甲醇燃料舷外機(jī)渦輪增壓閉環(huán)系統(tǒng)工程研究

李鋼　黃鼎來(lái)　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(jī)不可逆的結(jié)構(gòu)性水下排放污物和噪聲已成為加速水質(zhì)惡化的因素。為創(chuàng)建能確認(rèn)和解決舷外機(jī)排放凈化和動(dòng)力衰減的治理思維和治理手段，開(kāi)展“甲醇燃料舷外機(jī)渦輪增壓閉環(huán)系統(tǒng)高效凈化催化系統(tǒng)”技術(shù)研究和工程改造。從項(xiàng)目“臺(tái)架試驗(yàn)報(bào)告”、“水上實(shí)船試驗(yàn)報(bào)告”、“用戶使用報(bào)告”匯總結(jié)果可知，使用“潔醇牌”M100甲醇燃料試驗(yàn)結(jié)果和示范效應(yīng)明顯可靠，開(kāi)拓了解決船舶舷外機(jī)對(duì)水體污染和挖掘舷外機(jī)后備功率的有效途徑。

關(guān)鍵詞：甲醇燃料;舷外機(jī);渦輪增壓;閉環(huán)系統(tǒng);水體污染

李 鋼，黃鼎來(lái)，王 兵，等. 甲醇燃料舷外機(jī)渦輪增壓閉環(huán)系統(tǒng)工程研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2019，40（02）：54-56.

舷外機(jī)自20世紀(jì)初葉誕生就是一種以技術(shù)新穎、結(jié)構(gòu)緊湊、大推重比、并通過(guò)水體做廢氣凈化和聲波衰減降噪的船舶推進(jìn)系統(tǒng)（圖1，舷外機(jī)剖視圖），當(dāng)年可謂盛極一時(shí)。但隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，舷外機(jī)不可逆的結(jié)構(gòu)性水下排放污物和噪聲已成為加速水質(zhì)惡化的因素。因此在日愈嚴(yán)苛的生態(tài)環(huán)境保護(hù)形勢(shì)下，本研究旨在創(chuàng)建能確認(rèn)和解決舷外機(jī)排放凈化和動(dòng)力衰減的治理思維和治理手段。目前占中國(guó)機(jī)動(dòng)船舶70%以上的內(nèi)陸和沿海執(zhí)法船、游船、漁船、養(yǎng)殖船均采用實(shí)用、便宜的舷外機(jī)或掛槳機(jī)作業(yè)。

一、概述

舷外機(jī)存在兩大致命缺陷：①舷外機(jī)燃燒系統(tǒng)技術(shù)落后，高海拔低溫稀氧條件下動(dòng)力指標(biāo)衰減嚴(yán)重;②由于舷外機(jī)不可逆的構(gòu)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(jī)的、無(wú)序的、很差的（圖2，舷外機(jī)水下排放）。

本研究基于現(xiàn)代熱機(jī)理念，針對(duì)一臺(tái)點(diǎn)燃式四行程開(kāi)環(huán)控制的115P舷外機(jī)（表1，舷外機(jī)性能參數(shù)），開(kāi)展“甲醇燃料舷外機(jī)渦輪增壓閉環(huán)系統(tǒng)高效凈化催化系統(tǒng)”技術(shù)研究和工程改造，針對(duì)舷外機(jī)前述兩大致命缺陷分別采?。孩賾?yīng)用現(xiàn)代熱機(jī)技術(shù)，提升舷外機(jī)技術(shù)含量。②改變?nèi)剂闲再|(zhì)，優(yōu)化燃燒效果。最終把化工領(lǐng)域的甲醇與物理領(lǐng)域的熱機(jī)跨界融合，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，解決困擾舷外機(jī)多年的難題。

二、市場(chǎng)現(xiàn)狀

世界約有1662萬(wàn)艘船掛有舷外機(jī)，中國(guó)約有65萬(wàn)艘船掛有舷外機(jī);2018年世界舷外機(jī)產(chǎn)銷量約82萬(wàn)臺(tái)，中國(guó)產(chǎn)銷量約48.81萬(wàn)臺(tái)，其中出口19萬(wàn)臺(tái);預(yù)計(jì)到2020年中國(guó)產(chǎn)銷量將超過(guò)88萬(wàn)臺(tái)，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)205億元，經(jīng)濟(jì)體量躋身全球單一產(chǎn)品增長(zhǎng)之首。根據(jù)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律，當(dāng)人均收入高于3000美元這一臨界線時(shí)，舷外機(jī)市場(chǎng)將呈現(xiàn)爆發(fā)式突變，由此可以預(yù)測(cè)中國(guó)舷外機(jī)未來(lái)市場(chǎng)的巨大潛力。

