LNG—柴油双燃料发动机使用优势分析研究

刘春青

摘 要：针对目前石油资源危机的加剧和环境污染严重，迫切需要需找一种发动机替代能源。LNG作为一种清洁环保的新型能源，具有运输方便、清洁环保等特点，在此背景下产生了LNG-柴油双燃料发动机。本文通过LNG的基本性质，在其经济性、可行性等方面分析LNG在发动机上应用的优势。同时，根据实际装船使用的LNG-柴油双燃料发动机的监控数据分析，验证LNG在发动机上应用的可行性，并对实验数据从经济性和环保性进一步分析对比，凸显LNG在发动机上的使用优势。

关键词：LNG-柴油；双燃料发动机；燃油替代率；可行性；经济性；

一、引言

石油作为全球经济发展引擎的原材料，具有储量大、分布广等优势，长期以来在能源中占主导地位，是汽车、轮船等交通工具的优质动力燃料。但随着世界经济的飞速发展，人类对石油的需求越来越大，导致石油总储量逐年递减，能源危机日益加重，环境污染加剧等问题。

石油燃料发动机排放气体污染严重，特别是氮氧化物和硫氧化物及温室气体二氧化碳等气体的排放尤为突出。其中，汽车、船舶等燃油发动机所排放的颗粒污染物（PM）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX）、硫氧化物（SOX）等有害物是大气污染的主要污染源，对人体和环境造成严重的损害[1]。为了控制石油燃料发动机废气排放并缓解能源危机等问题，各国都制定了严格的排放法规。同时，积极寻找新型、节能减排的替代燃料，开发新能源发动机。LNG-柴油双燃料发动机的推广使用，可以解决石油资源短缺的问题，减少有害气体排放，达到节能减排的目的。

二、LNG特性

（一）LNG基本特性

常温常压下天然气是无色、无味、无毒、无腐蚀，是一种以饱和烃类为主的混合气体。其主要成分是甲烷，约含有85%-95%，并含有少量的氮气、硫化物。随着天然气的加工、储存、运输、应用等技术的不断成熟，天然气应用范围不断拓展，其中在汽车、船舶等发动机上的使用最为显著。

液化天然气（Liquefied Natural Gas简称LNG）是天然气经压缩、冷却，在-160℃下液化而成，主要成分是甲烷。天然气在液化过程中进一步净化，甲烷纯度高，几乎不含氮气和硫化物。其作为一种优质燃料，具有洁净、经济、高效、资源丰富和方便储运等优点。天然气用作汽车、船舶等设备的替代燃料，与汽油、柴油相比，其二氧化碳、硫氧化物和氮氧化物的排放量明显降低，几乎不含颗粒物，是一种理想的发动机绿色替代燃料；其燃料、维护保养成本较低，具有显著的经济效益[2]。经过长期的发展，LNG产业已经形成了液化、储存、运输及终端使用一整套工艺技术和装备。

LNG的密度取决于其组分，由于LNG产地不同其密度通常在430kg/m3-470kg/m3之间。其主要特点如下[3]：

1、LNG体积是同质量天然气的1/625，重量仅为同体积水的45%，可以使用汽车、火车、轮船等常规设备运输。

2、LNG储存效率高，占地少。

3、LNG作为优质的发动机燃料与石油相比，它具有辛烷值高、抗爆性能好、燃料费用低、节能环保等优点。LNG-柴油双燃料发动机尾气中，HC减少72%，NOx减少39%，CO减少90%，几乎不含有Sox及颗粒物。

4、LNG汽化潜热高，液化过程中的冷量可回收利用。

（二）LNG燃烧特性

石油燃料燃烧排出的废气主要成分是NOX、CO、CO2、SOX和颗粒物等有害氣体[4]。二氧化碳（CO2）加剧温室效应，温室效应导致海平面上升、土地面积减少，且使气温上升，厄尔尼诺现象严重，造成极大的经济损失。NOX和SOX在空气中氧化，生成NO2和SO2是酸雨形成的主要原因，大气中氮氧化物和硫氧化物浓度高了就会产生烟雾和酸雨，刺激人的呼吸道和肺部，引起肺炎和支气管炎。

