甲醇燃料舷外机涡轮增压闭环系统工程研究

2023年11月24日发(作者：高尔夫r和gti的区别是什么)

农 机 世 界

DOI:10.16815/.11-5436/s.2020.02.040

农业工程技术·综合版 2020年第1期

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

1232214125

（1.天津环洁能源发展有限公司，天津 300457；2.云南昆明市航务管理局，昆明 650228；

3.天津市地方海事局，天津 300041；4.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；

5.云南昆明鑫灿旅游客运有限公司，昆明 650228）

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.

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。

舷外机自20世纪初叶诞生就是一种以技术新颖、结构紧凑、

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。

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。

表1 FL115BET舷外机主要技术参数

项目

类 型 4缸-4行程-W-DOHC-L4-开环-电喷-16气门

缸径（D) X行程（S)/mmxmm 81 X 88.9

排 量 L 1.832

压缩比 10

转 速r/min 5300-6300转/min

标定功率/KW 84.6 （115马力）

参数

:

1

注：本文所有彩图详见封3

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2、甲醇燃料研究

甲醇：分子式CHOH，是结构最简单的饱和一元醇；只含

3

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

（6.51）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（图

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900时，晴，风力3级，气温-1℃，岸边出现薄冰，

:

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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

6.51，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

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求的目的。

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释放装置。由此达到了抑制爆震，改善早燃和滞燃工况的目的。

4、甲醇燃料舷外机航行安全装置研究

根据中国船舶管理相关政策、法规，尤其是CCS关于《船

舶应用替代燃料指南》的要求，对于应用“甲醇/乙醇”燃料

的船舶必须具备安全处理、综合利用甲醇燃料闪蒸汽的能力。因

此本研究开发了船舶甲醇燃料闪蒸汽净化排空和安全再利用装置

（以下简称：装置）。

该装置首先实现了甲醇燃料舷外机非做功状态下闪蒸气靠

自身压力自A路经活性炭净化器排入大气，实现净化排空模式。

其次一旦舷外机做功，则利用进气道内产生的负压，并通过密封

管路将负压传导至装置工作腔，此装置靠负压驱动的阀体在常开

阀门和常闭阀门间产生遮蔽A路打开B路的位移，此时闪蒸气

通过B路，靠自身压力被导入气缸，参与做功，实现燃烧再利用

模式。该装置以二位五通阀的极简形式，不使用任何手动、气动、

电动防爆阀门达到了CCS要求的闪蒸汽输送管路互锁功能。实

现了船舶安全使用甲醇燃料，安全存储输配甲醇燃料；节省大量

的管路、阀门、防爆电器的应用和投资；大幅缩短施工周期；有

利于技术推广。

（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。

舷外机电动涡轮增压装置（图12，电动涡轮增压器）。以

电动机带动气体压缩机，强制提升单位时间内的容积效率ηv，

优化排放，提高经济性，这是最经济实用的改善舷外机稀氧环境

下动力特性的措施。该装置安装在舷外机进气主管一端，通过电

机带动气体压缩机叶轮高速旋转，吸进气体并加压，随后将提升

了压力和密度的气体挤入各气缸，参与燃烧。

电动涡轮增压装置的优势：①结构紧凑，工艺简单，能满

足各类热机各转速范围对压缩气体的需求；②尤其是解决了舷外

机转速低于1500转/分时废气涡轮增压装置效能低的缺陷；③

成本低于废气机械涡轮增压装置几倍；④电动涡轮增压装置的控

制系统还设有可根据不同工况自动感应启动和停止模式。

舷外机废气涡轮增压装置。该装置双涡轮腔之一的废气涡

轮腔连接排气主管，压缩气体腔连接进气主管。其利用舷外机做

功时排放的无用功尾气（包括压力、热力、流速等）的惯性冲力

驱动涡轮腔内的涡轮与压缩腔内的叶轮同轴同步旋转，对气体进

行强制增压，提升平均有效压力Pme和容积效率Ve，以将更多

（＞1）的增压后的高密度气体挤压入气缸参与燃烧，随后驱动

废气涡轮旋转的废气通过出气口排入废气通道。压缩气体进入气

缸前，还可根据气体温度和舷外机相应空间设置中冷装置，以进

一步加大压缩气体密度。

大量研究实践证明：增压技术必将成为甲醇燃料舷外机提

高功率、降低燃料消耗、改善尾气排放的有效方法之一。

（3）甲醇燃料舷外机提高压缩比研究

按热力学理论，在结构件刚性允许条件下，气缸压缩比越高

热效率越好、燃料经济性越显著，做功效率越高。研究中采取改

变活塞顶厚度和局部形态，既使用加大活塞销孔中心到活塞顶尺

寸的活塞，改变

=Va/Vc之比；使活塞原下止点a和原上止点b

的位置改为现下止点a′和现上止点b′，从而使压缩余隙由原H

减为H-L，使原气缸最小容积Vc按要求进一步变小为Vc′。使

压缩比从101提升至121，此时工况获得明显优化，并为今后

::

采用更大压缩比的点压燃式复合燃烧做了前期技术摸底。

（4）甲醇燃料舷外机点火正时和爆震控制系统研究

甲醇燃料舷外机要提高升功率、提高压缩比就必须要考虑

抑制爆震因素，本研究采取三个措施：1. 增加爆震信号采集传

感器，设定ECU中的压力波检测程序和点火可变正时控制程序。

2. 采用废气循环阀（EGR）阀。3. 采用电控涡轮增压过量空气

四、甲醇燃料舷外机解决的问题

1、环保性

显著减少了舷外机对水体的污染。

2、安全性

解决了困扰港监、船检、消防、安监和社会多年的应用低

闪点气体燃料易燃易爆难题（图9，堆放的舷外机气体燃料瓶）。

3、动力性

改变了高海拔低温稀氧环境下舷外机的动力损失，恢复到

舷外机原标定功率。

4、经济性

按等热值燃料消耗率计算，甲醇燃料节约率达14%-20%（取

决于油、醇价格比率）；维修成本大幅降低，得益于：舷外机燃

用甲醇燃料比燃用气体燃料（LPG）机体温度降低12℃，缸盖积

热点温度降低20℃以上。

5、通用性

在不改变原机结构的前提下，零部件只增加了甲醇燃料电

控系统（ECU）和涡轮增压器，因此推广和管理方便；社会推广

辅助体系不会有技术障碍和大量投资，这主要得益于甲醇燃料可

与现有油品加注设施（含加油站）通用。

五、甲醇燃料舷外机研究成果

①首创国内国际未见报道的甲醇燃料舷外机技术；②将优

化舷外机燃烧过程技术和甲醇燃料改性技术跨界融合，实现舷外

机性能的跃升；③提升舷外机船舶航行环保、安全水平；④开发

舷外机现代工程技术，提高稀氧环境下动力性；⑤开辟甲醇综合

利用渠道，净化生态环境，降低船舶运营成本；⑥创建舷外机干