甲醇燃料舷外机涡轮增压闭环系统工程研究

李钢　黄鼎来　王兵　巨梅　王军　周亚新　傅晓光　张铁铸　郑俊杰　胡彦林

摘要：舷外机不可逆的结构性水下排放污物和噪声已成为加速水质恶化的因素。为创建能确认和解决舷外机排放净化和动力衰减的治理思维和治理手段，开展“甲醇燃料舷外机涡轮增压闭环系统高效净化催化系统”技术研究和工程改造。从项目“台架试验报告”、“水上实船试验报告”、“用户使用报告”汇总结果可知，使用“洁醇牌”M100甲醇燃料试验结果和示范效应明显可靠，开拓了解决船舶舷外机对水体污染和挖掘舷外机后备功率的有效途径。

关键词：甲醇燃料;舷外机;涡轮增压;闭环系统;水体污染

李 钢，黄鼎来，王 兵，等. 甲醇燃料舷外机涡轮增压闭环系统工程研究[J]. 农业工程技术，2019，40（02）：54-56.

舷外机自20世纪初叶诞生就是一种以技术新颖、結构紧凑、大推重比、并通过水体做废气净化和声波衰减降噪的船舶推进系统（图1，舷外机剖视图），当年可谓盛极一时。但随着社会的进步和发展，舷外机不可逆的结构性水下排放污物和噪声已成为加速水质恶化的因素。因此在日愈严苛的生态环境保护形势下，本研究旨在创建能确认和解决舷外机排放净化和动力衰减的治理思维和治理手段。目前占中国机动船舶70%以上的内陆和沿海执法船、游船、渔船、养殖船均采用实用、便宜的舷外机或挂桨机作业。

一、概述

舷外机存在两大致命缺陷：①舷外机燃烧系统技术落后，高海拔低温稀氧条件下动力指标衰减严重;②由于舷外机不可逆的构造原理，只能将做功污物和噪声直接排入水下，故尾气污物排放是随机的、无序的、很差的（图2，舷外机水下排放）。

本研究基于现代热机理念，针对一台点燃式四行程开环控制的115P舷外机（表1，舷外机性能参数），开展“甲醇燃料舷外机涡轮增压闭环系统高效净化催化系统”技术研究和工程改造，针对舷外机前述两大致命缺陷分别采取：①应用现代热机技术，提升舷外机技术含量。②改变燃料性质，优化燃烧效果。最终把化工领域的甲醇与物理领域的热机跨界融合，形成优势互补，解决困扰舷外机多年的难题。

二、市场现状

世界约有1662万艘船挂有舷外机，中国约有65万艘船挂有舷外机;2018年世界舷外机产销量约82万台，中国产销量约48.81万台，其中出口19万台;预计到2020年中国产销量将超过88万台，市场规模达205亿元，经济体量跻身全球单一产品增长之首。根据世界经济发展规律，当人均收入高于3000美元这一临界线时，舷外机市场将呈现爆发式突变，由此可以预测中国舷外机未来市场的巨大潜力。

2018年中国对进口石油的依赖度已达70.8%，其中45.1%来自中东，能源安全对国民经济的危机影响度大于“进口芯片”。甲醇作为近年突起的、中国可自给自足的、可再生车船替代能源，已逐渐被人们认识，大有撼动油气能源基础的趋势。

国际海事组织IMO要求2020年1月1日前，完成MAROL73/78公约附则Ⅵ，即《防止船舶造成大气污染规则》的TierⅠ、Ⅱ、Ⅲ限值，尤其对硫氧化物排放，要在TierI标准的基础上再降低90%，达到严格的TierⅢ标准。

除了适时划定船舶限排“三大水域”外，国家发改委29号令《产业结构调整指导目录（2019年本）》还规定：“2020年1月1日正式实施[有关淘汰类（船舶部分）]第4条规定：挂桨机船及其发动机”，国家正式对落后船舶和机型下达了“退市通知书”。随着限排期日愈接近，必须尽快采取好措施、拿出好产品，以实现“绿水青山，就是金山银山”的愿景。为国家“一带一路”和“南海发展战略”中涉及海运载体的船舶清洁能源建改造服务。

三、研究内容

按《甲醇燃料舷外机研究试验示范大纲》规定，本研究着重关注：舷外机、甲醇燃料、优化燃烧、航行安全四方面问题。

1、舷外机研究

舷外机是一种适用于驱动中小型高速船舶的将机（发动机）、桨（螺旋桨）、轴（传动轴）、舵（方向舵）、变速（变速器）、悬挂（固定装置）、操控（航行状态控制）七大系统集合成一体，且整体可悬置于船体外侧的一种机、电、液一体化船舶推进系统。其大推重比、拆装方便、操作简单的特性成为军用抢滩登陆、侦察排爆、运输救生、通讯巡逻的常规武备;也是民用交通管理、航务航运、渔业捕捞、水产养殖、抗洪救灾、水上运动、旅游观光的理想动力。

