船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析

雷　偉，甘少煒，周?chē)?guó)強(qiáng)

(中國(guó)船級(jí)社 武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析

雷偉，甘少煒，周?chē)?guó)強(qiáng)

(中國(guó)船級(jí)社 武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

摘要：為促進(jìn)船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)進(jìn)步，基于目前市場(chǎng)上的主要機(jī)型及其特點(diǎn)，對(duì)船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的天然氣供給、稀薄燃燒、動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化和甲烷排放控制等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的解決途徑。

關(guān)鍵詞：船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；天然氣供給；稀薄燃燒；動(dòng)態(tài)特性；甲烷排放

當(dāng)前，使用天然氣作為船舶燃料已成為航運(yùn)業(yè)的新熱點(diǎn)。然而，我國(guó)內(nèi)河仍普遍使用較為落后的總管進(jìn)氣式混燃發(fā)動(dòng)機(jī)，沒(méi)有充分發(fā)揮天然氣作為清潔燃料的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，其熱效率也較柴油機(jī)沒(méi)有提高。與混燃發(fā)動(dòng)機(jī)相比，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有明顯的減排優(yōu)勢(shì)，無(wú)需安裝尾氣排放后處理裝置便可滿足國(guó)際海事組織(IMO)硫氧化物排放控制區(qū)(SECA)和氮氧化物排放控制區(qū)(NECA)的要求，且熱效率也能得到提升。為推動(dòng)高性能船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在我國(guó)的發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒控制、動(dòng)力性和排放性能優(yōu)化等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題提出解決途徑。

1發(fā)展現(xiàn)狀

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是指既能單獨(dú)使用液體燃料(燃油)，又能單獨(dú)使用氣體燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)。在燃?xì)饽Ｊ较?，它通常利用少量燃?稱(chēng)為“引燃油”)的自行壓燃來(lái)點(diǎn)燃?xì)怏w燃料。

目前，W?rtsil?、MAN Diesel&Turbo和Caterpillar、GE等國(guó)外知名制造商在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)方面處于領(lǐng)先地位，均推出了各自的船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品；亞洲研發(fā)能力較強(qiáng)的廠商，如日本新瀉、日本大發(fā)、三菱重工、現(xiàn)代重工等，也加人了船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)行列；國(guó)內(nèi)的淄柴、濟(jì)柴、玉柴等也在競(jìng)相開(kāi)發(fā)船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，力圖搶占這一新興市場(chǎng)。目前市場(chǎng)上的船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)基本上實(shí)現(xiàn)了低速機(jī)、中速機(jī)和高速機(jī)的全范圍覆蓋。

1.1低速機(jī)

全球范圍內(nèi)低速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)進(jìn)度相對(duì)緩慢，目前僅有W?rtsil?和MAN Diesel&Turbo分別推出了RT-flex50DF和ME-GI等較成熟的二沖程低速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。

W?rtsil?的RT-flex50DF二沖程低速機(jī)采用低壓缸內(nèi)直噴的進(jìn)氣方式，即在掃氣行程中將壓力低于1.6 MPa的天然氣直接噴入氣缸內(nèi)，在壓縮行程終點(diǎn)附近由微量引燃油來(lái)點(diǎn)燃天然氣，熱力循環(huán)為Otto循環(huán)。缸內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)混合稀薄燃燒，使得燃?xì)饽Ｊ较翹Ox排放可達(dá)到IMO Tier III標(biāo)準(zhǔn)。它在全負(fù)荷范圍內(nèi)均可在燃?xì)饽Ｊ较路€(wěn)定運(yùn)行，無(wú)需在低負(fù)荷工況下轉(zhuǎn)換至燃油模式。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化氣門(mén)正時(shí)避免天然氣直接逃逸、采用預(yù)燃室技術(shù)促進(jìn)完全燃燒、優(yōu)化燃燒室形狀避免形成死角等技術(shù)，使得其HC排放較類(lèi)似四沖程雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)明顯降低。

