Z180/T船用單一LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)

摘要：為滿足缸徑小于200 mm、功率不低于600 kW的單一氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)船用主機(jī)市場(chǎng)需求，以Z6180雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為原型機(jī)，基于模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)和控制系統(tǒng)，開發(fā)一款缸徑為180 mm的單一燃料船用液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）發(fā)動(dòng)機(jī)，基于《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國第二階段）》要求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行2 000 h的排放耐久性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：開發(fā)的LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求，天然氣供氣系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)全工況燃?xì)饩珳?zhǔn)控制策略耐用可靠，排放指標(biāo)達(dá)到船舶發(fā)動(dòng)機(jī)國二標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

關(guān)鍵詞：供氣系統(tǒng)；耐久性試驗(yàn)；LNG發(fā)動(dòng)機(jī)；控制策略

中圖分類號(hào)：TK464文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2025）01-0057-06

引用格式：張洪祥，李杰，肖龍波，等.Z180/T船用單一LNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2025，42（1）：57-62.

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0 引言

目前國內(nèi)船用發(fā)動(dòng)機(jī)主要以純柴油和柴油-液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為主，內(nèi)河船用LNG單一氣體燃料主推發(fā)動(dòng)機(jī)較少，而缸徑小于200 mm的發(fā)動(dòng)機(jī)功率一般低于600 kW，無法滿足市場(chǎng)需求。2023年2月，工信部與湖北省政府簽訂的《加快內(nèi)河船舶綠色智能發(fā)展合作備忘錄》提出：到2050年，要采用以LNG為主的燃?xì)鈩?dòng)力系統(tǒng)，完成對(duì)近1萬艘內(nèi)河船舶的改造^[1]。2024年8月，交通運(yùn)輸部和國家發(fā)展改革委印發(fā)了《交通運(yùn)輸老舊營運(yùn)船舶報(bào)廢更新補(bǔ)貼實(shí)施細(xì)則》，給發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)及船舶所有人帶來巨大的優(yōu)惠政策^[2]。隨著江蘇、安徽、湖北等地20余處LNG加注站、加注躉船投入使用和國內(nèi)綠色航運(yùn)理念的進(jìn)一步推進(jìn)，船舶市場(chǎng)對(duì)天然氣船舶的需求越來越迫切，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)應(yīng)用前景十分廣闊^[3-5]。

國內(nèi)已經(jīng)有用于輔機(jī)發(fā)電或?yàn)楣こ檀峁┲鲃?dòng)力的成熟的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，2款國內(nèi)某典型6缸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

這些發(fā)動(dòng)機(jī)多采用“天然氣在增壓器前通過混合器與空氣混合，增壓冷卻后進(jìn)入進(jìn)氣總管”的進(jìn)氣型式，該型式下天然氣負(fù)壓進(jìn)氣、總管混合，進(jìn)氣管內(nèi)充滿混合氣體，存在安全隱患，且不能精準(zhǔn)控制各缸空燃比，氣門重疊角期間部分燃?xì)怆S著掃氣逸出，燃燒效率較低，排放性能和經(jīng)濟(jì)性較差^[7-8]，不能滿足市場(chǎng)需求。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)一款能夠?qū)崿F(xiàn)各缸獨(dú)立進(jìn)氣、可用作船舶主推的單一氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，以滿足市場(chǎng)需要。

1 技術(shù)方案

以某Z180雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)^[9]為原型機(jī)開發(fā)的直列、四沖程、增壓中冷、雙進(jìn)氣門、雙排氣門、單一燃料LNG發(fā)動(dòng)機(jī)Z180/T，滿足《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國第二階段）》^[10]要求，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

采用模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)方案圍繞空氣系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)、控制系統(tǒng)三大模塊，并最大程度借用現(xiàn)有雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的非燃?xì)膺M(jìn)氣部分的零部件。

