清潔替代燃料LPG在船用發(fā)動機上的應用發(fā)展

李長熊，胡以懷

（上海海事大學 商船學院，上海201306）

0 引言

化石能源的過度消耗及日益嚴苛的環(huán)保法規(guī)使得研究者加快替代燃料的研究步伐。LPG作為清潔的船用替代燃料引起了船東及行業(yè)的關(guān)注。LPG易于液化，便于船上儲存、使用且不含硫，能滿足2020年1月1日生效的限硫令的要求，且燃燒產(chǎn)物中顆粒物極少，具有很好的環(huán)境友好性。LPG作為船用清潔替代燃料優(yōu)勢明顯，但LPG作為船用發(fā)動機燃料仍存在一些技術(shù)問題。因此分析總結(jié)LPG發(fā)動機、LPG燃料的供應系統(tǒng)及噴射技術(shù)的發(fā)展狀況與LPG發(fā)動機存在的技術(shù)問題及可能的對策很有必要，有利于推動船用LPG-柴油雙燃料發(fā)動機技術(shù)完善，加快其船用的步伐。

1 LPG-柴油雙燃料船用發(fā)動機

1.1 船用LPG-柴油雙燃料主機與常規(guī)主機對比

LPG、液化天然氣(LNG)、甲醇、乙醇、二甲醚(DME)、氫氣等作為清潔替代燃料具有競爭優(yōu)勢[1]。由于船舶續(xù)航力及發(fā)動機運行環(huán)境的特殊性，對船用替代燃料要求有異于陸用發(fā)動機；而當前船用發(fā)動機使用LPG，LNG，NH3和甲醇作為柴油替代燃料呼聲較高[2]，進一步結(jié)合燃料利用技術(shù)程度、環(huán)保性、能量密度及成本等因素，LPG是當之無愧的最佳船用清潔替代燃料之一[3-4]。

LPG 主要成分是丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)[5]，易于液化，其性質(zhì)對LPG燃料儲存、供給、噴射及燃燒影響較大[6-8]。LPG應用于船舶，需要配備適應于LPG的燃料系統(tǒng)，如MAN研發(fā)的大型船用LPG-柴油雙燃料主機（見圖1）較常規(guī)主機增添了一套LPG燃料供給及噴射系統(tǒng)。

圖1 船用LPG-柴油雙燃料主機

為確保船用LPG-柴油雙燃料發(fā)動機氣體燃料供給及噴射的可靠性，需增加一系列控制及輔助系統(tǒng)、設(shè)備等。如燃氣控制塊組件（見圖2）、噴氣閥組件（見圖3）、燃氣控制塊與噴氣閥之間高壓管組、LPG進出口管以及鏈管、燃氣控制系統(tǒng)、密封油系統(tǒng)、低壓油供給系統(tǒng)（LPS），LPG進出主機閥組（FVT）、雙臂管通風系統(tǒng)等，因此在缸蓋設(shè)計、高壓燃油管和排氣閥液壓管設(shè)計、排氣閥設(shè)計、管系和格柵托架設(shè)計、適用雙燃料主機的控制系統(tǒng)（見圖4）設(shè)計、適用雙燃料主機的工具設(shè)計等方面應充分考慮。

圖2 LPG燃氣控制塊組件

圖3 燃氣促動噴射閥（FBIV）

圖4 LPG-柴油雙燃料船用發(fā)動機控制系統(tǒng)

2 LPG發(fā)動機的發(fā)展階段

根據(jù)燃料供給方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特征，LPG發(fā)動機燃料供給系統(tǒng)大致可總結(jié)為6個發(fā)展階段[9]，前4個階段LPG燃料從進氣道混合進氣一起進入發(fā)動機氣缸，燃料利用率有限。第5、6階段LPG燃料缸內(nèi)直噴，差別在于第5代采取火花塞等點燃LPG，第6代使用柴油引燃LPG，故第6階段LPG利用率高且動力性能好，船用的可能性最大。表1對比了每階段的特點和尚存在的不足之處。

表1 LPG發(fā)動機燃料噴射供給系統(tǒng)的發(fā)展

2.1 早期LPG發(fā)動機燃料供給系統(tǒng)

