第３９卷（２０１７）第４期 柴油机 Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ ｉ机型与综述Ｃ■，ｌ】…， ｌ， ●，＿ｏ・ ｉ ，…】 …】Ｈ＇● 船用天然气发动机技术发展综述 赵国锋，姚崇，孙军 （哈尔滨工程大学，黑龙江哈尔滨１５０００１） 摘要：综述了国内外主要发动机公司的柴油／天然气双燃料发动机和纯天然气气体燃料发动机 的发展概况和主要技术特点，以及各公司应对ＩＭＯ Ｔｉｅｒ １Ｉ和ＥＰＡ ＴｉｅｒⅣ排放法规的主要技术策 略；综合分析了天然气发动机面临的主要技术问题和研究方向以及未来的发展趋势。 关键词：天然气发动机；技术特点；发展趋势 中图分类号：ＴＫ４３１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—４３５７（２０１７）０４—０００１—０６ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｍａｒｉｎｅ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ Ｅｎｇｉｎｅｓ Ｚｈａｏ Ｇｕｏｆｅｎｇ，Ｙａｏ Ｃｈｏｎｇ，Ｓｕｎ Ｊｕｎ Ｏ Ｏ Ｏ ∞ 盯 （Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｈａｒｂｉｎ １５０００１） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉｅｓｅｌ／ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ ｄｕａｌ ｆｕｅｌ ｅｎｇｉｎｅｓ ａｎｄ ｐｕｒｅ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ ｅｎｇｉｎｅｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｍａｉｎ ｅｎｇｉｎｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｓ ｂｏｔｈ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ａｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ， ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅｉｒ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅ ＩＭＯ Ｔｉｅｒ ＨＩ ａｎｄ ＥＰＡ Ｔｉｅｒ ＩＶ ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ．Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ ｅｎｇｉｎｅｓ ｉｓ ｐｒｅｓ— ｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ ｅｎｇｉｎｅ；ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄ ０ 引 言 目前，世界范围内对船舶发动机的排放提出了 路、缸内过程、零部件优化设计以及控制技术等角 度总结分析天然气发动机最新技术进展。 １ＭＯＴｉｅｒＩＩ［ 日益严格的法规要求，具体见图１。美国环保署 （ＥＰＡ）规定：发电机组氮氧化物（ＮＯ ）排放限 值为０．