李鋼　黃鼎來　王兵　巨梅　王軍　周亞新　傅曉光　張鐵鑄　鄭俊杰　胡彥林

摘要：舷外機不可逆的結構性水下排放污物和噪聲已成為加速水質惡化的因素。為創建能確認和解決舷外機排放凈化和動力衰減的治理思維和治理手段，開展“甲醇燃料舷外機渦輪增壓閉環系統高效凈化催化系統”技術研究和工程改造。從項目“臺架試驗報告”、“水上實船試驗報告”、“用戶使用報告”匯總結果可知，使用“潔醇牌”M100甲醇燃料試驗結果和示范效應明顯可靠，開拓了解決船舶舷外機對水體污染和挖掘舷外機后備功率的有效途徑。

關鍵詞：甲醇燃料;舷外機;渦輪增壓;閉環系統;水體污染

李 鋼，黃鼎來，王 兵，等. 甲醇燃料舷外機渦輪增壓閉環系統工程研究[J]. 農業工程技術，2019，40（02）：54-56.

舷外機自20世紀初葉誕生就是一種以技術新穎、結構緊湊、大推重比、并通過水體做廢氣凈化和聲波衰減降噪的船舶推進系統（圖1，舷外機剖視圖），當年可謂盛極一時。但隨著社會的進步和發展，舷外機不可逆的結構性水下排放污物和噪聲已成為加速水質惡化的因素。因此在日愈嚴苛的生態環境保護形勢下，本研究旨在創建能確認和解決舷外機排放凈化和動力衰減的治理思維和治理手段。目前占中國機動船舶70%以上的內陸和沿海執法船、游船、漁船、養殖船均采用實用、便宜的舷外機或掛槳機作業。

一、概述

舷外機存在兩大致命缺陷：①舷外機燃燒系統技術落后，高海拔低溫稀氧條件下動力指標衰減嚴重;②由于舷外機不可逆的構造原理，只能將做功污物和噪聲直接排入水下，故尾氣污物排放是隨機的、無序的、很差的（圖2，舷外機水下排放）。

本研究基于現代熱機理念，針對一臺點燃式四行程開環控制的115P舷外機（表1，舷外機性能參數），開展“甲醇燃料舷外機渦輪增壓閉環系統高效凈化催化系統”技術研究和工程改造，針對舷外機前述兩大致命缺陷分別采取：①應用現代熱機技術，提升舷外機技術含量。②改變燃料性質，優化燃燒效果。最終把化工領域的甲醇與物理領域的熱機跨界融合，形成優勢互補，解決困擾舷外機多年的難題。

二、市場現狀

世界約有1662萬艘船掛有舷外機，中國約有65萬艘船掛有舷外機;2018年世界舷外機產銷量約82萬臺，中國產銷量約48.81萬臺，其中出口19萬臺;預計到2020年中國產銷量將超過88萬臺，市場規模達205億元，經濟體量躋身全球單一產品增長之首。根據世界經濟發展規律，當人均收入高于3000美元這一臨界線時，舷外機市場將呈現爆發式突變，由此可以預測中國舷外機未來市場的巨大潛力。

2018年中國對進口石油的依賴度已達70.8%，其中45.1%來自中東，能源安全對國民經濟的危機影響度大于“進口芯片”。甲醇作為近年突起的、中國可自給自足的、可再生車船替代能源，已逐漸被人們認識，大有撼動油氣能源基礎的趨勢。

國際海事組織IMO要求2020年1月1日前，完成MAROL73/78公約附則Ⅵ，即《防止船舶造成大氣污染規則》的TierⅠ、Ⅱ、Ⅲ限值，尤其對硫氧化物排放，要在TierI標準的基礎上再降低90%，達到嚴格的TierⅢ標準。

除了適時劃定船舶限排“三大水域”外，國家發改委29號令《產業結構調整指導目錄（2019年本）》還規定：“2020年1月1日正式實施[有關淘汰類（船舶部分）]第4條規定：掛槳機船及其發動機”，國家正式對落后船舶和機型下達了“退市通知書”。隨著限排期日愈接近，必須盡快采取好措施、拿出好產品，以實現“綠水青山，就是金山銀山”的愿景。為國家“一帶一路”和“南海發展戰略”中涉及海運載體的船舶清潔能源建改造服務。

三、研究內容

按《甲醇燃料舷外機研究試驗示范大綱》規定，本研究著重關注：舷外機、甲醇燃料、優化燃燒、航行安全四方面問題。

1、舷外機研究

舷外機是一種適用于驅動中小型高速船舶的將機（發動機）、槳（螺旋槳）、軸（傳動軸）、舵（方向舵）、變速（變速器）、懸掛（固定裝置）、操控（航行狀態控制）七大系統集合成一體，且整體可懸置于船體外側的一種機、電、液一體化船舶推進系統。其大推重比、拆裝方便、操作簡單的特性成為軍用搶灘登陸、偵察排爆、運輸救生、通訊巡邏的常規武備;也是民用交通管理、航務航運、漁業捕撈、水產養殖、抗洪救災、水上運動、旅游觀光的理想動力。

