機，比較得出雙燃料發(fā)動機能保證動力性、提高經(jīng)濟性。

天然氣與空氣預先混合，以一定比例進入柴油機氣缸，在上止點前噴入柴油，燃燒膨脹做功。這里主要對該情況進行模擬，采用CHEMKIN軟件中零維單區(qū)的內(nèi)燃機模型對發(fā)動機燃燒過程進行模擬和分析。

在以往對雙燃料柴油機的研究中：馮春龍[6]以MAN公司L21/31船舶中速柴油機改裝的發(fā)動機為研究對象，通過模擬分析得出改裝后的雙燃料柴油機的動力性不變、NOx排放降低；張靜[7]通過模擬與試驗研究得出，使用雙燃料可節(jié)省柴油消耗，額定功率不變，在高負荷工況時天然氣替代率能達到70%；張紀鵬等[8]研究認為天然氣替代率在 70%～80%時，發(fā)動機的綜合性能最佳。這里取天然氣替代率為 70%。表1為模擬柴油機的基本參數(shù)。

表1 模擬柴油機的基本參數(shù)

由于正庚烷的燃燒熱值與柴油的十六烷相近，因此以正庚烷替代柴油[9]。LNG的主要成分是甲烷，含量在95%以上，可將其近似看成純甲烷。以柴油機總?cè)紵裏嶂狄欢▉砜紤]甲烷代替柴油的替代率。

定義LNG替代正庚烷的替代率i為

式(1)中：HM為甲烷燃燒熱值，890.31kJ/mol；HN為正庚烷燃燒熱值，4806.6kJ/mol；κ和i為正庚烷與甲烷摩爾耗量比，i取70%。

圖1和圖2分別為100%負荷工況下純柴油模式與甲烷替代率為70%時柴油機氣缸內(nèi)的溫度及壓力變化曲線。

由圖1可知，當甲烷替代率為70%時，氣缸內(nèi)溫度的變化曲線與燃燒純柴油時近似。隨著活塞上行，氣缸內(nèi)壓縮氣體的溫度上升；在上止點附近噴入柴油，少量柴油開始燃燒，溫度上升；隨后甲烷也開始充分燃燒，溫度急劇上升。在柴油機燃燒和做功期間，純柴油模式與甲烷替代率為70%模式下，氣缸內(nèi)溫度變化趨勢相似。

由圖2可知，從壓力方面來看，在純柴油模式與甲烷替代率為70%模式下，燃燒時壓力曲線變化趨勢近似，最高壓力相差不大。在壓縮沖程，活塞上行壓力增大；當柴油開始燃燒，壓力快速上升；隨后甲烷充分燃燒，壓力急劇升高。隨著活塞下行做功，氣缸內(nèi)的壓力下降。在柴油機燃燒做功期間，純柴油模式與甲烷替代率為70%模式下，氣缸內(nèi)壓力的變化趨勢相似。

由于溫度和壓力是柴油機性能的2個重要指標，而其隨時間的變化曲線及趨勢都近似，因此說明僅對柴油機增加1套天然氣進氣管道，以甲烷替代柴油且替代率為70%時保證主機在額定工況下穩(wěn)定運行是可行的。

3 超負荷工況下燃燒模擬

我國船舶建造規(guī)范規(guī)定：超負荷功率是指在規(guī)定的環(huán)境狀況下允許柴油機在一定時間內(nèi)超負荷使用的最大功率，通常是持續(xù)功率的110%，一般允許每12h中運轉(zhuǎn)1h。防止超負荷的最高轉(zhuǎn)速為103%額定轉(zhuǎn)速。因此，選取船舶柴油機超負荷工況為110%額定功率、103%額定轉(zhuǎn)速。圖3和圖4分別為110%負荷工況下溫度及壓力變化曲線。

由圖3和圖4可知，在110%負荷工況下，甲烷替代率為70%時溫度和壓力的最高點都滯后了3°CA（曲軸轉(zhuǎn)角）。這是因為甲烷燃點高，當少量柴油完全燃燒后溫度上升，進而引燃甲烷；而當甲烷替代率為70%時，柴油的摩爾量相對于甲烷來說非常少，所以當柴油完全燃燒時甲烷才剛開始燃燒。因此，氣缸內(nèi)的溫度和壓力在主燃期內(nèi)都會有一個突變，在急速上升的某個時刻，上升趨勢會突然減緩，然后繼續(xù)快速上升。此外，在溫度和壓力的第1個快速上升時間段內(nèi)主要是滯燃期內(nèi)柴油快速燃燒，而在第2個快速上升時間段內(nèi)主要是速燃期內(nèi)甲烷快速燃燒。

由圖3和圖4可知，溫度與壓力的最高點也有不同，溫度和壓力在甲烷替代率為70%時的最高點都比純柴油要低。這是因為在超負荷工況下主機轉(zhuǎn)速更快，燃料進入更多，需要主機輸出更大的功率；而甲烷燃點更高，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?。在超負荷工況下主燃期的時間更短，因甲烷過多而導致燃燒不充分、溫度和壓力下降。當甲烷替代率為70%時，超負荷工況下主機的動力性有所不足，尾氣中未燃碳氫含量會增多，此時主機燃燒不充分。這也說明在超負荷工況下，甲烷替代率為70%已不利于主機運行。

船舶在遇到突發(fā)狀況時可能會以超負荷工況運行，此時主機運行在極限狀況下。若主機燃燒狀況稍有惡化，會因主機的輸出功率不足而導致動力性能下降，此時船舶會陷入更危險的狀況，因此保證船舶在超負荷工況下的動力性能非常重要。