６７（ｇ・（ｋＷ・ｈ） ）；最严格的欧Ｖ法规 的内河船舶ＮＯ 排放限值为０．４（ｇ・（ｋＷ・ｈ） ）； ＩＭＯ对于中高速发动机ＮＯ 排放的限值为 ２．５（ｇ・（ｋＷ・ｈ）。）以下。总之，新的排放法规 ， 中高速发动机 ＮＯ 排放＜２．５（ｇ・（ｋＷ．ｈ） ： ＥＰＡＴｉｒｅＩＶ ≥ 一ＥＰＡ Ｔｉｒｅ ＩＶ船用发动机 ＥＰＡ Ｔｉｒｅ ＩＶ发电机组 ＞５６０ ｋｗ非道路发动机 ６０ —１ ＃ 要求ＮＯ 排放下降４５％～９０％，ＰＭ排放下降 ８０％～８８％。２０１３年第２７届ＣＩＭＡＣ会议上，天 ｌＰＡ ＴｉｒｅＩｖ机 欧ｖ机车 ３ ４ ］１． ０欧Ｖ １ ２ 然气发动机作为船舶动力应对严苛的排放法规的一 项主要技术手段已初见端倪。经过三年的技术发 展，各大公司纷纷推出燃气发动机产品…＿【 Ｊ。表 １总结了世界范围内各发动机厂商的燃气发动机的 主要技术参数和技术特点。本文还将从发动机气 收稿日期：２０１６．１２－０１ 内陆水路 ＮＯＪ（ｇ・（ｋＷ・ｈ 图１ 世界主要排放法规对ＮＯ 和ＰＭ的值 作者简介：赵国锋（１９８９一），男，博士研究生，主要研究方向为动力装置电控技术、天然气发动机控制技术，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｇｕｏｆｆ＠１６３．ｅｏｍ。 ・ ２ ・ 柴油机 第３９卷第４期 表１ 世界主要发动机厂商制造的天然气发动机概览 公司 发动机型号 功率范围／ ｋＷ 额定转速／ （ｒ－ｍｉｎ一１） 主要技术手段 排放 备注 日本大 发公司 ６ＤＥ２８ＤＦ ｌ ７３０ ７２０／７５０ 米勒循环 高压比涡轮增压 可变配气定时 主喷油嘴水冷 进气中冷（维持恒定的进气温度以减少爆震和失火） 微喷引燃 ＴＭ０ ＴｉｅｒⅢ ＢＭＥＰ ２ Ｏ ＭＰａ 日本 洋马 ＥＹ２６ＤＦ ＥＹ２６Ｌ ｌ ５３０ ７２０ 预燃室优化设计（以减小ＮＯ ） 与柴油机相比： 空燃比前馈预测控制 ＮＯ 减少７９％ 燃料热值估计以修正空燃比控制（通过燃料喷射量和曲轴输出功） Ｓ０ 减少９９％ ＢＭＥＰ ２ Ｏ ＭＰａ 进气旁通技术改善双燃料发动机的加速性 适用于直驱货船 单级涡轮增压和两级增压并行 闭式曲轴通风（以减少ＮＯ 排放） １ ０００～２ ０００ ６００—８００ 低温进气中冷回路 基于ＭＡＰ的进气旁通和废气旁通控制 分缸控制（基于缸压传感器反馈） 怠速到满负荷加速时间１０ ｓ ＣＯ２减少２５％ ＭｎＪ４０００ ＪＭＯ ＴｉｅｒⅢ ＭＴＵ 系列气体机 ＥＰＡ ４ 日本三 ＫＵ３０ＣＳＩ ３ ６５０～菱重工 ＫＵ３０ＧＳＩ—Ｐ１ｕｓ ５ ７５０ ７２０／７５Ｏ 米勒循环 高压比涡轮增压（压比为５，高效率） 降低缸盖和气阀附近的裂缝以及缸套和活塞之间的裂缝，ＨＣ排放 降低了６０％ ＮＯ ＜３００×１０—６ 优化火花塞周围冷却火花塞寿命４０００ ｈ，并有希望将火花塞寿命 ，发电效率达到 ４９ ５％ 提高至８ ０００ ｈ 优化活塞、活塞环以及缸套．降低润滑油消耗 基于缸压的控制 柔性冷却系统设计 降低活塞头高度以降低活塞和缸套之间的裂缝容积，使得未燃ＨＣ 排放降低了５０％ 分缸平衡控制扩展爆震边界，深度发掘发动机的潜力，增加工况 范围，使得发动机效率提升了５％ 优化预燃室 米勒循环 两级增压 美国卡 特比勒 （ ＯＣＭ３４ 气体机 １０【ｘ）０ ７２０／７５Ｏ ｌｒＡ—ｈｍ２ ＢＭＥＰ ２ １８ ＭＰａ 发电效率４８ ９％ ＭＡＮ 公司 ３５４４ ５ｌ—６ｏ ５ｏ０—２１ ６（ｘ】 ７２Ｏ／７５０ ＩＭＯ Ｔｉｅｒ Ｄ１ 效率大于５Ｏ％ 中速双燃料 Ｘ６２ＤＦ 预燃室点燃 球面液力喷气阀 预燃室内微喷引燃（使用的是小足寸共轨系统） ＷｉｎＧＤ 低压双燃料 低速机 Ｘ７２ＤＦ ＢＭＥＰ１ ７３ ＭＰａ １９３ ５００ ８９ 废气旁通 爆震和失火监测控制 低负荷下双燃料模式运行 废气旁通 微喷引燃，引燃量１％ 气体模式进行发动机启动（减缸启动法） 节气门和废气旁通阀实现空燃比控制 可变气阀米勒循环 气缸旁通技术 ４００（ｒ・ｍｌｎ一１）低速运行．