船用HND 三燃料發(fā)動機研究進展及發(fā)展趨勢探討

趙 睿，許樂平，蘇祥文，王忠誠

(1. 上海海事大學 商船學院，上海 201306；2. 上海中船三井造船柴油機有限公司，上海 201306)

0 引 言

鑒于船用發(fā)動機對可靠性、機動性、環(huán)保性和經(jīng)濟性的要求，將目前較為成熟的LNG 動力發(fā)動機改進為氫-天然氣-柴油（HND）三燃料發(fā)動機成為船用發(fā)動機的一個潛在選項。近幾年，氫-天然氣-柴油三燃料發(fā)動機成為國內外學者的研究熱點，并取得了很多有益的成果。本文針對HND 三燃料發(fā)動機的國內外研究進展，針對其燃料特性、發(fā)動機燃燒性能、排放性能、在艦船方面的應用等方面進行分析，展望此類船用發(fā)動機在未來可能的發(fā)展趨勢。

1 HND 三燃料的特性

柴油（Diesel）是傳統(tǒng)船舶發(fā)動機燃料，十六烷值高，可通過壓縮點火啟動內燃機。柴油機作為當前船舶應用最廣泛的主動力裝置，具有操作簡單、可靠性高、經(jīng)濟性好等優(yōu)點。在未來很長時間內以柴油機為基礎的發(fā)動機在船舶動力裝置領域仍將具有一定優(yōu)勢，但單純以柴油為燃料的發(fā)動機尾氣污染物排放高，環(huán)保性差。

天然氣（Natural gas）是一種清潔燃料[6]，主要成分為甲烷（CH4，約99%），具有燃燒清潔、辛烷值高、資源豐富及價格低廉等優(yōu)點，是船用發(fā)動機的理想替代燃料。目前以液化天然氣（LNG）和柴油為燃料的雙燃料發(fā)動機已經(jīng)在船用發(fā)動機領域開始應用[7]。但是天然氣燃燒速率低，導致LNG 動力發(fā)動機在動力性等方面略有損失[8]，并且受到IMO 2050 脫碳計劃的影響，LNG 動力船也將面對尾氣難以達標的困境。

氫氣（Hydrogen）被譽為21 世紀最具發(fā)展前景的二次能源[9-10]，是公認的清潔能源，其燃燒速度是天然氣的8 倍，可提高缸內火焰速度和溫度，從而提高燃燒效率和機動性，并且可以降低HC 和CO 等物質排放[11]。然而，由于目前氫氣價格較高，單獨使用氫氣作為遠洋船舶的發(fā)動機燃料并不現(xiàn)實。在此背景下，氫與其他燃料的混合使用更具現(xiàn)實意義。

氫氣、天然氣、柴油3 種燃料的物理和化學性質如表1 所示[12]。

DNH 三燃料發(fā)動機結合了氫氣、天然氣和柴油3 種燃料的特點，有望平衡船用發(fā)動機的可靠性、動力性、環(huán)保性和經(jīng)濟性。

2 DNH 三燃料發(fā)動機的燃燒性能研究

2.1 缸內壓力

Alrazen，HA 等[13]對一個單缸發(fā)動機進行CFD 建模研究，通過數(shù)值模擬計算氣體燃料（氫氣和天然氣）在不同混合比（H30-N70，H50-N50 和H70-N30）條件下發(fā)動機的缸內壓力，如圖1 所示。研究指出，當氫氣含量增加時，會產(chǎn)生更高的火焰速度，缸內壓力上升趨勢更快。

治療后2個月，測量兩組患者上頜中切牙凸距差、傾角、磨牙位移、上下齒槽座角及尖牙間寬度；觀察并統(tǒng)計兩組患者釉質脫礦、牙周組織破壞、牙根吸收、黏膜潰瘍、牙齒松動、牙髓反應的發(fā)生例數(shù)，并計算不良反應的總發(fā)生率。

