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摘要： 当代船舶运输业的核心问题是废气排放和经济性。采用高效、安全、清洁和方便的天然气作为发动机的能源是最优的选择之一。文章介绍船用低速二冲程双燃料发动机的主要系统的组成，并对其排放性能和控制进行分析，供相关人员参考。
Abstract： The core issues of contemporary shipping industry are exhaust emission control and economy. Using efficient， safe， clean and convenient natural gas as the engine energy is one of the best choices. This paper introduces the main system composition of marine low-speed， two-stroke， dual-fuel engine， and analyzes its emission performance and control for reference of relevant personnel.
關键词： 双燃料发动机;燃料系统;稀薄燃烧;排放控制
Key words： dual-fuel engine;fuel system;lean burn;emission control
中图分类号：U698 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）21-0041-02
1 排放法规
据统计，目前船舶运输每年排放的氮氧化物（NOX）气体占到总排放量的10-20%，硫氧化物（SOX）占总排放量的4～8%，二氧化碳（CO2）占到总排放量的6%[1]，可见，海洋和大气的主要污染是船舶燃用的燃料油引起的。
国际海事组织（IMO）于2008年10月对MARPOL公约附则VI中关于船舶的废气排放提出了更苛刻的要求。对于NOX排放的限制，要求2016年在排放控制区域的英吉利海峡、英国北海、波罗的海、地中海、美国东西海岸以及澳大利亚沿海等区域满足IMO Tier Ⅲ排放标准。对SOX排放的限制，附则VI要求，2020年1月1日及以后，一般航区船舶使用的含硫量不超过0.5%;排放控制区内航行时不超过0.1%。我国交通运输部在《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015-2020年）》中提出[2]，与2015年相比，长三角、珠三角及环渤海水域船舶到2020年的氮氧化物应减少20%、硫氧化物减少65%、颗粒物排放量应减少30%。显然，使用传统的以燃烧燃油的柴油机作为船舶的主要动力装置已不能满足MARPOL公约附则VI的排放要求。为了满足最新排放要求，采用高效、安全、清洁和方便的天然气作为发动机的能源是最优选择。
2 双燃料发动机
双燃料发动机是以可燃气体为主要燃料，采用柴油为引火燃料的发动机。甲烷是液化天然气LNG中的主要含量，占其总量90%以上，其它为乙烷、丙烷、丁烷等[3]。甲烷的碳氢质量比为1∶4，是碳氢比最低的物质，即发动机产生同样热量甲烷的CO2排放是最少。以天然气为燃料的发动机NOX的排放只有原来的10～15%，SOX排放基本为零。目前，应用比较多的船用二冲程低速双燃料发动机有MAN公司的高压燃气ME-GI型和WIN G&D公司的低压燃气XDF型两种机型。主要用于海洋工程船、成品油船、渡轮、多用途船、滚装船和集装箱船等。
2.1 工作模式[4]
ME-GI发动机是MAN B&W公司在电控柴油机ME的基础上设计而成的，其工作模式有：
①燃气模式。即先导点火油喷油量保持不变，而每循环的燃料气体的供给量改变。此时控制系统根据发动机负荷大小与转速高低，自动增加或减少每循环的燃料气体供给量。
