船用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

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(1.中國(guó)船級(jí)社 武漢規(guī)范研究所，武漢 430022；2.中國(guó)船級(jí)社 江蘇分社，南京 210011)

近年來(lái)，隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能減排戰(zhàn)略的逐步實(shí)施，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始越來(lái)越多地應(yīng)用在內(nèi)河船舶上。國(guó)家發(fā)改委、交通運(yùn)輸部、工信部等政府部門相繼發(fā)布一系列文件，大力推進(jìn)天然氣在水運(yùn)行業(yè)的應(yīng)用。中國(guó)船級(jí)社和國(guó)家海事局也相繼頒布實(shí)施了《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》和《內(nèi)河天然氣燃料動(dòng)力船舶法定檢驗(yàn)暫行規(guī)定》。國(guó)外W?rtsil?、MAN Diesel &Turbo、Rolls-Royce、Caterpillar等知名制造商均推出了各自的船用氣體發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品[1-2]，技術(shù)水平領(lǐng)先。在此形勢(shì)下，國(guó)內(nèi)柴油機(jī)廠家也紛紛加大天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)力度。鑒于目前國(guó)內(nèi)船用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)較為混亂、研發(fā)水平較低的現(xiàn)狀，在研究各種類型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)我國(guó)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，提出建議。

1 船用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)分類

天然氣在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用形式很多，有多種分類方法,見(jiàn)表1。

按使用的燃料類型，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)可分為單一氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。前者只能使用天然氣工作，無(wú)燃油模式，又稱為純氣體機(jī)；后者既可獨(dú)立使用天然氣(使用微量柴油引燃)，又可獨(dú)立使用燃油，稱為“微引燃”式雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。目前國(guó)內(nèi)有廠家開(kāi)發(fā)了一種油氣混燒機(jī)型，將燃油和天然氣在氣缸內(nèi)按一定比例混合燃燒，且混合比例可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，稱為“混燒”發(fā)動(dòng)機(jī)，從本質(zhì)上講，這也是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的一種。

表1 船用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)分類

按天然氣的進(jìn)氣方式，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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，而總管進(jìn)氣又分為混合器式(增壓器前進(jìn)氣)和電控單點(diǎn)噴射(增壓器后進(jìn)氣)，支管進(jìn)氣則是電控多點(diǎn)順序噴射；缸內(nèi)進(jìn)氣即缸內(nèi)直噴，也分為低壓缸內(nèi)直噴和高壓缸內(nèi)直噴兩種形式。

按天然氣的點(diǎn)火方式，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)可分為火花塞點(diǎn)火和柴油引燃兩種。前者與汽油機(jī)類似，但需采用高能量數(shù)字點(diǎn)火方式，通過(guò)對(duì)點(diǎn)火時(shí)間、點(diǎn)火能量進(jìn)行精確控制，以實(shí)現(xiàn)可燃混合氣的正常點(diǎn)火，是一種單點(diǎn)著火方式，通常用于純氣體機(jī)；后者則通過(guò)著火溫度較低、較易壓燃的引燃柴油的預(yù)先燃燒，在燃燒室內(nèi)形成大量火核，繼而引燃周圍的可燃混合氣，是一種多點(diǎn)著火方式，多用于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，也可用于純氣體機(jī)。

2 技術(shù)現(xiàn)狀

當(dāng)前，我國(guó)船用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要有改造機(jī)和新造機(jī)兩種。改造機(jī)均為混燒發(fā)動(dòng)機(jī)，新造機(jī)則包括混燒發(fā)動(dòng)機(jī)和純氣體機(jī)兩類。

2.1 改造機(jī)

國(guó)內(nèi)的混燒改造機(jī)普遍采用了總管進(jìn)氣方式，部分采用支管多點(diǎn)噴射。改造過(guò)程中，為簡(jiǎn)化改裝內(nèi)容，節(jié)約改造成本，一般會(huì)保留原柴油機(jī)的供油系統(tǒng)，且不改變?cè)裼蜋C(jī)固有結(jié)構(gòu)(保證在燃油模式下發(fā)動(dòng)機(jī)性能維持不變)，僅增加一套燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)和一套燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)，通過(guò)一些基本的調(diào)試和標(biāo)定工作，使發(fā)動(dòng)機(jī)正常實(shí)現(xiàn)“混燒”功能。

這種粗放的改造方式，從實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，存在如下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

1)氮氧化物(NOx)排放無(wú)明顯改善。舊機(jī)改造方式本身就決定了很難對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)固有結(jié)構(gòu)進(jìn)行大的改動(dòng)，如凸輪型線、活塞、燃燒室形狀等；為維持純柴油模式下發(fā)動(dòng)機(jī)性能保持不變，對(duì)噴油正時(shí)等關(guān)鍵工作參數(shù)也不做調(diào)整；甚至對(duì)燃?xì)庋h(huán)噴射量、噴氣時(shí)刻等供氣系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)也不做細(xì)致優(yōu)化。這樣的改造機(jī)，難以從燃燒控制的角度充分發(fā)揮天然氣燃料的優(yōu)勢(shì)，NOx排放不會(huì)有明顯改善。

