双燃料船用发动机介绍

一、介绍

天然气是现代双燃料柴油优化尾气排放的理想化石燃料，同时维护和修理的成本将大
大降低。目前，人们一直在搜寻一种能够显著减少污染物的燃料，以满足对柴油发动机的废气中有害物质排放量的要求。

二、使用组合燃料

1、双燃料（DF）

在这一过程中，喷射约1%至10%的少量液体重油或者柴油。

在进气行程，气体燃料在进气门前方喷入，液体燃料点燃空气/燃气混合物。其优点在于，废气比燃烧重油或柴油时更清洁。气体燃料中含有的碳原子数少于液体燃料，因此可以减少二氧化碳的产生了量，碳烟和硫含量都显著降低，发动机的污染也相应减小。在80％负载以下，发动机可以自动将燃料从重油切换为气体燃料，这个过程大约需要一分钟。当在气体供给中断时，发动机自动从气体切换为重油。

气态燃料系统：

黄色部分，我们称之为“气阀单元”，它可以确保气体在所有条件下安全地供给到发动机。

一个手动截止阀，一个滤器，一个压力调节装置和两个电磁阀是标配。发动机失效/或紧急开关激活，两个电磁阀会快速关闭，迫使发动机停机。“发动机控制系统”通过控制电磁阀的开和关，来控制气体从电磁阀门喷入进气门上游的进气管中。

该双燃料柴油机使用的重油系统：

进入喷油器之前的燃料包括1％重油和99％的气体，这两个部分燃料由微喷高压泵单元通过共轨系统提供。当切换为100％使用重油时，大型的高压燃油泵将提供足够的燃料。

这种喷射器具有两个喷嘴，微喷和主喷射。

常规蒸汽轮机与双燃料柴油机推进效率的差异对比

对于这种油轮，双燃料柴油机被用来驱动发电机。在降速时，可以关闭一个或多个发电机组。这样一来，发动机推进效率仍然很高，即使在部分负荷下依旧如此。蒸汽涡轮机在满负荷的推进效率比双燃料发动机的低很多，在部分时，效率迅速下降。

用电马达的双燃料推进系统的例子：

四台双燃料柴油机驱动发电机，这些发电机提供了船舶所需的电力。发电机通过变压器将产生的电能提供给电马达，马达转速则是由发电机频率来控制。该电马达可以反向工作。因此，使用定距桨就足够了。

瓦锡兰为一个快速滚装船设计的相同类型的推进系统。注意第二个螺旋桨驱动，此POD推进系统在任何方向的机动性都很好。

双燃料发动机的低排放，少维护以天然气为主燃料、以小部分液体燃料作为点火的柴油机订单数快速增长。

尤其瓦锡兰和MAN，是开发中速四冲程筒状活塞发动机和低速两冲程十字头双燃料发动机的领导者。大多数“双燃料”推进主机应用在天然气运输船上。船上的货物，也就是液化天然气，只有在零下-160℃下才变为液态，它是双燃料发动机理想的燃料。

存储的液态天然气蒸发时会使液化气保持低温状态！发电厂的“双燃料”发动机是由天然气管道系统提供天然气。全世界气体管道系统迅速增加，这意味着“双燃料”发电厂也可能随之增加。这些主要目标还是较低的二氧化碳、沉积物和小颗粒的排放。

小型的液体燃料储罐，对环境土壤的污染也是一个重要的问题。在实践中，相比使用重油的柴油机，双燃料发动机的保养时间间隔将缩短二分之一至四分之一。

上图为MAN六缸二冲程低速十字头柴油机，该柴油机被用作天然气运输油轮的推进系统。此发动机可以安装双燃料系统。气体在非常高的压力下通过单独管子供给喷油器。在低速两冲程十字头发动机气缸盖端部的双燃料组件。

