一種點燃式船用天然氣發(fā)動機設(shè)計開發(fā)

閆麗　孫啟江　肖龍波　張新亮　張英

摘要：為滿足內(nèi)河船舶天然氣發(fā)動機的市場需求，在Z6180柴油機基礎(chǔ)上，結(jié)合船舶發(fā)動機運行特點，提出Z6180T型點燃式船用天然氣發(fā)動機總體方案；遵循模塊化設(shè)計方法，優(yōu)化設(shè)計發(fā)動機的點火系統(tǒng)、配氣相位、進氣系統(tǒng)、壓縮比及安全監(jiān)控系統(tǒng)，改進關(guān)鍵零部件；根據(jù)設(shè)計方案制作Z6180T樣機，并開展排放、耐久試驗和型式認可試驗。試驗結(jié)果表明：設(shè)計開發(fā)的Z6180T型點燃式船用天然氣發(fā)動機工作可靠、性能穩(wěn)定，各項性能指標均達到設(shè)計要求；整機排放滿足船舶發(fā)動機國二排放標準要求，發(fā)動機額定工況下的最小燃氣消耗率不超過200 g/（kW·h）。

關(guān)鍵詞：船用天然氣發(fā)動機；結(jié)構(gòu)改進；臺架試驗；配氣相位；進氣系統(tǒng)；壓縮比

中圖分類號：TK432文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2023）04-0079-06

引用格式：閆麗，孫啟江，肖龍波，等.一種點燃式船用天然氣發(fā)動機設(shè)計開發(fā)［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2023，40（4）：79-84.

YAN Li， SUN Qijiang， XIAO Longbo， et al. Design and development of a spark ignition marine natural gas engine［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（4）：79-84.

0 引言

船用柴油機憑借經(jīng)濟性好、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等優(yōu)點，已經(jīng)成為水路運輸業(yè)最主要的船舶動力裝備。截止2020年底，我國擁有各式水面運輸船舶12.68萬艘，龐大的船舶動力裝備保有量導致每年燃油消耗量巨大[1]。隨著排放標準要求日趨嚴格，國際海事組織“限硫令”的頒布，特別是《船舶發(fā)動機排氣排放污染物限值及測量方法（中國一、二階段）》的實施，要求國內(nèi)船舶執(zhí)行該標準[2]。 碳達峰碳中和戰(zhàn)略促進船舶發(fā)動機向綠色、低碳及環(huán)保方向發(fā)展，發(fā)展船舶動力裝備節(jié)能減排技術(shù)是未來船用發(fā)動機領(lǐng)域的重要任務(wù)。研究人員現(xiàn)已開發(fā)出多種節(jié)能減排技術(shù)，其中以液化天然氣為代表的清潔替代燃料技術(shù)是重要發(fā)展方向之一。我國的天然氣儲量豐富，天然氣完全燃燒后產(chǎn)物為水和二氧化碳，清潔環(huán)保，且熱值高于柴油。天然氣從經(jīng)濟性、排放性、動力性等方面可以替代柴油，成為船用發(fā)動機燃料的首選。

為滿足船用天然氣發(fā)動機的市場需求，以Z6180柴油機為母型機，在保持其良好的動力性、經(jīng)濟性、可靠性等基礎(chǔ)上，秉承綠色環(huán)保設(shè)計理念，設(shè)計開發(fā)以天然氣為燃料、火花塞點燃式Z6180T型節(jié)能環(huán)保船用發(fā)動機，為點燃式船用天然氣發(fā)動機技術(shù)開發(fā)提供參考。

1 總體方案

1.1 整機布置

以提高發(fā)動機整機性能指標為目標，從滿足使用要求、生產(chǎn)合理性和技術(shù)先進性出發(fā)，進行Z6180T型點燃式船用天然氣發(fā)動機總體方案設(shè)計[3]。

