气体燃料大型船用主机燃烧系统分析＊

冯立岩，张春焕，李佳星

（大连理工大学 能源与动力学院 辽宁省内燃机重点实验室，辽宁大连116023）

2008年我国的石油进口依存度已经高达61.7%［1］，随着我国经济的高速增长，石油进口依存度会更大。而我国进口石油运输主动脉又深陷美、日勾连的“C形包围”中。因此，为了提高能源安全系数，要尽可能减小对石油能源的依赖，尽快研发气体燃料大型船用主机。另外，由于以天然气为代表的气体燃料的氢碳比较高，在热机上大量应用气体燃料能够有效减少CO2排放［2］。在采用稀燃等高效清洁燃烧技术后，气体燃料船用主机的有害排放比传统燃料主机明显降低，其氮氧化物（NOX）排放不需后处理就能够满足Tier 3法规限制要求［3］。所以，研究和开发高效的气体燃料船用主机对我国的节能减排意义重大。我国国民经济和社会发展迫切地需求绿色节能气体燃料大型船用主机的发展。

1 国外气体燃料船用主机发展状态

世界主要船用主机厂商对气体燃料船用动力给予了高度重视［4－5］，近年来各大公司相继推出新的产品。表1显示了这些主要机型基本参数情况。

表1 世界主要船机厂商的气体燃料大型船用主机参数

2 我国气体燃料船用主机的发展状态

我国气体燃料大型船用主机相关的基础研究状况与其发展战略的迫切性极不相称。船用主机缸径大、转速低等特点所导致的气体燃料的燃空混合和燃烧过程的特殊性，以及船用主机和燃料系统在安全性要求上的特殊要求导致气体燃料大型船用主机的研究与应用发展缓慢。

由于国外先进大型气体燃料发动机制造企业和研发机构对相关技术实施技术壁垒，国内大型气体燃料发动机的发展举步维艰，有些相关企业只好委托国际发动机研发咨询公司进行产品开发。但是核心技术是买不来的。过去发动机开发公司给出的方案性能指标并不高，以至于国内企业发现委托开发的气体燃料发动机在技术指标与国际先进水平仍相去甚远。况且委托开发的方式并没有给我国的船舶动力带来技术上质的进步。尤其在大功率气体燃料发动机研究的基础理论上没能取得突破，而真正意义上的技术进步也无从谈起。

在认清形势的基础上，国内船用主机厂商也对自主研发气体燃料船用主机开始逐步重视起来。比如，陕柴重工在以其主力机型40／46柴油机为原型机，研发国际先进水平的气体燃料中速船用主机；沪东重机开始引进曼公司的双燃料船用主机技术；广州柴油机厂与国外研究机构合作正在开发纯气体燃料中速船用主机。

但是必须指出依赖于国外技术的“先进产品”是没有可持续发展能力的，国外公司也只会授以鱼，而绝不会授以“渔”。其技术方案的设计原则和设计方法以及前期的基础研究却不会向我方提供。这样，技术的更新换代还要依赖于外方，永远受制于人。于是我国高新船舶动力技术的可持续发展也就会受到极大的限制。而且，目前国内船用主机制造企业和研究机构对气体燃料船用主机关键技术的研究力量还不足，对国外技术的依赖性仍过高。所以，要形成自主研发力量，产生自主知识产权的研究成果还有赖于管、产、学、研4个方面的共同努力，进一步加强四方的协作，尽快形成系统化、科学化、持续化的研究与开发体系，进行气体燃料船用主机等高新船舶动力技术的基础研究与应用技术开发。

3 气体燃料船用主机燃烧系统策略

船用主机的高强化度是要靠较高的增压度来实现。但是较高的增压度容易造成预混合气爆燃。尤其在大缸径船用主机上，由于火焰传播时间相对较长，爆燃的问题会更加突出和难以解决。因此，在气体燃料大型船用主机不能采用当量比燃烧，而应采用稀燃燃烧方式。在稀燃条件下，燃空混合气发生远端自燃的可能性降低，从而在根本上抑制了爆燃的倾向性，于是也就有条件在采用较高的增压比时仍保持主机较大的压缩比从而保持较高的热效率。另外，在稀燃条件下，NOX的生成量明显降低。图1显示了典型气体燃料船用主机的工作窗口。该图显示，当平均有效压力较高时，如果过量空气系数较小，比如在1.0～1.4范围内，发动机是很容易发生爆燃的。为了提高平均有效压力，将过量空气系数提高，避免进入爆燃区是发动机设计和运行的基本原则。