第1、第2階段為火花點燃式LPG發(fā)動機，從進氣道機械控制氣態(tài)石油氣燃料發(fā)展到電子控制空燃比。此階段大多是將汽油機改裝成LPG發(fā)動機，改裝后發(fā)動機輸出功率降低且可能會出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。后期研發(fā)出帶反饋預混合進氣道供給系統(tǒng)，將由步進電機控制的節(jié)流閥安裝在燃料及進氣混合器前，增加排氣氧傳感器及ECU控制中心，根據(jù)空燃比的變化，自動調(diào)節(jié)供氣量，實現(xiàn)燃料與空氣的反饋混合，可提高空燃比的控制精度；發(fā)動機性能略有改善。

2.2 電控LPG氣態(tài)噴射系統(tǒng)

此系統(tǒng)是在發(fā)動機上設(shè)置了LPG氣態(tài)噴射器和汽油噴嘴，這樣可將燃料以氣態(tài)供給氣缸，使用專門的ECU控制燃料噴射量。該系統(tǒng)優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)置專門的ECU獨立控制氣體供應，能改善發(fā)動機性能。其缺點是因進氣道噴射LPG而產(chǎn)生吸氣損失，輸出功率降低且運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。

2.3 電控液態(tài)噴射系統(tǒng)

為改善發(fā)動機的性能，第4階段使用電子控制LPG液態(tài)噴射。此方式需要在LPG容器內(nèi)設(shè)增壓泵以確保LPG燃料液態(tài)噴射。通過調(diào)節(jié)泵改變?nèi)剂瞎浚棉D(zhuǎn)速可根據(jù)發(fā)動機負荷狀態(tài)進行多級調(diào)節(jié)。各氣缸LPG噴射控制與發(fā)動機的ECU聯(lián)動，并用另一套ECU控制LPG的噴射量。液態(tài)噴射LPG有凍結(jié)可能，冷機采用燃油啟動，待熱機后再使用LPG。由于LPG液狀噴入進氣道氣化吸熱，降低了進氣溫度，可有效增加進氣量，因此LPG進氣道液態(tài)噴射改善了燃料供應和進氣質(zhì)量，故第四代LPG發(fā)動機能獲得與汽油機相當水平的動力和經(jīng)濟性。

2.4 火花點燃缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)

進氣道噴射LPG會引起進氣損失導致動力性下降，LPG缸內(nèi)直噴能有效改善發(fā)動機性能。第5階段LPG發(fā)動機在燃燒室內(nèi)安裝燃料噴嘴，實現(xiàn)LPG缸內(nèi)直噴，發(fā)火方式采用火花點燃。此方式與汽油機相同，可實現(xiàn)稀薄燃燒。燃燒室形狀及噴射策略對混合氣質(zhì)量影響較大，優(yōu)化燃燒室形狀及噴射策略對實現(xiàn)稀薄層狀燃燒至關(guān)重要。這一發(fā)動機缺點在于噴嘴在燃燒室內(nèi)安裝位置及噴射LPG的汽化潛熱，缸內(nèi)燃燒不良，尤其是大型LPG發(fā)動機，可能出現(xiàn)了抑制LPG氣化和定量控制的問題。

2.5 壓燃缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)

LPG缸內(nèi)直噴柴油引燃的雙燃料發(fā)動機隨著新技術(shù)和新的排放法規(guī)應運而生。由于LPG的十六烷值比柴油要低、著火溫度高且火焰的傳播速度慢，因此LPG缸內(nèi)壓燃困難，需要較高的點火能量。LPG-柴油雙燃料具有柴油易于壓燃，又能提供較大的點火能量且點火點更多的特點，能有效解決上述問題，保證發(fā)動機可靠運行。相對于傳統(tǒng)柴油機，LPG-柴油機雙燃料發(fā)動機增加LPG燃料供給裝置，優(yōu)化發(fā)動機結(jié)構(gòu)和燃料噴射策略能獲得與柴油機相當?shù)膭恿π院徒?jīng)濟性，且排放性能很好，排氣中幾乎無硫化物和碳煙，NOx排放約為柴油機的2/3，綜合性能相當突出[10]。