以安全、穩(wěn)定、高效、節(jié)能為目標，發(fā)動機燃氣噴射系統(tǒng)采用燃氣電控多點噴射、高能量數(shù)字點火和空燃比閉環(huán)控制等關(guān)鍵技術(shù)；充分考慮裝機及后期維修便利性，零部件選配采用模塊化設(shè)計方法[4]。根據(jù)設(shè)計指標特點將所需模塊在Z6180柴油機基礎(chǔ)上重新組合，最大限度借用現(xiàn)有柴油機零部件、毛坯、模具，有效縮短設(shè)計周期，降低節(jié)約研發(fā)成本，加快生產(chǎn)節(jié)拍，且各模塊復用性好，保證零部件的通用化程度；控制系統(tǒng)采用電子控制單元（electronic control unit，ECU）和氧傳感器閉環(huán)控制策略進行空燃比調(diào)整，提高天然氣使用效率。Z6180T型點燃式船用天然氣發(fā)動機原理圖如圖1所示。

1.2 發(fā)動機主要參數(shù)

設(shè)計開發(fā)的直列、4沖程、火花塞點火、增壓中冷Z6180T型船用天然氣發(fā)動機，各缸發(fā)火順序為1—5—3—6—2—4，發(fā)動機主要技術(shù)性能參數(shù)如表1所示。

2 發(fā)動機排放及燃燒特性影響因素

2.1 排放特性

為降低排放，文獻[2]對發(fā)動機尾氣中的HC、NOx、CO、顆粒物（particulate matter，PM）等污染物進行限定。

尾氣檢測中，HC測量一般采用氫火焰離子法，其原理為：當發(fā)動機尾氣中的HC在攝氏溫度為2 000 ℃的氫火焰中引燃時，尾氣中的HC被轉(zhuǎn)化為可導電的自由離子，在電場作用下形成離子流，產(chǎn)生電信號。HC檢測對烴的類型無選擇性，減少天然氣逃逸、防止缺氧和促進充分燃燒均可改善HC的排放特性。CO排放特性與HC類似，減小缺氧、改善氧化能力和局部低溫環(huán)境可降低CO排放。高溫、長時間滯留、富氧是NOx產(chǎn)生的有利條件，當氣缸內(nèi)攝氏溫度高于1 500 ℃時，溫度每升高100 ℃，NOx排放增大6～7倍，過量空氣系數(shù)對NOx排放的影響呈先上升再下降的趨勢[5]。

2.2 燃燒特性

增大過量空氣系數(shù)使缸內(nèi)最高壓力和溫度呈先上升再下降的趨勢，這是因為適當提高過量空氣系數(shù)有利于天然氣的充分燃燒，但是空氣系數(shù)過大，參與燃燒的天然氣減少。增大壓縮比可以提高缸內(nèi)混合氣的燃燒速度和點火初始時刻的溫度，最高壓力和溫度均隨著壓縮比的增大而增大，但過高壓縮比導致排放特性降低[6]。

基于以上分析，以柴油機為基礎(chǔ)開發(fā)的Z6180T火花塞點燃式天然氣發(fā)動機，在保證零部件通用性的基礎(chǔ)上，應對點火系統(tǒng)、配氣機構(gòu)等零部件進行改進優(yōu)化，保證發(fā)動機經(jīng)濟性、動力性、可靠性、排放等均滿足設(shè)計要求。

3 設(shè)計及優(yōu)化

3.1 點火系統(tǒng)

Z6180T型船用天然氣發(fā)動機以點火模塊、點火線圈、高壓導線、火花塞、信號盤等零件組成的點火系統(tǒng)，受天然氣燃燒特性的限制，采用預燃室式火花塞解決稀薄燃燒帶來的點火困難、燃燒速率低等問題，預燃室內(nèi)的預燃燒生成的火焰射流穿透主燃燒室后，有助于改善燃燒速度和點火面積。

3.2 配氣相位

配氣機構(gòu)是船用天然氣發(fā)動機設(shè)計的重要組成部分，配氣相位直接影響發(fā)動機的排放和燃燒特性[7]。直接借用Z6180柴油機的配氣相位導致HC和NOx排放升高，應對其改進設(shè)計。