2)天然氣逃逸(HC排放)現(xiàn)象嚴(yán)重。采用總管進(jìn)氣方式的改造機(jī)，由于維持原機(jī)配氣相位不變，在掃氣階段的氣門疊開(kāi)期間，不可避免地產(chǎn)生天然氣直接從缸內(nèi)逃逸至排氣管的現(xiàn)象。天然氣的大量逃逸，不僅造成嚴(yán)重的HC排放，而且不利于改善燃料經(jīng)濟(jì)性。采用支管進(jìn)氣方式的改造機(jī)，理論上可使各缸在排氣門關(guān)閉之后再打開(kāi)燃?xì)鈬娚溟y，在進(jìn)氣門關(guān)閉之前關(guān)閉燃?xì)鈬娚溟y，從而使噴氣持續(xù)期避開(kāi)氣門重疊角，以避免天然氣逃逸。但這要求燃?xì)鈬娚溟y具有足夠快的響應(yīng)和足夠大的流量，能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速開(kāi)啟并噴入足夠多的天然氣，且能在規(guī)定時(shí)刻迅速關(guān)閉。目前，國(guó)產(chǎn)閥件還難以滿足要求，通常采用閥組的形式。

為盡量減少燃?xì)饽Ｊ较碌奶烊粴馓右?，又不影響燃油模式下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，可采用可變凸輪軸技術(shù)(flexible camshaft technology， FCT)，即在燃?xì)饽Ｊ胶腿加湍Ｊ较路謩e采用不同的凸輪型線。圖1為Caterpillar M46DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用的FCT技術(shù)。

圖1 Caterpillar M46DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的FCT原理

由圖1可見(jiàn)，在全負(fù)荷工況下，燃?xì)饽Ｊ较碌臍忾T重疊角較燃油模式顯著減小，從而有利于減少甲烷逃逸。

3)發(fā)動(dòng)機(jī)本體燃?xì)夤苈愤B接不規(guī)范。目前國(guó)內(nèi)改造機(jī)本體上的燃?xì)夤苈芳跋嚓P(guān)零部件普遍采用螺紋連接和法蘭連接，如燃?xì)饣旌掀鳌⑷細(xì)鉃V清器、燃?xì)鈬娚溟y等。中國(guó)船級(jí)社《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》明確規(guī)定，螺紋連接只能用在外徑不超過(guò)25 mm的輔助管路和儀表管路上[3]。燃?xì)夤苈飞鲜褂寐菁y連接明顯不符合要求，有嚴(yán)重的泄漏隱患。對(duì)于廠家而言，混合器、濾清器、噴射閥等均屬外購(gòu)產(chǎn)品，本身就已做成螺紋連接，不便于更改。對(duì)于法蘭連接，規(guī)范雖允許使用，但也明確規(guī)定，無(wú)論是本安型機(jī)艙還是增安型機(jī)艙，均應(yīng)將法蘭接頭布置在閥箱內(nèi)。

2.2 新造機(jī)

國(guó)內(nèi)新造的混燒發(fā)動(dòng)機(jī)，為不犧牲燃油模式性能，廠家不會(huì)對(duì)原機(jī)進(jìn)行大的優(yōu)化和調(diào)整，因此，技術(shù)水平幾乎和改造機(jī)相當(dāng)。

而新造的純氣體機(jī)，情況則有所不同。純氣體機(jī)開(kāi)發(fā)不需要考慮燃油模式，可根據(jù)氣體燃料特性盡最大可能優(yōu)化燃?xì)饽Ｊ叫阅?，可?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵零部件、工作參數(shù)等進(jìn)行全面優(yōu)化。因而，在排放性能方面，設(shè)計(jì)精良的純氣體機(jī)一般要優(yōu)于雙燃料機(jī)。

目前，國(guó)內(nèi)廠家也正在積極研發(fā)純氣體機(jī)，推出了一些產(chǎn)品，但也存在一些問(wèn)題。

1)仍采用總管進(jìn)氣方式。以某6170純氣體機(jī)為例，它在6170柴油機(jī)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)而來(lái)，對(duì)原柴油機(jī)結(jié)構(gòu)做了較大改變，如拆除原機(jī)噴油系統(tǒng)并增加點(diǎn)火系統(tǒng)、將原機(jī)機(jī)械調(diào)速器更換為電子調(diào)速器、氣缸蓋和活塞重新設(shè)計(jì)、進(jìn)排氣凸輪型線重新設(shè)計(jì)、配氣正時(shí)和點(diǎn)火提起角優(yōu)化、增壓中冷系統(tǒng)重新選型匹配等，這些優(yōu)化工作均有利于降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗和NOx排放。但是，出于節(jié)約成本的考慮，該機(jī)型仍采用增壓器前混合器進(jìn)氣，這種供氣方式不能精確控制空燃比，不如多點(diǎn)噴射方式能更大程度發(fā)揮氣體機(jī)的優(yōu)勢(shì)，且無(wú)法避免天然氣逃逸問(wèn)題。