②油气混合模式。发动机工作时每循环天然气的供给量保持不变，而每循环的先导点火油喷油量改变。此时发动机根据负荷与转速的变化情况自动增加或减少每循环的燃油量。
③燃油模式。当控制系统检测到燃气供给系统发生故障时，发动机将自动切断燃气的供应而转换为使用100%燃油运行，此时即按ME电喷柴油机模式工作。
2.2 燃料喷射系统
ME-GI发动机的燃料喷射系统包括燃油喷射系统和燃气喷射系统两部分。燃油喷射系统的控制同ME电控柴油机一样，但控制系统中增加了一个压力传感器，用于检测点火油的喷射压力。低压燃油进入燃油升压泵后由30MPa伺服油驱动送到每个气缸盖上的两个喷油器中，通过电控燃油电磁阀FIVA实现对发动机喷油压力、喷油定时和喷油量的控制。而燃气系统使用共轨结构。从BOG供给系统的高压天然气送到燃气共轨管路系统中，控制系统根据曲柄角度编码器判断各缸活塞的位置，通过ELGI燃气控制阀，由伺服油驱动燃气喷射阀的开启[5]。 2.3 BOG供给系统
ME-GI双燃料发动机在ME电控柴油机中增加了LNG天然气蒸发气即BOG（Boil-off gas）供给系统。供气系统有两种，一种是采用压缩机的供气系统，另一种为低温高压泵供气系统。船上一般使用两组低温高压泵式燃气供气系统，而陆用电站采用压缩机式燃气供气系统。低温高压泵供气系统是将LNG的货舱中蒸发出来的天然气（BOG）由两台高压泵加压到25～30MPa后，送到燃气共轨管路系统中。LNG货舱内的压力在BOG减少时，控制系统会自动减少低温高压泵的排量或使BOG蒸发，加大BOG的供应量使之保持稳定;当BOG的数量增加，使货舱内的压力超出设定值时，控制系统会将过多的燃气通过再液化装置液化送回货舱，也可以送到氣体燃烧器进行燃烧处理[5]，使LNG货舱内的压力恒定。
2.4 空燃比
XDF气体燃料发动机的动力性、经济性和排放性能主要取决于对燃烧的精确控制。图1所示是“稀薄燃烧”的空燃比与发动机的平均有效压力、热效率及NOX排放的关系。由图可知，燃烧室内的空燃比在2～2.3之间时发动机的动力性、经济性最高，NOX排放最低。如果空燃比太低，在燃烧过程中易出现爆燃、效率降低、NOX排放过高等现象，而空燃比太高，则可能出现不着火的现象。在平均有效压力大于20bar左右的高负荷区，爆燃区和不着火区非常接近，发动机只有在空燃比为2.2的很窄区域内才能可靠运行。因此，通过电子控制各缸空燃比就可以使各缸达到低排放燃烧要求。双燃料柴油机对每个缸气体燃料的供气量是根据发动机的负荷和燃气的热值自动进行单独控制调整，并通过调整各缸的进气空气量和燃气相匹配控制各缸的空燃比。
3 双燃料发动机的排放控制
WIN G&D公司XDF双燃料发动机是燃气在低压（约为1.6MPa）喷射预混合燃烧，发动机按照奥特循环采用“微点火”原理工作[6]，此时低压天然气是在活塞上行到将扫气口关闭后，到达中部时喷入缸内，在活塞上行过程中，燃气在气缸内与空气进行混合并参与压缩过程被压缩;当活塞上行到接近上止点时，发动机控制系统（WECS）控制每个气缸盖上的小喷油器，使喷油器向缸内喷射少量点火油，点燃缸内混合的气体燃烧膨胀并推动活塞下行完成做功。由于XDF发动机燃气模式采用奥托循环，其NOX排放主要与发动机空燃比的控制有关。由图1可知，空燃比小于1时，空燃比增加，NOX排放也增加;空燃比大于1时，空燃比增大，NOX排放减少，当空燃比等于2.2时达到了最低值。因此只要通过精确控制空燃比和点火时间，就可以获得最佳燃烧速度，使气缸内燃烧温度降低，由于NOX排放与气缸内燃烧温度成正比，从而可以降低NOX排放。据WIN G&D公司介绍，XDF的双燃料发动机在燃气模式NOX排放比燃油模式能减少90%，能够直接满足Tier III的NOX排放要求。
ME-GI双燃料发动机的燃气模式是燃气在高压（约为30MPa）下直接喷入气缸的扩散式燃烧，发动机按照狄赛尔循环采用“微点火”原理工作。活塞上行至扫气口关闭之前为扫气行程，当活塞运动到上止点附近时，发动机控制系统（WECS）控制每个缸头上的小喷油器向缸内喷射少量点火油，随后喷入高压燃气（燃气不参与气缸内压缩过程）并被点火油点燃，使气体燃料燃烧，高温燃气推动活塞下行完成做功过程。