Wojciech Tutak[14]和Abu-Jrai，AM[15]等將柴油機改裝為可以同時燃燒3 種燃料（柴油、氫氣和甲烷）的發(fā)動機，通過實驗分析了不同燃料比例對燃燒特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，僅在柴油機中添加天然氣，缸內壓力的峰值比純柴油模式有所降低，加入氫氣后壓力峰值隨氫氣比例增加而提升，如圖2 所示。

圖1 不同燃料比例下缸內壓力的模擬計算結果Fig. 1 Simulation calculation results of cylinder pressure with different fuel ratios

圖2 不同燃料比例下缸內壓力的實驗結果Fig. 2 Experimental results of cylinder pressure with different fuel ratios

這些研究認為缸內壓力升高是由于之前天然氣火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?，將氫氣加入可以使燃燒火焰加速，這有助于提高發(fā)動機效率[16]。研究還指出，氫氣可以改善柴油和CH4的燃燒，天然氣可以避免氫氣不受控制的燃燒（缸內壓力暴增），提高了三燃料發(fā)動機的安全性和耐用性[17]。

2.2 缸內溫度

Abu Mansor 等[18]使用Ansys Fluent 軟件模擬計算分析了氫-甲烷-柴油混合比的變化對直噴柴油機缸內溫度的影響，柴油質量比例分別為40%，50% 和60%，剩余燃料比例通過H2/CH4的各種混合進行模擬計算，結果顯示氫含量越高，缸內溫度提升越明顯，如圖3所示。研究認為，在相同的能量替代率下，氫氣的添加會改變柴油機的缸內化學反應和點火延遲時間，從而導致缸內溫度相應增加，甲烷的好處是可以避免溫度急劇上升等現(xiàn)象。Wojciech Tutak[13]和Abu-Jrai[14]的實驗研究佐證了這一研究結果。

2.3 放熱率

圖3 不同燃料比例的缸內溫度Fig. 3 In-cylinder temperature with different fuel ratio

燃燒放熱率（HRR）是混合燃料在單位時間或單位曲軸轉角的燃燒放熱量。放熱率與缸內壓力、溫度結合使用可以更好地表現(xiàn)燃燒行為。Talibi 等[19]的研究結果顯示，氫氣比例高（20%CH4∶80%H2）的燃料比氫氣比例低（80%CH4∶20%H2）的放熱率增加速率快很多，如圖4 所示。Abu Mansor 等[18]的研究結果也表明，隨著氫氣百分比的增加，三燃料混合氣體的放熱率首次增加發(fā)生在較早的曲柄角上，這是由于氫氣火焰速度快于甲烷。

圖4 不同燃料比例在不同引燃柴油壓力條件下的放熱率曲線Fig. 4 HRR curves of different fuel ratios underdifferent pilot diesel pressure conditions

Wojciech Tutak 等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，相對于純柴油燃料，天然氣-柴油雙燃料的燃燒過程會有明顯的點火延遲，放熱率峰值要晚10 多個曲軸轉角，氫氣-天然氣-柴油三燃料的燃燒消除了這種不利影響。但是作者也指出，發(fā)動機中氫氣能量分數(shù)的極限取決于其產(chǎn)生爆震的傾向，在該研究測試發(fā)動機中，氫能分數(shù)的極限為19%。

2.4 有效熱效率（BTE）

Ouchikh 等[20]將1 臺單缸Lister Petter（TS1）柴油風冷發(fā)動機進行改造，研究了NG-H2-Diesel 三燃料模式對有效熱效率（BTE）變化的影響，如圖5 所示。結果顯示，在所有發(fā)動機負載下，與雙燃料、三燃料模式相比，純柴油模式BTE 較高。在發(fā)動機低負荷下，NG-Diesel 雙燃料模式熱效率與純柴油模式差距較大，這與M.S. Lounici[21]的研究結論一致，這是由于這些負載稀薄燃燒能力差。但是，通過添加H2可以減少BTE的這種差異，結果表明，與NG 雙燃料運行相比，在NG-H2-Diesel 三燃料模式下幾乎所有氫氣濃度下都有增強。這是由于氫氣的燃燒特性對氣體燃料燃燒改善和燃燒速率提高的結果。對于高負載，與純柴油運行相比，NG-H2-Diesel 三燃料模式的BTE 差距稍微縮小。研究結果顯示，關于NG-H2-柴油三燃料混合模式中氫氣濃度的影響，在10%的氫含量時，所有負載均獲得了最高的BTE。

