双燃料柴油机超负荷工况燃烧特性分析

葛越锋，龚希武，张 恒

（浙江海洋大学 船舶与海洋工程学院，浙江 舟山 316022）

轮机与辅机

双燃料柴油机超负荷工况燃烧特性分析

葛越锋，龚希武，张 恒

（浙江海洋大学 船舶与海洋工程学院，浙江 舟山 316022）

超负荷工况是船舶柴油机设计和运行中应考虑的一个重要工况，为更好地提高 LNG/柴油双燃料柴油机超负荷工况下的动力性、经济性和环保性，应用Chemkin-pro程序对超负荷工况下双燃料柴油机的燃烧性能进行初步研究分析。在超负荷工况下，当甲烷替代率为70%时，缸内温度最高点和压力最高点都有所降低且滞后；当甲烷替代率为50%时，缸内燃烧温度和压力的变化与纯柴油时基本一致。通过分析得出，在超负荷工况下，甲烷替代率为50%比70%更合理，且能保证柴油机的动力性、经济性和环保性。

双燃料；柴油机；超负荷；燃烧特性

0 引 言

当前，随着环境保护方面的要求越来越严格和化石能源急剧减少，迫切需要寻找清洁高效的新能源。在此情况下，液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）因具有清洁、高效、安全等优点而成为关注的焦点。与传统的柴油机相比，双燃料柴油机采用双燃料运行时可使CO2排放量降低约22%，SOx排放量和颗粒物排放量降低约100%，NOx排放量降低约92%[1]。

目前对 LNG/柴油双燃料柴油机的研究大多集中在对其额定工况下的燃烧特性、做功情况和柴油机特性等进行分析，而对双燃料柴油机超负荷工况下的燃烧性能分析却很少。然而，船舶在正常航行过程中往往会因恶劣海况、台风及航道地貌等因素影响造成主机超负荷，此时主机若不能提供足够的动力将导致船舶陷入危险的境地。因此，需对双燃料柴油机超负荷工况下的燃烧、做功和柴油机性能等进行分析。这里仅对双燃料柴油机超负荷工况下的燃烧情况进行简要分析。

我国投入营运的船舶众多，其中大部分船舶采用以纯柴油为主的柴油发动机。为满足更为严格的国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）TierⅢ法规要求，对这些纯柴油发动机进行改造，使其采用 LNG/柴油双燃料更具有实用价值。这里研究的发动机以能在燃气模式下超负荷安全运行的船用双燃料发动机为主。

1 双燃料柴油机超负荷工况

我国船舶建造规范[2]规定，船舶主机必须能在超负荷工况下（标定功率的110%）连续运行1h。在恶劣海况下，风、浪、流的变化更大，螺旋桨在海水中受到的阻力不断变化。此时为平衡阻力、提供动力，柴油机的工作状况也变得极不稳定。柴油机在超负荷工况下运行时，主机工作条件差，气缸内的温度和压力都很高，热负荷和机械负荷比正常工况下大很多。此时柴油机部件内外温差大，热应力和气缸内部压力过大，产生爆缸、拉缸的可能性随之增大[3]。这些因素都会缩短主机的使用寿命。

柴油的燃点为220℃，LNG的燃点为650℃，远高于柴油。因此，燃烧天然气时需要更高的温度，在柴油机内燃烧时缸内的压力也比原来高。当双燃料柴油机在超负荷工况下运行时，其温度变高，压力更大，柴油机拉缸、爆燃的可能性更大。虽然温度高有利于天然气燃烧，但发生爆燃时未燃的碳氢含量（HC）也会增加，这既不利于燃料利用，也不利于环境保护。