2018年中國(guó)對(duì)進(jìn)口石油的依賴度已達(dá)70.8%，其中45.1%來(lái)自中東，能源安全對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的危機(jī)影響度大于“進(jìn)口芯片”。甲醇作為近年突起的、中國(guó)可自給自足的、可再生車船替代能源，已逐漸被人們認(rèn)識(shí)，大有撼動(dòng)油氣能源基礎(chǔ)的趨勢(shì)。

國(guó)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(guī)則》的TierⅠ、Ⅱ、Ⅲ限值，尤其對(duì)硫氧化物排放，要在TierI標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上再降低90%，達(dá)到嚴(yán)格的TierⅢ標(biāo)準(zhǔn)。

除了適時(shí)劃定船舶限排“三大水域”外，國(guó)家發(fā)改委29號(hào)令《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2019年本）》還規(guī)定：“2020年1月1日正式實(shí)施[有關(guān)淘汰類（船舶部分）]第4條規(guī)定：掛槳機(jī)船及其發(fā)動(dòng)機(jī)”，國(guó)家正式對(duì)落后船舶和機(jī)型下達(dá)了“退市通知書(shū)”。隨著限排期日愈接近，必須盡快采取好措施、拿出好產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)“綠水青山，就是金山銀山”的愿景。為國(guó)家“一帶一路”和“南海發(fā)展戰(zhàn)略”中涉及海運(yùn)載體的船舶清潔能源建改造服務(wù)。

三、研究?jī)?nèi)容

按《甲醇燃料舷外機(jī)研究試驗(yàn)示范大綱》規(guī)定，本研究著重關(guān)注：舷外機(jī)、甲醇燃料、優(yōu)化燃燒、航行安全四方面問(wèn)題。

1、舷外機(jī)研究

舷外機(jī)是一種適用于驅(qū)動(dòng)中小型高速船舶的將機(jī)（發(fā)動(dòng)機(jī)）、槳（螺旋槳）、軸（傳動(dòng)軸）、舵（方向舵）、變速（變速器）、懸掛（固定裝置）、操控（航行狀態(tài)控制）七大系統(tǒng)集合成一體，且整體可懸置于船體外側(cè)的一種機(jī)、電、液一體化船舶推進(jìn)系統(tǒng)。其大推重比、拆裝方便、操作簡(jiǎn)單的特性成為軍用搶灘登陸、偵察排爆、運(yùn)輸救生、通訊巡邏的常規(guī)武備;也是民用交通管理、航務(wù)航運(yùn)、漁業(yè)捕撈、水產(chǎn)養(yǎng)殖、抗洪救災(zāi)、水上運(yùn)動(dòng)、旅游觀光的理想動(dòng)力。

舷外機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、獨(dú)特，但是尾氣排放管路按發(fā)明者當(dāng)時(shí)的理念布置在工作狀態(tài)舷外機(jī)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(jī)七大系統(tǒng)零部件包覆，現(xiàn)在如果簡(jiǎn)單的提出做“閉環(huán)尾氣后處理”，必使原結(jié)構(gòu)碎片化，這是阻礙舷外機(jī)技術(shù)進(jìn)步的難點(diǎn)。但是在國(guó)際船舶限排大趨勢(shì)下，舷外機(jī)必須正視水下排污的結(jié)構(gòu)性缺陷，樹(shù)立創(chuàng)新思維，采用創(chuàng)新手段，提高技術(shù)含量，優(yōu)化技術(shù)指標(biāo)才能再度煥發(fā)活力。

2、甲醇燃料研究

甲醇：分子式CH3OH，是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的飽和一元醇;只含1個(gè)碳原子，3個(gè)氫原子，一個(gè)氫氧鍵（羥基）;碳原子數(shù)量較汽柴油均少二位數(shù)，是公認(rèn)的低碳燃料。甲醇由一氧化碳和氫反應(yīng)制成，是具有碳?xì)淙剂蠈傩缘奶娲茉?。甲醇燃燒后的產(chǎn)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(zhì)，也較少產(chǎn)生應(yīng)用其他碳?xì)淙剂献龉r(shí)生成的未燃甲烷和甲醛，是清潔能源。甲醇內(nèi)含氧49.9%，有助燃燒，尤適于在稀氧環(huán)境下做功。甲醇辛烷值高達(dá)108以上，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤∪紭O限大，故適合實(shí)現(xiàn)高壓縮比。甲醇以常溫常壓無(wú)色透明液態(tài)存在，極性強(qiáng)，相對(duì)安全，便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸。甲醇生產(chǎn)歷史悠久，制備工藝簡(jiǎn)單成熟，中國(guó)甲醇產(chǎn)能占全球70%左右。中國(guó)制備甲醇的原料來(lái)源豐富（秸稈、木薯、甘蔗渣、劣質(zhì)煤、天然氣等）、俯拾皆是，這將為解決中國(guó)能源安全開(kāi)辟新途徑。

