氣體燃料大型船用主機(jī)燃燒系統(tǒng)分析＊

馮立巖，張春煥，李佳星

（大連理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院 遼寧省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116023）

2008年我國(guó)的石油進(jìn)口依存度已經(jīng)高達(dá)61.7%［1］，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，石油進(jìn)口依存度會(huì)更大。而我國(guó)進(jìn)口石油運(yùn)輸主動(dòng)脈又深陷美、日勾連的“C形包圍”中。因此，為了提高能源安全系數(shù)，要盡可能減小對(duì)石油能源的依賴，盡快研發(fā)氣體燃料大型船用主機(jī)。另外，由于以天然氣為代表的氣體燃料的氫碳比較高，在熱機(jī)上大量應(yīng)用氣體燃料能夠有效減少CO2排放［2］。在采用稀燃等高效清潔燃燒技術(shù)后，氣體燃料船用主機(jī)的有害排放比傳統(tǒng)燃料主機(jī)明顯降低，其氮氧化物（NOX）排放不需后處理就能夠滿足Tier 3法規(guī)限制要求［3］。所以，研究和開發(fā)高效的氣體燃料船用主機(jī)對(duì)我國(guó)的節(jié)能減排意義重大。我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展迫切地需求綠色節(jié)能氣體燃料大型船用主機(jī)的發(fā)展。

1 國(guó)外氣體燃料船用主機(jī)發(fā)展?fàn)顟B(tài)

世界主要船用主機(jī)廠商對(duì)氣體燃料船用動(dòng)力給予了高度重視［4－5］，近年來各大公司相繼推出新的產(chǎn)品。表1顯示了這些主要機(jī)型基本參數(shù)情況。

表1 世界主要船機(jī)廠商的氣體燃料大型船用主機(jī)參數(shù)

2 我國(guó)氣體燃料船用主機(jī)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)

我國(guó)氣體燃料大型船用主機(jī)相關(guān)的基礎(chǔ)研究狀況與其發(fā)展戰(zhàn)略的迫切性極不相稱。船用主機(jī)缸徑大、轉(zhuǎn)速低等特點(diǎn)所導(dǎo)致的氣體燃料的燃空混合和燃燒過程的特殊性，以及船用主機(jī)和燃料系統(tǒng)在安全性要求上的特殊要求導(dǎo)致氣體燃料大型船用主機(jī)的研究與應(yīng)用發(fā)展緩慢。

由于國(guó)外先進(jìn)大型氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)對(duì)相關(guān)技術(shù)實(shí)施技術(shù)壁壘，國(guó)內(nèi)大型氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展舉步維艱，有些相關(guān)企業(yè)只好委托國(guó)際發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)咨詢公司進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。但是核心技術(shù)是買不來的。過去發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)公司給出的方案性能指標(biāo)并不高，以至于國(guó)內(nèi)企業(yè)發(fā)現(xiàn)委托開發(fā)的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)指標(biāo)與國(guó)際先進(jìn)水平仍相去甚遠(yuǎn)。況且委托開發(fā)的方式并沒有給我國(guó)的船舶動(dòng)力帶來技術(shù)上質(zhì)的進(jìn)步。尤其在大功率氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究的基礎(chǔ)理論上沒能取得突破，而真正意義上的技術(shù)進(jìn)步也無從談起。

在認(rèn)清形勢(shì)的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)船用主機(jī)廠商也對(duì)自主研發(fā)氣體燃料船用主機(jī)開始逐步重視起來。比如，陜柴重工在以其主力機(jī)型40／46柴油機(jī)為原型機(jī)，研發(fā)國(guó)際先進(jìn)水平的氣體燃料中速船用主機(jī)；滬東重機(jī)開始引進(jìn)曼公司的雙燃料船用主機(jī)技術(shù)；廣州柴油機(jī)廠與國(guó)外研究機(jī)構(gòu)合作正在開發(fā)純氣體燃料中速船用主機(jī)。