MAN Diesel&Turbo的ME-GI二沖程低速機(jī)采用缸內(nèi)高壓直噴進(jìn)氣方式，天然氣在壓縮行程終點(diǎn)附近以高達(dá)30 MPa的壓力直接噴入燃燒室內(nèi)，采用Diesel循環(huán)，有3種運(yùn)行模式：燃油運(yùn)行模式(100%燃油)、最小燃油運(yùn)行模式(5%引燃油+天然氣)和定量燃?xì)膺\(yùn)行模式(引燃燃油+定量天然氣)。由于采用高壓直噴進(jìn)氣，可完全避免天然氣直接逃逸，動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)態(tài)特性等均能維持與柴油機(jī)相當(dāng)?shù)乃健５容^顯著的缺點(diǎn)在于，在各種運(yùn)行模式下的NOx排放只能達(dá)到IMO Tier II標(biāo)準(zhǔn)，需結(jié)合排氣后處理技術(shù)(如SCR、EGR等)才能達(dá)到 Tier III標(biāo)準(zhǔn)。

繼W?rtsil?和MAN Diesel&Turbo之后，日本三菱重工正積極進(jìn)入船用低速氣體機(jī)領(lǐng)域，并于2012年對(duì)外宣稱(chēng)計(jì)劃開(kāi)發(fā)低速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)UEC-LSGi。與ME-GI類(lèi)似，將采用高壓直噴進(jìn)氣方式。

1.2中速機(jī)

中速機(jī)由于功率相對(duì)較小，船上氣體燃料儲(chǔ)存問(wèn)題容易解決，且能廣泛應(yīng)用于沿海和內(nèi)河船舶，其發(fā)展受到更多關(guān)注，因此研發(fā)進(jìn)度明顯領(lǐng)先于低速機(jī)。目前W?rtsil?、MAN Diesel&Turbo和Caterpillar等主要制造商均推出了船用中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

W?rtsil?在全球中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，從1996年開(kāi)始相繼推出了50DF、34DF和20DF三款中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，最近又相繼推出了46DF和31DF，在燃?xì)饽Ｊ较戮蛇_(dá)到IMO Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)。W?rtsil? DF系列雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射方式，缸內(nèi)可燃混合氣由引燃油點(diǎn)燃，采用Otto循環(huán)，有3套燃料供應(yīng)系統(tǒng)，包括燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)、主燃油供應(yīng)系統(tǒng)和引燃油供應(yīng)系統(tǒng)。其中，燃?xì)夤?yīng)采用雙壁管直至天然氣進(jìn)入氣缸為止，主燃油供應(yīng)和引燃油供應(yīng)集成在一個(gè)噴油器上，具有3種運(yùn)行模式：燃?xì)饽Ｊ?、燃油模式和后備模式。燃?xì)饽Ｊ较?，使用引燃油點(diǎn)火，不供應(yīng)主燃油，引燃油和燃?xì)鈬娚淞考皣娚涠〞r(shí)均由電控系統(tǒng)進(jìn)行單缸精確控制；燃油模式下，燃?xì)夤?yīng)切斷，引燃油和主燃油同時(shí)供應(yīng)；后備模式下，使用主燃油工作，而引燃油和燃?xì)夤?yīng)均被切斷。W?rtsil? DF系列雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在陸用電站、船用發(fā)電、船舶主推進(jìn)領(lǐng)域獲得了十分廣泛的應(yīng)用。

MAN Diesel&Turbo于2007年推出了51/60DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，包括直列型和V型2種，同樣采用了支管多點(diǎn)噴射的缸外預(yù)混低壓進(jìn)氣方式。與W?rtsil? DF機(jī)類(lèi)似，51/60DF也具有燃?xì)饽Ｊ?、燃油模式和后備模式，且只能在燃油模式下啟?dòng)和停車(chē)。在燃?xì)饽Ｊ较?，采用了稀薄燃燒技術(shù)以降低NOx排放。51/60DF起初主要用于陸用發(fā)電和船用發(fā)電，后逐步拓展至船用主機(jī)領(lǐng)域。

