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(青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院 機(jī)電系，山東 青島 266071)

隨著世界石油資源的日益短缺和船舶排放法規(guī)的逐步嚴(yán)格，節(jié)能、環(huán)保、高效成為船舶內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展的主導(dǎo)方向。尋求低成本、高效率的清潔代用燃料和船舶內(nèi)燃機(jī)新技術(shù)成為世界主要船用動力研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商的戰(zhàn)略目標(biāo)。氣體燃料的使用以及燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的快速發(fā)展正好解決了這一問題。與目前占主導(dǎo)地位的柴油機(jī)比較，船舶使用氣體燃料，幾乎沒有硫氧化物和顆粒的排放，可以減排85%～90%的氮氧化物和15%～20%的二氧化碳。除此優(yōu)點(diǎn)外，氣體燃料資源豐富，價(jià)格便宜。所以，研究和開發(fā)高效的氣體燃料發(fā)動機(jī)對船舶的節(jié)能減排具有重大的意義[1-2]。

1 船用氣體燃料發(fā)動機(jī)發(fā)展概況

近年來，世界主要船用柴油機(jī)廠商對氣體燃料動力給予了高度重視，芬蘭的瓦錫蘭，德國的MAN B&W，英國的羅爾斯-羅伊斯(簡稱羅-羅)等公司在氣體發(fā)動機(jī)的研制與開發(fā)上都取得了很大成績。在研制出的機(jī)型上主要是以四沖程為主，其典型代表及參數(shù)見表1。

在二沖程機(jī)方面，早在1994年，MAN公司就制造了第一臺雙燃料發(fā)動機(jī)12K80MC-GI。其燃油和燃?xì)鈬娚鋾r(shí)都由機(jī)械系統(tǒng)控制完成，后來在此基礎(chǔ)上于2005年推出了ME-GI電控雙燃料柴油機(jī)。瓦錫蘭在2011年9月也已經(jīng)在其意大利里雅斯特的工廠成功測試了其新的低速燃?xì)獍l(fā)動機(jī)RTX5。

2 船用氣體發(fā)動機(jī)的技術(shù)進(jìn)展

氣體燃料發(fā)動機(jī)按其使用燃料的特點(diǎn)分為單一氣體燃料發(fā)動機(jī)、兩用燃料發(fā)動機(jī)和雙燃料發(fā)動機(jī)。兩用燃料發(fā)動機(jī)是指既可單獨(dú)使用液體燃料也可單獨(dú)使用氣體燃料的發(fā)動機(jī)；雙燃料發(fā)動機(jī)是指可以同時(shí)使用氣體燃料與液體燃料的發(fā)動機(jī)。船用氣體發(fā)動機(jī)主要是單燃料和雙燃料發(fā)動機(jī)兩種，其中瓦錫蘭SG、羅-羅發(fā)動機(jī)和MAN B&W PGI發(fā)動機(jī)為單燃料氣體發(fā)動機(jī)，用在氣體燃料供應(yīng)充足的情況下，否則就應(yīng)該選擇雙燃料發(fā)動機(jī)。

氣體燃料發(fā)動機(jī)按其燃-空混合氣的著火方式主要可分為點(diǎn)燃式和柴油引燃式兩種。單燃料發(fā)動機(jī)一般是采用火花塞點(diǎn)燃，而雙燃料發(fā)動機(jī)則是通過柴油引燃。

2.1 稀薄燃燒技術(shù)的應(yīng)用

船用發(fā)動機(jī)一般都有較高的增壓度，以提高發(fā)動機(jī)功率，但是較高的增壓度容易造成預(yù)混合氣爆燃，因?yàn)闅怏w燃料的抗爆性能比柴油差。尤其在大缸徑船用主機(jī)上，由于火焰?zhèn)鞑r(shí)間相對較長，爆燃的問題會更加突出和難以解決。因此，在大功率的氣體燃料船用發(fā)動機(jī)上不能采用當(dāng)量比燃燒，而應(yīng)采用稀薄燃燒方式。稀薄燃燒就是供給過量的空氣，增大混合氣空燃比。燃?xì)馊紵尫诺囊徊糠譄崃坑脕砑訜岫嘤嗟目諝?，這樣可以使氣缸內(nèi)混合氣體的燃燒溫度降低，燃空混合氣發(fā)生遠(yuǎn)端自燃的可能性也降低，抑制了爆燃的傾向性，也減少了氮氧化物排放，也就有條件在采用較高的增壓比時(shí)仍保持發(fā)動機(jī)較大的壓縮比，從而保持較高的熱效率。