1.1 進(jìn)氣方案

改制進(jìn)氣方式，將燃?xì)膺M(jìn)氣型式更改為歧管多點(diǎn)噴射進(jìn)氣，天然氣在進(jìn)氣歧管與空氣預(yù)混合后進(jìn)入氣缸，火花塞點(diǎn)燃；采用大流量噴射閥和高壓燃?xì)夤┙o系統(tǒng)，解決由于燃?xì)忾y流量小、低壓進(jìn)氣導(dǎo)致的燃?xì)膺M(jìn)氣量供給不足的問題。Z180/T LNG發(fā)動(dòng)機(jī)克服了預(yù)混式氣體機(jī)全工況下供氣角度固定的弊端，實(shí)現(xiàn)各缸燃?xì)膺M(jìn)氣獨(dú)立控制，為進(jìn)一步滿足排放標(biāo)準(zhǔn)限值要求、提高燃?xì)饫寐侍峁┝讼葲Q條件。

1.2 控制方案

引入燃?xì)舛帱c(diǎn)噴射、火花塞點(diǎn)燃控制技術(shù)，采用渦輪后氧傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋和控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)空氣量的閉環(huán)空燃比控制策略；以發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線為基礎(chǔ)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全負(fù)荷標(biāo)定，對(duì)各缸進(jìn)行單獨(dú)控制，各種工作模式下都有相應(yīng)的map，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒過程的最優(yōu)化。

2 各系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 空氣系統(tǒng)

空氣系統(tǒng)主要由空氣過濾器、增壓器、中冷器、電子節(jié)氣門和進(jìn)氣管組件等組成，三維模型如圖1所示。進(jìn)氣管為整體焊接結(jié)構(gòu)，通過歧管連接在氣缸蓋上，對(duì)進(jìn)入燃燒室的空氣量進(jìn)行導(dǎo)通、穩(wěn)壓；電子節(jié)氣門采用國產(chǎn)多齒輪嚙合型節(jié)氣門，能精準(zhǔn)控制節(jié)氣門蝶閥開度；主進(jìn)氣管口設(shè)計(jì)在進(jìn)氣管中部上端，內(nèi)部設(shè)計(jì)多處引導(dǎo)空氣流向的引流管，有效防止增壓空氣對(duì)沖和增壓空氣分布不均勻現(xiàn)象；進(jìn)氣管末端增加防爆閥，能快速釋放進(jìn)氣管內(nèi)回火產(chǎn)生的高壓能量，并阻止火焰噴出。

2.2 燃?xì)庀到y(tǒng)

燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)三維模型如圖2所示。燃?xì)庀到y(tǒng)主要包括燃?xì)夤曹壒?、燃?xì)鈬娚溟y、引射管等部件，在進(jìn)氣歧管上設(shè)置天然氣噴射引射管，使天然氣能夠盡量接近進(jìn)氣道噴射，避免進(jìn)氣結(jié)束后在進(jìn)氣道內(nèi)存在可燃?xì)怏w。引射管在缸頭切向、螺旋氣道中間的鼻梁處噴射燃?xì)?，燃?xì)馀c空氣形成預(yù)混合氣。使用一個(gè)共軌管為各缸供給燃?xì)?，設(shè)計(jì)燃?xì)鈮毫?.3～0.5 MPa，雙壁結(jié)構(gòu)。燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)三維模型如圖2所示。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要包括電子控制單元（electronic control unit，ECU）、氣體發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控儀、傳感器組件等，采用自主研發(fā)的控制程序，實(shí)現(xiàn)空燃比閉環(huán)控制、各缸燃?xì)鈬娚淞靠刂?、各缸排溫控制、各缸燃?xì)鈬娚浣嵌刃拚糜诳刂迫紵^程。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

2.3.1 氣體發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控儀

氣體發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控儀監(jiān)測(cè)節(jié)氣門前后的壓力、壓差，燃?xì)獾臏囟?、壓力，增壓后進(jìn)氣的溫度、壓力、主軸承溫度，排氣溫度等多項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，自主設(shè)置報(bào)警停機(jī)限值。采用雙電源供電，當(dāng)主電源失電時(shí)，備用電源繼續(xù)工作，實(shí)現(xiàn)無轉(zhuǎn)速波動(dòng)切換，保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全性。

