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我国船用天然气发动机技术最新发展
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   近年来,随着我国能源结构调整和节能减排战略的逐步实施,天然气发动机越来越多地应用在我国内河船舶上。发改委、交通部、工信部等部门相继发布了一系列文件,大力推进天然气在水运行业的应用。中国船级社(CCS)和交通运输部海事局也相继颁布实施了《天然气燃料动力船舶规范》和《内河天然气燃料动力船舶法定检验暂行规定》,为我国LNG水上应用奠定了规范层面的基础。在此形势下,国内柴油机厂家纷纷开展天然气发动机开发,力图抢占船用市场。
   船用天然气在发动机上的应用形式很多,有多种分类方法。
   按使用的燃料类型,天然气发动机可分为单一气体燃料发动机和双燃料发动机。前者只能使用天然气工作,无燃油模式,又称为纯气体机。后者既可独立使用天然气,又可独立使用燃油,或同时使用天然气和燃油。双燃料发动机可进一步分为“微引燃”和“混烧”两种型式,“微引燃”式发动机利用微量柴油作为引燃油(通常在5%以下)来点燃天然气,“混烧”式发动机则是燃油和天然气在气缸内混合燃烧,且两者的混合比例可根据发动机工况进行调节。
   按天然气的进气方式,天然气发动机可分为缸外进气和缸内进气两种。缸外进气包括总管进气和支管进气两种方式,而总管进气又分为混合器式(增压器前进气)和电控单点喷射(增压器后进气),支管进气则是电控多点顺序喷射;缸内进气即缸内直喷,也分为低压缸内直喷和高压缸内直喷两种形式。
   按天然气的点火方式,天然气发动机可分为火花塞点火和柴油引燃两种。前者与汽油机类似,但需采用高能量数字点火方式,通过对点火时间、点火能量进行精确控制,以实现可燃混合气的正常点火,是一种单点着火方式,通常用于纯气体机;后者则通过着火温度较低、较易压燃的引燃柴油的预先燃烧,在燃烧室内形成大量火核,继而引燃周围的可燃混合气,是一种多点着火方式,多用于双燃料发动机,也可用于纯气体机。
   当前,我国船用天然气发动机主要有改造和新造两种形式。改造机均为“混烧”型双燃料机,新造机则包括“混烧”型双燃料机和纯气体机。
   国内的“混烧”型双燃料改造机,多采用总管进气方式,部分采用支管多点喷射。改造过程中,为简化改装内容,节约改造成本,一般会保留原柴油机的供油系统,且不改变原柴油机固有结构(保证在纯柴油模式下发动机性能维持不变),仅增压一套燃气供应系统和一套燃气控制系统,通过一些基本的调试和标定工作,使发动机正常实现“混烧”功能即可。这样一种粗放的改造方式,存在如下问题:
   首先,氮氧化物(NO
X)排放无明显改善。旧机改造的方式本身就决定了很难根据气体燃料的特点对发动机固有结构进行大的改动,如凸轮型线、活塞、燃烧室形状等;对喷油正时等关键工作参数也不做调整,目的是维持纯柴油模式发动机性能不变;甚至对燃气循环喷射量、喷气时刻等供气系统关键参数也不做优化。这样的改造机,根本不能从燃烧的角度充分发挥天然气燃料的优势,NOX排放很难有明显改善。
   其次,天然气逃逸现象严重。总管进气式改造机,由于维持原机配气相位不变,在气门叠开期间,不可避免地产生天然气逃逸。天然气大量逃逸,不仅造成严重的HC排放,而且不利于改善燃料经济性。而支管进气式改造机,理论上可使各缸在排气门关闭之后再打开燃气喷射阀,在进气门关闭之前关闭燃气喷射阀,从而使喷气持续期避开气门重叠角,以避免天然气逃逸。但这要求燃气喷射阀具有足够快的响应和足够大的流量,能够在短时间内迅速开启并喷入足够多的天然气,且能在规定时刻迅速关闭。目前,国产阀件还难以满足要求,通常采用阀组的形式,或购买进口阀。