直驱变距浆 基于缸压反馈的点火正时控制 基于发动机状态的点火正时控制 ＶＡＴ和ＪＥＴ Ａｓｓｉｔ用以帮助瞬态工况增压器加速 ＩＭＯ ＴｉｅｒⅢ 原柴油机为２ １ ＭＰａ 美国卡 特彼勒 Ｍ４６ＤＦ ９６５／ｃｙｃｌ ５００ ＢＭＥＰ ２ ２８ ＭＴ）ａ 日本川 崎重丁二 Ｌ３ＯＫＧ气体机 ３ ６７０—４ ０ｏ５ ７５Ｏ ＩＭＯ ＴｉｅｒⅢ 发电效率 达到４９ ５％ 井 集团 ＭＤ３６Ｇ 稀薄燃烧 气体机 ３ ０００～７ ０００ ６００ 优化燃烧室没计，采用新的预混合燃烧方式 减少恬塞环数量以减小摩擦 涡轮机液力系统（回收多余的能量） 引燃喷射分段提高热效率２．３％ 直列发电效率４７ ８％ Ｖ型机发电效率４８．８％ 增加涡轮液力系统 发电效率可以达到５１ ７％ 瓦锡兰 Ｗ２０ＤＦＢ １６０／１８５／ｃｙｃｌ 公司 瓦锡兰 公司 Ｗ３４ＤＦ ４８０／ｃｖｃｌ ３ ０００一ｔ０ ０００ １ ０００／１ ２００ 高增压比和空燃比控制，燃烧室优化设计具有良好的负荷特性， 可用于电站 排气阀座圈水冷 气阀旋转 单脉冲排气系统、单涡轮增压 改善新一代空气燃气混合，优化燃烧稳定性 缸压监测，爆震检测，传感器失效指示 燃气模式下低负荷热效率底 新一代ＵＮＩＣ控制系统 两级增压压比７ ０（ＮＯ 减小４０％），增压器效率提升１０％ ７ ２ｆ】／７５０ 瓦锡兰 公司 Ｗ４６ＤＦ １ １４５／ｃｙｃｌ ６ ８７０１８ ３２０ ～６ｏ０ 瓦锡兰 Ｗ３１ＤＦ ５３０／５５０／ｃｖｃｌ 公司 ４ ２０ｏ—ｌ６ ０００ ７２０／７５Ｏ 模块化设计 液压阀 ＩＭＯ ＴｉｅｒⅢ 新泄 韩国现 日本 ２８．ＡＨＸＤＦ １ ９２０～２ ８８０ ８【ｘ】 良好的空燃比控制和微引燃喷油点火，可以实现良好的负荷特性 加载时间为１５ ｓ ＩＭ０ ＴｉｅｒⅢ ＩＭＯ ＴｉＢＭＥＰ ２ ０ ＭＰａ 代重工 韩国现 代重工 ＨＩＭＳＥＮ Ｈ３５ （２０１２年推出） ４８０／５００／ｃｖｃｌ ７２０／７５０ 基于缸压的分缸平衡 废气旁通阀控制空燃比 两级增压（高压比）加米勒循环 最高燃烧压力高 ＤⅥ（Ｄｕａｌ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）有效降低起动和低负载情况下的ＰＭ排放 ｅｒⅢ ＢＭＥＰ ２ ０８ ＭＰａ Ｈ５４ＤＦ ８ ８２０—２６ ４６０ ６Ｏ０ ｌＭＯ ｅｒⅢ ＢＭＥＰ ２ １４ＭＰａ ２０１７年７月 赵国锋等：船用天然气发动机技术发展综述 １ 双燃料发动机工作方式概述 气体燃料作为发动机的燃料主要有三种工作方 然气发动机模式，如瓦锡兰的３１ＤＦ、现代公司的 ３５ＤＦ。低压双燃料和高压双燃料发动机工作原理 见图２。第三种气体应用方式是气体燃料在压缩上 止点喷人气缸，实现和柴油机类似的扩散燃烧。这 式。第一种是纯气体燃料发动机，高速气体机使用 火花塞点火，如ＭＴＵ４０００发动机；中低速机为了 实现稳定的点火，一般采用预燃室的方式，如三菱 公司的ＫＵ３０ＧＳＩ、卡特彼勒公司的Ｇ２０ＣＭ３４。第 二种是低压双燃料发动机，该种方式气体燃料在进 气冲程喷入气缸，在压缩上止点喷入少量柴油引燃 天然气。微引燃低压双燃料是现在应用比较多的天 低 压 双 种应用方式虽然能避免爆震和失火等异常燃烧现象 的发生，但是ＮＯ 排放与柴油机相当¨ ，并且须 要对发动机本体进行大幅度重新设计。