但是必須指出依賴于國(guó)外技術(shù)的“先進(jìn)產(chǎn)品”是沒有可持續(xù)發(fā)展能力的，國(guó)外公司也只會(huì)授以魚，而絕不會(huì)授以“漁”。其技術(shù)方案的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法以及前期的基礎(chǔ)研究卻不會(huì)向我方提供。這樣，技術(shù)的更新?lián)Q代還要依賴于外方，永遠(yuǎn)受制于人。于是我國(guó)高新船舶動(dòng)力技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展也就會(huì)受到極大的限制。而且，目前國(guó)內(nèi)船用主機(jī)制造企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)對(duì)氣體燃料船用主機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究力量還不足，對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴性仍過高。所以，要形成自主研發(fā)力量，產(chǎn)生自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研究成果還有賴于管、產(chǎn)、學(xué)、研4個(gè)方面的共同努力，進(jìn)一步加強(qiáng)四方的協(xié)作，盡快形成系統(tǒng)化、科學(xué)化、持續(xù)化的研究與開發(fā)體系，進(jìn)行氣體燃料船用主機(jī)等高新船舶動(dòng)力技術(shù)的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用技術(shù)開發(fā)。

3 氣體燃料船用主機(jī)燃燒系統(tǒng)策略

船用主機(jī)的高強(qiáng)化度是要靠較高的增壓度來實(shí)現(xiàn)。但是較高的增壓度容易造成預(yù)混合氣爆燃。尤其在大缸徑船用主機(jī)上，由于火焰?zhèn)鞑r(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，爆燃的問題會(huì)更加突出和難以解決。因此，在氣體燃料大型船用主機(jī)不能采用當(dāng)量比燃燒，而應(yīng)采用稀燃燃燒方式。在稀燃條件下，燃空混合氣發(fā)生遠(yuǎn)端自燃的可能性降低，從而在根本上抑制了爆燃的傾向性，于是也就有條件在采用較高的增壓比時(shí)仍保持主機(jī)較大的壓縮比從而保持較高的熱效率。另外，在稀燃條件下，NOX的生成量明顯降低。圖1顯示了典型氣體燃料船用主機(jī)的工作窗口。該圖顯示，當(dāng)平均有效壓力較高時(shí)，如果過量空氣系數(shù)較小，比如在1.0～1.4范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)是很容易發(fā)生爆燃的。為了提高平均有效壓力，將過量空氣系數(shù)提高，避免進(jìn)入爆燃區(qū)是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的基本原則。

圖1 典型氣體燃料船用主機(jī)的工作窗口［11］

但是在大型船用主機(jī)上實(shí)現(xiàn)氣體燃料的高效稀燃燃燒絕非易事。在傳統(tǒng)的燃燒系統(tǒng)中，當(dāng)燃空混合氣較稀時(shí)，燃燒速率降低，又會(huì)造成熱功轉(zhuǎn)換效率降低的問題。而如果混合氣過稀，就有可能發(fā)生火焰猝熄甚至部分工作循環(huán)不發(fā)火的嚴(yán)重問題，其直接后果是燃料消耗率上升，碳?xì)浠衔铮℉C）排放急劇增加。所以提高稀燃條件下的氣體燃料燃燒速率是當(dāng)前氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究的關(guān)鍵問題和熱點(diǎn)問題。

國(guó)內(nèi)外研究者通過提高點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火能量、燃空混合氣改性、直噴柴油微引燃等方法為解決該問題付出了艱辛的努力。比如，以激光點(diǎn)火［12－13］方式提高點(diǎn)火能量點(diǎn)燃稀混合氣，較大幅度擴(kuò)展了稀燃極限和工作窗口，或采用混合氣加氫的方式實(shí)現(xiàn)混合氣改性，提高燃燒速率［14－15］。但這兩種由于成本高昂，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，完全不適用于船用主機(jī)。以氣缸內(nèi)直噴柴油引燃?xì)怏w燃料的燃燒方式也是一種實(shí)現(xiàn)高效稀燃燃燒的途徑，但是其排放性能不如純氣體燃料船用主機(jī)；另外兩種燃料供給系統(tǒng)同時(shí)存在于船機(jī)上，也增加了成本。

