船用LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

袁江帆, 胡以懷, 蔣更紅, 唐娟娟

(1.上海海事大學(xué)， 上海 201306； 2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院， 上海 201203)

船用LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

袁江帆1, 胡以懷1, 蔣更紅1, 唐娟娟2

(1.上海海事大學(xué)， 上海 201306； 2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院， 上海 201203)

自2016年起，國(guó)際海事組織制定的Tier III標(biāo)準(zhǔn)在其設(shè)立的排放控制區(qū)ECA(Emission Control Area)實(shí)施，這勢(shì)必加速船舶推進(jìn)裝置向節(jié)能環(huán)保，低排放方向的轉(zhuǎn)型升級(jí)。LNG(Liquid Nature Gas)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)為解決傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放問(wèn)題提供了一條新途徑，國(guó)內(nèi)外制造商都在積極研發(fā)更好性能的LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，并取得了相當(dāng)顯著的進(jìn)展。根據(jù)國(guó)內(nèi)外雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀各自優(yōu)缺點(diǎn)的比較以及存在的差距，給出建議和看法。

LNG；雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；船舶

0 引言

隨著生態(tài)環(huán)境污染的日益嚴(yán)重,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前航運(yùn)業(yè)船舶每年需消耗12億桶柴油，航運(yùn)排放的氣體NOx占到總排放量的10%～20%，SOx占到總排放量的4%～8%，CO2占到總排放量的6%[1]。為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，減少船舶廢氣排放對(duì)生態(tài)環(huán)境所造成的進(jìn)一步影響，人們都在積極尋找新能源來(lái)替代傳統(tǒng)燃料。挪威船級(jí)社(DetNorskeVeritas，DNV)發(fā)表的“實(shí)現(xiàn)低碳航運(yùn)之路—— 2030年減排潛力”[2]研究報(bào)告對(duì)25種措施的不同減排效果及相應(yīng)的成本效益進(jìn)行了分析，證實(shí)使用液化天然氣(LNG)作為燃料是最行之有效的[2]。LNG與傳統(tǒng)燃料相比，由于其本身不含硫成分，可實(shí)現(xiàn)船舶的SOx100%減排，NOx排放量減少80%，CO2排放量減少20%[3]。鑒于使用LNG作為燃料的諸多優(yōu)點(diǎn),我國(guó)正在大力推進(jìn)油改氣項(xiàng)目的實(shí)施，預(yù)計(jì)在2020年將有1 000艘內(nèi)河船完成該改進(jìn)。

1 IMO 減排規(guī)范推動(dòng)LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展

為了有效控制有害氣體的排放，保護(hù)全球環(huán)境，國(guó)際海事組織(InternationalMaritimeOrganization，IMO)等國(guó)際性組織與各國(guó)地區(qū)政府采用了設(shè)立排放控制區(qū)(EmissionControlArea,ECA)和出臺(tái)限制法規(guī)(NOxTier)等措施。如今，北海、波羅的海、美國(guó)沿海、墨西哥灣等水域都設(shè)立了受控的排放區(qū)，受影響的船舶超過(guò)3萬(wàn)余艘。經(jīng)過(guò)這些限制區(qū)域的船舶都必須符合廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。在限制排放法規(guī)方面，IMO出臺(tái)的防止船舶污染公約最具有代表性。其中，對(duì)于廢氣排放的控制具有逐階控制的明確標(biāo)準(zhǔn)，即附則VI防止船舶造成空氣污染規(guī)則(修訂版)中對(duì)NOx排放的嚴(yán)格控制標(biāo)準(zhǔn)。通常情況下，傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)船在通過(guò)這些控制區(qū)域時(shí)采用燃燒低硫油的手段來(lái)達(dá)到排放要求，但這并非長(zhǎng)久之計(jì)，也無(wú)法符合于2016年開(kāi)始實(shí)施的TierIII標(biāo)準(zhǔn)，即要求在排放控制區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)為T(mén)ierII標(biāo)準(zhǔn)的五分之一，而在控制區(qū)以外則繼續(xù)施行TierII標(biāo)準(zhǔn)。在SO2的控制方面，TierIII標(biāo)準(zhǔn)要求可采用排放控制不高于6g/kW·h國(guó)際認(rèn)可的處理裝置。這些減排規(guī)則的實(shí)施加速了船舶推進(jìn)裝置向節(jié)能環(huán)保型升級(jí)。我國(guó)環(huán)保部也正在制定我國(guó)內(nèi)河船用柴油機(jī)大氣排放標(biāo)準(zhǔn)，由于在技術(shù)上與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家還存在較大的差距，我國(guó)對(duì)柴油機(jī)有害物質(zhì)排放的要求也明顯降低，以210系列柴油機(jī)的NOx排放為例，排放標(biāo)準(zhǔn)為11.97g/kW·h，比歐盟的標(biāo)準(zhǔn)高37%左右[4]。相比于使用傳統(tǒng)柴油作為燃料的高成本和易泄漏所造成污染的燃燒方式相比，采用液化天然氣作為燃料是一種成本低、安全、無(wú)污染的最佳解決方法，再者節(jié)能減排、綠色低碳也是未來(lái)漁業(yè)捕撈發(fā)展的大勢(shì)所趨、必經(jīng)之路。液化天然氣是滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)最佳選擇之一。

