双燃料发动机的工作原理及排放控制

大连海事大学轮机工程学院 李 斌

双燃料（DF）发动机是指可以燃烧气体（如LNG、LPG等）燃料和液体燃料的发动机。它是以普通的中速柴油机为基础，并进行了可燃用气体燃料的改型。一般来说，可根据所能获得的燃料情况，在气体燃料和液体燃料之间进行切换。目前国际上比较成功的机型是Wartsila 20DF、Wartsila 34DF、Wartsila 50DF柴油机和MAN的51/60DF柴油机等。国内的一些柴油机厂如淄柴、济柴等也开发了自主知识产权的双燃料柴油机。在目前燃油价格高涨、国际国内对排放控制越来越严格的情况下，双燃料发动机越来越受到市场的青睐。

双燃料发动机一般用于LNG船的主机，也可以作为普通渡轮、滚装船和集装箱船以及海洋工程供应船、海上浮式储油装置的主机。双燃料发动机通常都是在燃气模式下运转，以LNG为主要燃料，只有在启动和某些特殊情况下才会用到柴油模式。在燃用LNG模式下，当监视燃烧的传感器探测到某缸燃烧不正常时，机器会自动转到燃用柴油模式。燃用LNG与燃用柴油时可获得的输出功率相同，转换过程不会造成功率波动。

一、气体运行模式工作原理

双燃料发动机有两种工作模式：一是气体燃料工作模式，二是普通的柴油机工作模式。采用气体燃料工作模式时以天然气为主要燃料，以轻柴油为引燃燃料。这里只描述气体运行模式的工作原理和与燃气操作有关的发动机部件。

在以气体运行模式工作时，发动机在吸气过程中，在进气道喷入气体燃料，并随着进气空气一起进入汽缸，发动机在压缩过程中压缩空气和气体燃料的混合气，在压缩过程的终点，通过喷入少量柴油来点燃（引燃柴油喷射）缸内的燃料（燃气-空气混合物）。双燃料发动机气体运行模式工作原理见图1。

为了保证双燃料发动机可以在功率输出、效率和排放方面得到较好的性能，通常采用稀薄燃烧的方式控制燃烧过程。所谓稀薄燃烧，就是通过控制空气-燃气混合物的比例来控制燃烧，如图2所示，在低负荷时，双燃料发动机的工作窗口范围较大，空气-燃气以任何比例混合都可以可靠地燃烧，但随着发动机负荷的增加，不发火极限越来越接近敲缸极限，这意味着可用的运行窗口范围减少，在平均有效压力达20 bar左右的情况下，空-燃比只有2.2左右时双燃料发动机才能可靠工作。

此外，在低负荷时虽然双燃料发动机可以可靠工作，但其NOx排放特性和发动机的热效率并不好，所以，为了保证双燃料发动机的良好工作特性，必须对空-燃比进行有效的控制和优化，使之维持在运行窗口范围内。

为了达到要求的精确燃烧控制，双燃料发动机汽缸内燃气的进入和点燃是通过电控的。各缸都配备了电控阀：一个进气阀使燃气喷入进气道，一个引燃喷油器用来引燃。喷射是通过WECS控制的（见图3）。

二、引燃燃油和备用燃油系统

双燃料发动机有两套燃油系统，一个是与普通柴油机相同的燃油喷射系统，另一个是用于气体燃料点火的引燃燃油高压系统，如图4所示。

普通的燃油喷射系统一般用于备用模式，在气体燃料系统因故障或其他原因不能使用以及发动机启动时使用。其燃油系统与正常的柴油机相同。燃油由加压泵送至由凸轮控制的高压油泵产生高压，然后经高压油管送至喷油器喷射雾化，用于发动机的燃烧。

用于气体燃料点火的引燃燃油系统采用共轨系统，其主要组成部分包括一个泵单元、共轨管路、供油管和喷射器。

泵单元可以使引燃燃油泵至所需的压力值。它包括电动或机械驱动的径向柱塞泵（内置高压旁通阀）、燃油滤器和压力控制阀。如果是电动泵，泵单元应安装在双燃料发动机所在的机舱。

高压燃油由泵单元泵送至共轨管路。从泵到喷油器之间的所有高压管路都是双壁的。在双壁管路的环形空间内发生的任何泄漏都会被收集，并导入到一个安装有泄漏传感器的收集装置中。共轨管路将引燃燃油输送至各个喷油器，同时它还作为一个蓄压器，防止压力波动。供油管将引燃燃油从共轨管路分配到喷射阀。

双燃料发动机使用的是双针阀喷油器。大的针阀在燃油和备用操作模式下用于喷射主燃油，小的针阀在气体操作模式下用于喷射引燃燃油。引燃燃油喷油器针阀的定时和喷射延迟时间通过电磁阀来控制。为了保持引燃燃油针阀的清洁，当双燃料发动机以柴油模式工作时，引燃燃油喷射阀仍然处于工作状态。

三、双燃料发动机的排放控制分析和空-燃比控制

一般认为，双燃料发动机具有良好的排放性能，与柴油机相比，其CO2排放可减少30%，NOx排放可降低70%～80%。

CO2排放的降低是由于气体燃料中的碳氢比较低，如LNG的主要成分是甲烷（CH4），燃料中的含碳量为75%，是所有燃料中碳排放最低的，在发动机具有相同的热效率时，其CO2排放约为使用燃油时的70%。

NOx排放的降低则与发动机的性能和控制有关，而其中最重要的是空-燃比的控制。如图2所示，NOx排放与空-燃比密切相关，空-燃比在小于1时，其NOx排放随空-燃比的增加而增加，在空-燃比为1左右达到最高值。然后随着空-燃比的增大，NOx排放也随之降低，在空-燃比为2.2时达到了很低的数值。这正好是在稀薄燃烧的工作窗口之内。

为了使双燃料发动机的性能始终保持在最佳状态，在各种工况下保证适当的空-燃比至关重要。目前世界上较先进的双燃料发动机对空-燃比都有精确的控制。图5为Wartsila双燃料发动机用来调节空-燃比的废气旁通系统。废气旁通阀允许一部分的废气旁通。该旁通阀作为一个调节器，根据发动机转速、负荷的情况，通过调整废气旁通阀控制柴油机的进气量，并将旁通阀阀位的反馈信号传至Wartsila发动机控制系统（WECS），把空-燃比调节至适当的数值，而不考虑环境条件（温度、湿度等）的变化。

为了精确地控制发动机在运行窗口范围内工作，在各种条件下优化各缸的安全、效率和排放性能，双燃料发动机需要对各缸进行精确的单缸燃烧控制，使各缸在燃气质量、环境温度等发生变化的情况下总能达到最佳的工作性能。如果不能实现对双燃料发动机空-燃比的精确控制，其NOx排放可能达到很高的数值，甚至高于普通柴油机的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作为船舶代用燃料的应用分析[J].世界海运,2012(1):14-16.