以上幾種提高氣體燃料稀燃燃燒速率的方法或者成本高昂、系統(tǒng)復(fù)雜，或者排放性能不佳。因此尋求低成本、簡(jiǎn)單高效的純氣體燃料稀燃點(diǎn)火能量增益方式是實(shí)現(xiàn)氣體燃料大型船用主機(jī)高效清潔燃燒的關(guān)鍵。對(duì)于純氣體燃料大型船用主機(jī)而言，將整個(gè)燃燒系統(tǒng)在空間上予以適當(dāng)分隔，形成主燃區(qū)和預(yù)燃區(qū)。主燃區(qū)采用稀混合氣，預(yù)燃區(qū)采用稀混合氣或加濃后的當(dāng)量比混合氣。這樣由于預(yù)混合區(qū)內(nèi)湍流度高，容易點(diǎn)燃；而且如果該區(qū)域內(nèi)采用稍濃混合氣，則更容易點(diǎn)燃。預(yù)混合區(qū)由于湍流度高，點(diǎn)燃后形成的湍流火焰速度高，能量大，就相當(dāng)于提高了主燃區(qū)的點(diǎn)火能量，提高整體燃燒速率。采用這種“分區(qū)控制，能量增益，湍流激擾”的工作方式可以有效提高稀燃燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俾?，拓展稀燃極限，提高氣體燃料大型船用主機(jī)的熱效率并保持其良好的排放性能。

“分區(qū)控制”方法的本質(zhì)是預(yù)燃室。通常認(rèn)為預(yù)燃室的存在會(huì)導(dǎo)致燃燒室的面容比增大，換熱損失增加，從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性下降，尤其在柴油機(jī)甚為嚴(yán)重。但是在氣體燃燒船用主機(jī)上預(yù)燃室所產(chǎn)生的激擾效應(yīng)大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃燃燒速率，所以綜合而言以“分區(qū)控制和湍流激擾”為目的和手段的預(yù)燃室在分區(qū)能量分配合理的前提下是有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，改善經(jīng)濟(jì)性的。

“分區(qū)控制”原理為世界著名大型氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)制造商所高度重視。盡管各個(gè)公司都采用不同的方法進(jìn)行分區(qū)控制，但以整體稀燃為控制對(duì)象來完成氣體燃料的快速燃燒和低排放控制目標(biāo)是完全一致的?？刂品椒ò醇_源與主燃區(qū)的燃空情況分為單一燃空比和分區(qū)燃空比兩類。單一燃空比即在所有控制區(qū)域采用同樣的燃空比，而僅通過激擾源內(nèi)部的較高湍流度來保證激擾源區(qū)內(nèi)稀混合氣的可靠點(diǎn)火［16］。分區(qū)控制燃空比則是在主燃區(qū)為稀混合氣，而在激擾源區(qū)以輔助噴射燃料的方式形成較高的燃空比，從而實(shí)現(xiàn)更高的點(diǎn)火可靠性，并產(chǎn)生更快的燃燒速率和激擾能量，如文獻(xiàn)［17］所采用的方法，圖2是該方法的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖2 單一燃空比控制的燃燒系統(tǒng)簡(jiǎn)圖［20］

控制方法按激擾源的點(diǎn)火方式則可分為火花塞點(diǎn)火、電熱塞助燃、柴油微引燃等方式。電熱塞助燃的典型例子是曼公司的32／40PGI型單燃料大型氣體發(fā)動(dòng)機(jī)［10］，采用高壓噴嘴向預(yù)燃室內(nèi)噴射氣體燃料，并在其中形成稍濃混合氣，混合氣由電熱塞所引燃，其控制過程較大程度上依賴于高壓噴嘴的噴射過程。圖3為這種發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。

圖3 德國(guó)曼公司的電熱塞分區(qū)控制大型氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)簡(jiǎn)圖［10］

柴油微引燃方法是向預(yù)燃室內(nèi)噴入少量柴油引燃混合氣，如圖4所示。

很明顯，盡管單一燃空比控制方式具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本低的優(yōu)點(diǎn)，但該方式激擾區(qū)內(nèi)燃空比較低，稀燃范圍小，激擾能量小，燃燒速率較低，節(jié)能效果不佳。所以從節(jié)能與環(huán)保的基本點(diǎn)出發(fā)，現(xiàn)代氣體燃料船用主機(jī)應(yīng)采用節(jié)能效果更佳的分區(qū)控制燃空比控制方式。而火花塞點(diǎn)火、電熱塞助燃和柴油微引燃等點(diǎn)火方式則各有優(yōu)勢(shì)?；鸹ㄈc(diǎn)火可精確控制點(diǎn)火時(shí)間；電熱塞助燃的點(diǎn)火時(shí)間則依賴于輔助燃料的噴射時(shí)間、噴射量、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況、電熱塞溫度等多種因素，點(diǎn)火過程的控制更為復(fù)雜；柴油微引燃方式則需要獨(dú)立的柴油噴射系統(tǒng)，處于預(yù)燃室內(nèi)高溫條件下的噴油嘴的工作可靠性是核心關(guān)鍵問題。