2 LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在船舶上的應(yīng)用

LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的概念最早于20世紀(jì)80年代末提出，以電控二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，其最先被運(yùn)用于汽車，由于其優(yōu)良的燃燒和經(jīng)濟(jì)性能，被逐漸拓展運(yùn)用到船舶領(lǐng)域。LNG船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)不同的點(diǎn)火方式可以分為火花塞式和柴油引燃式兩種[5]。前者通過(guò)火花塞點(diǎn)燃，而后者通過(guò)壓縮沖程終點(diǎn)形成的高溫高壓先使引燃柴油(燃點(diǎn)220℃左右)自燃，在通過(guò)其燃燒放出的熱量迅速升高缸內(nèi)溫度點(diǎn)燃天然氣(燃點(diǎn)650℃左右)?？紤]到船舶遠(yuǎn)洋航行時(shí)存在加注的問(wèn)題，發(fā)動(dòng)機(jī)在天然氣不足時(shí)還可以從燃?xì)饽Ｊ角袚Q到燃油模式。

LNG船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)進(jìn)氣方式的差異可分為缸外進(jìn)氣和缸內(nèi)進(jìn)氣兩種。缸外進(jìn)氣包括總管進(jìn)氣和支管進(jìn)氣兩種方式：支管進(jìn)氣是電控多點(diǎn)順序噴射；缸內(nèi)進(jìn)氣可分為低壓缸內(nèi)直噴和高壓缸內(nèi)直噴兩種形式[6-7]。綜合分析來(lái)看，微引燃式支管電控多點(diǎn)噴射和缸內(nèi)直噴是比較有發(fā)展前景的供氣方式，它們均能實(shí)現(xiàn)單缸燃燒控制，具有充分發(fā)揮氣體燃料優(yōu)勢(shì)的潛力，且能獲得較好的排放性能。

由于市場(chǎng)和技術(shù)的原因，四沖程中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)[8]在研發(fā)和推向市場(chǎng)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于二沖程低速發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，曼恩公司的高壓缸內(nèi)直噴雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和瓦錫蘭公司的低壓缸內(nèi)直噴雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)占據(jù)了此領(lǐng)域主要的市場(chǎng)份額。

2.1 曼恩高壓直噴雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

曼恩公司的高壓直接噴射式LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是目前世界上最為先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)之一[8]。2011年5月，曼恩公司在300多名嘉賓的見(jiàn)證下，在其研發(fā)中心舉行了首臺(tái)ME-GI二沖程燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的首發(fā)儀式，將自己對(duì)ME-GI系列機(jī)的研發(fā)推向了高潮[9]。