舷外机结构紧凑、独特，但是尾气排放管路按发明者当时的理念布置在工作状态舷外机垂直中心线上，且深入水下，以水体做净化和降噪媒介。另外，排气管路水上和水下部分被舷外机七大系统零部件包覆，现在如果简单的提出做“闭环尾气后处理”，必使原结构碎片化，这是阻碍舷外机技术进步的难点。但是在国际船舶限排大趋势下，舷外机必须正视水下排污的结构性缺陷，树立创新思维，采用创新手段，提高技术含量，优化技术指标才能再度焕发活力。

2、甲醇燃料研究

甲醇：分子式CH3OH，是结构最简单的饱和一元醇;只含1个碳原子，3个氢原子，一个氢氧键（羟基）;碳原子数量较汽柴油均少二位数，是公认的低碳燃料。甲醇由一氧化碳和氢反应制成，是具有碳氢燃料属性的替代能源。甲醇燃烧后的产物是二氧化碳和水，不含苯、铅、硫、汞、烯烃、芳烃、重金属等有害致癌物质，也较少产生应用其他碳氢燃料做功时生成的未燃甲烷和甲醛，是清洁能源。甲醇内含氧49.9%，有助燃烧，尤适于在稀氧环境下做功。甲醇辛烷值高达108以上，火焰传播速度快，稀燃极限大，故适合实现高压缩比。甲醇以常温常压无色透明液态存在，极性强，相对安全，便于存储和运输。甲醇生产历史悠久，制备工艺简单成熟，中国甲醇产能占全球70%左右。中国制备甲醇的原料来源丰富（秸秆、木薯、甘蔗渣、劣质煤、天然气等）、俯拾皆是，这将为解决中国能源安全开辟新途径。

本项目研究由85%甲醇和15%改性添加剂混配而成的“洁醇牌”M100船用甲醇燃料，不同于社会上流行的甲醇汽油（N%汽油+N%甲醇），而是全新的不掺杂一滴汽油的低碳环保可再生新型燃料，尤其适于大负荷船机工况。研究成果之一为：用甲醇做燃料必须关注五方面问题（但不限于此五方面）：

（1）甲醇做燃料的动力特性研究

甲醇热值4650 cal/kg，低于汽油10296 cal/kg和柴油10996大卡/kg。如此而言，单从“热效率”分析，按甲醇和油气燃料的“质量”计算，甲醇燃料消耗率必将增加;但美妙的甲醇中存在的49.94%内含氧也要参与燃烧;而且甲醇空燃比（6.5：1）小于油品，故舷外机进气结构不变，但进气量呈多的倾象，易偏向稀燃。因此按燃料“热值”计算，甲醇与汽柴油的混合气热值接近，故甲醇与汽柴油燃料消耗率接近。

另外，根据功率计算公式：P（功率）= W（能量）/ t（时间），要获得更大功率的途径有两条：加大W（分子），即加大每一循环燃料供给当量;缩小t（分母），即缩短燃烧时间。实船试验结果显示：采用本研究技术的“鑫灿06号”19.8 m大船（圖3）和“云海巡35号”6.3 m快艇（图4）航速均提高25%以上;大船航速从13 km/h提升到19 km/h，快艇航速从34 km/h提升到45 km/h。

（2）甲醇作为燃料对其低温冷起动性研究

当环境温度≤17℃时，甲醇燃料舷外机冷起动相当困难。主要成因有三种：①气缸内燃烧条件随环境温度降低而恶化;②燃烧环境变化将促使雾化后的甲醇加速向液态还原，不利燃烧;③由于甲醇的高导电率，在连续缺火状态下会造成点火器极间短路，丧失引火源。

因此甲醇燃料的改性添加剂要具备率先蒸发、持续蒸发、分层蒸发、低能量引燃、复杂环境助燃等特性。另外采用提高压缩比的物理方法，使压缩终点温度逼近甲醇自燃临界点，对低温冷起动亦是有益的。本研究案例：

案例1.“洁醇牌”M100船用燃料，用于水星牌舷外机做冬季（-20℃）冷起动试验，一次成功（图5、6，甲醇舷外机天津水域凿冰冷起动试验）。

案例2.“洁醇牌”M100船用燃料，用于昆明滇池“鑫灿06号”游船做冬季低温冷起动试验，实船记录：昆明滇池水域，2019年12月8日9：00时，晴，风力3级，气温-1℃，岸边出现薄冰，舷外机温度1℃，冷起动一次成功，起动后怠速平稳（700转/分），工作安静、转速过渡平稳，噪音降低约10-20分贝以上。