LNG燃烧与汽油相比，CO2排放减少27%左右；与柴油燃烧相比，CO2排放减少35%左右。

（三）LNG发动机的类型及特点

根据最新国内内河船舶规范——2013年01月01日，《内河绿色船舶规范》船级社要求，内河船舶柴油机排放要求如下[5]：

1、氮氧化物（NOX）

凡输出功率超过130KW的柴油机（应急发动机以及安装在救生艇上或只在应急情况下使用的任何设备或装置上的柴油机除外），其NOX的排放量（按总的NOX加权排放量计算）应在下列限制内：

14.4g/kwh当n<130r/min时

40ng/kwh当130r/min7、7g/kwh当n>2000r/min时

其中，n为柴油机额定转速

2、硫氧化物（SOX）

船上使用的任何燃油的含硫量，应不超过3.5%。也可采用清洁后处理装置将排放废气中SOX排放量控制在14.0g/kwh以下。因此，建设绿色船舶，节能减排是航运业面临的重大课题。

由于LNG-柴油所具有的优势，天然气发动机在汽车、船舶等领域得到推广应用。为了适应不同的应用要求，各机构和企业开发了多种燃料供给方式的天然气发动机，主要有进气道喷射、缸内直喷等方式[6]。

（1）进气道喷射：空气/天然气进气总管混合、柴油引燃双燃料发动机，天然气直接喷射入进气总管，天然气与空气混合均匀，有利于充分燃烧。缺点是未经燃烧的混合气容易进入排气管，造成气体浪费和排气管爆炸等危险。

（2）缸内直喷：发动机可燃烧较稀的混合气体提高经济性；发动机不安装节气门，节流损失小；可以抑制爆燃，可以采用较高的压缩比改善发动机经济性和动力性；可通过喷射正时、空燃比和点火提前角等手段优化匹配，改善燃烧过程。采用压燃式工作方式，喷入少量引燃柴油，该方式保留了柴油机高效率的特点，同时具有较好的机动性，天然气的使用又很好地达到了经济性和环保的目的。该类型的柴油机在原来发动机的基础上进行改造，只需增加一套燃气供给系统即可解决问题，这是目前柴油机改造和生产最主要的模式。

三、结论

根据实际装船使用的LNG-柴油双燃料发动机在运行中数据分析，LNG燃料替代柴油燃料平均替代率最高可达60%-70%[7]。同时，与柴油燃料相比，LNG-柴油双燃料发动机二氧化碳排放量可减少18%-22%，氮氧化物、硫氧化物减少均达到90%，颗粒物排放基本为零，运行成本减少30%左右。LNG-柴油双燃料发动机的使用很大程度上解决了船舶、汽车等运输工具的污染问题，同时也符合国家节能减排的要求。但因为LNG-柴油双燃料发动机需要在原燃油系统上增加一套供气系统，存在控制系统复杂，可靠性下降等问题，需要进一步完善。（作者单位：贵州交通职业技术学院）

参考文献：

[1] 曲伟东.重型LNG发动机配气相位及凸轮型线优化[J].武汉：武汉理工大学，2010.

[2] 王遇冬.天然气处理原理与工艺[M].北京：中国石化出版社，2007，221-222.

[3] 顾安忠，鲁雪生.液化天然气技术手册[M].北京：机械工业出版社，2010，21.

[4] 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[J].上海海事大学，2007.

[5] 中国船级社.内河绿色船舶规范[M].北京：机械工业出版社，2013，21.

[6] 李娜.重型车用增压中冷稀燃LNG发动机性能研究[J].山东大学，2013.

[7] 韩金丽，杨永慧，张悦.北京市发展天然气汽车的探讨[J].煤气与热力，2011（4）：11-20.