為實現(xiàn)發(fā)動機減排增效，應適當減小氣門重疊角，減小重疊角有利于減少逃逸的天然氣、降低HC排放，且使得缸內(nèi)殘留廢氣更多；由于廢氣比熱容較高，缸內(nèi)最高燃燒溫度隨之下降，NOx排放降低。但重疊角不能過小，重疊角過小使缸內(nèi)廢氣系數(shù)增大，稀燃時降低燃燒速度，燃燒不完全，HC排放急速上升；缸內(nèi)燃燒不穩(wěn)定，影響發(fā)動機的動力性。

綜合考慮動力性、經(jīng)濟性和排放性能等因素，調(diào)整配氣相位，氣門重疊角減小70°，并進行運動學仿真以驗證其合理性[8]。

使用插值函數(shù)法對凸輪升程進行擬合，提取進排氣門升程曲線、速度曲線如圖2所示。由圖2可知：氣閥升程曲線光滑，無氣門反跳產(chǎn)生；氣門速度在落座時刻降低至500 mm/s以下[9-10]，無明顯高頻雜波。配氣機構(gòu)優(yōu)化后，配氣相位基本穩(wěn)定，能夠滿足發(fā)動機工況需要。

3.3 進氣系統(tǒng)

進氣系統(tǒng)主要包括空氣進氣系統(tǒng)和燃氣進氣系統(tǒng)。燃氣進氣系統(tǒng)采用歧管多點噴射方式，主要零部件包括燃氣共軌、雙壁電磁閥、雙壁波紋管、引射管等。天然氣與空氣在歧管混合后進入氣缸進氣道，為控制系統(tǒng)對單缸進氣量的精準控制提供基礎(chǔ)，混合氣的形成過程如圖3所示。

3.4 壓縮比

船用天然氣發(fā)動機的燃燒過程很接近等容燃燒，等容加熱過程中熱效率

式中；λ為壓力升高比，λ=pz/pc，其中pz為缸內(nèi)最高壓力，pc為壓縮后缸內(nèi)壓力；pi為進氣終點壓力[11]。

由式（1）可知：發(fā)動機的熱效率與壓縮比正相關(guān)，隨著壓縮比的增高，平均吸熱溫度增加，平均放熱溫度下降，熱效率升高。此外，稀燃狀態(tài)下適當增大壓縮比，有利于天然氣在發(fā)動機氣缸內(nèi)充分燃燒，改善排放特性。但是壓縮比不宜過大，否則易導致NOx、HC、CO的排放惡化，甚至導致爆震的產(chǎn)生，降低發(fā)動機的可靠性及壽命[12]。綜合考慮排放特性及燃燒經(jīng)濟性，設(shè)計Z6180T型船用天然氣發(fā)動機的壓縮比為10.5。

3.5 安全保障系統(tǒng)

應對閉環(huán)控制策略下的天然氣發(fā)動機的空燃比、增壓壓力、點火提前角等參數(shù)精確控制。對于活塞的下部空間與曲軸箱直接相通的發(fā)動機，還應對曲軸箱內(nèi)發(fā)生氣體積聚的潛在風險進行詳細評估[13]。設(shè)計Z6180T型船用天然氣發(fā)動機顯控系統(tǒng)—監(jiān)控儀，精確測量和顯示轉(zhuǎn)速、油溫、油壓、水溫等發(fā)動機參數(shù)，實時監(jiān)控故障，發(fā)出聲光報警信號進行報警。根據(jù)安裝位置和功能，每臺船機配備2個監(jiān)控儀：機旁監(jiān)控儀和遠傳監(jiān)控儀。監(jiān)控儀中集成船機定位和數(shù)據(jù)遠傳功能，檢測到的數(shù)據(jù)可實時在手機軟件或電腦客戶端進行顯示和存儲，方便用戶管理和掌握船舶的實時動向和具體位置，并可進行數(shù)據(jù)對比、故障分析等。

