船用醇柴双燃料发动机推进特性试验研究

Experimental Study of Propulsion Characteristics of Marine Methanol⁃Diesel Dual⁃fuel Engines

摘要

为了探明船用甲醇动力的特性并为建模仿真研究提供校核数据，对一台船用甲醇-柴油双燃料发动机进行了推进特性试验，对比了发动机在纯柴油模式以及双燃料模式下的经济性、燃烧性能及排放性能。研究结果表明，甲醇的加入对发动机的等效燃料消耗量影响较小，但同工况下最多可以降低18.22%的单位功成本；甲醇的加入会导致各工况点下的燃烧持续期缩短、平均有效压力降低；双燃料模式下发动机的CO与HC排放均高于柴油模式，双燃料模式下的NO _x 排放仅在高负荷时略高于柴油模式。

Abstract

In order to investigate the characteristics of marine methanol powers and provide calibration data for modeling simulation studies， a marine methanol-diesel dual fuel engine was subjected to propulsion characteristics tests. The economy， combustion performance and emission performance of the engines were compared under pure diesel mode and dual fuel mode. The results show that the addition of methanol has a small effect on the equivalent fuel consumption of the engines， but it may reduce the unit power cost by 18.22% at most under the same operating conditions； the addition of methanol leads to the shortening of the combustion duration and the reduction of the average effective pressure at each operating point； the CO and HC emissions of the engines under the dual-fuel mode are higher than those of under the diesel mode， and the NO _x emissions under dual-fuel mode are slightly higher than those of the diesel mode only at high loads.

Graphical abstract

关键词

船用甲醇动力 / 推进特性 / 经济性 / 燃烧性能 / 排放性能

Key words

marine methanol power / propulsion characteristic / economy / combustion performance / emission performance

Author summay

宋恩哲，男，1973年生，研究员、博士研究生导师。研究反方向为船用发动机先进控制技术、船用混合动力技术。E-mail： [e-mail]

卢莉莉^*（通信作者），女，1994年生，副教授。研究方向为船用低零碳燃料发动机光学诊断技术、氢燃料电池氢气供给技术。E-mail：[e-mail]。

0 引言

在交通运输业中，水运运量大、距离远、周期长，对输出源的动力性、经济性与可靠性有着较高需求^［1-3］。柴油机凭借着动力输出强、热效率高、经济性好的诸多优势在该领域得到了广泛运用，成为船舶主要动力输出装置^［4］。然而，随着排放法规的日益严苛、石油战略意义的不断增强，如何使船用发动机在保证动力输出的同时提升经济性并减少污染物排放，成为了内燃机界的重要研究课题。尽管国内外许多专家学者针对废气再循环系统（exhaust gas recirculation，EGR）、选择性催化还原系统（selective catalytic reduction，SCR）等发动机辅助设备进行了大量研究，但这并未从根本上解决化石燃料应用及高污染排放的问题，使用清洁替代燃料成为解决这一问题的有效措施^［5］。

近年来，甲醇作为一种新型替代燃料逐渐在车用动力、船用动力上进行尝试应用。相较于天然气、氨、氢等清洁燃料，甲醇具有储运成本低、安全系数高、燃烧性能好等优点，尤其是在水运背景下，甲醇更接近于柴油的理化性质使其成为了最具发展前景的船用清洁替代燃料^［6-8］。目前，国内外均已开始使用甲醇作为柴油机的替代燃料，但在主机研发过程中存在着替代率低、易熄火、易爆震等问题，在实际应用中管路腐蚀、缸内侧燃、机油乳化等问题难以解决。为此，各国学者针对甲醇动力开展了一系列研究^［9-13］，但研究内容集中于小型车用机测试以及定容燃烧弹光学诊断研究，针对船用甲醇发动机的相关研究开展较少，且主要以仿真分析为主，只能对船用甲醇燃料起到规律性研究的作用，难以对船用甲醇发动机的设计优化提供实际指导。

本文针对一台船用甲醇双燃料发动机开展了推进特性试验，对比分析了发动机在纯柴油模式和甲醇-柴油双燃料模式下的经济特性、燃烧性能以及排放性能，以期为船用甲醇/柴油双燃料发动机的优化设计提供理论和试验参考。

1 试验装置和测试方案

1.1 试验用甲醇/柴油双燃料发动机及测试设备

本文的试验对象原型为一台船用柴油机，柴油通过电子组合泵加压后经由机械阀喷入缸内；通过对原机进气歧管打孔，并安装甲醇供给系统、甲醇轨、喷射器以及甲醇/柴油模式电子控制器（electronic control unit，ECU）可以将原机改造为船用甲醇/柴油双燃料发动机。甲醇喷射器及进气歧管打孔的示意图见图1。

该甲醇喷射器结构与汽油喷射器类似，内部管路经过耐腐蚀处理，可实现0.5 MPa的喷射压力。甲醇经过供给系统在甲醇轨管处达到0.5 MPa的压力，之后根据ECU设定的喷射正时将甲醇喷射入进气道中，雾化后的甲醇与空气混合后进入缸内，被提前喷射的柴油引燃，发动机的具体参数见表1。