由于ME-GI双燃料发动机是按狄赛尔循环原理工作，燃气直接喷射缸内燃烧，发动机热效率高，气缸内燃烧温度也高。由NOX的生成过程可知，NOX生成与发动机燃过程中气缸内氧气的含量、燃烧温度以及在高温气缸内燃气的停留时间等条件有关。燃烧室内温度及氧气含量升高，燃气在高温气缸内停留时间延长，NOX含量都会增加。据MAN公司介绍，ME-GI双燃料发动机在燃气模式可以比其燃油模式降低24%的NOX排放，但不能满足Tier III NOX排放要求，还要在排气管后面加装EGR或者SCR等尾气处理技术才能达到减排要求[7]。MAN公司在2019年5月已开发低压燃气的ME-GA发动机，其工作原理与XDF双燃料发动机一样，燃气模式采用奥托循环，以降低气缸内燃烧温度，使NOX排放能够直接符合Tier III要求。
4 总结
双燃料发动机的燃料中没有硫份，其SOX排放基本为零，没有碳烟和颗粒物质，CO2排放可减少25～30%。通过精确控制空燃比和尾气后处理，可使NOx排放能够直接满足Tier III要求。特别是当今在应对限硫令法规方面，双燃料发动机在排放性能方面的优点显得更加突出，将使其在商船上的应用越来越广泛。
参考文献：
[1]袁江帆，等.船用LNG双燃料发动机的技术发展及应用现状[J].上海：造船技术，2017（1）.
[2]马义平，等.国内外船用LNG动力发动机发展现状[J].上海：中国航海，2016（3）.
[3]李斌，等.主推进动力装置[M].北京：人民交通出版社，2020.
[4]咎宪生，张兴芝.用于LNG船的ME-GI型双燃料智能内燃机[J].上海：航海技术，2006（2）.
[5]周明顺，崔向东，毛宏雨.船舶柴油机[M].大连：大连海事大学出版社，2019.
[6]默宁，等.船用双燃料发动机工作原理及排放控制[J].黑龙江：黑龙江科技信息，2016（25）.
[7]李斌.双燃料发动机的工作原理及排放控制[J].大连：世界海运，2012（5）.
Abstract： The core issues of contemporary shipping industry are exhaust emission control and economy. Using efficient， safe， clean and convenient natural gas as the engine energy is one of the best choices. This paper introduces the main system composition of marine low-speed， two-stroke， dual-fuel engine， and analyzes its emission performance and control for reference of relevant personnel.
關键词： 双燃料发动机;燃料系统;稀薄燃烧;排放控制
Key words： dual-fuel engine;fuel system;lean burn;emission control
中图分类号：U698 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）21-0041-02
1 排放法规
据统计，目前船舶运输每年排放的氮氧化物（NOX）气体占到总排放量的10-20%，硫氧化物（SOX）占总排放量的4～8%，二氧化碳（CO2）占到总排放量的6%[1]，可见，海洋和大气的主要污染是船舶燃用的燃料油引起的。