Caterpillar公司于2012年推出了M46DF中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，在M43C柴油機(jī)的基礎(chǔ)上改造而來(lái)，外形尺寸和發(fā)動(dòng)機(jī)外觀基本不變，著重從配氣機(jī)構(gòu)、燃燒室形狀、凸輪軸型線、廢氣旁通閥等幾個(gè)方面對(duì)原柴油機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加一套氣體燃料供應(yīng)與控制系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)，并采用了基于缸壓檢測(cè)、氣體泄漏探測(cè)、防爆安全閥的安全保護(hù)措施。M46DF發(fā)動(dòng)機(jī)也采用了支管多點(diǎn)噴射的低壓進(jìn)氣方式，在燃?xì)饽Ｊ较驴蛇_(dá)到IMO Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)了美國(guó)環(huán)保署(EPA)Tier 2排放認(rèn)證。

此外，韓國(guó)現(xiàn)代重工推出了H35DF中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；日本大發(fā)正在進(jìn)行DE28DF和MD36DF中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)；日本新瀉已經(jīng)完成28AHX-DF的研發(fā)和實(shí)船應(yīng)用；我國(guó)淄柴也于2013年推出了210系列中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，安慶中船柴油機(jī)有限公司也正在進(jìn)行6230中速機(jī)的研發(fā)。

1.3高速機(jī)

高速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)功率低，體積小，燃料需求量少，適合在內(nèi)河船舶上使用。目前我國(guó)廠家主要生產(chǎn)混然發(fā)動(dòng)機(jī)，其與雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的主要區(qū)別體現(xiàn)在燃?xì)饽Ｊ较?，前者是天然氣與燃油的混合燃燒，兩者的比例可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，而后者除微量引燃油外，參與缸內(nèi)燃燒的全部是天然氣?；烊及l(fā)動(dòng)機(jī)與柴油機(jī)相比，NOx排放沒(méi)有顯著改善，甲烷逃逸嚴(yán)重，熱效率也沒(méi)有提高，難以滿足日益嚴(yán)格的節(jié)能減排市場(chǎng)需求。

目前，我國(guó)濰柴正在進(jìn)行6M26HPDI船用高速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)，采用高壓缸內(nèi)直噴進(jìn)氣方式和微量柴油引燃技術(shù)。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1天然氣供給

對(duì)于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)而言，天然氣供給技術(shù)直接影響其經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性能。目前，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的供氣方式主要有支管電控多點(diǎn)噴射和缸內(nèi)高壓直噴兩種[1]。

支管電控多點(diǎn)噴射，即在發(fā)動(dòng)機(jī)各缸進(jìn)氣支管根部分別安裝電控燃?xì)鈬娚溟y，并依照電控系統(tǒng)指令定時(shí)定量向相應(yīng)氣缸進(jìn)氣支管?chē)娚涮烊粴?，與空氣混合后進(jìn)入氣缸。同時(shí)，依照發(fā)動(dòng)機(jī)的控制脈譜向各缸供給合理的引燃油量。這種供氣方式雖然控制策略復(fù)雜，成本較高，但可實(shí)現(xiàn)各缸天然氣噴射量與噴射時(shí)間的精確控制，可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷調(diào)節(jié)空燃比，實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，進(jìn)一步提高動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[2]69。而且，其排放性能也明顯優(yōu)于同類(lèi)型柴油機(jī)。目前國(guó)外先進(jìn)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用這種供氣方式。

缸內(nèi)高壓直噴，是指在壓縮沖程終點(diǎn)附近將高壓天然氣(通常在20 MPa以上)通過(guò)電控燃?xì)鈬娚溟y直接噴入氣缸內(nèi)，通過(guò)微量柴油引燃混合氣。這種供氣方式由于需要高壓燃?xì)庀到y(tǒng)，因此成本高昂。但發(fā)動(dòng)機(jī)采用了迪塞爾循環(huán)，實(shí)現(xiàn)燃?xì)赓|(zhì)調(diào)節(jié)，消除天然氣對(duì)充氣效率的影響，無(wú)爆燃風(fēng)險(xiǎn)[2]70，可采用較高的壓縮比，實(shí)現(xiàn)與柴油機(jī)相當(dāng)?shù)膭?dòng)力性與熱效率，動(dòng)態(tài)特性好。此外，還具有支管電控多點(diǎn)噴射的所有優(yōu)點(diǎn)。