图1 典型气体燃料船用主机的工作窗口［11］

但是在大型船用主机上实现气体燃料的高效稀燃燃烧绝非易事。在传统的燃烧系统中，当燃空混合气较稀时，燃烧速率降低，又会造成热功转换效率降低的问题。而如果混合气过稀，就有可能发生火焰猝熄甚至部分工作循环不发火的严重问题，其直接后果是燃料消耗率上升，碳氢化合物（HC）排放急剧增加。所以提高稀燃条件下的气体燃料燃烧速率是当前气体燃料发动机研究的关键问题和热点问题。

国内外研究者通过提高点火系统的点火能量、燃空混合气改性、直喷柴油微引燃等方法为解决该问题付出了艰辛的努力。比如，以激光点火［12－13］方式提高点火能量点燃稀混合气，较大幅度扩展了稀燃极限和工作窗口，或采用混合气加氢的方式实现混合气改性，提高燃烧速率［14－15］。但这两种由于成本高昂，结构复杂，完全不适用于船用主机。以气缸内直喷柴油引燃气体燃料的燃烧方式也是一种实现高效稀燃燃烧的途径，但是其排放性能不如纯气体燃料船用主机；另外两种燃料供给系统同时存在于船机上，也增加了成本。

以上几种提高气体燃料稀燃燃烧速率的方法或者成本高昂、系统复杂，或者排放性能不佳。因此寻求低成本、简单高效的纯气体燃料稀燃点火能量增益方式是实现气体燃料大型船用主机高效清洁燃烧的关键。对于纯气体燃料大型船用主机而言，将整个燃烧系统在空间上予以适当分隔，形成主燃区和预燃区。主燃区采用稀混合气，预燃区采用稀混合气或加浓后的当量比混合气。这样由于预混合区内湍流度高，容易点燃；而且如果该区域内采用稍浓混合气，则更容易点燃。预混合区由于湍流度高，点燃后形成的湍流火焰速度高，能量大，就相当于提高了主燃区的点火能量，提高整体燃烧速率。采用这种“分区控制，能量增益，湍流激扰”的工作方式可以有效提高稀燃燃烧的火焰传播速率，拓展稀燃极限，提高气体燃料大型船用主机的热效率并保持其良好的排放性能。

“分区控制”方法的本质是预燃室。通常认为预燃室的存在会导致燃烧室的面容比增大，换热损失增加，从而造成发动机的经济性下降，尤其在柴油机甚为严重。但是在气体燃烧船用主机上预燃室所产生的激扰效应大大提高了发动机的稀燃燃烧速率，所以综合而言以“分区控制和湍流激扰”为目的和手段的预燃室在分区能量分配合理的前提下是有助于提高发动机效率，改善经济性的。

“分区控制”原理为世界著名大型气体燃料发动机制造商所高度重视。尽管各个公司都采用不同的方法进行分区控制，但以整体稀燃为控制对象来完成气体燃料的快速燃烧和低排放控制目标是完全一致的。控制方法按激扰源与主燃区的燃空情况分为单一燃空比和分区燃空比两类。单一燃空比即在所有控制区域采用同样的燃空比，而仅通过激扰源内部的较高湍流度来保证激扰源区内稀混合气的可靠点火［16］。分区控制燃空比则是在主燃区为稀混合气，而在激扰源区以辅助喷射燃料的方式形成较高的燃空比，从而实现更高的点火可靠性，并产生更快的燃烧速率和激扰能量，如文献［17］所采用的方法，图2是该方法的结构简图。