4 超負荷工況下性能優(yōu)化

針對不同的柴油和甲烷替代率來模擬研究主機的燃燒性能，保證主機輸出的動力性。

這里選取甲烷替代率分別為 40%，50%，60%，70%的情況，對超負荷工況下主機的燃燒情況和純柴油的燃燒情況進行對比。圖5和圖6分別為110%負荷工況、不同甲烷替代率下溫度及壓力變化曲線。

通過對比可看出，甲烷替代率較大時缸內(nèi)最高溫度和壓力都有所降低，這與任川[10]對雙燃料發(fā)動機燃燒額定工況下的研究相似。當甲烷替代率為70%或60%時，主機燃燒時的最高溫度和壓力都有所降低，且溫度和壓力上升曲線會滯后甲烷3°～5°CA。這是因為甲烷的燃點高，需要更高的點燃溫度。少量柴油燃燒后缸內(nèi)溫度升高，已滿足點燃甲烷的條件，此后甲烷才開始充分燃燒，且其火焰?zhèn)鞑ニ俣缺炔裼突鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣嚷?。這就導致在少量柴油完全燃燒、甲烷開始燃燒時溫度上升速度會稍慢一些，隨后甲烷完全燃燒，溫度立刻升至最高。因此，氣缸內(nèi)溫度和壓力在主燃期內(nèi)都會有一個突變，在急速上升的某個時刻上升速度會突然緩慢，然后才繼續(xù)快速上升。而當甲烷替代率為50%或40%時，主機燃燒時的溫度曲線和壓力曲線變化趨勢基本一致，且最高點也更接近。這是因為甲烷替代率為50%或40%時柴油的量足夠引燃甲烷，在柴油充分燃燒時甲烷大部分開始燃燒，隨后甲烷充分燃燒，溫度上升速度不變。

以上分析說明此時主機的燃燒情況更為相似，主機輸出的動力性能也更接近。從圖5和圖6中也可看出，在超負荷工況下，當甲烷替代率為70%時，會因柴油量過少而使速燃期滯后，導致動力性能下降；而當甲烷替代率為40%或50%時，溫度和壓力的變化與純柴油燃燒時的沒有太大差別。

從圖7中可看出：當甲烷替代率為60%和70%時，CO2開始大量生成的時刻基本相同，但晚于純柴油的情況，生成量相比純柴油要少將近15%，說明主燃期有些滯后；當甲烷替代率為40%和50%時，CO2開始大量生成的時刻基本相同，與純柴油的情況也基本相同。主機運行時CO2開始大量生成的時刻越晚，表明主機開始充分燃燒的時刻越晚，主機的燃燒延遲越嚴重。主機的燃燒延遲越嚴重，主機的燃燒就越不充分，后燃嚴重導致生成的尾氣中未燃碳氫的含量增多，主機的輸出動力性嚴重下降。當甲烷替代率為 40%和50%時，主機充分燃燒開始時刻與純柴油的情況相同。在超負荷工況下，主機轉(zhuǎn)速更快，主燃期更短，因此燃燒滯燃期對主機燃燒性能的影響很大。雖然甲烷替代率高有利于改善排放性能，但不能保證動力性能，而在超負荷工況下動力性能更為重要。因此，在保證動力性能和經(jīng)濟性能的基礎(chǔ)上，甲烷替代率改為50%更為合理。

5 結(jié) 語

通過對船舶主機在額定工況和超負荷（110%負荷）工況下的燃燒情況進行分析，得出以下結(jié)論：

1 ) 在額定工況下，當LNG/柴油雙燃料柴油機甲烷替代率為70%時，溫度變化曲線與壓力變化曲線基本一致，燃燒性能相同。

2 ) 在超負荷工況（110%負荷，103%額定轉(zhuǎn)速）下，當雙燃料柴油機甲烷替代率為70%時，與純柴油燃燒情況相比，在燃燒主燃期內(nèi)溫度最高點和壓力最高點都有所降低，且主燃期有所滯后，因為甲烷火焰的傳播速度比柴油低且燃點高。

3 ) 在超負荷工況（110%負荷，103%額定轉(zhuǎn)速）下，當雙燃料柴油機甲烷替代率為50%時，燃燒特性與純柴油情況基本相同，保證了動力性能，提高了經(jīng)濟性。

4 ) 超負荷工況是柴油機工作的特殊工況，為保證主機的動力性能、延長主機使用壽命，應(yīng)盡量減少其在超負荷工況下運行。

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[7] 張靜.基于AVL-FIRE對LNG雙燃料發(fā)動機燒特性模擬分析[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學，2014.

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Analysis on the Combustion Characteristics of Dual Fuel Engine Under Overload Conditions

GE Yue-feng，GONG Xi-wu，ZHANG Heng

（School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022,China）

Overload is one of the important loading conditions to be considered in the design and operation of marine diesel engines.In this paper, Chemkin-pro program is used to analyze the combustion characteristics of the dual fuel engine under overload conditions to improve the dynamic property and economic efficiency of the engine, and to make the engine more environmental friendly.It is found that the maximum temperature and the maximum pressure inside the cylinder are decreased and delayed when the methane replacement rate is 70% under overload conditions, but the variation of the temperature and pressure inside the cylinder is almost the same as that with diesel when the methane replacement is 50%.So the conclusion is that 50% methane replacement is more reasonable than 70% replacement under overload conditions, which is beneficial for the dynamic property, economic efficiency and environmental friendliness of the engine.

dual fuel; diesel engine; overload; combustion characteristics

U664.121

A

2095-4069 (2017) 04-0032-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.007

2016-05-16

國家自然科學基金（51179174）

葛越鋒，男，碩士，1990年生。2017年畢業(yè)于浙江海洋大學船舶與海洋工程專業(yè)，主要從事LNG船舶發(fā)動機研究工作。