圖5 不同發(fā)動機負載下的有效熱效率Fig. 5 BTE under different engine loads

3 DNH 三燃料發(fā)動機的排放性能研究

3.1 一氧化碳（CO）

一氧化碳是燃料中碳原子不完全燃燒的副產(chǎn)物，是發(fā)動機尾氣排放中危害人體健康的成分。Talibi 等[19]在直接噴射壓縮點火式發(fā)動機上燃燒由柴油引燃的甲烷-氫氣混合物的實驗研究，分析了三燃料發(fā)動機在不同CH4-H2混合比例下，氣缸內CO 的濃度的變化，結果如圖6 所示?？芍S著發(fā)動機負荷的增加（通過增加CH4-H2混合物的供應）缸內CO 的濃度先增加后減少，同時發(fā)現(xiàn)，氫氣比例高的燃料混合物產(chǎn)生的缸內CO 濃度低于氫氣比例低的。

圖6 不同平均指示壓力下的缸內一氧化碳濃度Fig. 6 CO concentration in the cylinder under different average indicated pressures

Wojciech Tutak 等[13]的研究則顯示隨著氣體燃料的添加CO 排放量從純柴油的1.8% 大幅降低至0.08%，但增加氫氣比例未發(fā)現(xiàn)對CO 排放有明顯影響；Abu Mansor 等[18]的研究顯示當氣態(tài)燃料中氫含量較高時，CO 排放量會減少，這些結果與Gatts 等[22]的結果相似。將氫氣添加到甲烷中擴大了甲烷的可燃性，有助于在減少CO 排放的同時提高燃燒穩(wěn)定性。

3.2 溫室氣體（CO2 和CH4）

二氧化碳（CO2）是碳元素充分燃燒的產(chǎn)物，是溫室氣體，將加劇全球氣候變暖，CO2是發(fā)動機節(jié)能減排的重要目標之一。在增加氫氣比例可以降低三燃料發(fā)動機CO2排放這方面，學者們基本上形成了共識：Alrazen 等[17]的研究通過數(shù)值模擬計算出發(fā)動機在雙燃料和三燃料操作下的CO2排放，如圖7 所示。結果表明，隨著氫氣比例的增加，二氧化碳排放顯著降低。Wojciech Tutak[13]，Korakianitis 等[23]的通過發(fā)動機實驗研究印證了這一結論，這主要是由于燃料中的碳含量被氫直接替代所致。值得關注的是，由于發(fā)動機氣閥重疊等原因，NG-Diesel 雙燃料發(fā)動機通常會產(chǎn)生甲烷逃逸，而CH4所引起的溫室效應比CO2高20 倍[24]，DNH 三燃料可以大為減少溫室氣體排放。

圖7 不同燃料比例和不同過量空氣系數(shù)下的二氧化碳排放Fig. 7 CO2 emissions under different fuel ratios and different excess air coefficients

3.3 THC 總碳氫（THC）

劉世文等[25]在分析柴油/CNG 雙燃料發(fā)動機高THC 排放來源的基礎上，提出“柴油/CNG 雙燃料發(fā)動機加氫燃燒”的概念，研究發(fā)現(xiàn)THC 排放隨H2比例的增大而迅速降低。這一方面是由于氫氣本身燃燒后并不產(chǎn)生HC，另一方面是由于CNG 中摻燒H2后，預混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣却蟠蠹涌?，使燃燒持續(xù)期變短，THC 的氧化時間更充分，而且加入氫氣使得混合氣的淬熄距離變長減少了頂岸容積中的未燃HC 含量，進一步降低了THC 的排放量。