3 LPG燃料供給方式

LPG自行著火困難，LPG缸內(nèi)直噴燃燒，需要外部能量引燃。對于LPG發(fā)動機，LPG燃料的噴射狀態(tài)、噴射量及柴油/LPG雙燃料供給量比例的控制是發(fā)動機燃用LPG燃料的關(guān)鍵，在點燃式及壓燃式發(fā)動機中，LPG燃料供給系統(tǒng)有所差異。LPG在點燃式及壓燃式發(fā)動機上的供給方式系統(tǒng)特點及優(yōu)缺點，如表2所示。

表2 點燃式及壓燃式發(fā)動機燃用LPG供給方式對比

3.1 點燃式發(fā)動機LPG燃料供給方式

1）普通供給方式

普通LPG供給方式相對簡單，系統(tǒng)由LPG儲罐、調(diào)壓裝置、蒸發(fā)器、混合器及濃度控制器等組成[11]。這種系統(tǒng)適用于“油改氣”的汽油機，改造后的氣體機缸內(nèi)易于形成稀混合氣，燃燒滯燃期和主燃期縮短，循環(huán)變動小，經(jīng)濟性好且環(huán)保。但由于這種系統(tǒng)簡單，難以精確控制LPG的供給量，會導致發(fā)動機功率和效率有所下降[12]。

2）電控噴射方式

電控噴射方式在普通供給方式的基礎(chǔ)上優(yōu)化改進，將汽油噴射技術(shù)引入LPG噴射系統(tǒng)，能夠獲得更優(yōu)異的環(huán)保性能[13-14]；該方式可根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、進氣狀態(tài)、氣門位置及含量氧等參數(shù)來快速調(diào)整空燃比和點火提前角，結(jié)合機外后處理裝置使得動力性、經(jīng)濟性和排放性能達到最優(yōu)[15]。

3.2 壓燃式發(fā)動機LPG供給方式

1）LPG進氣道供給方式

LPG進氣道供給系統(tǒng)基本不改變發(fā)動機結(jié)構(gòu)，設(shè)置LPG供給裝置，LPG從進氣道供入缸內(nèi)，由柴油壓縮發(fā)火后引燃。根據(jù)LPG噴射位置不同可分為3種形式。

①氣體混合器供給方式。LPG氣化、減壓處理后進入進氣管前的混合器，與空氣混合后供入氣缸，經(jīng)壓縮在上止點前，噴入柴油引燃。該方式LPG與空氣能充分混合形成均質(zhì)混合氣；但發(fā)動機運行狀態(tài)變化后LPG供給量不能實時調(diào)整，且LPG占據(jù)部分空氣空間，充氣效率降低[16]。該方式要求引燃油噴射系統(tǒng)能適時控制噴射量及噴射時刻，這對使用該供給方式的雙燃料發(fā)動機的穩(wěn)定運行和性能影響較大。

②LPG進氣歧管噴射方式。LPG在進氣歧管處低壓噴射與空氣混合，噴入氣缸內(nèi)進一步均勻混合在壓縮上止點前由柴油引燃，該系統(tǒng)能較精確控制LPG噴射量，較容易形成均質(zhì)混合氣，充氣效率降低[17]。

③LPG進氣門噴射方式。LPG在每缸進氣門處低壓噴射與空氣混合，噴入氣缸內(nèi)經(jīng)壓縮上止點前由柴油引燃，該系統(tǒng)能精確控制LPG供給量，空燃比調(diào)節(jié)迅速，發(fā)動機能獲得較好的動力性、經(jīng)濟性和環(huán)境友好性。但由于LPG和空氣混合時間較短，難以形成理想的均質(zhì)混合氣[18]。

2）LPG缸內(nèi)直噴方式

LPG缸內(nèi)直噴是發(fā)動機尤其是船用發(fā)動機能夠利用LPG燃料的關(guān)鍵。由于船舶對發(fā)動機的動力要求較高，進氣道供給LPG會引起發(fā)動機的動力下降。LPG缸內(nèi)直噴不僅能獲得與柴油相當?shù)膭恿?，且排放性能大大改善。LPG/柴油是以混合燃料或雙燃料分為單直噴和雙直噴2種形式。