2)動(dòng)態(tài)特性較差。純氣體機(jī)動(dòng)態(tài)特性較差是一個(gè)普遍性的問(wèn)題。圖2為奧拓循環(huán)氣體發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力(pe)與過(guò)量空氣系數(shù)(λ)的關(guān)系圖。由圖2可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域同時(shí)受到pe和λ的限制。為提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，降低NOx排放，可以采用較高的λ值。此時(shí)，如發(fā)動(dòng)機(jī)采用較高的pe，就需要將λ精確地控制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷突變時(shí)，由于增壓器需要一定的時(shí)間來(lái)提高轉(zhuǎn)速?gòu)亩黾涌諝夤?yīng)量，如果燃?xì)鈬娚淞吭黾舆^(guò)快，則會(huì)導(dǎo)致過(guò)量空氣系數(shù)下降，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)面臨爆燃風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)于這類氣體發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)嚴(yán)格控制發(fā)動(dòng)機(jī)加載速率，一旦加載速度超過(guò)限值，應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施(如轉(zhuǎn)換為燃油模式)。

目前國(guó)外有些較大機(jī)型采用可變截面增壓(variable turbo geometry，VTG)等先進(jìn)技術(shù)來(lái)改善空氣進(jìn)氣的負(fù)載響應(yīng)能力，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能，但考慮到成本因素，這些技術(shù)短時(shí)間內(nèi)難以在國(guó)產(chǎn)小型機(jī)上普及。

圖2 奧拓循環(huán)氣體發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域示意

3 發(fā)展建議

1)采用支管電控多點(diǎn)噴射。天然氣進(jìn)氣方式直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性能。國(guó)內(nèi)實(shí)踐證明，總管進(jìn)氣式混燒發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)NOx排放改善作用不大，且在HC排放控制上具有“先天不足”。一旦將來(lái)實(shí)施嚴(yán)格的船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制標(biāo)準(zhǔn)，總管進(jìn)氣式發(fā)動(dòng)機(jī)很有可能遭到淘汰。相對(duì)總管進(jìn)氣方式，支管電控多點(diǎn)噴射能更精確地控制燃?xì)夤?yīng)量，有利于實(shí)現(xiàn)空燃比精確控制，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，降低NOx排放。同時(shí)，還能夠避免天然氣在氣門疊開(kāi)期間的直接逃逸，降低HC排放。目前，W?rtsil?、MAN Diesel &Turbo、Rolls-Royce的四沖程天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)均采用支管電控多點(diǎn)噴射。因此，這種進(jìn)氣方式應(yīng)成為今后我國(guó)船用氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的重點(diǎn)推廣方向。

2)開(kāi)發(fā)微引燃式雙燃料機(jī)?；鞜l(fā)動(dòng)機(jī)由于采用燃油與氣體混合燃燒的模式，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)一定程度上處于一種“兩難”境地，要兼顧兩種燃料的燃燒特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。而國(guó)內(nèi)廠家為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)(維持燃油模式性能不變)，并未針對(duì)氣體燃料特點(diǎn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程進(jìn)行特別優(yōu)化，這種設(shè)計(jì)方式除能節(jié)約一定的燃料成本外，遠(yuǎn)未充分發(fā)揮天然氣作為清潔燃料的優(yōu)勢(shì)。而微引燃式雙燃料機(jī)在雙燃料模式下僅用微量柴油引燃，設(shè)計(jì)時(shí)可專門針對(duì)氣體燃料做燃燒優(yōu)化，采用稀薄燃燒技術(shù)，顯著降低NOx排放；且由于柴油使用量大幅降低，有利于減少SOx排放。目前，國(guó)外的先進(jìn)機(jī)型均采用微引燃技術(shù)，并努力減少微引燃油量，進(jìn)一步降低污染物排放。因此，我國(guó)也應(yīng)努力開(kāi)發(fā)微引燃式雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

3)開(kāi)發(fā)高性能純氣體機(jī)。從某種程度上看，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是目前的一種“過(guò)渡”產(chǎn)品。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，石油燃料終將枯竭，因而純氣體機(jī)將是未來(lái)的終極發(fā)展方向。純氣體機(jī)的研發(fā)可針對(duì)氣體燃料的特點(diǎn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，從重要零部件設(shè)計(jì)、燃燒過(guò)程控制和控制策略制定等方面進(jìn)行全面優(yōu)化，最大程度發(fā)揮氣體燃料的優(yōu)勢(shì)，取得最大的節(jié)能和減排效益。

[1] 孫化棟,曹海濱.船用氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展與技術(shù)分析[J].船海工程,2012,41(6):68-70.

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[3] 中國(guó)船級(jí)社.天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范[M],人民交通出版社,2013.