船用天然氣發動機技術現狀及發展

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(1.中國船級社 武漢規范研究所，武漢 430022；2.中國船級社 江蘇分社，南京 210011)

近年來，隨著我國能源結構調整和節能減排戰略的逐步實施，天然氣發動機開始越來越多地應用在內河船舶上。國家發改委、交通運輸部、工信部等政府部門相繼發布一系列文件，大力推進天然氣在水運行業的應用。中國船級社和國家海事局也相繼頒布實施了《天然氣燃料動力船舶規范》和《內河天然氣燃料動力船舶法定檢驗暫行規定》。國外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動機產品[1-2]，技術水平領先。在此形勢下，國內柴油機廠家也紛紛加大天然氣發動機研發力度。鑒于目前國內船用天然氣發動機市場較為混亂、研發水平較低的現狀，在研究各種類型天然氣發動機特點的基礎上，對我國天然氣發動機技術現狀和存在的問題進行分析，提出建議。

1 船用天然氣發動機分類

天然氣在發動機上的應用形式很多，有多種分類方法,見表1。

按使用的燃料類型，天然氣發動機可分為單一氣體燃料發動機和雙燃料發動機。前者只能使用天然氣工作，無燃油模式，又稱為純氣體機；后者既可獨立使用天然氣(使用微量柴油引燃)，又可獨立使用燃油，稱為“微引燃”式雙燃料發動機。目前國內有廠家開發了一種油氣混燒機型，將燃油和天然氣在氣缸內按一定比例混合燃燒，且混合比例可根據發動機工況進行調節，稱為“混燒”發動機，從本質上講，這也是雙燃料發動機的一種。

表1 船用天然氣發動機分類

按天然氣的進氣方式，天然氣發動機可分為缸外進氣和缸內進氣兩種。缸外進氣包括總管進氣和支管進氣兩種方式，而總管進氣又分為混合器式(增壓器前進氣)和電控單點噴射(增壓器后進氣)，支管進氣則是電控多點順序噴射；缸內進氣即缸內直噴，也分為低壓缸內直噴和高壓缸內直噴兩種形式。

按天然氣的點火方式，天然氣發動機可分為火花塞點火和柴油引燃兩種。前者與汽油機類似，但需采用高能量數字點火方式，通過對點火時間、點火能量進行精確控制，以實現可燃混合氣的正常點火，是一種單點著火方式，通常用于純氣體機；后者則通過著火溫度較低、較易壓燃的引燃柴油的預先燃燒，在燃燒室內形成大量火核，繼而引燃周圍的可燃混合氣，是一種多點著火方式，多用于雙燃料發動機，也可用于純氣體機。

2 技術現狀

當前，我國船用天然氣發動機主要有改造機和新造機兩種。改造機均為混燒發動機，新造機則包括混燒發動機和純氣體機兩類。

2.1 改造機

國內的混燒改造機普遍采用了總管進氣方式，部分采用支管多點噴射。改造過程中，為簡化改裝內容，節約改造成本，一般會保留原柴油機的供油系統，且不改變原柴油機固有結構(保證在燃油模式下發動機性能維持不變)，僅增加一套燃氣供應系統和一套燃氣控制系統，通過一些基本的調試和標定工作，使發動機正常實現“混燒”功能。

這種粗放的改造方式，從實際使用經驗來看，存在如下幾個方面的問題。

1)氮氧化物(NOx)排放無明顯改善。舊機改造方式本身就決定了很難對發動機固有結構進行大的改動，如凸輪型線、活塞、燃燒室形狀等；為維持純柴油模式下發動機性能保持不變，對噴油正時等關鍵工作參數也不做調整；甚至對燃氣循環噴射量、噴氣時刻等供氣系統關鍵參數也不做細致優化。這樣的改造機，難以從燃燒控制的角度充分發揮天然氣燃料的優勢，NOx排放不會有明顯改善。

2)天然氣逃逸(HC排放)現象嚴重。采用總管進氣方式的改造機，由于維持原機配氣相位不變，在掃氣階段的氣門疊開期間，不可避免地產生天然氣直接從缸內逃逸至排氣管的現象。天然氣的大量逃逸，不僅造成嚴重的HC排放，而且不利于改善燃料經濟性。采用支管進氣方式的改造機，理論上可使各缸在排氣門關閉之后再打開燃氣噴射閥，在進氣門關閉之前關閉燃氣噴射閥，從而使噴氣持續期避開氣門重疊角，以避免天然氣逃逸。但這要求燃氣噴射閥具有足夠快的響應和足夠大的流量，能夠在短時間內迅速開啟并噴入足夠多的天然氣，且能在規定時刻迅速關閉。目前，國產閥件還難以滿足要求，通常采用閥組的形式。

為盡量減少燃氣模式下的天然氣逃逸，又不影響燃油模式下的發動機性能，可采用可變凸輪軸技術(flexible camshaft technology， FCT)，即在燃氣模式和燃油模式下分別采用不同的凸輪型線。圖1為Caterpillar M46DF雙燃料發動機采用的FCT技術。