（3）甲醇作为燃料对其腐蚀性研究

根据GB338-2004《工业用甲醇》规定：产品内水的溶质质量分数，一等品≯0.15%，这种品位的甲醇在环境温度下对大多数金属无腐蚀;但某些粗醇会因为含杂质和水分超标，对某些金属产生缓慢的腐蚀;尤其温度超过75℃时会造成铜、铝、锌电化学腐蚀（图7，被腐蚀的合金泵体）;当温度超过100℃时腐蚀将加剧。因此控制甲醇品位，增加相应的金属保护措施，已被实践证明是有效的、必要的。

（4）甲醇作为燃料对其溶剂、分析试剂特性的研究

甲醇会使天然橡胶、部分橡塑材料产生溶胀，造成相关零部件强度下降、密封破坏、管路堵塞等问题。因此添加剂的还原、增塑、抑制相分离等措施是积极的、有益的。

（5）甲醇作为燃料对其润滑性研究

甲醇的酸性产物会造成润滑油提前酸化失效;而且甲醇是没有润滑功能的类水性燃料，单独使用会造成拉缸;一旦进入处于机体最下部的机油室则会稀释机油，破坏减摩副效能。

3、甲醇燃料舷外机优化燃烧研究

按《甲醇燃料舷外机研究试验示范大纲》规定，本项目研究着重关注八个子项目：① 甲醇燃料舷外机闭环控制高效净化催化系统装置研制;②甲醇燃料舷外机电动/废气涡轮增压装置研制;③ 甲醇燃料舷外机提升气缸压缩比研制;④甲醇燃料舷外机点火正时自动调整和防爆震装置研制;⑤先进的船用甲醇燃料闪蒸汽净化再利用装置研制;⑥甲醇燃料适应高海拔低温稀氧环境下的添加剂研制;⑦甲醇燃料舷外机干式轴功率综合测试台（图8，干式轴功率测试台）研制;⑧为实现舷外机燃烧方式的变革和甲醇作为燃料的性质的改变，并将两者跨界融合的研究。下面展开介绍涉及动力推进系统的四方面研究：

（1）甲醇燃料舷外机闭环系统高效净化催化工程技术研究。

闭环控制系统。采用“以结果影响再开始”的闭环控制理念和装备，改变原ECU控制模式，增加氧传感器，增加针对甲醇燃料的“三效”装置，实现最佳空燃比λ=1状态下的尾气高效净化催化。本研究的指导理论：λ=1，既当量空气与当量燃料充分燃烧的比值。具体操作手段是通过氧传感器监测尾气中氧偏值的电动势，并向ECU反馈，ECU围绕实际空燃比氧偏值的电动势，修正燃料喷射脉宽（既喷射持续时间），周而复始，直至接近理论空燃比 λ=1时的动态平衡。甲醇燃料理论空燃比为6.5：1，为达到实际空燃比λ=1的目的，略偏向稀燃，一般徘徊在表观空燃比值 λ=1.21至1.36之间（图10，五气仪屏显），既能实现甲醇燃料优化燃烧，发挥最大功和控制最小污物排放的初衷。

高效净化催化装置。为进一步优化尾气排放效果，在甲醇燃料稀燃空燃比λ=1的状态下，在舷外机排气通道和消音器膨胀腔等适当位置内设置净化催化填充体;在250℃至400℃左右的高温条件下填充体上涂布的稀有金属铂、铑、钯和其他稀土元素受热时被激活的净化催化转化效应，针对性的将一氧化碳、碳氢、氮氧、醛类转化为二氧化碳、氮气和水。舷外机通过该闭环控制系统对常规尾气和非常规特殊醛、胺、盐、重金属等污染物实现有效净化催化，由此达到简化工艺，节省资金，满足工况要求的目的。

（2）甲醇燃料舷外机废气/电动涡轮增压控制系统研制

本研究在进气管相应位置设置废气/电动涡轮增压装置。采用增压技术能在单位时间内，在不改变进气通道长度和截面积，不改变气缸容积，不改变转速，不改变燃料消耗等前提下，改变进气效能（>1），由此实现提升单位时间内的容积效率V，提升气缸平均有效压力MEP，改变空燃比λ值，主动增加参与燃烧的氧气量，优化燃烧条件，促进甲醇燃料在气缸内充分燃烧做功。增压技术可有效提高甲醇燃料舷外机最大功率和峰值扭矩达30%以上，尤其在海拔1891余米的昆明滇池水面更明显;试验船舶“鑫灿06号”大船和“云海巡35号”快艇航速均较燃用油气燃料提高25%以上（图11，燃醇快艇破浪航行）。电动涡轮增压装置如能与废气涡轮增压装置同时应用于同一台舷外机，将形成高低速不同阶段的性能互补，会收到1+1>2的叠加效应。