图2 单一燃空比控制的燃烧系统简图［20］

控制方法按激扰源的点火方式则可分为火花塞点火、电热塞助燃、柴油微引燃等方式。电热塞助燃的典型例子是曼公司的32／40PGI型单燃料大型气体发动机［10］，采用高压喷嘴向预燃室内喷射气体燃料，并在其中形成稍浓混合气，混合气由电热塞所引燃，其控制过程较大程度上依赖于高压喷嘴的喷射过程。图3为这种发动机的燃烧系统简图。

图3 德国曼公司的电热塞分区控制大型气体燃料发动机燃烧系统简图［10］

柴油微引燃方法是向预燃室内喷入少量柴油引燃混合气，如图4所示。

很明显，尽管单一燃空比控制方式具有系统简单，成本低的优点，但该方式激扰区内燃空比较低，稀燃范围小，激扰能量小，燃烧速率较低，节能效果不佳。所以从节能与环保的基本点出发，现代气体燃料船用主机应采用节能效果更佳的分区控制燃空比控制方式。而火花塞点火、电热塞助燃和柴油微引燃等点火方式则各有优势。火花塞点火可精确控制点火时间；电热塞助燃的点火时间则依赖于辅助燃料的喷射时间、喷射量、发动机运行工况、电热塞温度等多种因素，点火过程的控制更为复杂；柴油微引燃方式则需要独立的柴油喷射系统，处于预燃室内高温条件下的喷油嘴的工作可靠性是核心关键问题。

图4 日本川崎公司的柴油微引燃分区控制大型气体燃料发动机燃烧系统简图［18］

上述燃烧系统方法都存在两个尚待解决的问题：（1）分区燃空比控制采用两套燃料供给装置，系统结构和控制过程复杂，成本高昂。（2）激扰源区温度较高，使辅助燃料供给装置和火花塞的可靠性降低；另外在高负荷工况下，热表面温度过高容易导致早火等不正常燃烧，这就会严重限制发动机的可靠性和动力性能的提高。因此，解决这两个问题也成为进一步提高单燃料大型气体燃料发动机性能的关键所在。

解决上述问题有赖于新的燃烧系统设计及理论和方法的革新。首先从降低成本角度考虑，采用一套燃料供给系统是较为有利的。相应地采用一套燃料供给系统对喷射压力、喷射时间、喷射脉冲长度与次数安排、单次喷射量等参数的要求更加精确，喷射过程与气缸内空气运动的配合要求更加复杂。另外，为了降低激扰源区的温度和热负荷，整个燃烧系统的设计必须考虑激扰源区的降温。图5是新型燃烧系统的结构和工作原理简图。

新型的燃烧系统应能够以气缸内喷射结合激扰源区高脉动湍流以及气缸内主燃区的滚流运动完成高质量的“混合气浓度分布和湍流激扰”的分区控制。在保证稀混合气可靠点火的同时进一步强化了气缸内“湍流激扰”的效应，达到大型气体燃料船用主机稀燃混合气的稳定快速燃烧的目的。另外首次燃料主喷射也能够对激扰源区起到扫气降温的作用，从而避免受热部件温度过高所导致发动机可靠性降低的问题。图6所示新型燃烧系统内的“分区控制，湍流激扰”作用过程。

图5 气体燃料大型船用主机的新型燃烧系统结构示意图

图6 气体燃料大型船用主机的“分区控制、湍流激扰”方式控制稀燃过程

4 结束语

在我国开展绿色节能的气体燃料船用主机研究与开发是非常必要和紧迫的。“分区控制，湍流激扰”方式是实现大型气体燃料船用主机高效稀燃的有效技术手段。通过控制激扰源区内过量空气系数，并提高其湍流度来保证混合气可靠着火，并以激扰湍流火焰射流大大提高主燃室内稀混合气的燃烧速率是实现气体燃料船用主机高效清洁燃烧的有效途径。在采用激扰源区内进行燃料主喷射，同时在主燃室内采用适当的滚流与主喷射形成的燃料射流相配合形成主燃室内的稀预混合气。另外，激扰源区内所进行的燃料主喷过程也有助于实现高温区的扫气降温，提高发动机可靠性。

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