①LPG/柴油混合燃料單直噴。LPG/柴油混合燃料單直噴系統(tǒng)將柴油與LPG在缸外處理形成混合燃料，加壓后以液態(tài)形式由噴油器直接向缸內(nèi)噴射。此系統(tǒng)不需要額外增加LPG供給系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，但需要對LPG、柴油處理成能混合的液體燃料。

②LPG/柴油缸內(nèi)雙直噴。LPG/柴油缸內(nèi)雙直噴系統(tǒng)需要增加一套LPG供給系統(tǒng)，需要采用組合式雙直噴燃料噴射器，燃料在不同時刻噴入缸內(nèi)。壓縮沖程時先將LPG噴入氣缸與空氣混合、壓縮，在上止點附近噴入引燃柴油，點燃LPG氣體燃料混合氣。LPG/柴油缸內(nèi)雙直噴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，如MAN Diesel&Turbo的大型船用LPG-柴油雙燃料發(fā)動機（6G60ME-C9.5-LGIP），但可以獲得與柴油機相當水平的動力性和經(jīng)濟性，且排放更加環(huán)保。

4 LPG-柴油雙燃料船用發(fā)動機電控噴射技術(shù)的發(fā)展

LPG燃料應用于發(fā)動機，得益于LPG噴射技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合LPG燃料供給方式，電控噴射技術(shù)主要有進氣道噴射和缸內(nèi)直噴2種技術(shù)方式，大型船用LPG-柴油雙燃料發(fā)動機（如6G60ME-C9.5-LGIP）采用的缸內(nèi)直噴技術(shù)。

4.1 LPG進氣道噴射技術(shù)

1）LPG進氣道氣態(tài)噴射技術(shù)

LPG從進氣道進入氣缸，基本不改變發(fā)動機結(jié)構(gòu)；進氣道噴射氣態(tài)LPG導致發(fā)動機動力降低[19]，其主要原因是進氣道供入氣態(tài)LPG使得發(fā)動機進氣量減少，充氣效率下降，動力大大降低。溫度和壓力對氣態(tài)LPG的密度影響顯著，這也是制約LPG進氣道氣態(tài)噴射技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

2）LPG進氣道液態(tài)噴射技術(shù)

為提高LPG噴射量和充氣效率，LPG進氣道液態(tài)噴射技術(shù)得到發(fā)展。相對氣態(tài)噴射技術(shù)，LPG進氣道液態(tài)噴射技術(shù)顯著提高了發(fā)動機的動力性，究其原因有二，其一是由于進氣道進氣流速快，液態(tài)噴射的LPG來不及完全蒸發(fā)，部分LPG以液態(tài)進入氣缸后進一步蒸發(fā)，這就增加了進入氣缸的LPG量；其二是在進氣道液態(tài)LPG氣化吸熱，大大降低了進氣溫度，空氣密度增大，改善了充氣效率。

相對于氣態(tài)噴射技術(shù)，LPG進氣道電控液態(tài)噴射不僅改善了發(fā)動機的動力性，NOx排放也有顯著降低；但HC和CO排放有所增加。主要原因是液態(tài)噴射的LPG降低了混合氣溫度，導致發(fā)火困難，發(fā)動機燃燒不良，盡管NOx排放降低約13%，但HC和CO排放升高。

4.2 LPG缸內(nèi)直噴技術(shù)

1）火花塞點燃LPG缸內(nèi)直接噴射技術(shù)

為進一步改善LPG發(fā)動機的性能，缸內(nèi)直接噴射（GDI）技術(shù)得到了大力發(fā)展。火花塞點燃LPG缸內(nèi)直接噴射技術(shù)借鑒成熟的汽油機噴射技術(shù)且汽油機尺寸相對較小[20]，該技術(shù)已相當成熟且有相當?shù)膽靡?guī)模。

2）引燃油引燃LPG缸內(nèi)直接噴射技術(shù)