这种天然气 发动机目前市场上还没有成熟的产品。天然气发动 机相比于柴油机的排放性能对比见图３。 柴 甑 Ｉ ．燃 料 高 压 双 燃 ｌ空气时— ｎ ｌ ＿＿废气 纯 ｌ厂—］ Ｉ油 Ｉ模 式 低 柴 油 Ｊ ｑ Ｊ＼ 模 式 ｑ ｌ。 ＼ 燃料模压双式 昔一 高压双燃料模式 莆就 图２低压双燃料和高压双燃料发动机工作示意图 －■园口重柴油 轻柴油 双燃料气体模式 气体燃料火花塞点燃 之间的操作串口越窄，这须要快速准确的空燃比控 制。空燃比控制涉及增压器、进气中冷系统、进气 节气门以及燃气喷射等多个子系统，全工况范围实 现准确的空燃比控制具有极大的挑战。 （３）功率密度提升。由于失火和正常燃烧的 ，由柴油机改造而成的双燃料发动机功率密度 都会有一定程度的下降，实现和柴油机相同的功率 密度是双燃料设计的一个主要目标。 ｃｏ２ ＮＯｘ ＳＯ ＰＭ （４）未燃ＨＣ排放。未燃ＨＣ的温室效应是 ＣＯ，的十倍，必须严格未燃ＨＣ，一方面要避 图３柴油机和天然气燃料发动机排放数据对比 免失火，更为主要的是减少缸盖裂隙，通过优化活 ２ 天然气发动机主要技术研究方向 目前，天然气发动机的主要技术研究方向有以 下几点。 塞头设计以减小裂隙效应，优化预燃室设计，从根 本上解决ＨＣ排放 …。 （５）ＮＯ 排放。燃用气体燃料时，如果引燃 油量是满负荷时的燃油量的１．５％～１０％，ＮＯ 的 排放能够控制在６．５（ｇ・（ｋＷ・ｈ） ）；如果想进 一（１）带负荷特性与加速性。燃料预混合的工 作方式属于Ｏｔｔｏ循环，Ｏｔｔｏ循环本身的带负荷特性 步降低ＮＯ 的排放须进一步降低引燃油量；而 劣于Ｄｉｅｓｅｌ循环，同时涡轮滞后现象会使得发动机 加速过程中空燃比过小而导致出现爆震，双燃 料发动机的应用。 如果欲将ＮＯ 排放降低到１（ｇ・（ｋＷ－ｈ） ）， 则须增强微量燃油喷射的贯穿距与喷射模式 。 ２．１气路控制改善 （２）空燃比控制。天然气发动机易于出现爆 天然气发动机的空燃比控制效果直接决定了发 动机的性能，急降速失火和急加速爆震等异常燃烧 震和失火等现象，并且功率密度越高，爆震和失火 柴油机 第３９卷第４期 现象已成为气体燃料发动机发展的瓶颈。空燃比的 控制涉及新鲜空气量的控制和燃气喷射量的控制， 单就新鲜空气充量的控制就涉及节气门控制、增压 旁通技术是将增压之后的一部分空气重新引回压气 机入ＬＩ，以提高加速时的供气量响应速度。日本洋 马公司采用这种技术使得气体燃料模式实现了和柴 油模式相同的加速性，ＥＹ２６ＬＷ机从怠速到满载只 压力控制以及米勒循环匹配等多个环节，快速准确 的空燃比控制已成为一大技术难点。从结构上看， 新型天然气发动机采用的技术有米勒循环、ＥＧＲ、 需要１５ Ｓ［１４１。为了改善气体燃料发动机的加速性， 日本三井公司设计了涡轮液力系统，该系统在高负 荷时通过变量泵回收部分增压器的能量用于曲轴输 出功，高负荷效率提升了３．４％；而在瞬态工况时 两级增压、废气旁通、进气旁通、气缸旁通、涡轮 液力系统、先进的进气中冷等。天然气发动机典型 气路系统示意图见图４。 水 圆 纯趣 基 ◆ 废气势近阀 天然＆供给 ＩＬ ＿ＪＩ 图４燃气发动机典型气路系统组成图 米勒循环即进气门早关技术，是一种能够兼顾 油耗和ＮＯ 排放的排放控制技术。其通过在下止 点之前关闭进气门从而降低缸内充量温度，提高压 缩比，拓展爆震边界，提高发动机效率。三菱公司 的研究表明：米勒循环还可以降低以峰值压力为表 征的循环变动系数。进气门早关２０。，ＫＵ３０ＧＳＩ气 体机的循环变动系数下降５０％… 。但是，米勒循 环会导致缸内进气量减少，为了维持合适的空燃 比，不得不增加进气压力。