舷外機結構緊湊、獨特，但是尾氣排放管路按發明者當時的理念布置在工作狀態舷外機垂直中心線上，且深入水下，以水體做凈化和降噪媒介。另外，排氣管路水上和水下部分被舷外機七大系統零部件包覆，現在如果簡單的提出做“閉環尾氣后處理”，必使原結構碎片化，這是阻礙舷外機技術進步的難點。但是在國際船舶限排大趨勢下，舷外機必須正視水下排污的結構性缺陷，樹立創新思維，采用創新手段，提高技術含量，優化技術指標才能再度煥發活力。

2、甲醇燃料研究

甲醇：分子式CH3OH，是結構最簡單的飽和一元醇;只含1個碳原子，3個氫原子，一個氫氧鍵（羥基）;碳原子數量較汽柴油均少二位數，是公認的低碳燃料。甲醇由一氧化碳和氫反應制成，是具有碳氫燃料屬性的替代能源。甲醇燃燒后的產物是二氧化碳和水，不含苯、鉛、硫、汞、烯烴、芳烴、重金屬等有害致癌物質，也較少產生應用其他碳氫燃料做功時生成的未燃甲烷和甲醛，是清潔能源。甲醇內含氧49.9%，有助燃燒，尤適于在稀氧環境下做功。甲醇辛烷值高達108以上，火焰傳播速度快，稀燃極限大，故適合實現高壓縮比。甲醇以常溫常壓無色透明液態存在，極性強，相對安全，便于存儲和運輸。甲醇生產歷史悠久，制備工藝簡單成熟，中國甲醇產能占全球70%左右。中國制備甲醇的原料來源豐富（秸稈、木薯、甘蔗渣、劣質煤、天然氣等）、俯拾皆是，這將為解決中國能源安全開辟新途徑。

本項目研究由85%甲醇和15%改性添加劑混配而成的“潔醇牌”M100船用甲醇燃料，不同于社會上流行的甲醇汽油（N%汽油+N%甲醇），而是全新的不摻雜一滴汽油的低碳環保可再生新型燃料，尤其適于大負荷船機工況。研究成果之一為：用甲醇做燃料必須關注五方面問題（但不限于此五方面）：

（1）甲醇做燃料的動力特性研究

甲醇熱值4650 cal/kg，低于汽油10296 cal/kg和柴油10996大卡/kg。如此而言，單從“熱效率”分析，按甲醇和油氣燃料的“質量”計算，甲醇燃料消耗率必將增加;但美妙的甲醇中存在的49.94%內含氧也要參與燃燒;而且甲醇空燃比（6.5：1）小于油品，故舷外機進氣結構不變，但進氣量呈多的傾象，易偏向稀燃。因此按燃料“熱值”計算，甲醇與汽柴油的混合氣熱值接近，故甲醇與汽柴油燃料消耗率接近。

另外，根據功率計算公式：P（功率）= W（能量）/ t（時間），要獲得更大功率的途徑有兩條：加大W（分子），即加大每一循環燃料供給當量;縮小t（分母），即縮短燃燒時間。實船試驗結果顯示：采用本研究技術的“鑫燦06號”19.8 m大船（圖3）和“云海巡35號”6.3 m快艇（圖4）航速均提高25%以上;大船航速從13 km/h提升到19 km/h，快艇航速從34 km/h提升到45 km/h。

（2）甲醇作為燃料對其低溫冷起動性研究

當環境溫度≤17℃時，甲醇燃料舷外機冷起動相當困難。主要成因有三種：①氣缸內燃燒條件隨環境溫度降低而惡化;②燃燒環境變化將促使霧化后的甲醇加速向液態還原，不利燃燒;③由于甲醇的高導電率，在連續缺火狀態下會造成點火器極間短路，喪失引火源。

因此甲醇燃料的改性添加劑要具備率先蒸發、持續蒸發、分層蒸發、低能量引燃、復雜環境助燃等特性。另外采用提高壓縮比的物理方法，使壓縮終點溫度逼近甲醇自燃臨界點，對低溫冷起動亦是有益的。本研究案例：

案例1.“潔醇牌”M100船用燃料，用于水星牌舷外機做冬季（-20℃）冷起動試驗，一次成功（圖5、6，甲醇舷外機天津水域鑿冰冷起動試驗）。

案例2.“潔醇牌”M100船用燃料，用于昆明滇池“鑫燦06號”游船做冬季低溫冷起動試驗，實船記錄：昆明滇池水域，2019年12月8日9：00時，晴，風力3級，氣溫-1℃，岸邊出現薄冰，舷外機溫度1℃，冷起動一次成功，起動后怠速平穩（700轉/分），工作安靜、轉速過渡平穩，噪音降低約10-20分貝以上。