圖1為典型船用氣體發(fā)動機(jī)稀薄燃燒工作窗口。當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷較小時(shí)，工作窗口較大，空燃比在很大的范圍內(nèi)變化都不會發(fā)生爆震和不發(fā)火現(xiàn)象。發(fā)動機(jī)高負(fù)荷工作時(shí)，窗口較小，空燃比選擇小，容易產(chǎn)生爆震，例如平均有效壓力為2.0 MPa左右時(shí)，空燃比要在2.0以上才能避免爆震發(fā)生。但是空燃比過大、混合氣過稀會造成燃燒速率降低，可能導(dǎo)致火焰猝熄甚至不發(fā)火的嚴(yán)重現(xiàn)象。所以如何提高稀燃條件下氣體燃料的燃燒速率，實(shí)現(xiàn)高效的稀燃燃燒是大型氣體發(fā)動機(jī)研究的關(guān)鍵。在船用氣體發(fā)動機(jī)方面，解決上述問題的方法主要有預(yù)燃室點(diǎn)火和燃油引燃點(diǎn)火。

圖1 典型氣體發(fā)動機(jī)稀燃工作窗口

氣體燃料抗爆性比柴油機(jī)差，而著火溫度反而比柴油要高，這決定了單一燃料氣體發(fā)動機(jī)不能再采用壓縮燃燒的方式工作，而一般采用火花塞點(diǎn)火的方式。然而如果燃空混合氣在整個(gè)燃燒區(qū)域內(nèi)都是同一性質(zhì)，火焰的傳播速度就較慢，燃燒過程長，后燃嚴(yán)重，熱負(fù)荷和排溫較高，且隨著缸徑的增加，這些問題越來越突出。所以，對于單燃料船用氣體發(fā)動機(jī)，一般會將燃燒區(qū)域分割，形成預(yù)燃室和主燃室。在預(yù)燃室內(nèi)采用稍濃的混合氣，當(dāng)預(yù)燃室內(nèi)的混合氣體被火花塞點(diǎn)燃后，高溫高壓的燃?xì)飧咚龠M(jìn)入主燃室，為其提供較大的點(diǎn)火能量，并形成強(qiáng)烈的紊流，迅速點(diǎn)燃主燃室。

表1中所列單一燃料氣體發(fā)動機(jī)全部采用了這種分區(qū)燃燒的方式。以瓦錫蘭50SG氣體發(fā)動機(jī)為例，如圖2。

當(dāng)預(yù)燃室組件中混合氣被引燃后，高溫高壓的燃?xì)饨?jīng)噴孔，以高溫火焰射流的形式高速噴入主燃室，達(dá)到高效燃燒的目的。預(yù)燃室的大小、形狀設(shè)計(jì)要合理，既要能保證高效燃燒，又要盡可能減少氮氧化物排放，還要有利于燃?xì)?、空氣的混合等。MAN B&W 32/40PGI發(fā)動機(jī)則采用高壓噴嘴向預(yù)燃室噴射氣體燃料，然后由電熱塞引燃。

以柴油引燃?xì)怏w燃料的方式也是一種實(shí)現(xiàn)高效稀燃燃燒的途徑。就是在發(fā)動機(jī)將混合氣壓至上止點(diǎn)附近時(shí)，將微量先導(dǎo)柴油噴入氣缸，壓縮燃燒，為燃?xì)馊紵峁c(diǎn)火能量。瓦錫蘭和MAN B&W的雙燃料發(fā)動機(jī)都是通過這種方式來引燃?xì)怏w燃料的。圖3為瓦錫蘭DF機(jī)，缸蓋中間部位為噴油器，大孔用于燃油模式的噴射; 而小孔則用于氣體模式的先導(dǎo)燃油噴射。先導(dǎo)燃油的噴射是電磁閥控制的。

圖3 瓦錫蘭DF機(jī)氣缸控制原理圖及噴油器外形

與火花塞點(diǎn)燃式氣體發(fā)動機(jī)相比，燃油引燃方式主要具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1)引燃燃油釋放能量遠(yuǎn)大于火花塞點(diǎn)火能量，可形成多個(gè)著火點(diǎn)，加快了氣體燃料的燃燒速度，有利于實(shí)現(xiàn)高效稀薄燃燒。