本項(xiàng)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(huì)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(huán)?？稍偕滦腿剂?，尤其適于大負(fù)荷船機(jī)工況。研究成果之一為：用甲醇做燃料必須關(guān)注五方面問(wèn)題（但不限于此五方面）：

（1）甲醇做燃料的動(dòng)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(zhì)量”計(jì)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(nèi)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(jī)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)不變，但進(jìn)氣量呈多的傾象，易偏向稀燃。因此按燃料“熱值”計(jì)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(jù)功率計(jì)算公式：P（功率）= W（能量）/ t（時(shí)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(huán)燃料供給當(dāng)量;縮小t（分母），即縮短燃燒時(shí)間。實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果顯示：采用本研究技術(shù)的“鑫燦06號(hào)”19.8 m大船（圖3）和“云海巡35號(hào)”6.3 m快艇（圖4）航速均提高25%以上;大船航速?gòu)?3 km/h提升到19 km/h，快艇航速?gòu)?4 km/h提升到45 km/h。

（2）甲醇作為燃料對(duì)其低溫冷起動(dòng)性研究

當(dāng)環(huán)境溫度≤17℃時(shí)，甲醇燃料舷外機(jī)冷起動(dòng)相當(dāng)困難。主要成因有三種：①氣缸內(nèi)燃燒條件隨環(huán)境溫度降低而惡化;②燃燒環(huán)境變化將促使霧化后的甲醇加速向液態(tài)還原，不利燃燒;③由于甲醇的高導(dǎo)電率，在連續(xù)缺火狀態(tài)下會(huì)造成點(diǎn)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(fā)、持續(xù)蒸發(fā)、分層蒸發(fā)、低能量引燃、復(fù)雜環(huán)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(diǎn)溫度逼近甲醇自燃臨界點(diǎn)，對(duì)低溫冷起動(dòng)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(jī)做冬季（-20℃）冷起動(dòng)試驗(yàn)，一次成功（圖5、6，甲醇舷外機(jī)天津水域鑿冰冷起動(dòng)試驗(yàn)）。

案例2.“潔醇牌”M100船用燃料，用于昆明滇池“鑫燦06號(hào)”游船做冬季低溫冷起動(dòng)試驗(yàn)，實(shí)船記錄：昆明滇池水域，2019年12月8日9：00時(shí)，晴，風(fēng)力3級(jí)，氣溫-1℃，岸邊出現(xiàn)薄冰，舷外機(jī)溫度1℃，冷起動(dòng)一次成功，起動(dòng)后怠速平穩(wěn)（700轉(zhuǎn)/分），工作安靜、轉(zhuǎn)速過(guò)渡平穩(wěn)，噪音降低約10-20分貝以上。

（3）甲醇作為燃料對(duì)其腐蝕性研究

根據(jù)GB338-2004《工業(yè)用甲醇》規(guī)定：產(chǎn)品內(nèi)水的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，一等品≯0.15%，這種品位的甲醇在環(huán)境溫度下對(duì)大多數(shù)金屬無(wú)腐蝕;但某些粗醇會(huì)因?yàn)楹s質(zhì)和水分超標(biāo)，對(duì)某些金屬產(chǎn)生緩慢的腐蝕;尤其溫度超過(guò)75℃時(shí)會(huì)造成銅、鋁、鋅電化學(xué)腐蝕（圖7，被腐蝕的合金泵體）;當(dāng)溫度超過(guò)100℃時(shí)腐蝕將加劇。因此控制甲醇品位，增加相應(yīng)的金屬保護(hù)措施，已被實(shí)踐證明是有效的、必要的。

（4）甲醇作為燃料對(duì)其溶劑、分析試劑特性的研究

甲醇會(huì)使天然橡膠、部分橡塑材料產(chǎn)生溶脹，造成相關(guān)零部件強(qiáng)度下降、密封破壞、管路堵塞等問(wèn)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(duì)其潤(rùn)滑性研究

甲醇的酸性產(chǎn)物會(huì)造成潤(rùn)滑油提前酸化失效;而且甲醇是沒(méi)有潤(rùn)滑功能的類水性燃料，單獨(dú)使用會(huì)造成拉缸;一旦進(jìn)入處于機(jī)體最下部的機(jī)油室則會(huì)稀釋機(jī)油，破壞減摩副效能。