图2展示了船用甲醇/柴油双燃料发动机的试验台架架构。主要参数的测试设备如下：尾气成分浓度测试使用了湖北锐意Gasboard-9801发动机排放测试系统；发动机缸内压力使用AVL GH15DK缸压传感器进行测量并使用AVL X-ion燃烧分析仪进行数据分析以及使用AVL 366C角标仪测量发动机的曲轴转角变化；柴油和甲醇流量分别使用E+H公司生产的Promass83H型流量计与83A04型流量计进行测量；发动机有效功率测量使用湘仪FC2012W水力测功机进行测量。

发动机及测控系统的实物图见图3，将水力测功机与发动机相连为发动机提供负荷，并对发动机的输出扭矩和转速进行监测。通过安装在1缸的缸压传感器对发动机的缸内燃烧情况进行监测，并基于燃烧分析仪进行信号处理和数据分析，最终可以得到缸内压力、放热率、平均指示有效压力等数据，在试验中待发动机稳定运行后，取发动机转动200 r的缸压数据平均值。为确保排放采样的准确性，排放分析仪的取样口需设置在排气管上，且应选取距发动机排气口下游约10倍排气管直径的位置，并通过该取样口对发动机尾气中的CO、CO₂、NO _x 、THC等进行采样分析，待排放分析仪读数稳定后记录30 s内的各排放物的排放浓度平均值。

1.2 发动机试验方案

本试验所用的发动机主要用于船舶推动以及发电使用，大多数运行情况下按照船舶的推进特性曲线进行工作。图4所示为推进类发动机的NTE排放测试区间，是发动机在正常运行情况下可能会达到的发动机速度和负载情况。图4中，横坐标转速比r_n为发动机当前转速与额定转速的比值，纵坐标负荷（功率比）L为当前功率与额定功率的比值；发动机外特性曲线是试验用的发动机的功率特性限制曲线；发动机推进特性曲线是船舶航行中发动机的功率与转速的关系曲线，也是发动机常用工况的所在曲线；100%转速工况代表发动机的满负荷工况；上述曲线相互连接并构成图4中绿色部分的2条曲线及3条工况边界线（即NTE排放法规给出的约束限制），5条线的计算方法及位置已在图4中给出。

本试验设计选择了船舶推进特性常用五工况点，分别为曲线上的25%负荷、50%负荷、75%负荷、90%负荷以及100%负荷工况点。其中，转速与替代率通过发动机控制器进行设置，扭矩通过测功机进行设定，进而得到所有工况点的输出功率，具体试验参数如表2所示。在此基础上，对发动机在柴油模式与甲醇双燃料模式下的发动机经济性、燃烧性能以及排放性能进行了对比。

1.3 经济性、燃烧性能以及排放性能的对比方案

发动机经济性主要对比两种模式下的燃料消耗情况与对应的成本，两种燃料的价格按照市场零售价进行计算，其中-10号柴油的价格为7.65元/kg，甲醇的价格为2.45元/kg，以发动机每输出1 kW·h功所需的燃料费用为评判标准^［14］，两种模式下的经济性计算公式如下：

R_{\mathrm{D}}=\frac{\mathrm{7.65}{C}_{\mathrm{D}}}{P}（1）

R_{\mathrm{M}\mathrm{D}}=\frac{\mathrm{7.65}{C}_{\mathrm{D}}+\mathrm{2.45}{C}_{\mathrm{M}}}{P}（2）

S=\frac{R_{\mathrm{D}}-R_{\mathrm{M}\mathrm{D}}}{R_{\mathrm{D}}}（3）

B=C_{\mathrm{D}}+\frac{q_{\mathrm{M}}}{q_{\mathrm{D}}}{C}_{\mathrm{M}}（4）

R_{\mathrm{b}\mathrm{e}}=\frac{\mathrm{1000}B}{P}（5）

R_{\mathrm{M}\mathrm{S}}=\frac{C_{\mathrm{M}}{q}_{\mathrm{M}}}{C_{\mathrm{M}}{q}_{\mathrm{M}}+C_{\mathrm{D}}{q}_{\mathrm{D}}}（6）

式中：R_D、R_MD分别为柴油模式、双燃料模式下的燃料成本率，元/（kW·h）；C_D、C_M分别为柴油、甲醇的消耗量，kg/h；P为当前工况下的发动机功率，kW；S为双燃料模式对比柴油模式的燃料成本节约率，%；B为等效燃料消耗量，表示以柴油为基准对双燃料模式的燃料消耗量进行等量换算，kg/h；q_D、q_M分别为柴油、甲醇的低热值，取q_D=42 500 kJ/kg、q_M=19 930 kJ/kg；R_be为有效燃料消耗率，g/（kW·h）；R_MS为双燃料模式下的甲醇能量替代率，%。

