船用柴油機替代燃料研究現狀及發展趨勢?

張 宇 陳海龍 張明宇

（武警海警學院機電管理系 寧波 315801）

1 引言

隨著日益嚴苛的船舶排放法規的頒布以及俄烏沖突對世界能源市場的影響，清潔、高效、可持續發展的船舶動力推進技術成為發展技術的主導方向。尤其在能源危機和排放法規的雙重壓力的形勢下，替代燃料逐步成為內燃機實現高效、低污染的重要途徑。當前，船用柴油機替代燃料主要有天然氣、生物柴油、甲醇和乙醇等燃料，相較于柴油，天然氣具有燃燒清潔、儲量豐富、經濟實惠、使用安全等優點［1］；生物柴油具有低溫啟動性能好、揮發性低、安全性高等優點［2］；甲醇具有H/C 比值高，燃燒清潔、可再生性強等優點［3］；乙醇具有運動黏度較低、燃燒排放性能好、經濟實惠等優點［4］。為此，本文綜合天然氣、生物柴油、甲醇、乙醇等船用柴油機替代燃料的優勢，重點從噴霧特性、燃燒特性、排放特性三個方面對船用柴油機替代燃料近年來的發展研究進行了綜述，并根據當前現狀對船舶動力進行展望。

2 天然氣

2.1 噴霧特性

天然氣/柴油混合燃料噴入氣缸的霧化過程為剛噴入氣缸的天然氣射流在柴油噴霧的阻礙和卷吸作用下，形成頭部濃度不均的混合氣；同時由于天然氣射流側面中部的渦量和卷吸作用的影響，柴油顆粒會逐漸均勻地分布在天然氣射流中［5］，因此引燃柴油噴束與氣態天然氣噴射之間相互作用的增加會促進天然氣的引燃［6］。

2.2 燃燒特性

通過采用最新的天然氣噴射閥，精確計算噴入氣道的天然氣量，從而實現柴油、天然氣充分燃燒，大幅降低燃料消耗量和熱負荷，提高燃油經濟性，綜合替代率最高可達84.88%［7］；將內河船舶柴油機進氣管進行多點噴射的改裝設計，平均有效燃料消耗率降低，燃料費用節約率可達到5.6%［8］。研究發現，低壓直噴可以解決單點噴射存在的回火問題［9］，但是，高負荷工況摻燒過高比例的LNG 燃料將產生爆震現象［10］，而采用雙燃料燃燒可有效避免大負荷爆震現象，并能進一步提高柴油替代率及發動機壓縮比［11］。

2.3 排放特性

與石油燃料相比，天然氣H/C 比較高，且幾乎無溶解性雜質，因而CO2、CO 以及碳煙和顆粒排放較低［1］。與柴油發動機相比，采用廢氣再循環技術，NOx 和煙霧的最高減少率分別為21%和18%［12］；且在40%EGR 率條件下，NOx 排放可以達到歐盟VI 排放法規限值［13］。將Ar、N2 和CO2作為廢氣再循環的稀釋氣體時，隨著稀釋系數增加，NOx排放明顯下降［14］。

3 生物柴油

3.1 噴霧特性

密度主要影響燃料的宏觀噴霧特性，對燃料的霧化過程影響較小，密度較大的燃料初始動量較高，產生的噴霧貫穿距離較大，容易使燃料撞擊活塞或缸套表面，形成“濕壁”現象［15］。相比于密度，表面張力對液滴表面的變形有抑制作用，因而燃料的表面張力越高，霧化質量越差［16］；反之，粘度和表面張力越低，噴霧面積和最大噴霧寬度越大［17］。因此，生物柴油的密度、粘度和表面張力越低，霧化和蒸發性能越好［18］。

3.2 燃燒特性

生物柴油的十六烷值較高，在柴油中摻混生物柴油通常會使滯燃期縮短［19］，但有效燃油消耗率增大［20］、有效熱效率變化并不大［21］。由于生物柴油的熱值較低，故摻混生物柴油的發動機最大輸出功率降低［22］。同時也有研究者指出，生物柴油較高的粘度和潤滑特性會降低發動機的摩擦損失，從而對其動力性產生補償作用［23］。

3.3 排放特性

生物柴油中的含氧量促進了柴油機缸內的燃燒過程及燃燒相位的提前，有助于降低柴油的HC、CO2、CO排放［24］，并能抑制碳煙和微粒的生成［25］，然而，NOx 排放卻增加［26］。同時，部分研究發現生物柴油可增加排放顆粒的濃度，而且顆粒質量濃度與數量濃度存在一定關系［27］。