淄柴6170混烧发动机

瓦锡兰6L50DF双燃料发动机

气体燃料动力系统

可变截面增压


   第三,发动机燃气管路连接不规范。改造机本体上的燃气管路及相关零部件普遍采用螺纹连接和法兰连接,如燃气混合器、燃气滤清器、燃气喷射阀等。中国船级社《天然气燃料动力船舶规范》明确规定,螺纹连接只能用在外径不超过25mm的辅助管路和仪表管路上。燃气管路上使用螺纹连接明显不符合要求,有严重的泄漏隐患。但对于厂家而言,混合器、滤清器、喷射阀等均属外购产品,本身就已做成螺纹连接,难以更改。对于法兰连接,规范虽允许使用,但也明确规定,无论是本安型机舱还是增安型机舱,均应将法兰接头布置在阀箱内。
   新造机。国内新造的双燃料机均采用“混烧”模式,为不牺牲纯燃油模式性能,厂家不会对原机进行大的优化和调整,因此,技术水平几乎和“混烧”型改造机相当。

奥拓循环发动机工作区域


   对于纯气体机,情况则有所不同。纯气体机的开发不需要考虑燃油模式,可根据气体燃料特性尽可能优化燃气模式性能,可对发动机结构、关键零部件、工作参数等进行全面优化。因而,在排放性能方面,设计精良的纯气体机一般要优于双燃料机。目前,国内厂家也正在积极研发纯气体机,推出了一些产品,但还存在一些问题。  
   首先,仍采用总管进气方式。以国内某6170纯气体机为例,它在6170柴油机的基础上开发而来,对原柴油机结构做了较大改变,如拆除原机喷油系统并增加点火系统、将原机机械调速器更换为电子调速器、气缸盖和活塞重新设计、进排气凸轮型线重新设计、配气正时和点火提起角优化、增压中冷系统重新选型匹配等,这些优化工作均有利于降低发动机燃料消耗和NO
X排放。但是,出于节约成本的考虑,该机型仍采用增压器前混合器进气,这种供气方式不能精确控制空燃比,不如多点喷射方式能更大程度发挥气体机的优势,且无法避免天然气逃逸问题。
   其次,动态特性较差。纯气体机动态特性较差是一个普遍性的问题。纯气体机一般采用奥拓循环,而奥拓循环发动机的工作区域同时受到平均有效压力和过量空气系数的限制。如果发动机采用较高的平均有效压力,当负荷突变时,由于增压器需要一定的时间来提高转速从而增加空气供应量,如果燃气喷射量增加过快,则会导致过量空气系数下降,从而使发动机面临爆燃风险。因此,对于这类气体发动机,应严格控制发动机加载速率,一旦加载速度超过限值,应采取相应的保护措施(如转换为燃油模式)。目前国外有些较大机型采用可变截面增压等先进技术来改善动态性能,但考虑到成本因素,这些技术短时间内难以在国产小型机上普及。
   对于我国船用天然气发动机技术的未来发展方向,中国船级社提出如下建议:
   1、采用支管多点顺序喷射。相对总管进气方式,支管电控多点顺序喷射能更精确的控制燃气供应量,有利于实现空燃比精确控制,提高发动机热效率,降低NO
X排放。同时,还能够避免天然气在气门叠开期间的直接逃逸,控制HC排放。因此,这种进气方式应成为今后我国船用气体发动机的重点推广方向。
   2、开发“微引燃”式双燃料机。“混烧”式双燃料机由于采用燃油与气体混合燃烧的模式,使得发动机的设计一定程度上处于一种“两难”境地,要兼顾两种燃料的燃烧优化。而“微引燃”式双燃料机在双燃料模式下仅用微量柴油引燃,可专门针对气体燃料做燃烧优化,改善NO
X排放和燃油经济性,且由于柴油使用量大幅降低,有利于减少SOX排放。
   3、开发高性能纯气体机。从长远来看,纯气体机是将来最终的发展方向。纯气体机的研发完全不用考虑燃油模式,可针对气体燃料的特点对发动机进行全新设计和优化,取得最大的节能和减排效益。

CCS武汉规范研究所  雷伟