2.3.2 空燃比控制

天然氣用作主燃料時(shí)，具有點(diǎn)火溫度高、火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷奶攸c(diǎn)。增大點(diǎn)火提前角和增大空燃比有助于保證燃料的經(jīng)濟(jì)性、改善后燃現(xiàn)象、降低熱負(fù)荷。減小點(diǎn)火提前角易增加爆震概率，增大空燃比易發(fā)生缸內(nèi)失火。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度提高，爆震和失火之間的窗口逐漸變窄，因此單缸空燃比控制越精準(zhǔn)、響應(yīng)越迅速，燃燒就越穩(wěn)定。Z180/T采用進(jìn)氣歧管噴射技術(shù)，ECU可根據(jù)增壓空氣壓力和轉(zhuǎn)速信號(hào)查預(yù)先標(biāo)定的燃?xì)鈬娚鋗ap，確定噴射脈寬和噴射時(shí)刻，并根據(jù)各缸排溫傳感器和氧傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)燃?xì)膺M(jìn)氣量微調(diào)，可顯著提高單缸空燃比控制精度和響應(yīng)速度。

轉(zhuǎn)速、功率的突加和突降是影響發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制精度的重要因素?？杖急瓤刂菩枰鶕?jù)進(jìn)入氣缸的空氣量控制燃?xì)鈬娚淞?。設(shè)計(jì)氣體機(jī)專用凸輪軸，凸輪軸進(jìn)、排氣門相位角如表3所示。

采用小氣門重疊角，減少掃氣過程中由于氣門重疊角較大而造成的甲烷逃逸問題；通過改變進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)間，使壓縮比小于膨脹比，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，在降低壓縮過程中的溫度和壓力的同時(shí)，減少發(fā)生爆震的可能性，使發(fā)動(dòng)機(jī)可以在更高的壓縮比下運(yùn)行，進(jìn)一步提高熱效率。但該設(shè)計(jì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量降低，為精準(zhǔn)調(diào)節(jié)空燃比，利用多齒輪嚙合節(jié)氣門，按照發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性進(jìn)行多次調(diào)試，在ECU上預(yù)設(shè)精準(zhǔn)空燃比調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度map，節(jié)氣門精準(zhǔn)開度可控制0.1%內(nèi)，提高空氣系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速、功率急驟變化時(shí)，對(duì)燃?xì)庠鰷p劇烈變化的響應(yīng)能力，即動(dòng)態(tài)時(shí)保持空燃比一致，無明顯波動(dòng)，維持發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3.3 進(jìn)氣降壓技術(shù)

在節(jié)氣門后安裝進(jìn)氣泄壓閥，發(fā)動(dòng)機(jī)在額定工況、低速大轉(zhuǎn)矩工況下突卸負(fù)荷時(shí)，節(jié)氣門開度下降，渦輪壓氣機(jī)在慣性作用下仍舊持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，節(jié)氣門與渦輪之間進(jìn)氣管路中的空氣壓力迅速升高。為了保護(hù)增壓系統(tǒng)，當(dāng)壓力達(dá)到某一限定值后，按標(biāo)定的控制策略打開進(jìn)氣旁通閥，排出過量空氣，實(shí)現(xiàn)降壓保護(hù)的功能。

3 樣機(jī)測(cè)試

按照文獻(xiàn)[11]要求，對(duì)Z180/T LNG發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行2 000 h的排放耐久性劣化試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)按螺旋槳推進(jìn)特性下負(fù)荷率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率和輸出轉(zhuǎn)矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示。

試驗(yàn)開始前對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行首次排放檢測(cè)摸底測(cè)試，確認(rèn)原始排放數(shù)據(jù)，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)按螺旋槳推進(jìn)特性下不同負(fù)荷率的污染物排放和天然氣消耗率的變化趨勢(shì)。

推進(jìn)特性下發(fā)動(dòng)機(jī)排放中THC與CO隨負(fù)荷率的變化如圖4所示。由圖4可知：推進(jìn)特性下，LNG發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與功率升高（負(fù)荷率增大），排放中THC與CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈下降趨勢(shì)；在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率從25%增大至50%工況中，CO明顯下降。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、單缸輸出功率密度升高，燃燒室溫度升高，在高溫條件下，燃料燃燒越完全越有助于減少CO的生成，由此可見，通過電控多點(diǎn)噴射系統(tǒng)與節(jié)氣門后增壓空氣壓力傳感器，精準(zhǔn)控制混合氣濃度的方式調(diào)整燃燒溫度的策略，可以有效降低CO排放^[13-14]。