4 甲醇

4.1 噴霧特性

常溫下，甲醇為液體，汽化潛熱較柴油大，很難快速霧化和蒸發［28］。隨著溫度降低，噴霧液滴平均直徑增大，霧化質量變差。若長時間工作在低溫環境下，甲醇液滴直徑增大，燃燒和排放惡化［29］。為此，提高燃油溫度和環境溫度可以使燃油液滴直徑減小，提高燃油和空氣的霧化質量［30］。

4.2 燃燒特性

由于甲醇十六烷值較低，著火性能差，在柴油機中無法直接壓燃，常用乳化法、助燃法、柴油引燃法和雙燃料法等進行燃燒。采用乳化法進行燃燒試驗時，當甲醇含量低于30%時，可使熱效率提高2%～4%；若甲醇的含量超過30%時，將使燃燒性能惡化，熱效率降低或出現敲缸［31］。采用氫助燃法進行燃燒試驗時，氣缸指示壓力、平均有效壓力與放熱率均增大［32］。采用柴油引燃法進行燃燒試驗時，在高負荷時，隨著引燃油量的減少，可以顯著提高燃燒性能［33］。

4.3 排放特性

采用表面活性劑將甲醇和柴油進行均勻乳化混合燃燒時，當摻混比例為20%時，甲醇含量的變化對NOx、CO、HC 排放的影響較大［34］；而采用甲醇熏蒸的方式雖可解決摻混比例低的問題，但一氧化碳和碳氫化合物排放增加［35］。研究發現，采用組合燃燒可解決上述問題，即在低速小負荷時使用純柴油，在中等及大負荷時采用進氣道噴射甲醇組合燃燒的方式降低排放［36］。

5 乙醇

5.1 噴霧特性

乙醇/柴油混合燃料霧化過程較為復雜，乙醇-丙醇-柴油互溶型燃油的油滴破碎模式是由飛濺破碎過渡到微爆，而乙醇-生物柴油-柴油微乳化油的油滴破碎模式是由微爆過渡到飛濺破碎［37］。因此，柴油中添加乙醇改善噴霧性能的機理是利用乙醇的蒸發性，加速燃料破碎，提高霧化效果，使其噴霧粒度的液滴平均直徑降低［38］。

5.2 燃燒特性

乙醇在柴油中的溶解性較差，當柴油中乙醇的含量超過5%，乙醇就會發生分層現象［39］。為增加乙醇/柴油混合燃料的穩定性，文獻［40］采用甲酯作為助溶劑，對比研究了不同乙醇-柴油摻比下的燃燒特性；研究發現，當乙醇/柴油混合燃料中乙醇的體積比從0%增加到14%時，每2%的乙醇添加量使得混合燃料十六烷值降低1.7［41］，當乙醇摻比為10%時，預混燃燒階段放熱率峰值增加了66.08%，峰值出現時刻比純柴油晚1°CA-2°CA［42］。

5.3 排放特性

乙醇/柴油摻混燃燒可以降低HC 與CO 排放量，某巡邏船燃用乙醇柴油替代燃料后，每年分別減排二氧化碳和二氧化硫4.69t和0.057t［43］；但氮氧化物排放量卻增加［44］。采用含水乙醇與柴油摻混燃燒時可以降低氮氧化物和總碳氫化合物的排放量［45］，但負荷較低時會使CO 排放升高。而加裝氧化催化轉換器可以解決CO排放增加的問題［46］。

6 結語

近年來，清潔、高效、可持續發展的船舶動力推進技術已經成為發展的重要方向，尤其隨著燃料電池動力、電動力、清潔能源混合動力等動力推進技術不斷應用發展，并在船舶市場取得較好的應用發展。

6.1 燃料電池動力船

燃料電池系統是通過將儲存在氫氣/氨中的化學能轉換為電能，具有效率高、零污染和零排放的特點。常用的燃料電池主要有以氫氣為原料的質子交換膜燃料電池和以氨為原料的固體氧化物燃料電池，相比于氫氣，氨在運輸、儲存、加注等基礎設施投入成本較低，具有長久的競爭優勢［47］。

6.2 電動力船

隨著動力電池能量密度不斷提升、價格逐步降低，使得航運船舶采用新能源電池動力推動成為可能。目前應用較為廣泛的是以鋰電池為主的動力電池，鋰電池動力推進主要分為鋰電池+超級電容為動力的模式和岸基充電的模式，但電池容量、充電樁建設等問題亟需解決。

6.3 清潔能源混合動力型船

清潔能源混合動力型船是指以柴油機為主動力、風能或者太陽能為輔動力的船舶動力形式，在實際航行中通過風能或者太陽能提供一定的動力，從而減少燃油的消耗，達到節能減排的效果。