2014年，第一臺(tái)ME-GI主機(jī)(型號(hào)8L70ME-C8.2-GI)被應(yīng)用于一條3 100箱的集裝箱船。該船由DOOSAN公司建造，船東為T(mén)otemOceanTrai-ler。之前訂單中的大多數(shù)雙燃料機(jī)(如8L70ME-C8.2GI等)都應(yīng)用于集裝箱船和LNG船，受價(jià)格和限制排放區(qū)域的影響，他們的航線也大多集中在北美。2014年-2016年，在LNG動(dòng)力船應(yīng)用方面，包括已交付和未交付訂單，曼恩缸內(nèi)高壓直噴雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)約有52臺(tái)、支管多點(diǎn)噴射雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)約有33臺(tái)。

資料顯示，ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)是燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)(GI-ECS)，它是對(duì)ME柴油機(jī)控制系統(tǒng)ME-ECS的補(bǔ)充。它的缸蓋上有2～3個(gè)燃油噴射閥和燃?xì)鈬娚溟y，其燃油噴射閥開(kāi)關(guān)原理是在燃油模式時(shí)作為氣缸主噴油器，燃?xì)饽Ｊ綍r(shí)也兼做點(diǎn)火噴油器使用[10]。ME-GI采用引燃油引燃天然氣的點(diǎn)火方式，引燃油量極少，一般只需3%～8%。ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)[11]噴入燃?xì)鈺r(shí)壓力很高，因此需要300bar以上的燃?xì)鈬娚鋲毫?。值得?qiáng)調(diào)的是，曼恩公司的LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用缸內(nèi)高壓直噴，甲烷逃逸量<0.02%，基本無(wú)甲烷逸出，高負(fù)荷時(shí)，燃?xì)庠O(shè)定壓力更高可以噴射更多的燃?xì)狻?/p>

ME-GI部分發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饪刂茀?shù)如下所示：

壓力要求：額定值300bar，最大值315bar，安全釋放閥320bar，波動(dòng)限制±2bar，設(shè)定值公差±5%。

質(zhì)量要求：無(wú)冷凝，無(wú)油/水滴及水氣。

曼恩公司的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)從G95ME-C9～S30ME-B9，共21款機(jī)型。所有的MANME電控機(jī)都可以做成ME-GI雙燃料型式。表1為ME-GI部分機(jī)型基本參數(shù)。

表1 ME-GI部分機(jī)型基本參數(shù)

ME-GI 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饽Ｊ讲捎玫氖堑胰麪栄h(huán)，燃燒火焰相對(duì)較高，與瓦錫蘭公司采用奧托循環(huán)的低壓雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)相比，NOx減排效果有限，因此必須配備廢氣再循環(huán)(ExhaustGasRecirculation，EGR)或選擇性催化還原(SelectiveCatalyticReduction，SCR)系統(tǒng)才能滿足NOx雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)TierIII所要求的排放標(biāo)準(zhǔn)[12]，這是采用狄塞爾循環(huán)的弊端。但曼恩公司最新研制的51/60DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用了最先進(jìn)的“微先導(dǎo)”燃?xì)恻c(diǎn)燃技術(shù)和最新的曼恩柴油機(jī)共軌技術(shù)，可高效地將柴油或天然氣轉(zhuǎn)化成電力或機(jī)械推進(jìn)動(dòng)力，允許靈活設(shè)置各缸的噴油定時(shí)、持續(xù)時(shí)間和壓力，排放非常低，可滿足TierIII標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 瓦錫蘭公司低壓雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

瓦錫蘭公司于20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，90年代開(kāi)始運(yùn)用陸地裝置。2006年，由瓦錫蘭公司制造的50DF發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于第一艘天然氣運(yùn)輸船上。截至2015年6月，瓦錫蘭公司總共生產(chǎn)了1 300 多臺(tái)DF發(fā)動(dòng)機(jī)，現(xiàn)LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)占有率達(dá)80%。50DF問(wèn)世以來(lái)，全球65%的新造天然氣運(yùn)輸船裝備了瓦錫蘭公司生產(chǎn)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。2015年6月，瓦錫蘭與玉柴集團(tuán)合作生產(chǎn)的5RT-flex50DF雙燃料低速機(jī)交付成功，這也是我國(guó)第一臺(tái)船用雙燃料低速機(jī)，被裝配在浙江華祥海運(yùn)有限公司的一艘14 000m3液化氣運(yùn)輸船上[13]。

