船用柴油机替代燃料研究现状及发展趋势∗

张 宇 陈海龙 张明宇

（武警海警学院机电管理系 宁波 315801）

1 引言

随着日益严苛的船舶排放法规的颁布以及俄乌冲突对世界能源市场的影响，清洁、高效、可持续发展的船舶动力推进技术成为发展技术的主导方向。尤其在能源危机和排放法规的双重压力的形势下，替代燃料逐步成为内燃机实现高效、低污染的重要途径。当前，船用柴油机替代燃料主要有天然气、生物柴油、甲醇和乙醇等燃料，相较于柴油，天然气具有燃烧清洁、储量丰富、经济实惠、使用安全等优点［1］；生物柴油具有低温启动性能好、挥发性低、安全性高等优点［2］；甲醇具有H/C 比值高，燃烧清洁、可再生性强等优点［3］；乙醇具有运动黏度较低、燃烧排放性能好、经济实惠等优点［4］。为此，本文综合天然气、生物柴油、甲醇、乙醇等船用柴油机替代燃料的优势，重点从喷雾特性、燃烧特性、排放特性三个方面对船用柴油机替代燃料近年来的发展研究进行了综述，并根据当前现状对船舶动力进行展望。

2 天然气

2.1 喷雾特性

天然气/柴油混合燃料喷入气缸的雾化过程为刚喷入气缸的天然气射流在柴油喷雾的阻碍和卷吸作用下，形成头部浓度不均的混合气；同时由于天然气射流侧面中部的涡量和卷吸作用的影响，柴油颗粒会逐渐均匀地分布在天然气射流中［5］，因此引燃柴油喷束与气态天然气喷射之间相互作用的增加会促进天然气的引燃［6］。

2.2 燃烧特性

通过采用最新的天然气喷射阀，精确计算喷入气道的天然气量，从而实现柴油、天然气充分燃烧，大幅降低燃料消耗量和热负荷，提高燃油经济性，综合替代率最高可达84.88%［7］；将内河船舶柴油机进气管进行多点喷射的改装设计，平均有效燃料消耗率降低，燃料费用节约率可达到5.6%［8］。研究发现，低压直喷可以解决单点喷射存在的回火问题［9］，但是，高负荷工况掺烧过高比例的LNG 燃料将产生爆震现象［10］，而采用双燃料燃烧可有效避免大负荷爆震现象，并能进一步提高柴油替代率及发动机压缩比［11］。

2.3 排放特性

与石油燃料相比，天然气H/C 比较高，且几乎无溶解性杂质，因而CO2、CO 以及碳烟和颗粒排放较低［1］。与柴油发动机相比，采用废气再循环技术，NOx 和烟雾的最高减少率分别为21%和18%［12］；且在40%EGR 率条件下，NOx 排放可以达到欧盟VI 排放法规限值［13］。将Ar、N2 和CO2作为废气再循环的稀释气体时，随着稀释系数增加，NOx排放明显下降［14］。

3 生物柴油

3.1 喷雾特性

密度主要影响燃料的宏观喷雾特性，对燃料的雾化过程影响较小，密度较大的燃料初始动量较高，产生的喷雾贯穿距离较大，容易使燃料撞击活塞或缸套表面，形成“湿壁”现象［15］。相比于密度，表面张力对液滴表面的变形有抑制作用，因而燃料的表面张力越高，雾化质量越差［16］；反之，粘度和表面张力越低，喷雾面积和最大喷雾宽度越大［17］。因此，生物柴油的密度、粘度和表面张力越低，雾化和蒸发性能越好［18］。

3.2 燃烧特性

生物柴油的十六烷值较高，在柴油中掺混生物柴油通常会使滞燃期缩短［19］，但有效燃油消耗率增大［20］、有效热效率变化并不大［21］。由于生物柴油的热值较低，故掺混生物柴油的发动机最大输出功率降低［22］。同时也有研究者指出，生物柴油较高的粘度和润滑特性会降低发动机的摩擦损失，从而对其动力性产生补偿作用［23］。

3.3 排放特性

生物柴油中的含氧量促进了柴油机缸内的燃烧过程及燃烧相位的提前，有助于降低柴油的HC、CO2、CO排放［24］，并能抑制碳烟和微粒的生成［25］，然而，NOx 排放却增加［26］。同时，部分研究发现生物柴油可增加排放颗粒的浓度，而且颗粒质量浓度与数量浓度存在一定关系［27］。

