船用气体燃料发动机的发展与技术分析.pdf

第41卷第6期
船海工程
Yol. 41 No6
2012年12月
SHIP OCEAN ENGINEERING
Dec.2012
DOl:10.3963j.issm,1671-7953,2012.06.021
船用气体燃料发动机的发展与技术分析
孙化栋,曹海滨
(青岛远洋船员职业学院机电系,山东青岛266071
摘要:介绍气体发动机在船舶上的应用现状和主要机型以及当前船用气体发动机应用的稀薄燃烧技
术,燃气、空气混合技术,电子管理技术,认为采用稀燃和先进的电予控制等技术,无需排气净化,就能满足严
苛的排放法规
关键词:船用气体发动机;稀薄燃烧;预燃室;高胚直喷
中图分类号:U664.124
文献标志码:B
文章编号:1671-7953(2012)06-0068-03
殖着世界石油资源的日益短缺和船舶排放法富,价格便宜。所以,研究和开发高效的气体燃料
规的逐步严格,节能、环保、高效成为船舶内燃机发动机对船舶的节能减排具有重大的意义2
技术发展的主导方向。寻求低成本、高效率的清
洁代用燃料和船舶内燃机新技术成为世界主要船1船用气体燃料发动机发展概况
用动力研究机构和生产厂商的战略目标。气体燃
近年来,世界主要船用柴油机厂商对气体燃
料的使用以及燃气发动机的快速发展正好解决了料动力给予了高度重视,芬兰的瓦锡兰,徳国的
这一问题。与目前占主导地位的柴油机比较,船MANB&W,英国的罗尔斯-罗伊斯(简称罗-罗
舶使用气体燃料,几乎没有硫氧化物和颗粒的排等公司在气体发动机的研制与开发上都取得了很
放,可以减排85%~90%的氮氧化物和15%
大成绩。在研制出的机型上主要是以四冲程为
20%的二氧化碳。除此优点外,气体燃料资源丰主,其典型代表及参数见表1
表1船用气体发动机代表机型及其主要参数(四冲程)
厂商
机型
类型
着火方式
缸径冲程标定单缸功率转
平均有效压力
Irorn
y mmin
/Mpa
瓦锡兰
50DF双燃料柴油引燃
500×580
950/975
500/514
2.00
瓦锡兰
50SG单燃料火花塞点火
500x580145/1070
500/514
瓦锡兰
32GD双燃料柴油引燃
320×400
720/750
C26:33单燃料火花塞点火
260×33
240/270
90O/1000
MANB&W32/40PCI单燃料柴油直喷引燃320×400
430/450
720/750
2.20
MANB&W51/60DF双燃料柴油直喷引燃
510x60
975/1000
514
1.90
在二冲程机方而,早在1994年,MAN公司就
制造了第一台双紫料发动机2KONC-GI。其燃油2船用气体发动机的技术进展
和燃气喷射时都由机械系统控制完成,后来在此基
气体燃料发动机按其使用燃料的特点分为单
础上于2005年推出了ME-CI电控双燃料柴油机
气体燃料发动机、两用燃料发动机和双燃料发动
瓦锡兰在2011年9月也已经在其意大利里雅斯特机。两用燃料发动机是指既可单独使用液体燃料
的工厂成功测试了其新的低速燃气发动机RTXS。也可单独使用气体燃料的发动机;双燃料发动机是
指可以同时使用气体燃料与液体燃料的发动机。
收稿日期:2012-07-24
船用气体发动机主要是单燃料和双燃料发动机两
修回日期;2012-08-03
种,其中瓦锡兰SG、罗-罗发动机和MANB&WPCI
第一作者简介:孙化栋(1979-),男,硕士,讲师
发动机为单燃料气体发动机,用在气体燃料供应充
研究方向:轮机工程技术
足的情况下,否则就应该选择双燃料发动机
E-mail. sunda
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气体燃料发动机按其燃-空混合气的着火方
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万方数据
船用气体燃料发动机的发展与技术分析一孙化栋,曹海滨
式主要可分为点燃式和柴油引燃式两种。单燃料区域内都是同一性质,火焰的传播速度就较慢,燃
发动机一般是采用火花塞点燃,而双燃料发动机烧过程长,后燃严重,热负荷和排温较高,且随着
则是通过柴油引燃。
缸径的增加,这些问题越来越突出。所以,对于单
希薄燃烧技术的应用
燃料船用气体发动机,一般会将燃烧区域分割,形
船用发动机一般都有较高的增压度,以提高成预燃室和主燃室。在预燃室内采用稍浓的混合
发动机功率,但是较高的增压度容易造成预混合气,当预燃室内的混合气体被火花塞点燃后,高温
气爆燃,因为气体燃料的抗爆性能比柴油差。尤高压的燃气高速进入主燃室,为其提供较大的点
其在大缸径船用主机上,由于火焰传播时间相对火能量,并形成强烈的紊流,迅速点燃主燃室。
较长,爆燃的问题会更加突出和难以解决。因此,
表1中所列单一燃料气体发动机全部采用了
在大功率的气体燃料船用发动机上不能采用当量这种分区燃烧的方式。以瓦锡兰50SG气体发动
比燃烧,而应采用稀薄燃烧方式。稀薄燃烧就是机为例,如图2。少
供给过量的空气,增大混合气空燃比。燃气燃烧
释放的一部分热量用来加热多余的空气,这样可
转速
以使气缸内混合气体的燃烧温度降低,燃空混合
功率
空燃北:等
OP主供气管
气发生远端自燃的可能性也降低,抑制了爆燃的
预燃室
主进气阀
倾向性,也减少了氮氧化物排放,也就有条件在采
山预燃室
用较高的增压比时仍保持发动机较大的压缩比,
预燃室供气管
从而保持较高的热效率
图2瓦锡兰50SG发动机进气系统原理及预燃室组件
图1为典型船用气体发动机稀薄燃烧工作窗
口。当发动机负荷较小时,工作窗口较大,空燃比
当预燃室组件中混合气被引燃后,高温高压
在很大的范围内变化都不会发生爆震和不发火现的燃气经喷孔,以高温火焰射流的形式高速喷人
象。发动机高负荷工作时,窗口较小,空燃比选择主燃室,达到高效燃烧的目的。预燃室的大小、形
小,容易产生爆震,例如平均有效压力为2.OMPa左状设计要合理,既要能保证高效燃烧,又要尽可能
右时,空燃比要在2.0以上才能避免爆震发生。但
减少氮氧化物排放,还要有利于燃气、空气的混合
是空燃比过大、混合气过稀会造成燃烧速率降低,
等。MANB&W32/40PCI发动机则采用高压喷
可能导致火焰猝熄甚至不发火的严重现象。所以嘴向预燃室喷射气体燃料,然后由电热塞引燃。
如何提高稀燃条件下气体燃料的燃烧速率,实现高
以樂油引燃气体燃料的方式也是一种实现高
效的稀燃燃烧是大型气体发动机研究的关键。在效稀燃燃烧的途径。就是在发动机将混合气压至
船用气体发动机方面,解决上述问题的方法主要有
上止点附近时,将微量先导柴油喷入气缸,压缩燃
预燃室点火和燃油引燃点火。
烧,为燃气燃烧提供点火能量。瓦锡兰和MAN
B&W的双燃料发动机都是通过这种方式来引燃
气体燃料的。图3为瓦锡兰DF机,缸盖中间部
工作窗不发火
暴震
位为喷油器,大孔用于燃油模