国际海事组织（IMO）于2008年10月对MARPOL公约附则VI中关于船舶的废气排放提出了更苛刻的要求。对于NOX排放的限制，要求2016年在排放控制区域的英吉利海峡、英国北海、波罗的海、地中海、美国东西海岸以及澳大利亚沿海等区域满足IMO Tier Ⅲ排放标准。对SOX排放的限制，附则VI要求，2020年1月1日及以后，一般航区船舶使用的含硫量不超过0.5%;排放控制区内航行时不超过0.1%。我国交通运输部在《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015-2020年）》中提出[2]，与2015年相比，长三角、珠三角及环渤海水域船舶到2020年的氮氧化物应减少20%、硫氧化物减少65%、颗粒物排放量应减少30%。显然，使用传统的以燃烧燃油的柴油机作为船舶的主要动力装置已不能满足MARPOL公约附则VI的排放要求。为了满足最新排放要求，采用高效、安全、清洁和方便的天然气作为发动机的能源是最优选择。
2 双燃料发动机
双燃料发动机是以可燃气体为主要燃料，采用柴油为引火燃料的发动机。甲烷是液化天然气LNG中的主要含量，占其总量90%以上，其它为乙烷、丙烷、丁烷等[3]。甲烷的碳氢质量比为1∶4，是碳氢比最低的物质，即发动机产生同样热量甲烷的CO2排放是最少。以天然气为燃料的发动机NOX的排放只有原来的10～15%，SOX排放基本为零。目前，应用比较多的船用二冲程低速双燃料发动机有MAN公司的高压燃气ME-GI型和WIN G&D公司的低压燃气XDF型两种机型。主要用于海洋工程船、成品油船、渡轮、多用途船、滚装船和集装箱船等。
2.1 工作模式[4]
ME-GI发动机是MAN B&W公司在电控柴油机ME的基础上设计而成的，其工作模式有：
①燃气模式。即先导点火油喷油量保持不变，而每循环的燃料气体的供给量改变。此时控制系统根据发动机负荷大小与转速高低，自动增加或减少每循环的燃料气体供给量。
②油气混合模式。发动机工作时每循环天然气的供给量保持不变，而每循环的先导点火油喷油量改变。此时发动机根据负荷与转速的变化情况自动增加或减少每循环的燃油量。
③燃油模式。当控制系统检测到燃气供给系统发生故障时，发动机将自动切断燃气的供应而转换为使用100%燃油运行，此时即按ME电喷柴油机模式工作。
2.2 燃料喷射系统
ME-GI发动机的燃料喷射系统包括燃油喷射系统和燃气喷射系统两部分。燃油喷射系统的控制同ME电控柴油机一样，但控制系统中增加了一个压力传感器，用于检测点火油的喷射压力。低压燃油进入燃油升压泵后由30MPa伺服油驱动送到每个气缸盖上的两个喷油器中，通过电控燃油电磁阀FIVA实现对发动机喷油压力、喷油定时和喷油量的控制。而燃气系统使用共轨结构。从BOG供给系统的高压天然气送到燃气共轨管路系统中，控制系统根据曲柄角度编码器判断各缸活塞的位置，通过ELGI燃气控制阀，由伺服油驱动燃气喷射阀的开启[5]。 2.3 BOG供给系统
ME-GI双燃料发动机在ME电控柴油机中增加了LNG天然气蒸发气即BOG（Boil-off gas）供给系统。供气系统有两种，一种是采用压缩机的供气系统，另一种为低温高压泵供气系统。船上一般使用两组低温高压泵式燃气供气系统，而陆用电站采用压缩机式燃气供气系统。低温高压泵供气系统是将LNG的货舱中蒸发出来的天然气（BOG）由两台高压泵加压到25～30MPa后，送到燃气共轨管路系统中。LNG货舱内的压力在BOG减少时，控制系统会自动减少低温高压泵的排量或使BOG蒸发，加大BOG的供应量使之保持稳定;当BOG的数量增加，使货舱内的压力超出设定值时，控制系统会将过多的燃气通过再液化装置液化送回货舱，也可以送到氣体燃烧器进行燃烧处理[5]，使LNG货舱内的压力恒定。
2.4 空燃比