4 甲醇

4.1 喷雾特性

常温下，甲醇为液体，汽化潜热较柴油大，很难快速雾化和蒸发［28］。随着温度降低，喷雾液滴平均直径增大，雾化质量变差。若长时间工作在低温环境下，甲醇液滴直径增大，燃烧和排放恶化［29］。为此，提高燃油温度和环境温度可以使燃油液滴直径减小，提高燃油和空气的雾化质量［30］。

4.2 燃烧特性

由于甲醇十六烷值较低，着火性能差，在柴油机中无法直接压燃，常用乳化法、助燃法、柴油引燃法和双燃料法等进行燃烧。采用乳化法进行燃烧试验时，当甲醇含量低于30%时，可使热效率提高2%～4%；若甲醇的含量超过30%时，将使燃烧性能恶化，热效率降低或出现敲缸［31］。采用氢助燃法进行燃烧试验时，气缸指示压力、平均有效压力与放热率均增大［32］。采用柴油引燃法进行燃烧试验时，在高负荷时，随着引燃油量的减少，可以显著提高燃烧性能［33］。

4.3 排放特性

采用表面活性剂将甲醇和柴油进行均匀乳化混合燃烧时，当掺混比例为20%时，甲醇含量的变化对NOx、CO、HC 排放的影响较大［34］；而采用甲醇熏蒸的方式虽可解决掺混比例低的问题，但一氧化碳和碳氢化合物排放增加［35］。研究发现，采用组合燃烧可解决上述问题，即在低速小负荷时使用纯柴油，在中等及大负荷时采用进气道喷射甲醇组合燃烧的方式降低排放［36］。

5 乙醇

5.1 喷雾特性

乙醇/柴油混合燃料雾化过程较为复杂，乙醇-丙醇-柴油互溶型燃油的油滴破碎模式是由飞溅破碎过渡到微爆，而乙醇-生物柴油-柴油微乳化油的油滴破碎模式是由微爆过渡到飞溅破碎［37］。因此，柴油中添加乙醇改善喷雾性能的机理是利用乙醇的蒸发性，加速燃料破碎，提高雾化效果，使其喷雾粒度的液滴平均直径降低［38］。

5.2 燃烧特性

乙醇在柴油中的溶解性较差，当柴油中乙醇的含量超过5%，乙醇就会发生分层现象［39］。为增加乙醇/柴油混合燃料的稳定性，文献［40］采用甲酯作为助溶剂，对比研究了不同乙醇-柴油掺比下的燃烧特性；研究发现，当乙醇/柴油混合燃料中乙醇的体积比从0%增加到14%时，每2%的乙醇添加量使得混合燃料十六烷值降低1.7［41］，当乙醇掺比为10%时，预混燃烧阶段放热率峰值增加了66.08%，峰值出现时刻比纯柴油晚1°CA-2°CA［42］。

5.3 排放特性

乙醇/柴油掺混燃烧可以降低HC 与CO 排放量，某巡逻船燃用乙醇柴油替代燃料后，每年分别减排二氧化碳和二氧化硫4.69t和0.057t［43］；但氮氧化物排放量却增加［44］。采用含水乙醇与柴油掺混燃烧时可以降低氮氧化物和总碳氢化合物的排放量［45］，但负荷较低时会使CO 排放升高。而加装氧化催化转换器可以解决CO排放增加的问题［46］。

6 结语

近年来，清洁、高效、可持续发展的船舶动力推进技术已经成为发展的重要方向，尤其随着燃料电池动力、电动力、清洁能源混合动力等动力推进技术不断应用发展，并在船舶市场取得较好的应用发展。

6.1 燃料电池动力船

燃料电池系统是通过将储存在氢气/氨中的化学能转换为电能，具有效率高、零污染和零排放的特点。常用的燃料电池主要有以氢气为原料的质子交换膜燃料电池和以氨为原料的固体氧化物燃料电池，相比于氢气，氨在运输、储存、加注等基础设施投入成本较低，具有长久的竞争优势［47］。

6.2 电动力船

随着动力电池能量密度不断提升、价格逐步降低，使得航运船舶采用新能源电池动力推动成为可能。目前应用较为广泛的是以锂电池为主的动力电池，锂电池动力推进主要分为锂电池+超级电容为动力的模式和岸基充电的模式，但电池容量、充电桩建设等问题亟需解决。

6.3 清洁能源混合动力型船

清洁能源混合动力型船是指以柴油机为主动力、风能或者太阳能为辅动力的船舶动力形式，在实际航行中通过风能或者太阳能提供一定的动力，从而减少燃油的消耗，达到节能减排的效果。