瓦錫蘭2-SDF發(fā)動(dòng)機(jī)與曼恩LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)存在很多不同之處，在主燃油噴射器的基礎(chǔ)上每缸還單獨(dú)設(shè)有點(diǎn)火油噴射器，點(diǎn)火采用了先進(jìn)的“微點(diǎn)火”和“預(yù)燃室”技術(shù),它在100%功率時(shí)點(diǎn)火油約2g/kW·h，30%功率時(shí)約8g/kW·h[14]。此外，電控噴油器燃油共軌，點(diǎn)火油最小量時(shí)可達(dá)1%，HFO(HeavyFuelOil)可作為引燃油。該點(diǎn)火油系統(tǒng)的特點(diǎn)為：(1) 采用共軌技術(shù)，僅需1臺(tái)點(diǎn)火油泵即可滿足所有氣缸運(yùn)行要求；(2) 點(diǎn)火油泵配有濾器和調(diào)壓閥；(3) 點(diǎn)火油泵為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

研究表明，與其他技術(shù)相比，瓦錫蘭的低壓DF發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)基于稀薄燃燒原理(奧托循環(huán))，能夠?yàn)榇瑬|節(jié)省15%～ 20%的資本支出[15]，其主要通過(guò)兩方面實(shí)現(xiàn)：首先，瓦錫蘭雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的液化天然氣和氣體處理系統(tǒng)在低于10bar的壓力條件下工作，不僅可以降低投資成本，而且系統(tǒng)也更為簡(jiǎn)單，低壓設(shè)計(jì)理念可以省去高耗能的壓氣機(jī)組而采用最經(jīng)濟(jì)的低壓供氣系統(tǒng)；其次，發(fā)動(dòng)機(jī)不再需要進(jìn)一步的NOx凈化系統(tǒng)來(lái)滿足未來(lái)的排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。瓦錫蘭這類新型發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)能夠符合IMONOxTierIII排放標(biāo)準(zhǔn)，引燃油量降低至1%，并且在使用液態(tài)燃料時(shí)最低可達(dá)到TierII標(biāo)準(zhǔn)。2-SDF發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较翹Ox排放量約2g/kW.h[16]，也滿足TierIII排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 羅爾斯·羅伊斯公司純氣體發(fā)動(dòng)機(jī)

羅爾斯·羅伊斯公司(下文簡(jiǎn)稱羅·羅)的創(chuàng)新和成就并不僅限于汽車領(lǐng)域，在船舶行業(yè)也緊跟時(shí)代的步伐，擁有長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光。羅·羅在分析了中國(guó)近十年天然氣的使用量后，發(fā)現(xiàn)天然氣在中國(guó)擁有巨大的發(fā)展空間，主動(dòng)把“氣”概念帶到了中國(guó)，與挪威運(yùn)輸公司NorLinesAS、江蘇產(chǎn)業(yè)重工強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，將世界首艘純氣體機(jī)推進(jìn)船的建造基地設(shè)在中國(guó)[17]。

與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，羅·羅公司生產(chǎn)的BergenB系列稀薄燃燒燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的CO2和NOx排放量均有明顯降低，且SOx排放幾乎為零，較好地符合了綠色環(huán)保的理念，可以滿足2016年最新出臺(tái)的TierIII排放標(biāo)準(zhǔn)[18]。為了增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，羅·羅公司還與天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司聯(lián)合，構(gòu)思出了適合于內(nèi)河、沿海、近海航行的2 500～40 000m3的中小型LNG運(yùn)輸船設(shè)計(jì)理念。

