船用柴油機(jī)替代燃料研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)?

張 宇 陳海龍 張明宇

（武警海警學(xué)院機(jī)電管理系 寧波 315801）

1 引言

隨著日益嚴(yán)苛的船舶排放法規(guī)的頒布以及俄烏沖突對(duì)世界能源市場(chǎng)的影響，清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展的船舶動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)成為發(fā)展技術(shù)的主導(dǎo)方向。尤其在能源危機(jī)和排放法規(guī)的雙重壓力的形勢(shì)下，替代燃料逐步成為內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)高效、低污染的重要途徑。當(dāng)前，船用柴油機(jī)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(chǔ)量豐富、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、使用安全等優(yōu)點(diǎn)［1］；生物柴油具有低溫啟動(dòng)性能好、揮發(fā)性低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)［2］；甲醇具有H/C 比值高，燃燒清潔、可再生性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［3］；乙醇具有運(yùn)動(dòng)黏度較低、燃燒排放性能好、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)［4］。為此，本文綜合天然氣、生物柴油、甲醇、乙醇等船用柴油機(jī)替代燃料的優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)從噴霧特性、燃燒特性、排放特性三個(gè)方面對(duì)船用柴油機(jī)替代燃料近年來(lái)的發(fā)展研究進(jìn)行了綜述，并根據(jù)當(dāng)前現(xiàn)狀對(duì)船舶動(dòng)力進(jìn)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(guò)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(shí)由于天然氣射流側(cè)面中部的渦量和卷吸作用的影響，柴油顆粒會(huì)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(tài)天然氣噴射之間相互作用的增加會(huì)促進(jìn)天然氣的引燃［6］。

2.2 燃燒特性

通過(guò)采用最新的天然氣噴射閥，精確計(jì)算噴入氣道的天然氣量，從而實(shí)現(xiàn)柴油、天然氣充分燃燒，大幅降低燃料消耗量和熱負(fù)荷，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，綜合替代率最高可達(dá)84.88%［7］；將內(nèi)河船舶柴油機(jī)進(jìn)氣管進(jìn)行多點(diǎn)噴射的改裝設(shè)計(jì)，平均有效燃料消耗率降低，燃料費(fèi)用節(jié)約率可達(dá)到5.6%［8］。研究發(fā)現(xiàn)，低壓直噴可以解決單點(diǎn)噴射存在的回火問(wèn)題［9］，但是，高負(fù)荷工況摻燒過(guò)高比例的LNG 燃料將產(chǎn)生爆震現(xiàn)象［10］，而采用雙燃料燃燒可有效避免大負(fù)荷爆震現(xiàn)象，并能進(jìn)一步提高柴油替代率及發(fā)動(dòng)機(jī)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?guī)缀鯚o(wú)溶解性雜質(zhì)，因而CO2、CO 以及碳煙和顆粒排放較低［1］。與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，采用廢氣再循環(huán)技術(shù)，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(dá)到歐盟VI 排放法規(guī)限值［13］。將Ar、N2 和CO2作為廢氣再循環(huán)的稀釋氣體時(shí)，隨著稀釋系數(shù)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(duì)燃料的霧化過(guò)程影響較小，密度較大的燃料初始動(dòng)量較高，產(chǎn)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(xiàn)象［15］。相比于密度，表面張力對(duì)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(zhì)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(fā)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(huì)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(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率降低［22］。同時(shí)也有研究者指出，生物柴油較高的粘度和潤(rùn)滑特性會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失，從而對(duì)其動(dòng)力性產(chǎn)生補(bǔ)償作用［23］。

3.3 排放特性

生物柴油中的含氧量促進(jìn)了柴油機(jī)缸內(nèi)的燃燒過(guò)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(shí)，部分研究發(fā)現(xiàn)生物柴油可增加排放顆粒的濃度，而且顆粒質(zhì)量濃度與數(shù)量濃度存在一定關(guān)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(fā)［28］。隨著溫度降低，噴霧液滴平均直徑增大，霧化質(zhì)量變差。若長(zhǎng)時(shí)間工作在低溫環(huán)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(huán)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(zhì)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(jī)中無(wú)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(jìn)行燃燒。采用乳化法進(jìn)行燃燒試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)甲醇含量低于30%時(shí)，可使熱效率提高2%～4%；若甲醇的含量超過(guò)30%時(shí)，將使燃燒性能惡化，熱效率降低或出現(xiàn)敲缸［31］。采用氫助燃法進(jìn)行燃燒試驗(yàn)時(shí)，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(jìn)行燃燒試驗(yàn)時(shí)，在高負(fù)荷時(shí)，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(jìn)行均勻乳化混合燃燒時(shí)，當(dāng)摻混比例為20%時(shí)，甲醇含量的變化對(duì)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(wèn)題，但一氧化碳和碳?xì)浠衔锱欧旁黾樱?5］。研究發(fā)現(xiàn)，采用組合燃燒可解決上述問(wèn)題，即在低速小負(fù)荷時(shí)使用純柴油，在中等及大負(fù)荷時(shí)采用進(jìn)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(guò)程較為復(fù)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(guò)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(guò)渡到飛濺破碎［37］。因此，柴油中添加乙醇改善噴霧性能的機(jī)理是利用乙醇的蒸發(fā)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(dāng)柴油中乙醇的含量超過(guò)5%，乙醇就會(huì)發(fā)生分層現(xiàn)象［39］。為增加乙醇/柴油混合燃料的穩(wěn)定性，文獻(xiàn)［40］采用甲酯作為助溶劑，對(duì)比研究了不同乙醇-柴油摻比下的燃燒特性；研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)乙醇/柴油混合燃料中乙醇的體積比從0%增加到14%時(shí)，每2%的乙醇添加量使得混合燃料十六烷值降低1.7［41］，當(dāng)乙醇摻比為10%時(shí)，預(yù)混燃燒階段放熱率峰值增加了66.08%，峰值出現(xiàn)時(shí)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(shí)可以降低氮氧化物和總碳?xì)浠衔锏呐欧帕浚?5］，但負(fù)荷較低時(shí)會(huì)使CO 排放升高。而加裝氧化催化轉(zhuǎn)換器可以解決CO排放增加的問(wèn)題［46］。

6 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展的船舶動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展的重要方向，尤其隨著燃料電池動(dòng)力、電動(dòng)力、清潔能源混合動(dòng)力等動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)不斷應(yīng)用發(fā)展，并在船舶市場(chǎng)取得較好的應(yīng)用發(fā)展。

6.1 燃料電池動(dòng)力船

燃料電池系統(tǒng)是通過(guò)將儲(chǔ)存在氫氣/氨中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，具有效率高、零污染和零排放的特點(diǎn)。常用的燃料電池主要有以氫氣為原料的質(zhì)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(yùn)輸、儲(chǔ)存、加注等基礎(chǔ)設(shè)施投入成本較低，具有長(zhǎng)久的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)［47］。

6.2 電動(dòng)力船

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

6.3 清潔能源混合動(dòng)力型船

清潔能源混合動(dòng)力型船是指以柴油機(jī)為主動(dòng)力、風(fēng)能或者太陽(yáng)能為輔動(dòng)力的船舶動(dòng)力形式，在實(shí)際航行中通過(guò)風(fēng)能或者太陽(yáng)能提供一定的動(dòng)力，從而減少燃油的消耗，達(dá)到節(jié)能減排的效果。