圖4 日本川崎公司的柴油微引燃分區(qū)控制大型氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)簡(jiǎn)圖［18］

上述燃燒系統(tǒng)方法都存在兩個(gè)尚待解決的問題：（1）分區(qū)燃空比控制采用兩套燃料供給裝置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過程復(fù)雜，成本高昂。（2）激擾源區(qū)溫度較高，使輔助燃料供給裝置和火花塞的可靠性降低；另外在高負(fù)荷工況下，熱表面溫度過高容易導(dǎo)致早火等不正常燃燒，這就會(huì)嚴(yán)重限制發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和動(dòng)力性能的提高。因此，解決這兩個(gè)問題也成為進(jìn)一步提高單燃料大型氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵所在。

解決上述問題有賴于新的燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)及理論和方法的革新。首先從降低成本角度考慮，采用一套燃料供給系統(tǒng)是較為有利的。相應(yīng)地采用一套燃料供給系統(tǒng)對(duì)噴射壓力、噴射時(shí)間、噴射脈沖長(zhǎng)度與次數(shù)安排、單次噴射量等參數(shù)的要求更加精確，噴射過程與氣缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的配合要求更加復(fù)雜。另外，為了降低激擾源區(qū)的溫度和熱負(fù)荷，整個(gè)燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮激擾源區(qū)的降溫。圖5是新型燃燒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理簡(jiǎn)圖。

新型的燃燒系統(tǒng)應(yīng)能夠以氣缸內(nèi)噴射結(jié)合激擾源區(qū)高脈動(dòng)湍流以及氣缸內(nèi)主燃區(qū)的滾流運(yùn)動(dòng)完成高質(zhì)量的“混合氣濃度分布和湍流激擾”的分區(qū)控制。在保證稀混合氣可靠點(diǎn)火的同時(shí)進(jìn)一步強(qiáng)化了氣缸內(nèi)“湍流激擾”的效應(yīng)，達(dá)到大型氣體燃料船用主機(jī)稀燃混合氣的穩(wěn)定快速燃燒的目的。另外首次燃料主噴射也能夠?qū)_源區(qū)起到掃氣降溫的作用，從而避免受熱部件溫度過高所導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性降低的問題。圖6所示新型燃燒系統(tǒng)內(nèi)的“分區(qū)控制，湍流激擾”作用過程。

圖5 氣體燃料大型船用主機(jī)的新型燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 氣體燃料大型船用主機(jī)的“分區(qū)控制、湍流激擾”方式控制稀燃過程

4 結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)開展綠色節(jié)能的氣體燃料船用主機(jī)研究與開發(fā)是非常必要和緊迫的?！胺謪^(qū)控制，湍流激擾”方式是實(shí)現(xiàn)大型氣體燃料船用主機(jī)高效稀燃的有效技術(shù)手段。通過控制激擾源區(qū)內(nèi)過量空氣系數(shù)，并提高其湍流度來保證混合氣可靠著火，并以激擾湍流火焰射流大大提高主燃室內(nèi)稀混合氣的燃燒速率是實(shí)現(xiàn)氣體燃料船用主機(jī)高效清潔燃燒的有效途徑。在采用激擾源區(qū)內(nèi)進(jìn)行燃料主噴射，同時(shí)在主燃室內(nèi)采用適當(dāng)?shù)臐L流與主噴射形成的燃料射流相配合形成主燃室內(nèi)的稀預(yù)混合氣。另外，激擾源區(qū)內(nèi)所進(jìn)行的燃料主噴過程也有助于實(shí)現(xiàn)高溫區(qū)的掃氣降溫，提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性。

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