4 臺架試驗

方案設(shè)計完成后，進行樣機的組裝，完成首臺Z6180T型船用天然氣發(fā)動機的裝配，發(fā)動機樣機如圖4所示。

4.1 排放及耐久試驗

根據(jù)文獻[2]對樣機進行排放試驗。隨著發(fā)動機相關(guān)參數(shù)改變，測量發(fā)動機排放，研究主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對發(fā)動機排放的影響。試驗中對天然氣噴射系統(tǒng)和點火系統(tǒng)進行精準協(xié)同控制，優(yōu)化燃燒組織。與柴油機相比，天然氣發(fā)動機節(jié)能減排效果顯著，發(fā)動機硫化物、顆粒物排放幾乎為零，NOx、HC的排放顯著降低，整機排放達到船舶柴油機國二排放標準要求。

按照文獻[2]，對Z6180氣體發(fā)動機進行耐久性試驗。為縮短試驗時間，試驗采用等功法加速老化，試驗總運行時間為1 824 h。耐久試驗后，解體樣機，對主要零部件進行測量和必要探傷檢測[14-16]。測量結(jié)果表明：零部件磨損合理，未探測到零部件裂紋。試驗結(jié)果表明：發(fā)動機狀態(tài)良好且達到了預期設(shè)計目標，整機工作可靠、性能穩(wěn)定。

4.2 型式認可試驗

依據(jù)文獻[2，17]對樣機開展型式認可試驗，取得了型式認可證書。Z6180T型船用天然氣發(fā)動機推進特性曲線如圖5所示。

由圖5可知：Z6180T船用天然氣發(fā)動機達到額定工況（轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、功率為450 kW）的設(shè)計要求；試驗過程中發(fā)動機額定工況下最低燃氣消耗率不超過200 g/（kW·h）。Z6180T型船用天然氣發(fā)動機各項性能指標滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

以Z6180柴油機為母型機，遵循由整體到局部、模塊化設(shè)計思想，兼顧發(fā)動機經(jīng)濟性、動力性、排放特性，開發(fā)了Z6180T型點燃式船用天然氣發(fā)動機，并對原機相關(guān)零部件結(jié)構(gòu)進行了改進優(yōu)化；完成了樣機型式認可試驗、排放耐久劣化試驗。該Z6180T型船用天然氣發(fā)動機發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性、排放性、可靠性等技術(shù)指標達到設(shè)計目標。

Z6180T型船用天然氣發(fā)動機的設(shè)計開發(fā)為同類發(fā)動機的開發(fā)積累了經(jīng)驗，為Z180T全系列發(fā)動機的后續(xù)開發(fā)做了準備，可以為點燃式船用天然氣發(fā)動機設(shè)計提供參考和借鑒。

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Design and development of a spark ignition marine natural gas engine

YAN Li1， SUN Qijiang2， XIAO Longbo1， ZHANG Xinliang2， ZHANG Ying2

1. Zichai Machinery Co.， Ltd.， Zibo 255000， China; 2.ZiChai Power Co.，Ltd.， Zibo 255000， China

Abstract：In order to meet the market demand of inland river ships for natural gas engines， based on Z6180 diesel engine and combined with the operation characteristics of ship engines， the overall scheme of Z6180T ignition marine natural gas engine is developed. Following the modular design method， the engine ignition system， valve timing， intake system， compression ratio and safety monitoring system， are optimized and improved， as well as some key components. The prototype of Z6180T is experimental examined for emission，durability and type approval test. The results show that the designed Z6180T ignition marine natural gas engine is reliable and stable in performance，and all performance meets the design requirements. The whole engine emission meets the requirements of the CHINA Ⅱemission standard for marine engines， the minimum gas consumption rate of the engine under rated operating conditions is not exceed 200 g/（kW·h）.

Keywords：marine natural gas engine; structural improvement; bench test;valve timing phase; intake system; compression ratio

（責任編輯：劉麗君）

收稿日期：2023-05-19

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFB4300704）

第一作者簡介：閆麗（1972—），女，山東德州人，高級工程師，主要研究方向為氣體燃料發(fā)動機，E-mail：zcjszx@126.com。