圖1 Caterpillar M46DF雙燃料發動機的FCT原理

由圖1可見，在全負荷工況下，燃氣模式下的氣門重疊角較燃油模式顯著減小，從而有利于減少甲烷逃逸。

3)發動機本體燃氣管路連接不規范。目前國內改造機本體上的燃氣管路及相關零部件普遍采用螺紋連接和法蘭連接，如燃氣混合器、燃氣濾清器、燃氣噴射閥等。中國船級社《天然氣燃料動力船舶規范》明確規定，螺紋連接只能用在外徑不超過25 mm的輔助管路和儀表管路上[3]。燃氣管路上使用螺紋連接明顯不符合要求，有嚴重的泄漏隱患。對于廠家而言，混合器、濾清器、噴射閥等均屬外購產品，本身就已做成螺紋連接，不便于更改。對于法蘭連接，規范雖允許使用，但也明確規定，無論是本安型機艙還是增安型機艙，均應將法蘭接頭布置在閥箱內。

2.2 新造機

國內新造的混燒發動機，為不犧牲燃油模式性能，廠家不會對原機進行大的優化和調整，因此，技術水平幾乎和改造機相當。

而新造的純氣體機，情況則有所不同。純氣體機開發不需要考慮燃油模式，可根據氣體燃料特性盡最大可能優化燃氣模式性能，可對發動機結構、關鍵零部件、工作參數等進行全面優化。因而，在排放性能方面，設計精良的純氣體機一般要優于雙燃料機。

目前，國內廠家也正在積極研發純氣體機，推出了一些產品，但也存在一些問題。

1)仍采用總管進氣方式。以某6170純氣體機為例，它在6170柴油機的基礎上開發而來，對原柴油機結構做了較大改變，如拆除原機噴油系統并增加點火系統、將原機機械調速器更換為電子調速器、氣缸蓋和活塞重新設計、進排氣凸輪型線重新設計、配氣正時和點火提起角優化、增壓中冷系統重新選型匹配等，這些優化工作均有利于降低發動機燃料消耗和NOx排放。但是，出于節約成本的考慮，該機型仍采用增壓器前混合器進氣，這種供氣方式不能精確控制空燃比，不如多點噴射方式能更大程度發揮氣體機的優勢，且無法避免天然氣逃逸問題。

2)動態特性較差。純氣體機動態特性較差是一個普遍性的問題。圖2為奧拓循環氣體發動機平均有效壓力(pe)與過量空氣系數(λ)的關系圖。由圖2可見，發動機的工作區域同時受到pe和λ的限制。為提高發動機熱效率，降低NOx排放，可以采用較高的λ值。此時，如發動機采用較高的pe，就需要將λ精確地控制在一個較小的范圍內。

當發動機負荷突變時，由于增壓器需要一定的時間來提高轉速從而增加空氣供應量，如果燃氣噴射量增加過快，則會導致過量空氣系數下降，從而使發動機面臨爆燃風險。因此，對于這類氣體發動機，應嚴格控制發動機加載速率，一旦加載速度超過限值，應采取相應的保護措施(如轉換為燃油模式)。

目前國外有些較大機型采用可變截面增壓(variable turbo geometry，VTG)等先進技術來改善空氣進氣的負載響應能力，從而改善發動機動態性能，但考慮到成本因素，這些技術短時間內難以在國產小型機上普及。

圖2 奧拓循環氣體發動機工作區域示意

3 發展建議

1)采用支管電控多點噴射。天然氣進氣方式直接影響發動機的經濟性、動力性和排放性能。國內實踐證明，總管進氣式混燒發動機對NOx排放改善作用不大，且在HC排放控制上具有“先天不足”。一旦將來實施嚴格的船舶發動機排放控制標準，總管進氣式發動機很有可能遭到淘汰。相對總管進氣方式，支管電控多點噴射能更精確地控制燃氣供應量，有利于實現空燃比精確控制，提高發動機熱效率，降低NOx排放。同時，還能夠避免天然氣在氣門疊開期間的直接逃逸，降低HC排放。目前，W?rtsil?、MAN Diesel &Turbo、Rolls-Royce的四沖程天然氣發動機均采用支管電控多點噴射。因此，這種進氣方式應成為今后我國船用氣體發動機的重點推廣方向。

2)開發微引燃式雙燃料機。混燒發動機由于采用燃油與氣體混合燃燒的模式，使得發動機的設計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來進行優化。而國內廠家為簡化設計(維持燃油模式性能不變)，并未針對氣體燃料特點對發動機燃燒過程進行特別優化，這種設計方式除能節約一定的燃料成本外，遠未充分發揮天然氣作為清潔燃料的優勢。而微引燃式雙燃料機在雙燃料模式下僅用微量柴油引燃，設計時可專門針對氣體燃料做燃燒優化，采用稀薄燃燒技術，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，國外的先進機型均采用微引燃技術，并努力減少微引燃油量，進一步降低污染物排放。因此，我國也應努力開發微引燃式雙燃料發動機。

3)開發高性能純氣體機。從某種程度上看，雙燃料發動機是目前的一種“過渡”產品。從長遠來看，石油燃料終將枯竭，因而純氣體機將是未來的終極發展方向。純氣體機的研發可針對氣體燃料的特點對發動機進行全新設計，從重要零部件設計、燃燒過程控制和控制策略制定等方面進行全面優化，最大程度發揮氣體燃料的優勢，取得最大的節能和減排效益。

[1] 孫化棟,曹海濱.船用氣體燃料發動機的發展與技術分析[J].船海工程,2012,41(6):68-70.

[2] 彭雪竹.國內外雙燃料發動機發展狀況分析[J].船舶物資與市場,2012(3):16-21.

[3] 中國船級社.天然氣燃料動力船舶規范[M],人民交通出版社,2013.