Wojciech Tutak 等[13]的研究結果發(fā)現(xiàn)，從柴油到CNG 的燃料轉換導致THC 排放顯著增加了2.5 倍以上，這主要是由于所謂的縫隙效應，即天然氣與空氣形成混合物一部分被迫進入燃燒室的間隙中，間隙導致火焰熄滅增加了THC 排放。氫氣的添加可以降低THC 排放量，當氫的比例為19%時，THC 排放降低到常規(guī)發(fā)動機排放水平，即大約100 ppm。雖然燃燒過程中氫氣比例更高將進一步降低THC 排放量，但是會有周期性的變化和明顯爆震的發(fā)生。

3.4 氮氧化物NOx

Abu Mansor[18]和Abu-Jrai 等[14]的研究顯示混合物中較高的氫氣含量導致較高的NO 排放。由于影響NOx 形成的因素有缸內溫度和燃燒反應時間等[26-27]，而氫氣更高的火焰速度和更顯著的預混燃燒提高了缸內溫度，燃燒室中較高的NOx 生成率是由于在預混燃燒階段燃燒室中的高溫[28]。Talibi 等[19]研究了三燃料發(fā)動機在各種負載和CH4-H2混合比例下，氣缸內NOx 的濃度隨平均指示壓力（IMEP）的變化，如圖8所示。研究顯示當混合物中氫氣的比例較高時，NOx排放量的上升速度更快，這是由于燃燒更接近上止點（TDC），從而導致更高的氣體溫度，增加了NOx 的生成率。

圖8 不同平均指示壓力下的缸內氮氧化物濃度Fig. 8 NOx concentration under different IMEP

3.5 顆粒物排放（PM）

Abu-Jrai 等[14]研究了發(fā)動機在H2-CH4和傳統(tǒng)柴油三燃料模式運行下的PM 濃度，認為PM 排放水平和趨勢不僅取決于燃料特性，還取決于對發(fā)動機負載敏感的燃燒特性（如燃燒持續(xù)時間等），在不同負荷及燃料比例條件下的PM 排放如表2所示?？梢钥闯?，在低發(fā)動機負荷下，（H25-M75）的顆粒物比（H75-M 2 5）和（H 5 0-M 5 0）的顯著增加，該結果與P.Raman[29]，C.Abagnale[30]的研究一致。在發(fā)動機高負荷條件下使用三燃料（H75-M25）時，PM 減少超過55%。研究認為PM 排放降低主要是因為氫氣顯著提高了氣缸壓力和溫度，從而減少了顆粒物的形成[31]。

表2 不同負載條件下各燃料比例的顆粒物排放Tab. 2 PM emissions of various fuel ratios under different load conditions

4 DNH 三燃料發(fā)動機其他方面的研究

4.1 化學動力學研究

鑒于當前計算機的運算能力，對發(fā)動機氣缸內燃燒過程進行數(shù)值模擬，就需要對燃料的詳細化學動力學機理進行簡化。張韋等[32]將簡化天然氣 GRI3.0 機理、柴油替代機理 95/5，vv 與氫氣詳細機理以及污染物生成模型組合，得到了一種含79 種組分244 步反應的 DNH 三燃料機理，通過敏感性分析和重要組分分析，調整化學動力學參數(shù)，并對 DNH 機理進行了驗證，為今后對于三燃料發(fā)動機的數(shù)值模擬提供了基礎。之后，張韋等[33]運用CFD 耦合柴油/天然氣/氫氣三燃料化學動力學機理，以及CHEMKIN 化學動力學分析的方法，對柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機摻燒氫氣的燃燒特性、重要組分及排放物生成過程進行了數(shù)值模擬。