2 柴油机燃烧模拟

柴油机的燃料由柴油替换为 LNG/柴油双燃料后，其燃烧性能是否会有大的变化、是否有利于主机运行需作相应验证。可利用CHEMKIN软件，根据化学反应机理对各种燃烧过程进行化学模拟，详细分析燃烧过程及燃烧产物。同时，该软件自带内燃机模型，能更好地模拟柴油机燃烧做功的过程，进而分析柴油机的工作状况。对此，利用CHEMKIN软件进行模拟，针对柴油机额定工况下运行的情况，从温度、压力和排放等方面进行分析，验证LNG替代柴油的可行性。

由于天然气的燃点要比柴油高很多，因此若以纯LNG为燃料，柴油机的压缩比会增大。若要精确控制天然气的喷入量，需引入电子喷射系统及尾气排放控制设备等，这需要对柴油机进行大的改进。然而，在保证柴油机原有动力性能的情况下，对其进行尽可能小的改进更具有实用价值。因此，采用以柴油引燃、以 LNG/柴油为燃料的柴油机，这样仅需增加一条天然气进气管道，对柴油机改动小。MAN ME-GI和Wärtsilä 2-S DF船用双燃料发动机[4]就是采用该方式，能保证发动机的动力性和安全性。段长晓[5]通过分析多种型号的双燃料发动机，比较得出双燃料发动机能保证动力性、提高经济性。

天然气与空气预先混合，以一定比例进入柴油机气缸，在上止点前喷入柴油，燃烧膨胀做功。这里主要对该情况进行模拟，采用CHEMKIN软件中零维单区的内燃机模型对发动机燃烧过程进行模拟和分析。

在以往对双燃料柴油机的研究中：冯春龙[6]以MAN公司L21/31船舶中速柴油机改装的发动机为研究对象，通过模拟分析得出改装后的双燃料柴油机的动力性不变、NOx排放降低；张静[7]通过模拟与试验研究得出，使用双燃料可节省柴油消耗，额定功率不变，在高负荷工况时天然气替代率能达到70%；张纪鹏等[8]研究认为天然气替代率在 70%～80%时，发动机的综合性能最佳。这里取天然气替代率为 70%。表1为模拟柴油机的基本参数。

表1 模拟柴油机的基本参数

由于正庚烷的燃烧热值与柴油的十六烷相近，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，可将其近似看成纯甲烷。以柴油机总燃烧热值一定来考虑甲烷代替柴油的替代率。

定义LNG替代正庚烷的替代率i为

式(1)中：HM为甲烷燃烧热值，890.31kJ/mol；HN为正庚烷燃烧热值，4806.6kJ/mol；κ和i为正庚烷与甲烷摩尔耗量比，i取70%。

图1和图2分别为100%负荷工况下纯柴油模式与甲烷替代率为70%时柴油机气缸内的温度及压力变化曲线。

由图1可知，当甲烷替代率为70%时，气缸内温度的变化曲线与燃烧纯柴油时近似。随着活塞上行，气缸内压缩气体的温度上升；在上止点附近喷入柴油，少量柴油开始燃烧，温度上升；随后甲烷也开始充分燃烧，温度急剧上升。在柴油机燃烧和做功期间，纯柴油模式与甲烷替代率为70%模式下，气缸内温度变化趋势相似。

由图2可知，从压力方面来看，在纯柴油模式与甲烷替代率为70%模式下，燃烧时压力曲线变化趋势近似，最高压力相差不大。在压缩冲程，活塞上行压力增大；当柴油开始燃烧，压力快速上升；随后甲烷充分燃烧，压力急剧升高。随着活塞下行做功，气缸内的压力下降。在柴油机燃烧做功期间，纯柴油模式与甲烷替代率为70%模式下，气缸内压力的变化趋势相似。

由于温度和压力是柴油机性能的2个重要指标，而其随时间的变化曲线及趋势都近似，因此说明仅对柴油机增加1套天然气进气管道，以甲烷替代柴油且替代率为70%时保证主机在额定工况下稳定运行是可行的。