2.4 國(guó)內(nèi)LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)介紹

由于受到新建成本高、技術(shù)限制等因素的影響，LNG燃料動(dòng)力船在我國(guó)以改造為主。我國(guó)圍繞LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)正做著積極的研究嘗試。中油濟(jì)南柴油機(jī)廠(下文簡(jiǎn)稱“濟(jì)柴”)是國(guó)內(nèi)第一家開(kāi)展氣化水運(yùn)的發(fā)動(dòng)機(jī)制造單位，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)第一家成功研發(fā)船用雙燃料產(chǎn)品單位。2012年2月20日，濟(jì)柴400kW雙燃料船機(jī)取得CCS認(rèn)證，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)首臺(tái)雙燃料船機(jī)的誕生。目前，濟(jì)柴已取得C6190、C8190、L8190 3個(gè)系列雙燃料產(chǎn)品中國(guó)船級(jí)社(ChinaClassificationSociety，CCS)證書(shū)，功率范圍為300～1 000kW。另外，中油濟(jì)柴也是國(guó)內(nèi)第一家成功研發(fā)船用純氣機(jī)產(chǎn)品單位。2010年4月16日，濟(jì)柴1 200kW天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)取得CCS認(rèn)證，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)首臺(tái)船用純氣機(jī)的誕生。目前,濟(jì)柴已與國(guó)際AVL公司、曼恩公司分別展開(kāi)合作，已相繼開(kāi)發(fā)了260，320缸徑純氣機(jī)，單缸功率分別為250kW，400kW，可根據(jù)用戶需求分別配置6，7，8，9，12，14，16，18缸氣體機(jī)，是國(guó)內(nèi)第一家參與在航船雙燃料領(lǐng)域改造的單位。2011年11月20日，濟(jì)柴成功改造魯濟(jì)寧貨2535機(jī)動(dòng)貨船，迄今已獨(dú)立完成9艘船舶的雙燃料動(dòng)力改造。

濟(jì)柴混燒機(jī)中較多機(jī)型采用增壓前總管單點(diǎn)噴射，該類機(jī)型與原柴油機(jī)相比，燃燒室結(jié)構(gòu)、各氣閥定時(shí)、噴油定時(shí)未做任何改動(dòng)。燃?xì)馓娲室话恪?0%。船舶實(shí)際應(yīng)用時(shí)，較大負(fù)荷下,燃?xì)馓娲始s為70%。其中，部分采用了海茵茨曼控制系統(tǒng)，常溫燃?xì)?，燃?xì)膺M(jìn)機(jī)壓力一般<4kg/cm2，75%以上負(fù)荷時(shí)，燃?xì)馓娲始s80%。除了混燒機(jī)外，濟(jì)柴190系列中的12缸V型和16缸V型以及26/32系列和MAN32/40系列都是純氣體機(jī)。

淄博柴油機(jī)廠于2008年開(kāi)始了對(duì)船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，并積極與山東大學(xué)合作開(kāi)展支管多點(diǎn)噴射和混燒機(jī)研究，所采用的燃?xì)膺M(jìn)氣方式有增壓前單點(diǎn)噴射和增壓后多點(diǎn)噴射。增壓前單點(diǎn)噴射是LNG儲(chǔ)罐中的燃?xì)饨?jīng)過(guò)氣化、過(guò)濾和減壓后從進(jìn)氣總管噴入，燃?xì)膺M(jìn)機(jī)壓力為零壓(或負(fù)壓)，燃?xì)鉁囟瓤刂圃?0℃之內(nèi)，一般5～15℃最好。溫度較高，燃?xì)饬烤蜕?，?huì)影響空燃比。船舶應(yīng)用上，50%～75%負(fù)荷燃?xì)馓娲Ч^好，25%負(fù)荷以下時(shí)，建議全柴油運(yùn)行。已經(jīng)可以滿足TierII級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。2014年，淄柴設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)Z8170本質(zhì)安全型多點(diǎn)噴射雙增壓雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，2015年2月已完成了CCS認(rèn)可型式試驗(yàn)及NOx排放測(cè)試試驗(yàn)。