LPG缸內(nèi)直噴技術(shù)在汽油機上已比較成熟，但由于船舶發(fā)動機的特點，LPG缸內(nèi)直噴技術(shù)仍是LPG-柴油雙燃料船用發(fā)動機重點研究方向。GDI技術(shù)優(yōu)勢明顯，能精確控制LPG噴射量且能實現(xiàn)分層稀薄燃燒，改善發(fā)動機動力性的同時顯著降低有害排放。由于LPG在常溫、1.6 MPa的壓力下呈液體狀態(tài)便于實現(xiàn)缸內(nèi)直噴，LPG粘度低，表面張力比較小，易于蒸發(fā)，因此缸內(nèi)噴射時更容易破碎和霧化，易于形成均值可燃混合氣體；可實現(xiàn)分層稀燃，降低缸內(nèi)燃燒溫度，不易產(chǎn)生爆燃，顯著降低有害排放，提高壓縮比，能改善其動力性和經(jīng)濟性[21]。

5 LPG-柴油雙燃料船用發(fā)動機存在的問題及對策

5.1 存在的問題

大量研究表明，LPG-雙燃料船用發(fā)動機是應對化石燃料危機和環(huán)境保護的有效方案之一，已經(jīng)成為新造LPG運輸船的首要選擇，目前LPG船隊中已經(jīng)有1艘LPG動力營運船舶。還有37艘LPG動力在建新船，11艘船待改裝成為LPG動力。得益于技術(shù)的發(fā)展， LPG-雙燃料發(fā)動機有了很大的發(fā)展，但在船舶應用中仍存在一些技術(shù)問題，具體有：

1）由于LPG不同的組分物理特性有所差異,不同組分比例LPG在燃料供給、缸內(nèi)噴射、霧化及燃燒過程表現(xiàn)出不同的特性，最優(yōu)的丙、丁烷組分比及摻混其他燃料優(yōu)化LPG特性對LPG-柴油雙燃料船用發(fā)動機性能改善至關(guān)重要[22]。

2）應用新的燃燒技術(shù)（如HCCI等）實現(xiàn)LPG分層燃燒、稀薄燃燒尚需進一步研究，這對燃燒室形狀、LPG噴射策略、發(fā)火時刻、噴霧質(zhì)量和缸內(nèi)混合狀態(tài)都有嚴格要求[23]。

3）LPG及LPG混合燃料缸內(nèi)液態(tài)直噴時,壓力突降可能會在噴嘴處或LPG管道中氣化形成氣阻。另外LPG具有一定的可壓縮性,負荷變化時高壓油管中的壓力波動較大，導致LPG的噴射量難以精確控制,使發(fā)動機燃燒不穩(wěn)定[24]。

4） LPG及LPG混合燃料缸內(nèi)液態(tài)直噴對噴油器要求較高，由于噴射壓力較低，噴油器噴孔難以實現(xiàn)自潔，使用中噴油器噴孔容易結(jié)炭，嚴重影響噴霧形狀及混合氣的質(zhì)量。

5）LPG-柴油雙燃料發(fā)動機進氣道供給摻燒比不高，僅30%左右的摻燒比。摻燒后燃料發(fā)火點延后，燃燒滯燃期變長，在中低負荷燃燒不充分會導致發(fā)動機熱效率降低、產(chǎn)生比較高的HC和CO排放，高負荷時NOx排放較高。當LPG燃料的量增大時會引起發(fā)動機燃燒惡化甚至熄火等[25]。

6）LPG長期儲存，其中的丙烷、丁烷可能會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，這將影響LPG的燃燒性能。燃用LPG時除HC，CO，CO2和NOx等常規(guī)排放外，還會生成非常規(guī)排放物，如甲醛、乙醛、甲酸甲酯及苯等[26]。

7）雙燃料機主噴射閥FBIV液壓管密封性能對發(fā)動機的負荷影響巨大。FBIV結(jié)構(gòu)上比常規(guī)噴油器增加了多個油路通道，且集成了柱塞偶件和導套組件為一體，結(jié)構(gòu)更加復雜，零部件的尺寸精度控制要求更高，產(chǎn)品總成裝配更嚴格，性能試驗更復雜，這些都大大增加了研發(fā)難度。

