摘 要

在能源危机以及环境污染的背景下研究LNG/柴油双燃料发动机成为一个重要的话题。其改装较为简易、经济性好、热效率高故而受到广泛青睐。

本课题将船用柴油机CHS234V8改装成为LNG/柴油双燃料发动机，并结合其负荷特性，通过发动机的台架试验来研究分析双燃料发动机的排放特性。本文的研究内容主要是以下几个方面：

1．从当前日益严格的排放法规以及能源短缺的现实状况出发，分析了目前双燃料发动机进气方式的几种情况。结合改装的难易程度以及改装成本选择了进气总管进气方式的船用双燃料发动机改装方案和控制策略；

2．对本实验中需要的双燃料发动机测试台架进行了阐述，并进行了台架试验。采集了双燃料发动机在不同工况下的污染物排放浓度及相应的排气温度和气缸压力；

3．研究了负荷特性下LNG替代率对发动机HC及NO_x排放的影响，其中重点放在对HC排放分析上。并结合污染物的生成机理和催化剂的温度特性对污染物的排放特性进行了分析。

试验研究表明：双燃料发动机的HC/CO排放特性要比原机差。替代率对HC排放影响显著。在负荷特性下，随着替代率的增加，HC的排放浓度大概呈现直线上升的趋势，并且在负荷小的情况下排放更加恶化。CO上升趋势明显而NO_x没有明显的变化；根据催化前后在各负荷HC的排放变化情况，氧化型催化转化器在100%、75%及50%各工况点的催化效率都很高，可以大大降低碳氢的排放量。同时可以看出加DOC后对NO_x的影响并不大，个别工况甚至NO_x排放量会升高。

论文最后还指出了本文对于HC排放还可在已有的基础上进行进一步的优化，诸如调节柴油机的进排气正时、利用柴油机的增压中冷技术对HC排放进行优化；对于催化剂的流动特性及低温起燃特性还可以进行进一步的完善。由于时间及实验条件的限制，以上没有得到进行，故仍然需要进一步的研究。

关键词：船用双燃料发动机；LNG替代率；HC排放特性；氧化型催化转化器

ABSTRACT

In the context of energy crisis and environmental pollution, research on LNG/ diesel dual fuel engine has become an important topic. The modification is simple and the dual fuel engine is economical, high thermal efficiency. So it is widely favored.

In this paper, the marine diesel engine CHS234V8 is converted into LNG/diesel dual fuel engine. We study the characteristics of dual fuel engine emissions through the engine bench test. All of the research is carried out under the load characteristics. The main contents of this paper are as follows:

1．The paper introduced several air intake systems of current dual fuel engine in the current increasingly stringent emission regulations and the reality of the shortage of energy. According to the difficult degree of modification and the cost of modification, the modification scheme and control strategy of the dual fuel engine of the ship in the intake manifold were selected;

2．The test bench of the dual fuel engine is introduced. The bench test is done accordance with the MARPOL Convention and the Chinese marine diesel engine test requirements. The pollutant emission concentration of the dual fuel engine under different working conditions and the corresponding exhaust temperature and cylinder pressure were collected;

3．The effect of LNG replacement rate on engine emissions under load characteristics is studied and the emphasis is on the analysis of HC emission. The emission characteristics of pollutants were analyzed combined with the formation mechanism of pollutants and the temperature characteristics of the catalyst.

The experimental study shows that the HC/CO emission characteristics of dual fuel engine are worse than that of the original machine. Substitution rate has a significant impact on HC emission. With the increase of the replacement rate the emission concentration of HC is almost the trend of a straight line under the load characteristic. The emission is even worse when the load is small. While CO upward trend clear and NOx has no obvious change; The oxidation type catalytic converter has a high catalytic efficiency when the load are 100%, 75% and 50% according to the changes of the HC emission before and after the reaction. At the same time, it can be seen that the effect of adding DOC on the NOx emission is not obvious. Even to the extent that the NOx emissions of individual working conditions will be increased.

The research on the other factors which affect the emission characteristics of dual fuel engine is also pointed out at the end of the paper. So the further research is still needed.

Keywords: dual fuel engine for ship, LNG replacement rate, HC emission characteristics, oxidation catalytic converter

目 录

第一章 绪论 1

1.1选题背景 1

1.2双燃料发动机的国内外研究现状 3

1.2.1国外研究现状 3

1.2.2国内研究现状 4

1.3课题研究目的及意义 4

第二章 LNG技术利用简介 6

2.1双燃料发动机 6

2.1.1双燃料发动机进气方式的分类 6

2.1.2双燃料发动机的燃料供给系统 8

2.2天然气发动机 8

2.2.1天然气发动机进气方式的分类 8

2.3本文供气方式选择 10

第三章 船用双燃料发动机试验测试设备 11

3.1 台架设备 11

3.1.1发动机参数 11

3.1.2台架控制设备及排放测量设备 11

3.2 催化剂选取 13

3.2.1DOC组成及简介 13

3.2.2催化剂选型 15

第四章 实验结果与分析 17

4.1无催化器时负荷特性下排放随替代率变化图表及分析 17

4.2有催化器后负荷特性下排放随替代率变化图表及分析 17

第五章 全文总结及工作展望 21

5.1全文总结 21

5.2工作展望 21

参考文献 23

致谢 25

第1章 绪论

1.1 选题背景

石油危机爆发使人类意识到依赖单一能源的缺陷，只有在开发其他能源资源上做出努力，才会避免这种情况的出现。世界能源危机问题也是人为的能源短缺问题。由于世界上石油资源是有限的，易开采的已经很少，剩余储量又很难实现开发。因此，继续保持不改变能源消费结构的现状，很可能就会发生能源危机。

并且，在使用能源的过程中，不可避免的将会产生环境污染问题。大量使用能源提升了人类的物质文明，但也造成了很多危害，比如酸雨危害，遍及范围广泛。除了酸雨之外，还有全球变暖这种环境问题的出现。全球平均温度已经升高0.3~0.6摄氏度。全球变暖带来的后果也非常的严重，诸如冰川消退、海平面上升等，对生态系统的破坏也不容忽视。

液化天然气（LNG）是一种高热值无污染的清洁能源，由此也日益受到人们的关注，作为新能源之一的LNG在环保方面有着独特的优势，并且有较好的环保效益，并且随着技术的发展和科技的进步，将会在未来大展宏图。使用LNG作为船舶的燃料在环境保护方面有非常多的优点，可以达到节能减排的目的和产生诸多环境效益。还可以减少温室气体的排放，和一般的柴油机相比，双燃料发动机的排放以及SO和颗粒物的排放都可以减少到一定的水平，氮氧化物的排放也大大减少；此外，相比较燃油LNG也有更高的热值，并且与燃油比较LNG的价格更为低廉，这个优势也会让船东更倾向于选择LNG作为船舶燃料。