现有的单级涡轮增压技 术增压比一般为５～６，这会将进气门在进气 下止点前３０。。为了进一步挖掘双燃料发动机的性 能，带中冷的两级涡轮增压技术被广泛采用。瓦锡 兰的３１ＤＦ采用两级涡轮增压技术，增压比达到７， ＮＯ 排放进一步下降了４０％，同时涡轮增压器效 率提高１０％，见图５。按照涡轮增压器效率和发动 机效率１０：１的经验，采用两级涡轮增压技术可使 发动机效率提升１％【Ｊ３］。目前采用两级涡轮增压 技术基本上已经成为天然气发动机的标配。ＭＡＮ 公司在两级增压匹配方面提出了系统的解决方案。 卡特彼勒的ＦｌｅｘＣａｍ可变气阀技术可实现强米勒循 环 。 良好的推进特性须要发动机有宽广的功率范 围，但是发动机的功率范围受压气机喘振和涡轮前 排气温度的。废气旁通技术是在高工况时通过 调节废气旁通阀，使得一部分废气不流向涡轮，进 而达到调节增压压力，控制空燃比的目的。压气机 采集曲轴功作用到增压器上以改善发动机带负荷特 性，使得怠速到满载的加速时间缩短了５０％ 。 卡特彼勒公司使用气缸旁通技术将增压后的空气直 接引入排气管，以优化涡轮效率，增加空气压力， 拓展压气机喘振边界Ｈ 。 涡 轮 效 塞 压气机效率 图５ 单级涡轮增压和两级涡轮增压压气机效率 和涡轮效率对比 ２．２缸内优化 燃气发动机缸内过程优化的主要目标是控制非 正常燃烧，降低ＮＯ 和ＨＣ。缸内稳定燃烧的先决 条件是稳定的点火，同时优化预燃室与活塞头凹坑 的匹配，达到提高燃烧效率，减小爆震倾向，提高 燃烧稳定性的目的。ＷｉｎＧＤ通过优化预燃室和预 燃室喷嘴降低缸内过程对引燃油喷射压力和喷射持 续期的敏感性 。三井公司研制的ＭＤ３６Ｇ发动机 将引燃柴油分两段喷人气缸，第一段引燃油在压缩 冲程开始之前喷人，而第二段则在压缩上止点附近 喷人。采用分段喷射可以加快气缸外围区域的火焰 传播速度，燃烧效率提高了２．３％，同时由于降低 了失火现象发生的几率，ＩＭＥＰ循环变动系数下降 ２５％Ｌ ｓ Ｊ。裂隙附近剧烈的传热使得混合气易出现 失火现象，造成未燃ＨＣ增加。卡特彼勒公司通过 降低火力岸高度将发动机裂隙容积减小了６５％， ＨＣ排放下降了５０％；同时还通过优化气缸盖设 计，使在供气压力变化范围较大情况下，均能形成 良好的混合气分布，这就允许使用较低的供气压 力，有利于提高供气系统的安全性 。三菱公司 赵同锋等：船用天然气发动饥技术发爬综述 通过优化气缸盖和气阀附近的裂隙设计，使在ＨＣ 排放减少了３０％，进一步通过减小火力岸和缸套 ＭＴＵ４０００发动机基丁缸压传感 的测 数据实时 控制 一６ｉＩ＝的气体混合和点火， 全Ｔ况范ｆ｝；１内提 高燃烧效率、降低排放；同时使用基ｆ ＭＡ１）的涡 轮增压控制技术实现废气旁通Ｉ｝５ｉｌ干¨压气机旁通阀各 之间的裂隙，使ＨＣ排放再下降了３０％… 、 ２．３部件优化 双燃料发动机的主要挑战之一来自引燃喷油 个Ｔ况点的配合 卡特彼勒公词在Ｇ２０ＣＭ３４发 器。喷油器面临过热、喷油嘴堵塞以及维持稳定的 动机上应川了分缸平衡技术 分缸平衡技术 身并 不能提高发动机性能，但是由＿ｒ ｒｆＩ－缸平衡技术能够 拓展气体机爆震边 ，增大点火提前角币Ｉ１ 缩比， 进而可以提高发动机的功率密度，避免恶劣环境下 小喷油量等挑战 ，比较普遍的解决方案是主喷油器 和引燃喷油器，优点是便于维护和安装，但同 时会加大原本空问就不宽裕的缸盖的没汁难度。韩 国现代公司ＨｉＭＥＮ中速双燃料发动机、ｊ升 ＭＤ３６Ｇ、卡特彼勒、ＷｉｎＧＤ的Ｉ｛ ＦＦｌｅｘ５０ＤＦ、ＭＡＮ 的功率＿Ｆ降。Ｌ大Ｉ此分缸平衡和尚级发动机控制技术 对于深度挖掘燃气发动机的潜力址十分必受的 ．