支管電控多點(diǎn)噴射和缸內(nèi)高壓直噴均能實(shí)現(xiàn)單缸空燃比控制，具有充分發(fā)揮氣體燃料優(yōu)勢(shì)的潛力，獲得較好的經(jīng)濟(jì)性和排放性能。但支管電控多點(diǎn)噴射技術(shù)需要開(kāi)發(fā)精確的燃?xì)?、燃油噴射系統(tǒng)及電子控制系統(tǒng)，而缸內(nèi)高壓直噴則需要克服高壓燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制精度要求高、成本高昂和控制泄露風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。

2.2稀薄燃燒

對(duì)于非缸內(nèi)高壓直噴雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其燃燒過(guò)程均為奧拓循環(huán)，通常天然氣-空氣混合氣會(huì)參與整個(gè)缸內(nèi)壓縮過(guò)程，在此過(guò)程中，燃燒室中的高溫高壓可能會(huì)引起氣體燃料的非受控燃燒，產(chǎn)生高壓沖擊波作用燃燒室壁上，這就是爆燃現(xiàn)象。爆燃不僅使發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)惡化，還會(huì)縮短發(fā)動(dòng)機(jī)零部件壽命。船用發(fā)動(dòng)機(jī)為改善動(dòng)力性，提升功率，一般會(huì)采用較高的增壓度和壓縮比，但這同時(shí)也會(huì)增加爆燃的風(fēng)險(xiǎn)。

為解決發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性與爆燃之間的矛盾，一個(gè)較好的方法就是采用稀薄燃燒技術(shù)。稀薄燃燒就是向缸內(nèi)供給過(guò)量的空氣，采用很高的空燃比，在相同的放熱量條件下，由于部分熱量用來(lái)加熱多余的空氣，從而起到降低缸內(nèi)燃燒溫度的作用，抑制爆燃傾向[3]。同時(shí)，稀薄燃燒技術(shù)還能夠大大降低NOx排放，并有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。

圖1是典型奧拓循環(huán)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒工作區(qū)域。

圖1　Otto循環(huán)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域

由圖1可見(jiàn)，當(dāng)平均有效壓力較小時(shí)，空燃比在較大范圍內(nèi)變化時(shí)也不會(huì)造成爆燃。但是，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，采用較高的平均有效壓力，此時(shí)為避免爆燃，勢(shì)必要提高空燃比，但空燃比又不能過(guò)高，否則可能造成火焰猝熄甚至失火。因此，對(duì)于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的稀薄燃燒，必須實(shí)現(xiàn)空燃比的精確控制，主要采用進(jìn)氣旁通和廢氣旁通技術(shù)[4]，前者由控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度等參數(shù)來(lái)決定進(jìn)氣旁通閥的開(kāi)度，從而控制進(jìn)去氣缸的新鮮空氣量，達(dá)到控制空燃比的目的；后者則是通過(guò)控制廢氣旁通閥的開(kāi)度，控制進(jìn)入渦輪機(jī)的廢氣量，間接實(shí)現(xiàn)空燃比的控制。

另外，稀薄燃燒技術(shù)還需要解決稀薄混合氣的穩(wěn)定點(diǎn)火問(wèn)題。利用柴油引燃可燃混合氣，為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)提供了一種實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒的途徑，即在壓縮上止點(diǎn)附近，將引燃油噴入氣缸內(nèi)，引燃油自行壓燃之后，在燃燒室內(nèi)形成多個(gè)火核，提供充分的點(diǎn)火能量，實(shí)現(xiàn)可燃混合氣的多點(diǎn)著火。