發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)特性下燃?xì)庀穆逝c排氣中NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨負(fù)荷率的變化如圖5所示。由圖5可知：發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)特性下，隨轉(zhuǎn)速與功率同步升高，燃?xì)庀穆拭黠@降低，但排放中NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大。原因?yàn)椋弘S著負(fù)荷率增大，缸內(nèi)燃燒溫度升高，使天然氣燃燒更加充分，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率與經(jīng)濟(jì)性；但發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率越高，消耗的混合氣體越多，促使燃燒不完全產(chǎn)生的混合氣生成的NOx越多^[15-17]，兩者關(guān)系此消彼長，這一趨勢(shì)為尋找污染物排放參數(shù)的標(biāo)定平衡點(diǎn)提供了合理依據(jù)。

試驗(yàn)過程中，共測(cè)量6次排放污染物，按照文獻(xiàn)[12]的要求記錄2 000 h排放耐久性劣化試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)NOx-THC比排放與顆粒物（particulate matter，PM）比排放的變化過程，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：1）隨發(fā)動(dòng)機(jī)劣化時(shí)間逐步增長，NOx-THC總排放逐漸降低，這主要是因?yàn)殡S著耐久試驗(yàn)進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸度過磨合期，機(jī)械效率略有改善，發(fā)動(dòng)機(jī)指示功有所降低，NOx-THC總排放下降。2）PM排放滿足文獻(xiàn)[10]要求，雖整體不高，但存在上升趨勢(shì)，這表明隨著試驗(yàn)進(jìn)行，磨損導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)部件間隙逐漸增大，竄入燃燒室的機(jī)油略有增加，更多燃燒雜質(zhì)加劇PM產(chǎn)生。零部件老化，例如火花塞點(diǎn)火效率下降等導(dǎo)致的燃燒過程惡化也促使了PM的產(chǎn)生。因此發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過程中應(yīng)定期進(jìn)行有效的維護(hù)保養(yǎng)，及時(shí)更換易損部件，可降低PM污染物排放。

完成耐久試驗(yàn)后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆機(jī)檢查，各主要零部件的磨損合理，未探測(cè)到明顯缺陷，整機(jī)狀態(tài)良好，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

以Z6180雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為原型機(jī)，設(shè)計(jì)了一款缸徑為180 mm、額定功率為600 kW的單一LNG燃料船用發(fā)動(dòng)機(jī)。基于模塊化的設(shè)計(jì)思想，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案；完成了空氣進(jìn)氣系統(tǒng)、燃?xì)膺M(jìn)氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；基于船舶發(fā)動(dòng)機(jī)國二階段標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了2 000 h的耐久性試驗(yàn)及排放檢測(cè)。

1）發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)需求，天然氣供氣系統(tǒng)及全工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饩珳?zhǔn)控制策略耐用可靠。

2）完成耐久試驗(yàn)后拆機(jī)檢查，主要零部件均磨損合理，未探測(cè)到明顯缺陷，整機(jī)狀態(tài)良好。

3）耐久試驗(yàn)后，NOx-THC比排放略有下降，PM比排放略有上升，但符合船舶發(fā)動(dòng)機(jī)國二排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

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Development of" Z180/T marine single LNG engine

ZHANG Hongxiang， LI Jie， XIAO Longbo， WEI Xuetao， YANG Shanggang， JING Tao

Zichai Machinery Co.， Ltd.， Zi bo 255086， China

Abstract：In order to meet the market demand for single gas marine engines with the cylinder diameter less than 200 mm and the power greater than 600 kW， the Z6180 dual fuel engine is used as the parent engine，based on modular design ideas， the air system， gas system， and control system of the engine are designed. A single fuel marine liquefied natural gas （LNG） engine with a cylinder diameter of 180 mm is developed. According to the requirements of “Emission Limits and Measurement Methods for Marine Engine Exhaust Pollutants （China Phase II）”， a 2 000 h emission durability test is conducted on the engine. The test results show that the developed LNG engine meets the design requirements， the natural gas supply system and the precise gas control strategy for the engine under all operating conditions are durable and reliable， and the emission indicators meet the requirements of the National Standard II for ship engines.

Keywords：gas supply system; durability test; LNG engine; control strategy

（責(zé)任編輯：劉麗君）