卡 公司的双燃料发动机郝采用这种没计方案 另一种 方案是使州主喷油ｌ卡【Ｉ引燃喷油集成的双针阀喷油 器，如瓦锡兰使用的圾针阀唢油器，见罔６ 、大针 阀采用液力机械控制模式，用于柴油模式；小针阀 采用电子控制，用于舣燃料模式 小针阀可以 特彼勒的 型机验 表明：使Ｊ｛Ｊ分缸平衡技术可以 拓展发动机工况范 ，特别是ＩＩ『以增大点火提前 角，拓展爆震边界，发动机效率捉Ｊｔ‘５％，ＮＯ 下 降１０％ … 卡特彼勒在双燃料发动机上戊川减缸 起动法， 起动时一部分气 喷人空燃比合适的燃 气并使用柴油引燃，其余气缸只喷入引燃柴油，以 降低起动时的ＰＭ排放；同时这一技术也町川于双 燃料发动机低负简下的高效低排放燃气模式运 行 卒燃比控制方而，洋 ５公司的ＥＹ２６１ Ｗ机 运行，优化喷油正时和喷油持续期，引燃油垣町控 制为满负荷时的ｌ％，大幅度降低了ＮＯ 排放 。 日本大发公司设计ｒ主喷油嘴水冷，以提高微引燃 发动机引燃设备的寿命 、 采用皋丁预测控制的方法预测债载波动，以改善空 燃比控制¨ ；瓦锡－－：Ｗ３ｌＤＦ他川前馈控制优化瞬 态丁况的 燃比控制 ”；洋屿公司使用发动机轴 输 功和燃料喷射 数据来估汁燃料的ｑｊ烷值，进 而修正喷射持续期，优化 燃比控制 １４１；川崎重 ［Ｌ３０ＫＧ气体燃料发动机使用鳗于缸 信 经快 速傅里叶变换得到的爆震强度来控制点火ｊＥｌｔ，Ｉ－，但 是这种控制方式无法实现点火 时的快速改变。。 存控制系统结构设计力‘面，各公 订郜采 模块化的 控制系统，分为喷射控制模块、 控模块以及安保 图６瓦锡兰双针阀喷油器 模块等， 见图７ 点 火线 进气巾冷器优化没计的ｆ１的足提供稳定的进气 温度，以避免恶劣一ｒ况下的异常燃烧．．如『１本大发 公司和卡特彼勒公司郁针对天然气发动机巾冷器进 行了优化没计；Ｍ ＦＵ更是没汁ｒ于高温循环 外的低温冷却循环，这样无论发动机处＿『什么１二况 都能提供有效的进气充量冷却，改善发动机的瞬态 响应特性和低负载时的带负载能力 ？；瓦锡兰 Ｗ３４ＤＦ使 气门座 水冷和气ｆＪ旋转技术，降低 气门的热负荷和磨损 ；Ｍ ｒ Ｌ＿４０００气体机采用闭 式曲轴箱通风以降低ｔｔＣ排放 、 ２．４控制技术 图７ 典型天然气发动机控制系统组成 天然气发动机的控制技术主要罔绕空燃比、爆 ３低速双燃料发动机 低速舣燃料发动机燃气管理的『１标：燃气混合 均匀，＋：ｌｔｌ现过浓Ｉｘ 域，许『］．尽ｆ蠢 现分 的燃气 震、燃料供给等核心控制内容腮肝，目标是实现发 动机良好的瞬态性能、快速的燃料模式切换 ・ ６ ・ 柴油机 第３９卷第４期 分布。研发的目标：提高燃料利用率；提高功率密 度；燃料共享模式，即ＬＮＧ船可以使用气体燃料 和液体燃料，免去天然气液化的麻烦。低速双燃料 发动机的ＢＭＥＰ由柴油机的２．１ ＭＰａ下降到１．７３ ＭＰａ。迄今ＷｉｎＧＤ低速双燃料发动机已经有３５台 的订单，其燃气供给系统使用球面液力喷气阀，在 压缩开始前在缸套上喷射，喷射压力为１～１．２ ＭＰａ。为了实现良好的ＨＣ排放控制，一方面通过 调节喷气正时和扫气过程，使得甲烷在到达上止点 之前排气阀关闭；另一方面由于ＨＣ排放的主要原 因是火焰淬熄和活塞火力岸死体积，因此应尽量减 少火焰碎粒。二冲程发动机的ＨＣ排放要比四冲程 发动机低得多，因为可燃物在缸内有更长的滞留氧 化时间，且二冲程燃烧室容积面积比更大，使火焰 淬熄减少。试验表明：最高燃烧压力循环变动系数 由柴油模式下的１％增大到双燃料模式下的４．５％。 瓦锡兰低速双燃料发动机能够在５％负荷下以双燃 料模式运行 。 ４ 结 论 能源危机和排放法规的双重压力下使得各大发 动机公司纷纷将目光投向天然气发动机，气体燃料 发动机和双燃料发动机纷纷亮相。