4.2 壓縮比對三燃料發(fā)動機的影響

Tangoz 等[34]將1 臺3.9 L 五十鈴牌柴油機改裝成H2-CNG-柴油三燃料發(fā)動機，通過改變富氫壓縮天然氣（HCNG）混合物（100%壓縮天然氣，95%壓縮天然氣+ 5% 的氫氣，90% 的天然氣）的比例（H2和CNG 分別存儲在2 個氣瓶中，由氣體燃料混器調節(jié)），研究了不同壓縮比（9.6，12.5 和15）對發(fā)動機動力性能和排放特性的影響。發(fā)現(xiàn)隨著壓縮比的增加以及向CNG 中添加氫氣，最大氣缸壓力和放熱率值接近上止點。該研究建議當CR 值為9.6 時，可以使用5%或10%的氫氣比例改變柴油發(fā)動機的動力性能和排放性能。

5 DNH 三燃料發(fā)動機在船舶方面的應用

近十年來，受到IMO 限硫規(guī)定的推動，LNG 雙燃料發(fā)動機為主機的LNG 動力船的數(shù)量呈現(xiàn)快速增長[35-36]。同時，各國政府相繼出臺政策，例如我國已明確將LNG 作為清潔節(jié)能環(huán)保能源在水運應用的大方向。未來幾年使用LNG 雙燃料發(fā)動機的大型船舶將達到可觀的規(guī)模。但是，在航運業(yè)2050 脫碳計劃下，船用LNG-Diesel 雙燃料發(fā)動機未來將面臨難以實現(xiàn)碳減排要求的困境。

近幾年，一些國家和地區(qū)開始探索船用氫燃料電池推進技術，相繼頒布一系列規(guī)劃與標準，引導并支持氫燃料電池船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展[37]。但是由于氫燃料電池技術和價格的因素，其在大型遠洋船舶上的應用將難以推廣。

2018 年，韓國學者提出了一種液化天然氣-液化氫氣（LNG-LH2）混合動力推進系統(tǒng)[38]，用于267 000 m3液化天然氣運輸船，并對其進行了評估。該船推進系統(tǒng)由LNG 雙燃料電力推進（DFDE）發(fā)動機和燃料電池推進器混合而成。

當前，船用H2-NG-Diesel 三燃料發(fā)動機仍在實驗室研究探索階段，尚未在船上應用。由于此類發(fā)動機燃料靈活性和連接不同燃料使用的技術，可以成為船東和航運業(yè)（特別是在遠洋航運領域）適應能源轉型和為低碳未來的戰(zhàn)略儲備，有望在未來某些情況下進行應用。

6 展 望

從目前的研究來看，船用HND 三燃料發(fā)動機可以改善LNG 雙燃料發(fā)動機的燃燒性能，有助于提高發(fā)動機效率和動力性。在排放性能方面可以有效降低溫室氣體排放，降低THC 和PM 排放。同時，該類發(fā)動機具有傳統(tǒng)柴油機的可靠性和耐用性，可以根據(jù)外界環(huán)境調節(jié)各燃料比例，具有燃料選擇機動靈活的特點。因此，具有一定的發(fā)展前景。

由于當前氫氣價格和存儲技術的限制，該類發(fā)動機在經(jīng)濟性方面尚無優(yōu)勢?？上驳氖?，世界各國開始重視氫能源的開發(fā)和利用，國際可再生能源機構的報告指出，通過可再生能源制取的氫氣（即“綠色氫氣”）將在全球能源轉型中發(fā)揮核心作用，預計2050 年綠色氫氣將占全球能源消費的8%[5]，氫氣將在航運、冶金等難以脫碳的行業(yè)發(fā)揮重大作用。

在未來，隨著對各港口國排放控制的日益嚴苛和IMO 脫碳計劃等政策的影響，結合我國和全球的氫能源戰(zhàn)略的發(fā)展，船用HND 三燃料發(fā)動機有望得到商業(yè)化推廣應用。