3 超负荷工况下燃烧模拟

我国船舶建造规范规定：超负荷功率是指在规定的环境状况下允许柴油机在一定时间内超负荷使用的最大功率，通常是持续功率的110%，一般允许每12h中运转1h。防止超负荷的最高转速为103%额定转速。因此，选取船舶柴油机超负荷工况为110%额定功率、103%额定转速。图3和图4分别为110%负荷工况下温度及压力变化曲线。

由图3和图4可知，在110%负荷工况下，甲烷替代率为70%时温度和压力的最高点都滞后了3°CA（曲轴转角）。这是因为甲烷燃点高，当少量柴油完全燃烧后温度上升，进而引燃甲烷；而当甲烷替代率为70%时，柴油的摩尔量相对于甲烷来说非常少，所以当柴油完全燃烧时甲烷才刚开始燃烧。因此，气缸内的温度和压力在主燃期内都会有一个突变，在急速上升的某个时刻，上升趋势会突然减缓，然后继续快速上升。此外，在温度和压力的第1个快速上升时间段内主要是滞燃期内柴油快速燃烧，而在第2个快速上升时间段内主要是速燃期内甲烷快速燃烧。

由图3和图4可知，温度与压力的最高点也有不同，温度和压力在甲烷替代率为70%时的最高点都比纯柴油要低。这是因为在超负荷工况下主机转速更快，燃料进入更多，需要主机输出更大的功率；而甲烷燃点更高，火焰传播速度慢。在超负荷工况下主燃期的时间更短，因甲烷过多而导致燃烧不充分、温度和压力下降。当甲烷替代率为70%时，超负荷工况下主机的动力性有所不足，尾气中未燃碳氢含量会增多，此时主机燃烧不充分。这也说明在超负荷工况下，甲烷替代率为70%已不利于主机运行。

船舶在遇到突发状况时可能会以超负荷工况运行，此时主机运行在极限状况下。若主机燃烧状况稍有恶化，会因主机的输出功率不足而导致动力性能下降，此时船舶会陷入更危险的状况，因此保证船舶在超负荷工况下的动力性能非常重要。

4 超负荷工况下性能优化

针对不同的柴油和甲烷替代率来模拟研究主机的燃烧性能，保证主机输出的动力性。

这里选取甲烷替代率分别为 40%，50%，60%，70%的情况，对超负荷工况下主机的燃烧情况和纯柴油的燃烧情况进行对比。图5和图6分别为110%负荷工况、不同甲烷替代率下温度及压力变化曲线。

通过对比可看出，甲烷替代率较大时缸内最高温度和压力都有所降低，这与任川[10]对双燃料发动机燃烧额定工况下的研究相似。当甲烷替代率为70%或60%时，主机燃烧时的最高温度和压力都有所降低，且温度和压力上升曲线会滞后甲烷3°～5°CA。这是因为甲烷的燃点高，需要更高的点燃温度。少量柴油燃烧后缸内温度升高，已满足点燃甲烷的条件，此后甲烷才开始充分燃烧，且其火焰传播速度比柴油火焰传播速度慢。这就导致在少量柴油完全燃烧、甲烷开始燃烧时温度上升速度会稍慢一些，随后甲烷完全燃烧，温度立刻升至最高。因此，气缸内温度和压力在主燃期内都会有一个突变，在急速上升的某个时刻上升速度会突然缓慢，然后才继续快速上升。而当甲烷替代率为50%或40%时，主机燃烧时的温度曲线和压力曲线变化趋势基本一致，且最高点也更接近。这是因为甲烷替代率为50%或40%时柴油的量足够引燃甲烷，在柴油充分燃烧时甲烷大部分开始燃烧，随后甲烷充分燃烧，温度上升速度不变。

以上分析说明此时主机的燃烧情况更为相似，主机输出的动力性能也更接近。从图5和图6中也可看出，在超负荷工况下，当甲烷替代率为70%时，会因柴油量过少而使速燃期滞后，导致动力性能下降；而当甲烷替代率为40%或50%时，温度和压力的变化与纯柴油燃烧时的没有太大差别。