（3）甲醇作為燃料對其腐蝕性研究

根據GB338-2004《工業用甲醇》規定：產品內水的溶質質量分數，一等品≯0.15%，這種品位的甲醇在環境溫度下對大多數金屬無腐蝕;但某些粗醇會因為含雜質和水分超標，對某些金屬產生緩慢的腐蝕;尤其溫度超過75℃時會造成銅、鋁、鋅電化學腐蝕（圖7，被腐蝕的合金泵體）;當溫度超過100℃時腐蝕將加劇。因此控制甲醇品位，增加相應的金屬保護措施，已被實踐證明是有效的、必要的。

（4）甲醇作為燃料對其溶劑、分析試劑特性的研究

甲醇會使天然橡膠、部分橡塑材料產生溶脹，造成相關零部件強度下降、密封破壞、管路堵塞等問題。因此添加劑的還原、增塑、抑制相分離等措施是積極的、有益的。

（5）甲醇作為燃料對其潤滑性研究

甲醇的酸性產物會造成潤滑油提前酸化失效;而且甲醇是沒有潤滑功能的類水性燃料，單獨使用會造成拉缸;一旦進入處于機體最下部的機油室則會稀釋機油，破壞減摩副效能。

3、甲醇燃料舷外機優化燃燒研究

按《甲醇燃料舷外機研究試驗示范大綱》規定，本項目研究著重關注八個子項目：① 甲醇燃料舷外機閉環控制高效凈化催化系統裝置研制;②甲醇燃料舷外機電動/廢氣渦輪增壓裝置研制;③ 甲醇燃料舷外機提升氣缸壓縮比研制;④甲醇燃料舷外機點火正時自動調整和防爆震裝置研制;⑤先進的船用甲醇燃料閃蒸汽凈化再利用裝置研制;⑥甲醇燃料適應高海拔低溫稀氧環境下的添加劑研制;⑦甲醇燃料舷外機干式軸功率綜合測試臺（圖8，干式軸功率測試臺）研制;⑧為實現舷外機燃燒方式的變革和甲醇作為燃料的性質的改變，并將兩者跨界融合的研究。下面展開介紹涉及動力推進系統的四方面研究：

（1）甲醇燃料舷外機閉環系統高效凈化催化工程技術研究。

閉環控制系統。采用“以結果影響再開始”的閉環控制理念和裝備，改變原ECU控制模式，增加氧傳感器，增加針對甲醇燃料的“三效”裝置，實現最佳空燃比λ=1狀態下的尾氣高效凈化催化。本研究的指導理論：λ=1，既當量空氣與當量燃料充分燃燒的比值。具體操作手段是通過氧傳感器監測尾氣中氧偏值的電動勢，并向ECU反饋，ECU圍繞實際空燃比氧偏值的電動勢，修正燃料噴射脈寬（既噴射持續時間），周而復始，直至接近理論空燃比 λ=1時的動態平衡。甲醇燃料理論空燃比為6.5：1，為達到實際空燃比λ=1的目的，略偏向稀燃，一般徘徊在表觀空燃比值 λ=1.21至1.36之間（圖10，五氣儀屏顯），既能實現甲醇燃料優化燃燒，發揮最大功和控制最小污物排放的初衷。

高效凈化催化裝置。為進一步優化尾氣排放效果，在甲醇燃料稀燃空燃比λ=1的狀態下，在舷外機排氣通道和消音器膨脹腔等適當位置內設置凈化催化填充體;在250℃至400℃左右的高溫條件下填充體上涂布的稀有金屬鉑、銠、鈀和其他稀土元素受熱時被激活的凈化催化轉化效應，針對性的將一氧化碳、碳氫、氮氧、醛類轉化為二氧化碳、氮氣和水。舷外機通過該閉環控制系統對常規尾氣和非常規特殊醛、胺、鹽、重金屬等污染物實現有效凈化催化，由此達到簡化工藝，節省資金，滿足工況要求的目的。

（2）甲醇燃料舷外機廢氣/電動渦輪增壓控制系統研制

本研究在進氣管相應位置設置廢氣/電動渦輪增壓裝置。采用增壓技術能在單位時間內，在不改變進氣通道長度和截面積，不改變氣缸容積，不改變轉速，不改變燃料消耗等前提下，改變進氣效能（>1），由此實現提升單位時間內的容積效率V，提升氣缸平均有效壓力MEP，改變空燃比λ值，主動增加參與燃燒的氧氣量，優化燃燒條件，促進甲醇燃料在氣缸內充分燃燒做功。增壓技術可有效提高甲醇燃料舷外機最大功率和峰值扭矩達30%以上，尤其在海拔1891余米的昆明滇池水面更明顯;試驗船舶“鑫燦06號”大船和“云海巡35號”快艇航速均較燃用油氣燃料提高25%以上（圖11，燃醇快艇破浪航行）。電動渦輪增壓裝置如能與廢氣渦輪增壓裝置同時應用于同一臺舷外機，將形成高低速不同階段的性能互補，會收到1+1>2的疊加效應。