2)保持了柴油機(jī)的高壓縮比，熱效率較高，經(jīng)濟(jì)性好。

2.2 燃?xì)?、空氣混合技術(shù)

燃?xì)馀c空氣的混合方式主要有兩種：缸外混合和缸內(nèi)混合。船用以缸外混合居多，例如瓦錫蘭SG、DF機(jī)型。每個(gè)缸采用一個(gè)開關(guān)式高速電磁閥作為氣體噴射器，噴射器安裝在進(jìn)氣歧管的根部，控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機(jī)各種參數(shù)(轉(zhuǎn)速、功率、空燃比等)來調(diào)節(jié)每個(gè)缸的燃?xì)饬?，確保完全獨(dú)立地控制每個(gè)缸的燃燒，參見圖2、圖3。氣體燃料的供給可從進(jìn)氣過程的后期開始，這樣就避免了在氣閥疊開過程中隨排氣的排出，而且有利于混合氣的分層供氣，實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒。瓦錫蘭氣體發(fā)動機(jī)是采用廢氣的旁通來調(diào)節(jié)空燃比的，廢氣旁通閥讓一部分廢氣旁通而沒進(jìn)入增壓器，從而控制空氣量的進(jìn)入。旁通閥的開度由WECS根據(jù)發(fā)動機(jī)各缸溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等情況來調(diào)節(jié)，并將閥位信號及時(shí)反饋給WECS，始終把空燃比調(diào)節(jié)至適當(dāng)?shù)臄?shù)值。

圖4 瓦錫蘭空燃比控制系統(tǒng)及旁通閥

燃?xì)馀c空氣缸內(nèi)混合的方式有缸內(nèi)高壓噴射供氣和缸內(nèi)低壓噴射供氣，比較有前途的是前者，它是將燃料在壓縮沖程中活塞接近上止點(diǎn)時(shí)直接以很高的壓力噴射到氣缸內(nèi)的空氣中。MAN B&W ME-GI二沖程機(jī)和瓦錫蘭GD型四沖程機(jī)都采用了缸內(nèi)高壓直噴的技術(shù)。MAN B&W ME-GI發(fā)動機(jī)是通過氣缸蓋上的2個(gè)燃油噴射閥和2個(gè)燃?xì)鈬娚溟y分別控制燃油和氣體的噴射。而瓦錫蘭GD等四沖程發(fā)動機(jī)則采用一個(gè)油氣共用的高壓噴射器，燃?xì)馔ㄟ^噴油器周圍的噴嘴噴出，噴射壓力在3 Pa以上，燃油在更早的時(shí)候做為點(diǎn)火燃料噴入，燃油的噴嘴位于噴油器的中心，工作原理參考圖5。

圖5 組合式噴油器高壓直噴氣體發(fā)動機(jī)工作原理

氣體高壓直噴技術(shù)由于壓縮過程中不存在燃料和空氣的預(yù)混合，消除了爆震的可能性。

2.3 電子管理技術(shù)

當(dāng)前船用氣體發(fā)動機(jī)普遍采用電子控制系統(tǒng)，對發(fā)動機(jī)的燃?xì)庀到y(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)等進(jìn)行統(tǒng)一控制和檢測。對發(fā)動機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和記錄。例如瓦錫蘭DF和羅-羅發(fā)動機(jī)的缸蓋上裝有單缸爆震傳感器，對發(fā)動機(jī)的爆震情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并相應(yīng)地作出調(diào)整，見圖3。

3 結(jié)論

氣體燃料被認(rèn)為是最有希望的船用替代燃料，船舶中速、低速發(fā)動機(jī)使用氣體燃料在技術(shù)上是可行的，熱效率等于甚至高于使用MDO/MFO燃料。采用稀燃和先進(jìn)的電子控制等技術(shù)，無需排氣凈化，就能滿足嚴(yán)苛的排放法規(guī)。所以，船用氣體發(fā)動機(jī)必將會有更大的發(fā)展，其在船舶交通運(yùn)輸行業(yè)的應(yīng)用和推廣已呈必然之勢。

[1] 馮立巖.我國氣體燃料大型船用主機(jī)發(fā)展策略探討[J].柴油機(jī),2011(5):6-10.

[2] 李 斌.雙燃料發(fā)動機(jī)工作原理及排放控制[J].世界海運(yùn),2012(5):39-41.