米勒循环配合两 级增压技术成为天然气发动机的标配；以减少裂隙 容积为目的的缸内部件优化是降低燃气发动机ＨＣ 排放的重要方法；快速准确的空燃比控制技术是拓 展燃气发动机应用领域的关键技术环节；高效、低 排放、高性能的双燃料发动机须要从进气、燃料供 给、缸内过程、控制系统等多角度进行优化设计。 参考文献 ＹＯＯＮ Ｗ，ＳＥＯ Ｊ，ＬＥＥ Ｙ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＨｉＭＳ— ＥＮ ｄｕａｌ ｆｕｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｌｉｎｅ—ｕｐ［Ｃ］．ＣＩＭＡＣ ２０１６，２０１． ［２］ ＤＩＬＬＥＮ Ｅ，ＹＥＲＡＣＥ Ｄ，ＴＲＡＳＫ Ｌ，ｅｔ ａ１．ＧＥ ｔｒａｎｓｐｏｒ— ｔａｔｉｏｎ ｄｕａｌ ｆｕｅｌ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ［Ｃ］．ＣＩＭＡＣ ２０１６，２１４． ［３］ ＡＡＬＴＯＮＥＮ Ｐ，ＪＡＲＶＩ Ａ，ＶＡＡＨＴＥＲＡ Ｐ，ｅｔ ａ１．Ｎｅｗ ＤＦ ｅｎｇｉｎｅ ｐｏｒｔｆｏｌｉｏ（Ｗａｔｒｓｉｌａ ４－ｓｔｒｏｋｅ）［Ｃ］．ＣＩＭＡＣ ２０１６，２５１． ［４］ＪＡＹ Ｄ，ＪＡＲＶＩ Ａ，ＤＥＬＮＥＲＩ Ｄ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＣＲ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｓｔ ｄｅｃａｄｅ—－４ ｓｔｒｏｋｅ Ｗａｒｔｓｉｌａ ｅｎ— ｇｉｎｅｓ［Ｃ］．ＣＩＭＡＣ ２０１６，２３２． ［５］ＭＡＹＵＺＵＭＩ Ｋ，ＫＯＮＤＯ Ｍ，ＯＫＡ Ｔ，ｅｔ ａ１．Ｌａｔｅｓｔ ｄｅ— ｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｇａｓ ｅｎｇｉｎｅ（ＭＤ３６Ｇ）［Ｃ］．ＣＩＭＡＣ ２０１６，８６． ［６］ＮＯＮＡＫＡ Ｙ，ＩＳＨＩＩ Ｈ，ＦＵＪＩＨＡＲＡ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｖｅｌｏｐ— ｍｅｎｔ ｏｆ Ｋａｗａｓａｋｉ ｇｒｅｅｎ ｇａｓ ｅｎｇｉｎｅ ｆｏｒ ｍａｒｉｎｅ Ｌ３０ＫＧ ｓｅ— ｒｉｅｓ Ｉ Ｃ Ｉ．ＣＩＭＡＣ ２０１６，１５９． ［７］ＢＡＮＣＫ Ａ，Ｓ１ＸＥＬ Ｅ，ＲＩＣＫＥＲＴ Ｃ．Ｄｕａｌ ｆｕｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｆｏｒ ｍａｒｉｎｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］．ＣＩＭＡＣ ２０１６， ４７． ［８］ＯＴＴ Ｍ，ＮＹＬＵＮＤ Ｉ，ＡＩ ＤＥＲ Ｒ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ ２－ｓｔｒｏｋｅ ｌｏｗ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｕａｌ—ｆｕｅｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：ｆｒｏｍ ｃｏｎｃｅｐｔ ｔＯ ｒｅａｌｉｔｙ ［Ｃ］．ＣＩＭＡＣ ２０１６，２３３． ［９］ＡＵＥＲ Ｍ，ＢＡＵＥＲ Ｍ，ＫＮＡＦＬ Ａ，ｅｔ ａ１．ＭＡＮ Ｄｉｅｓｅｌ＆ Ｔｕｒｂｏ ＳＥ’Ｓ ｍｅｄｉｕｍ ｓｐｅｅｄ ｇａｓ ｅｎｇｉｎｅ ｐｏｒｔｏｆｌｉｏ－－ａ ｍｏｄｕ— ｌａｒ ｍａｔｒｉｘ ｄｅｓｉｇｎ［Ｃ］．