MAN生产的12V32/40双燃料的四冲程中速机

位于左右两侧进气管上方的管道将气体供应到电磁阀，电磁阀控制气体在合适的时候流经进气门。

在双燃料发动机的原理，保留了柴油的过程：

左边：吸气行程

随着活塞的下移，空气和燃气的混合物被吸入气缸内。燃气通过电磁阀喷入进气道内。

中间：压缩行程

随着活塞上移，混合气体被压缩。该混合气体质量不好，意思就是过量空气系数比较大（约为2）。由于这个原因，混合气体不会自燃。

右边：活塞即将上死点之前，燃料在高压下喷射到气缸内，点火组件将空气/燃气混合物点燃，然后就是作功、排气过程。

双燃料系统的工作原理:

燃料，也就是天然气，在进气冲程期间喷入进气阀前的气道内，和空气充分混合，过量空气系数为1.5〜2.0，这就是我们所说的低质量的混合物。实际的空气量比燃料完全燃烧所需的空气量多50%〜100％。在压缩行程终了，喷射的微量燃油立即着火，随后点燃空气/气体混合物。微喷喷油器取代了传统的火花塞。着火后整个过程将按照柴油机的模式进行，该循环模式比奥拓循环具有更高的效率。

使用LNG油轮:

一些LNG油轮目前装备了运行在气体燃料模式的发动机，气体燃料为船上装载的液化气。为了保持该船上货物（液态天然气）在足够低的温度以下，货物的小部分会蒸发为气体，蒸发会将热量从货物中吸收出来，该方法可以保证液态气体处于所期望-180℃的低温下,同时蒸发出的气体燃料可用于推进系统。以前，该气体也被用于蒸汽涡轮推进系统中蒸汽锅炉的燃料，但这样的推进装置效率比双燃料发动机的效率低得多。

根据船舶航程距离来估算，推进系统大约会使用10％货物（液化气）。当船不载运货物时，主机可以使用主喷油器，全部燃烧重油进行工作。此时单独的微喷喷油器（喷嘴）处于关闭状态。

一直到了2004年，运输液化天然气（LNG）的油船由蒸汽系统推进，该系统由一个高压水管锅炉、一个汽轮机和一个冷凝器单元组成。燃料取于液化气罐，罐中液态气体被保持在-180℃的温度下。在航行期间,不断蒸发的液体燃料一直处于沸腾状态，并因此从LNG储罐中除去热量，保持液化天然气在恒定的低温。每次航程，根据于所需的时间，约为2%至10%的货物被“煮掉”。当发生故障时，蒸汽锅炉可以用重燃料油作为燃料。

目前，双燃料发动机的订单继续急剧增长。所有的LNG油轮下令在2006年装备这些双燃料发动机。

2、天然气-柴油（GD）

这类似于双燃料：在满负荷下,供应适量的液体燃料（柴油），该液体燃料不到燃料消耗总量的1％，同时供应大量的气体燃料。

在进气冲程中，只有空气被吸入和压缩。在上死点位置之前，喷入少量的液体燃料，紧接着喷射气体燃料。

如果没有气体燃料时，发动机可在柴油模式下运行。该气体/柴油系统相对于双燃料系统，其缺点是气体必须被压缩到一个非常高的压力下，约350bar，以便于它可以在压缩冲程的终了喷入气缸，这样一来，需要消耗相当数量的功率来压缩气体。

气体柴油（GD）发动机原理

蓝色：重油

绿色：气体燃料

气体-柴油（GD）发动机操作原理

白色：进气

蓝色：压缩空气

红色：重油

绿色：气体燃料

瓦锡兰32 GD发动机的横截面图

理论上，气-柴油发动机和柴油机构造相同，只有燃油系统不同。注意上图中在凸轮轴侧水平放置的微喷燃油泵。用红色显示的为供气管路，位于凸轮轴上方的为重油泵，重油泵在主喷油器没有被激活时只进行燃料的循环。

天然气体油轮“Ras Laffan”，新一代燃气罐，容量26万立方米，隶属于卡塔尔天然气运输公司。