3 應(yīng)用問(wèn)題和挑戰(zhàn)

目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用于船舶領(lǐng)域的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)擁有著廣闊發(fā)展前景，但仍然面臨不少挑戰(zhàn)，包括：

(1)LNG燃料的儲(chǔ)運(yùn)和加注仍然是一個(gè)很大的難題。由于儲(chǔ)罐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加之LNG在同條件下相比柴油體積大的多，需要很大的儲(chǔ)運(yùn)空間。在加注方面，全球現(xiàn)有的加注站還不夠完善，加注補(bǔ)給設(shè)備不配套，主要集中在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，而想要全面發(fā)展LNG雙燃料技術(shù)首先需要建成完善的補(bǔ)給系統(tǒng)。

(2) 有待建立相對(duì)健全的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范。雖然LNG雙燃料技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但國(guó)內(nèi)尚未制定與之相對(duì)應(yīng)的運(yùn)送和加注標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 改造船舶LNG燃燒效率和排放技術(shù)尚待提高。沒(méi)有資金補(bǔ)貼，船東積極性不高。由于LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的初期投資要比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)高出很多，很多船東還處于觀望階段，特別是近期石油價(jià)格暴跌，LNG燃料經(jīng)濟(jì)性減弱,如果沒(méi)有國(guó)家資金的支持勢(shì)必阻礙燃料技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。另外，LNG發(fā)動(dòng)機(jī)本身還存在很多技術(shù)問(wèn)題，如爆燃、爆震、甲烷逃逸、潤(rùn)滑不良、HC排放量嚴(yán)重等。

(4) 潤(rùn)滑不良。柴油以小液體形態(tài)噴入氣缸，對(duì)閥門(mén)、閥座等有潤(rùn)滑、冷卻作用，而燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)燃料為氣體，由于LNG燃料燃燒產(chǎn)生的熱值要比傳統(tǒng)燃料大，燃燒室溫度更高，會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油過(guò)快老化，使發(fā)動(dòng)機(jī)閥座部件干澀無(wú)潤(rùn)滑，極易過(guò)度磨損。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多改造后的船舶由于潤(rùn)滑不良而使發(fā)動(dòng)機(jī)吊缸頻率明顯增加，從而顯著增加了維護(hù)保養(yǎng)的周期以及維護(hù)成本。

(5) 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的甲烷逃逸現(xiàn)象很嚴(yán)重，而甲烷的溫室效應(yīng)是CO2的20多倍。如果不控制它的逃逸現(xiàn)象，可能在溫室效應(yīng)的控制上會(huì)適得其反。甲烷逃逸的主要原因是由于發(fā)動(dòng)機(jī)存在氣閥重疊角以及缸內(nèi)燃燒不充分，使多余的甲烷隨著尾氣排入大氣，可以通過(guò)消除氣閥重疊角和改善燃燒的方法減少該現(xiàn)象的發(fā)生。另外，由于缸內(nèi)余隙是HC排放的主要來(lái)源，可以通過(guò)加工活塞倒角和改善燃燒室形狀來(lái)降低HC的排放。

4 發(fā)展的建議

(1) 雙燃料柴油機(jī)主要存在3種形式的爆燃，其主要影響因素包括發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、燃燒溫度、氣缸內(nèi)紊流情況，天然氣與引燃柴油混合比例。如適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速，增加引燃柴油油量，減少天然氣量可改善雙燃料柴油機(jī)(特別是低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí))的爆燃狀況。通過(guò)借鑒ME-GI發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)，使燃?xì)獠粎⑴c壓縮過(guò)程，只通入新鮮空氣，能夠很好地解決失火和爆燃現(xiàn)象。