3、甲醇燃料舷外機(jī)優(yōu)化燃燒研究

按《甲醇燃料舷外機(jī)研究試驗(yàn)示范大綱》規(guī)定，本項(xiàng)目研究著重關(guān)注八個(gè)子項(xiàng)目：① 甲醇燃料舷外機(jī)閉環(huán)控制高效凈化催化系統(tǒng)裝置研制;②甲醇燃料舷外機(jī)電動(dòng)/廢氣渦輪增壓裝置研制;③ 甲醇燃料舷外機(jī)提升氣缸壓縮比研制;④甲醇燃料舷外機(jī)點(diǎn)火正時(shí)自動(dòng)調(diào)整和防爆震裝置研制;⑤先進(jìn)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(yīng)高海拔低溫稀氧環(huán)境下的添加劑研制;⑦甲醇燃料舷外機(jī)干式軸功率綜合測(cè)試臺(tái)（圖8，干式軸功率測(cè)試臺(tái)）研制;⑧為實(shí)現(xiàn)舷外機(jī)燃燒方式的變革和甲醇作為燃料的性質(zhì)的改變，并將兩者跨界融合的研究。下面展開(kāi)介紹涉及動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的四方面研究：

（1）甲醇燃料舷外機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)高效凈化催化工程技術(shù)研究。

閉環(huán)控制系統(tǒng)。采用“以結(jié)果影響再開(kāi)始”的閉環(huán)控制理念和裝備，改變?cè)璄CU控制模式，增加氧傳感器，增加針對(duì)甲醇燃料的“三效”裝置，實(shí)現(xiàn)最佳空燃比λ=1狀態(tài)下的尾氣高效凈化催化。本研究的指導(dǎo)理論：λ=1，既當(dāng)量空氣與當(dāng)量燃料充分燃燒的比值。具體操作手段是通過(guò)氧傳感器監(jiān)測(cè)尾氣中氧偏值的電動(dòng)勢(shì)，并向ECU反饋，ECU圍繞實(shí)際空燃比氧偏值的電動(dòng)勢(shì)，修正燃料噴射脈寬（既噴射持續(xù)時(shí)間），周而復(fù)始，直至接近理論空燃比 λ=1時(shí)的動(dòng)態(tài)平衡。甲醇燃料理論空燃比為6.5：1，為達(dá)到實(shí)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(shí)現(xiàn)甲醇燃料優(yōu)化燃燒，發(fā)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(jìn)一步優(yōu)化尾氣排放效果，在甲醇燃料稀燃空燃比λ=1的狀態(tài)下，在舷外機(jī)排氣通道和消音器膨脹腔等適當(dāng)位置內(nèi)設(shè)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(shí)被激活的凈化催化轉(zhuǎn)化效應(yīng)，針對(duì)性的將一氧化碳、碳?xì)洹⒌?、醛類轉(zhuǎn)化為二氧化碳、氮?dú)夂退?。舷外機(jī)通過(guò)該閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)常規(guī)尾氣和非常規(guī)特殊醛、胺、鹽、重金屬等污染物實(shí)現(xiàn)有效凈化催化，由此達(dá)到簡(jiǎn)化工藝，節(jié)省資金，滿足工況要求的目的。

（2）甲醇燃料舷外機(jī)廢氣/電動(dòng)渦輪增壓控制系統(tǒng)研制

本研究在進(jìn)氣管相應(yīng)位置設(shè)置廢氣/電動(dòng)渦輪增壓裝置。采用增壓技術(shù)能在單位時(shí)間內(nèi)，在不改變進(jìn)氣通道長(zhǎng)度和截面積，不改變氣缸容積，不改變轉(zhuǎn)速，不改變?nèi)剂舷牡惹疤嵯?，改變進(jìn)氣效能（>1），由此實(shí)現(xiàn)提升單位時(shí)間內(nèi)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(dòng)增加參與燃燒的氧氣量，優(yōu)化燃燒條件，促進(jìn)甲醇燃料在氣缸內(nèi)充分燃燒做功。增壓技術(shù)可有效提高甲醇燃料舷外機(jī)最大功率和峰值扭矩達(dá)30%以上，尤其在海拔1891余米的昆明滇池水面更明顯;試驗(yàn)船舶“鑫燦06號(hào)”大船和“云海巡35號(hào)”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(dòng)渦輪增壓裝置如能與廢氣渦輪增壓裝置同時(shí)應(yīng)用于同一臺(tái)舷外機(jī)，將形成高低速不同階段的性能互補(bǔ)，會(huì)收到1+1>2的疊加效應(yīng)。