从图7中可看出：当甲烷替代率为60%和70%时，CO2开始大量生成的时刻基本相同，但晚于纯柴油的情况，生成量相比纯柴油要少将近15%，说明主燃期有些滞后；当甲烷替代率为40%和50%时，CO2开始大量生成的时刻基本相同，与纯柴油的情况也基本相同。主机运行时CO2开始大量生成的时刻越晚，表明主机开始充分燃烧的时刻越晚，主机的燃烧延迟越严重。主机的燃烧延迟越严重，主机的燃烧就越不充分，后燃严重导致生成的尾气中未燃碳氢的含量增多，主机的输出动力性严重下降。当甲烷替代率为 40%和50%时，主机充分燃烧开始时刻与纯柴油的情况相同。在超负荷工况下，主机转速更快，主燃期更短，因此燃烧滞燃期对主机燃烧性能的影响很大。虽然甲烷替代率高有利于改善排放性能，但不能保证动力性能，而在超负荷工况下动力性能更为重要。因此，在保证动力性能和经济性能的基础上，甲烷替代率改为50%更为合理。

5 结 语

通过对船舶主机在额定工况和超负荷（110%负荷）工况下的燃烧情况进行分析，得出以下结论：

1 ) 在额定工况下，当LNG/柴油双燃料柴油机甲烷替代率为70%时，温度变化曲线与压力变化曲线基本一致，燃烧性能相同。

2 ) 在超负荷工况（110%负荷，103%额定转速）下，当双燃料柴油机甲烷替代率为70%时，与纯柴油燃烧情况相比，在燃烧主燃期内温度最高点和压力最高点都有所降低，且主燃期有所滞后，因为甲烷火焰的传播速度比柴油低且燃点高。

3 ) 在超负荷工况（110%负荷，103%额定转速）下，当双燃料柴油机甲烷替代率为50%时，燃烧特性与纯柴油情况基本相同，保证了动力性能，提高了经济性。

4 ) 超负荷工况是柴油机工作的特殊工况，为保证主机的动力性能、延长主机使用寿命，应尽量减少其在超负荷工况下运行。

[1] 金宝燕，郑玄亮.液化天然气双燃料动力港作拖轮设计研究[J].船舶与海洋工程，2013 (2): 35-39.

[2] CCS.钢质海船入级规范[S].北京：人民交通出版社，2015: 937-1045.

[3] 沈业春，朱世慧，张晓辉.船用柴油机12PA6B超负荷性能试验研究[J].交通节能与环保，2015 (3): 51-53.

[4] 金乃好，王瑞武.MAN ME-GI与Wärtsilä 2-S DF船用双燃料发动机比较[J].航海技术，2015 (6): 43-46.

[5] 段长晓.LNG船主推进装置的选择和双燃料发动机的经济性研究[D].上海：上海海事大学，2007.

[6] 冯春龙.柴油LNG双燃料发动机燃烧过程数值计算研究[D].镇江：江苏科技大学，2014.

[7] 张静.基于AVL-FIRE对LNG双燃料发动机烧特性模拟分析[D].镇江：江苏科技大学，2014.

[8] 张纪鹏，高青，王立军，等.天然气替代柴油率对双燃料发动机排放的影响[J].燃烧科学与技术，2000, 26 (3): 267-269.

[9] 王增养，何超，赵龙庆，等.包含NO2的正庚烷燃烧的简化机理[J].内燃机工程，2014, 35 (2): 85-91.

[10] 任川.船用天然气—柴油双燃料发动机性能数值研究[D].大连：大连海事大学，2013.

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

国家自然科学基金（51179174）

葛越锋，男，硕士，1990年生。2017年毕业于浙江海洋大学船舶与海洋工程专业，主要从事LNG船舶发动机研究工作。