5.2 可能的對策

1）要解決不同組分比例LPG對發(fā)動機缸內(nèi)燃燒的產(chǎn)生的影響，可對丁烷/丙烷以不同比例形成的混合氣的物化性質(zhì)進行分析，對其動力性、燃燒性能、排放性能進行試驗研究，找到最優(yōu)組分比。針對LPG本身存在的滯燃期較長的問題，考慮與H2，LNG，DME，PODE等摻燒，以便獲得較好的性能指標。

2）深入研究最優(yōu)組分比LPG的物化性質(zhì)、噴射策略、噴霧質(zhì)量、混合流動及燃燒特征，結(jié)合優(yōu)化燃燒室形狀來實現(xiàn)理想的分層燃燒。

3）LPG-柴油雙燃料發(fā)動機燃料噴射時因LPG氣化引起氣阻，需要研究氣阻的形成機理。增大燃料壓力是解決氣阻的途徑之一，但對燃料供應系統(tǒng)的要求更高。LPG燃料供給系統(tǒng)的可靠性、燃料噴射有效控制是主要的研究目標。

4）增大噴射壓力及優(yōu)化混合氣質(zhì)量實現(xiàn)理想的分層燃燒對避免噴油器結(jié)炭有利。

5）摻燒LPG引起滯燃期變長的問題可通過摻混其他燃料如二甲醚、氫氣等改變LPG的燃燒性能，進而提高摻燒比。LPG-雙燃料發(fā)動機的動力及排放性能可通過優(yōu)化機器運行及設(shè)計參數(shù)來改善，具體可通過優(yōu)化發(fā)動機結(jié)構(gòu)、燃燒室形狀、引燃柴油量、噴射策略、進氣狀態(tài)及LPG組分等。

6）摻混燃料或改造儲存設(shè)備是解決燃料分層的途徑，但引起的問題需要進一步研究解決。LPG-柴油雙燃料發(fā)動機燃用LPG時，會生成甲醛、乙醛、甲酸甲酯及苯等非常規(guī)排放物。非常規(guī)排放的生產(chǎn)機理及控制方法也是研究的目標之一。

7）雙燃料機主噴射閥FBIV要用于LGIP雙燃料機中LPG燃料的噴射。其集成了燃料增壓功能和噴射功能。在液態(tài)LPG 燃料以低壓狀態(tài)進入閥體后，液壓油通過內(nèi)部柱塞對燃料加壓，并通過控制油控制閥的開啟和關(guān)閉，從而達到有效控制噴射的功能。嚴格控制零部件尤其是精密偶件的尺寸精度，提高產(chǎn)品總成裝配工藝要求，進行嚴格的性能試驗以確保閥件的性能。

此外，在發(fā)動機燃用LPG研究過程中，還需結(jié)合空燃比對燃燒的影響，及發(fā)動機燃料的噴射定時、噴射壓力、噴射量等，綜合研究優(yōu)化LPG-柴油雙燃料發(fā)動機的燃燒和排放性能。LPG-柴油雙燃料發(fā)動機燃用LPG的摻燒比、發(fā)動機的可靠性、動力性、經(jīng)濟型和排放性優(yōu)化是研究的最終目標。

6 結(jié)語

LPG便于儲存且作為清潔能源應用于船舶發(fā)動機具有極大的潛力，但存在的問題也比較突出，為了應對能源危機和環(huán)境問題的挑戰(zhàn)，要深入研究解決LPG-柴油燃料發(fā)動機的一系列技術(shù)難題。對燃用LPG的發(fā)動機及噴射技術(shù)的分析總結(jié)發(fā)現(xiàn)，LPG發(fā)動機及應用技術(shù)確實有了較大發(fā)展，在部分發(fā)動機上應用相對成熟；LPG-柴油雙燃料發(fā)動機是LPG燃料用于船舶的有效方案，但其規(guī)模船用尚存在一些技術(shù)問題，對技術(shù)問題系統(tǒng)梳理和對策分析可為深入研究LPG-柴油雙燃料發(fā)動機提供參考。