XDF气体燃料发动机的动力性、经济性和排放性能主要取决于对燃烧的精确控制。图1所示是“稀薄燃烧”的空燃比与发动机的平均有效压力、热效率及NOX排放的关系。由图可知，燃烧室内的空燃比在2～2.3之间时发动机的动力性、经济性最高，NOX排放最低。如果空燃比太低，在燃烧过程中易出现爆燃、效率降低、NOX排放过高等现象，而空燃比太高，则可能出现不着火的现象。在平均有效压力大于20bar左右的高负荷区，爆燃区和不着火区非常接近，发动机只有在空燃比为2.2的很窄区域内才能可靠运行。因此，通过电子控制各缸空燃比就可以使各缸达到低排放燃烧要求。双燃料柴油机对每个缸气体燃料的供气量是根据发动机的负荷和燃气的热值自动进行单独控制调整，并通过调整各缸的进气空气量和燃气相匹配控制各缸的空燃比。
3 双燃料发动机的排放控制
WIN G&D公司XDF双燃料发动机是燃气在低压（约为1.6MPa）喷射预混合燃烧，发动机按照奥特循环采用“微点火”原理工作[6]，此时低压天然气是在活塞上行到将扫气口关闭后，到达中部时喷入缸内，在活塞上行过程中，燃气在气缸内与空气进行混合并参与压缩过程被压缩;当活塞上行到接近上止点时，发动机控制系统（WECS）控制每个气缸盖上的小喷油器，使喷油器向缸内喷射少量点火油，点燃缸内混合的气体燃烧膨胀并推动活塞下行完成做功。由于XDF发动机燃气模式采用奥托循环，其NOX排放主要与发动机空燃比的控制有关。由图1可知，空燃比小于1时，空燃比增加，NOX排放也增加;空燃比大于1时，空燃比增大，NOX排放减少，当空燃比等于2.2时达到了最低值。因此只要通过精确控制空燃比和点火时间，就可以获得最佳燃烧速度，使气缸内燃烧温度降低，由于NOX排放与气缸内燃烧温度成正比，从而可以降低NOX排放。据WIN G&D公司介绍，XDF的双燃料发动机在燃气模式NOX排放比燃油模式能减少90%，能够直接满足Tier III的NOX排放要求。
ME-GI双燃料发动机的燃气模式是燃气在高压（约为30MPa）下直接喷入气缸的扩散式燃烧，发动机按照狄赛尔循环采用“微点火”原理工作。活塞上行至扫气口关闭之前为扫气行程，当活塞运动到上止点附近时，发动机控制系统（WECS）控制每个缸头上的小喷油器向缸内喷射少量点火油，随后喷入高压燃气（燃气不参与气缸内压缩过程）并被点火油点燃，使气体燃料燃烧，高温燃气推动活塞下行完成做功过程。
由于ME-GI双燃料发动机是按狄赛尔循环原理工作，燃气直接喷射缸内燃烧，发动机热效率高，气缸内燃烧温度也高。由NOX的生成过程可知，NOX生成与发动机燃过程中气缸内氧气的含量、燃烧温度以及在高温气缸内燃气的停留时间等条件有关。燃烧室内温度及氧气含量升高，燃气在高温气缸内停留时间延长，NOX含量都会增加。据MAN公司介绍，ME-GI双燃料发动机在燃气模式可以比其燃油模式降低24%的NOX排放，但不能满足Tier III NOX排放要求，还要在排气管后面加装EGR或者SCR等尾气处理技术才能达到减排要求[7]。MAN公司在2019年5月已开发低压燃气的ME-GA发动机，其工作原理与XDF双燃料发动机一样，燃气模式采用奥托循环，以降低气缸内燃烧温度，使NOX排放能够直接符合Tier III要求。
4 总结
双燃料发动机的燃料中没有硫份，其SOX排放基本为零，没有碳烟和颗粒物质，CO2排放可减少25～30%。通过精确控制空燃比和尾气后处理，可使NOx排放能够直接满足Tier III要求。特别是当今在应对限硫令法规方面，双燃料发动机在排放性能方面的优点显得更加突出，将使其在商船上的应用越来越广泛。
参考文献：
[1]袁江帆，等.船用LNG双燃料发动机的技术发展及应用现状[J].上海：造船技术，2017（1）.
[2]马义平，等.国内外船用LNG动力发动机发展现状[J].上海：中国航海，2016（3）.
[3]李斌，等.主推进动力装置[M].北京：人民交通出版社，2020.
[4]咎宪生，张兴芝.用于LNG船的ME-GI型双燃料智能内燃机[J].上海：航海技术，2006（2）.
[5]周明顺，崔向东，毛宏雨.船舶柴油机[M].大连：大连海事大学出版社，2019.
[6]默宁，等.船用双燃料发动机工作原理及排放控制[J].黑龙江：黑龙江科技信息，2016（25）.
[7]李斌.双燃料发动机的工作原理及排放控制[J].大连：世界海运，2012（5）.