2.3動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化

動(dòng)態(tài)特性反映了發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)燃料供給系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用來(lái)響應(yīng)負(fù)荷變化從而保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的能力。柴油機(jī)采用迪塞爾循環(huán)，無(wú)爆燃風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)負(fù)荷突變時(shí)，可以通過(guò)調(diào)速器增加或減少燃油噴射量來(lái)保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。而對(duì)于采用奧拓循環(huán)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)而言，缸內(nèi)燃燒存在爆燃區(qū)和失火區(qū)，見(jiàn)圖1。當(dāng)負(fù)荷過(guò)快突增時(shí)，如果大量增加燃?xì)鈬娚淞?，而增壓器渦輪轉(zhuǎn)速來(lái)不及快速提高，導(dǎo)致新鮮充量不能迅速增加，則會(huì)造成空燃比下降，使得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入爆燃區(qū)；相反，當(dāng)負(fù)荷過(guò)快突卸時(shí)，如果大量減少燃?xì)鈬娚淞?，則有可能由于空燃比增大使得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入失火區(qū)。為避免上述現(xiàn)象發(fā)生，通常需對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较碌募?減載速率加以限制。圖2為W?rtsil? 34DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可調(diào)槳的加載速率[5]，在柴油模式下允許在20 s內(nèi)完成額定負(fù)荷加載，而燃?xì)饽Ｊ较卤仨毥?jīng)過(guò)300 s才能完成額定負(fù)荷加載。

圖2　W?rtsil? 34DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)加載能力

從上述分析可知，新鮮充量供應(yīng)隨負(fù)載變化的響應(yīng)能力是影響雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性的根本原因。因此，可從改善空氣進(jìn)氣能力的角度來(lái)改善動(dòng)態(tài)特性。目前比較常用的是可變截面增壓技術(shù)，即通過(guò)調(diào)整安裝在渦輪外側(cè)的由電控系統(tǒng)控制的導(dǎo)流葉片的角度，控制流過(guò)渦輪葉片的氣體流量和流速，從而控制渦輪轉(zhuǎn)速，改善空氣進(jìn)氣響應(yīng)工況變化的能力。

另外一個(gè)解決動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題的方法是采用缸內(nèi)高壓直噴進(jìn)氣技術(shù)，即采用Diesel循環(huán)，是發(fā)動(dòng)機(jī)避免爆燃和失火的問(wèn)題，可獲得與柴油機(jī)相當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

2.4CH4排放控制

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)饽Ｊ竭\(yùn)行過(guò)程中通常會(huì)產(chǎn)生較高的甲烷(CH4)排放。CH4排放不僅會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，還會(huì)造成比CO2更為嚴(yán)重的溫室效應(yīng)[6]。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)CH4排放的主要來(lái)源包括：①換氣過(guò)程氣門(mén)疊開(kāi)期的CH4逃逸，這是CH4排放的重要來(lái)源；②稀燃區(qū)域淬熄，即在某些過(guò)于稀薄的區(qū)域(過(guò)量空氣系數(shù)>3)，火焰?zhèn)鞑ゲ荒芊€(wěn)定進(jìn)行，造成淬熄，產(chǎn)生未燃CH4排放；③壁面淬熄，即在靠近氣缸壁壁面的區(qū)域，由于熱量損失較大產(chǎn)生火焰淬熄，從而造成未燃CH4排放；④狹隙效應(yīng)，即燃燒室中各種狹窄的縫隙，如活塞、活塞環(huán)與氣缸壁之間的間隙，由于面容比很大，火焰根本不能在其中傳播，產(chǎn)生大量未燃CH4排放，這是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)CH4排放的另一個(gè)重要來(lái)源。