ＣＩＭＡＣ ２０１６，１６３． ［１Ｏ］ＷＯＬＦＧＲＡＭＭ Ｍ，ＲＩＣＫＥＲＴ Ｃ，ＨＥＲＯＬＤ Ｈ，ｅｔ ａ１． Ｇ２０ＣＭ３４一Ａ ｈｉｇｈｌｙ ｆｌｅｘｉｂｌｅ １０ ＭＷ ｇａｓ ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ［Ｃ］．ＣＩＭＡＣ ２０１６，２７． ［１１］ＹＯＳＨＩＺＵＭＩ Ｈ，ＥＳＡＫＩ Ｍ，ＳＵＺＵＫＩ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ｉｍｐｒｏｖｅ— ｍｅｎｔ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｏｆ ｃｏｏｌｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｉｎ Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ ＫＵ３０ＧＳＩ ｇａｓ ｅｎｇｉｎｅ ｆｏｒ ｂｅｔ— ｔｅｒ ｈｅａｔ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ［Ｃ］．ＣＩＭＡＣ ２０１６，１８９． ［１２］ＳＡＮＤＥＲ Ｕ，ＭＥＮＺＥＬ Ｓ，ＦＲＩＥＤＬ Ｐ，ｅｔ ａ１．ＭＴＵ ｓｅ— ｒｉｅｓ ４０００ ｆｏｒ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｈｉｐｓ－－ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｇａｓ ｅｎｇｉｎｅｓ ｉｎ ｍｏｂｉｌｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］．ｃＩ— ＭＡＣ ２０１６，５３． ［１３］ＭＵＲＡＫＭＩ Ｓ，ＫＡＭＭＥＲＤＩＥＮＥＲ Ｉ，ＳＴＲＡＳＳＥＲ Ｒ，ｅｔ ａ１．Ｈｏｌｉｓｔｉｃ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｄｅｖｅｌ— ｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｇａｓ ａｎｄ ｄｕａｌ ｆｕｅｌ ｅｎｇｉｎｅｓ［Ｃ］．ｃＩ— ＭＡＣ ２０１６，２７３． ［１４］ＩＳＳＥＩ Ｏ，ＮＩＳＨＩＤＡ Ｋ，ＨＩＲＯＳＥ Ｋ．Ｎｅｗ ｍａｒｉｎｅ ｇａｓ ｅｎ— ｇｉｎｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ ＹＡＮＭＡＲ［Ｃ］．ＣＩＭＡＣ ２０１６，４９． ［１５］ＫＡＷＡＳＥ Ｋ，ＯＫＡＤＡ Ａ，ＹＡＭＡＤＡ Ｔ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ＤＡＩＨＡＴＳＵ ２ＭＷ ｃｌａｓｓ ｄｕａｌ—ｆｕｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｆｏｒ ｍａ— ｒｉｎｅ ｕｓｅ［Ｃ］．ＣＩＭＡＣ ２０１６，７７． ［１６］ＳＥＮＧＨＡＡＳ Ｇ，ＷＩＬＬＭＡＮＮ Ｍ，ＫＯＣＨ Ｈ Ｊ．Ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄ Ｉ一’Ｏｒａｎｇｅ ｆｕｅｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｄｕａｌ ｔｈｅｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ［Ｃ］．ＣＩＭＡＣ ２０１６，３９．