(2) 國(guó)內(nèi)LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與國(guó)外先進(jìn)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)方面相比還存在10～20年的差距，比如在尾氣排放上，曼恩公司的技術(shù)早已滿足TierII標(biāo)準(zhǔn)要求，瓦錫蘭公司的技術(shù)滿足TierIII標(biāo)準(zhǔn)要求，且都對(duì)甲烷逃逸量進(jìn)行了較深入研究；而國(guó)內(nèi)各LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放一般只滿足TierI標(biāo)準(zhǔn)要求，在甲烷逃逸上研究也較少。因此，需加強(qiáng)與曼恩、瓦錫蘭等發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的合作，投資引進(jìn)他們的先進(jìn)技術(shù)并研發(fā)出自己的技術(shù)產(chǎn)業(yè)。另外，最新研究表明HC的排放對(duì)人體有很大的危害，也應(yīng)該在如何降低HC排放上多做研究。

(3) 目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣的是總管增壓器前預(yù)混合式發(fā)動(dòng)機(jī)。但考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能及價(jià)格因素，未來(lái)在長(zhǎng)江或運(yùn)河流域應(yīng)用LNG動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)還應(yīng)首選支管多點(diǎn)噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)較為合適。

(4) 針對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑不良的突出問(wèn)題，普通潤(rùn)滑油已經(jīng)無(wú)法解決由氣體干澀引起的閥門(mén)磨損及開(kāi)關(guān)不嚴(yán)等問(wèn)題，因此需研制新型材料或選用高性能的潤(rùn)滑油。如可使用結(jié)構(gòu)陶瓷性材料，這種材料具有很好的耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫性[19]，但結(jié)構(gòu)陶瓷性材料種類繁多，我們還需做大量的試驗(yàn)和研究才能研制出符合雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳材料。

(5) 由于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)還處于起步階段，未來(lái)十年在內(nèi)河和近海完成對(duì)船舶的進(jìn)一步改造計(jì)劃還需要國(guó)家政策和資金的大力支持，相關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)加快對(duì)相應(yīng)制度的規(guī)范和制定，加大在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的投入，合理安排天然氣儲(chǔ)氣和加注站，使國(guó)內(nèi)雙燃料改造技術(shù)能夠更快地趨于成熟。

節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境是我國(guó)的基本國(guó)策之一，推廣高能效LNG雙燃料船是實(shí)現(xiàn)水運(yùn)行業(yè)節(jié)能減排、轉(zhuǎn)型升級(jí)的有效措施。升級(jí)船舶動(dòng)力，降低能耗，減少排放，加快清潔水運(yùn)建設(shè)步伐是發(fā)展綠色水運(yùn)交通，建設(shè)生態(tài)文明的需要。國(guó)外中低速LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，無(wú)論在降低能耗還是排放上都能基本滿足國(guó)際最新排放標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)船企需繼續(xù)加強(qiáng)同國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)廠家的合作與交流，研制出適合自己國(guó)內(nèi)船舶及內(nèi)河狀況的LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

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Technology Development and Application Status about Dual Fuel Engine

YUAN Jiangfan1, HU Yihuai1, JIANG Genghong1， TANG Juanjuan2

(1.Shanghai Maritime University, Shanghai 201306， China；2.Shanghai Ship Design and Research Institute, Shanghai 201203， China)

Since 2016，the Tier III, which was developed in the implementation of the Emission Control Area (ECA) by the International Maritime Organization, is bound to accelerate the marine propulsion plant to the direction of energy saving,environmental protection and low emission.The technology of LNG dual fuel engine has obvious advantages in reducing emission of pollutants and the cost of fuel, which can provide a new way to the solution of the problem of traditional fuel engine emissions.Domestic and foreign manufacturers are actively developing the LNG dual fuel engine with better performance, and have made considerable progress. According to the development and respective advantages and disadvantages of domestic and foreign dual fuel engine, as well as current gap suggestions and recommendations are provided.

LNG； dual fuel engine； ship

袁江帆(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡p燃料發(fā)動(dòng)機(jī)船舶動(dòng)力裝置。

1000-3878(2017)01-0001-05

U664

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