對(duì)于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)而言，控制CH4排放可從如下方面著手：①優(yōu)化氣門(mén)正時(shí)，合理控制進(jìn)、排氣門(mén)的啟閉時(shí)刻，盡量減少氣門(mén)疊開(kāi)期的CH4逃逸；②改善空氣與天然氣的混合過(guò)程，盡量實(shí)現(xiàn)均勻混合，減少稀燃淬熄現(xiàn)象；③優(yōu)化活塞環(huán)頂岸高度設(shè)計(jì)，盡量減少活塞與氣缸壁之間的狹隙區(qū)域，事實(shí)證明，這是一個(gè)降低CH4排放非常有效的手段，日本新瀉28AHX-DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究數(shù)據(jù)表明，將原有活塞環(huán)頂岸高度降低一半，可減少CH4排放21%，同時(shí)提高熱效率0.3%；④采用可變凸輪技術(shù)(flexible camshaft technology，F(xiàn)CT)，即在燃?xì)饽Ｊ胶腿加湍Ｊ讲捎貌煌耐馆喰途€，圖3為Caterpillar M46DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用的FCT技術(shù)。由圖3可見(jiàn)，在全負(fù)荷工況下，燃?xì)饽Ｊ较碌臍忾T(mén)重疊角較燃油模式顯著減小，有利于減少CH4逃逸。

圖3　M46DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)FCT技術(shù)

3結(jié)論

1) 微引燃式支管電控多點(diǎn)噴射和缸內(nèi)高壓直噴有利于實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)燃燒控制，提高熱效率，并獲得較好的排放性能，是未來(lái)船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的主要供氣方式。

2) 采用稀薄燃燒技術(shù)可有效控制雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在高平均有效壓力條件下的爆燃風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)大幅降低NOx排放。可采用進(jìn)氣旁通、廢氣旁通來(lái)實(shí)現(xiàn)空燃比的精確控制，并利用柴油引燃實(shí)現(xiàn)稀薄混合氣的穩(wěn)定點(diǎn)火。

3) 奧拓循環(huán)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较掠捎谑鼙己褪Щ鸬南拗?，?dòng)態(tài)特性較柴油機(jī)差，可通過(guò)可變截面增壓、高壓缸內(nèi)直噴等技術(shù)來(lái)改善空氣進(jìn)氣隨負(fù)荷的響應(yīng)能力，從而改善動(dòng)態(tài)特性。

4) 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较逻\(yùn)行時(shí)，由于氣門(mén)疊開(kāi)期間的天然氣直接逃逸、稀燃區(qū)域淬熄、壁面淬熄、狹隙效應(yīng)等因素，造成較高CH4排放。可通過(guò)氣門(mén)正時(shí)優(yōu)化、改善混合過(guò)程、優(yōu)化活塞環(huán)槽頂岸高度、采用FCT等技術(shù)降低CH4排放。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃猛,王國(guó)仰,劉康，等.天然氣-柴油雙燃料船用發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)及推進(jìn)特性研究[J].中國(guó)造船,2015,56(2):87-94.

[2] 孫化棟,曹海濱.船用氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展與技術(shù)分析[J].船海工程,2012,41(6):68-70.

[3] 劉振濤,俞曉莉,費(fèi)少梅，等.天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)夤┙o系統(tǒng)特性研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2002,20(2):15-19.

[4] 盧瑞軍，周志勇，武憲磊.船用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置,2014,31(3):57-60.

[5] W?rtsil?. W?rtsil? 34DF Product Guides[R].W?rtsil?,2011.

[6] Hinrich Mohr, Torsten Baufeld.面向未來(lái)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)展[J].國(guó)外鐵道機(jī)車(chē)與動(dòng)車(chē),2013(6):39-47.

Analysis of Key Technologies for Marine Dual-fuel Engines

LEI Wei, GAN Shao-wei, ZHOU Guo-qiang

(Wuhan Rule and Regulation Research Institute, China Classification Society, Wuhan 430022, China)

Abstract:To promote technical progress of marine dual fuel engines, based on the introduction of main type of marine dual-fuel engines and their characteristics, several key technical issues for marine dual-fuel engines is studied, such as technologies of gas admission, lean-burn, dynamic performance, and CH4 emissions control. The corresponding solutions aere analyzed.

Key words:marine dual-fuel engine; gas admission; lean-burn; dynamic performance; CH4 emissions

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.021

收稿日期：2015-09-30

第一作者簡(jiǎn)介：雷偉(1983—)，男，博士，高級(jí)工程師 E-mail:wlei@ccs.org.cn

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)03-0086-05

修回日期：2015-12-04

研究方向:船用柴油機(jī)及氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)