将相同工况下两种模式下第1缸的最大缸压及对应转角、CA05（指累积放热达到总放热量5%时对应的曲轴转角，即燃烧始点）、CA50（指累积放热达到总放热量50%时对应的曲轴转角，即燃烧重心）、CA90（指累积放热达到总放热量90%时对应的曲轴转角，即燃烧终点）、燃烧持续期和平均有效压力作为发动机燃烧性能的评判标准。将相同工况下两种模式下CO、CO₂、NO _x 等污染物排放的情况作为发动机排放性能的评判标准。本文中，D代表发动机处于纯柴油模式时得到或计算出的数据，M/D代表发动机处于甲醇/柴油双燃料模式时得到或计算出的数据。

2 试验结果分析

2.1 燃油经济性分析

图5a展示了发动机在柴油模式和双燃料模式下等效燃料消耗量随负荷增大的变化规律，图5b对比了双燃料模式下各工况点的甲醇消耗量、柴油消耗量及对应的替代率。可以看出：发动机在纯柴油模式与双燃料模式下的等效燃料消耗量并没有较大的差距，两种模式下等效燃料消耗量的高低与替代率没有直接关系。

由图5a可知，5个工况点中，仅50%负荷时双燃料模式的等效燃料消耗量高于纯柴油模式，此时发动机的等效燃料消耗量为88.80 kg/h，比纯柴油模式下提高8.1%；90%负荷时双燃料模式的等效燃料消耗量为143.1 kg/h，相较于纯柴油模式的等效燃料消耗量降低最多，为7.5%。

由图5b可知，在50%负荷时，双燃料模式下甲醇的能量替代率为48.7%，而发动机在50%负荷这一工况点的缸内温度并不高，此时大量的甲醇喷入缸内导致缸内温度迅速降低，进而导致了柴油和甲醇的不充分燃烧，且甲醇汽化潜热高的特点进一步加剧了这一工况燃烧的恶化，从而导致等效燃料消耗量增加。当转速大于1200 r/min时，甲醇的消耗量逐渐降低，这是因为甲醇中含有50%的氧元素可以促进缸内的燃烧，在高负荷下适当降低甲醇的替代率可以有效抑制发动机爆震的发生，从而提高发动机运行的稳定性。

图6a展示了发动机在柴油模式和双燃料模式下的燃料消耗率，图6b展示了两种模式在不同工况点的燃料成本率。可以看出：除了50%负荷外，双燃料模式的燃料消耗率均低于纯柴油模式。燃料消耗率相较于燃料消耗量更直观地反映了燃料的利用效率，在50%负荷时大量的热量并没有用于做功，结合后续的燃烧及排放分析可得知此时两种燃料的燃烧并不充分，从而导致燃料消耗率过高。

由图6还可以看出，在任何工况使用甲醇均可以降低发动机的单位功成本，在25%负荷下最多可以实现18.22%的成本降低。柴油的热值为42.5 MJ/kg，甲醇的热值为19.93 MJ/kg，结合前文提到的燃料价格可得知，柴油的燃料成本为0.18元/MJ，甲醇的燃料成本为0.123元/MJ。甲醇汽化潜热为1.11 MJ/kg，是汽油汽化潜热的3.7倍，但仍然远低于甲醇热值本身，因此甲醇的成本优势非常明显。在保证甲醇在缸内可以充分汽化燃烧的前提下，任何替代率的甲醇均可带来发动机单位功成本的降低。

2.2 燃烧特性分析

图7展示了发动机在两种模式下的有效热效率及其变化情况，其中蓝色虚线代表双燃料模式相较于纯柴油模式的有效热效率变化情况。有效热效率的对比情况与等效燃料消耗量以及燃料消耗率类似。除50%负荷外，使用甲醇可以起到提高有效热效率的作用。在25%负荷时，甲醇替代率为36.25%，有效热效率提高8.23%；在75%负荷时，甲醇替代率为30.19%，有效热效率提高2.17%；在90%负荷时，甲醇替代率为18.44%，有效热效率提高8.17%。由此可知，有效热效率的提高与甲醇替代率并没有直接关系。在50%负荷时，双燃料模式的有效热效率相较于纯柴油模式时降低7.57%，此时替代率虽然达到了最高，但热效率却是各工况点最低，因此，对于甲醇-柴油双燃料发动机，如何兼顾发动机运行成本、有效热效率以及甲醇替代率将成为船用甲醇动力推广应用的一大课题。

图8a展示了两种模式下各个工况点出现的最大缸压，图8b展示了最大缸压出现时对应的曲轴转角。发动机最大缸压的高低与甲醇替代率的高低并没有直接关系。双燃料模式下发动机缸内混合物的发展过程可以大致分为柴油的燃烧、甲醇的汽化以及甲醇的燃烧。在本发动机中，甲醇在进气道喷射并与空气混合后进入缸内，因此缸内混合燃料的燃烧过程与柴油及甲醇的喷射正时有直接联系。

由图8a可知，25%负荷时，较高替代率的甲醇会使缸内温度迅速降低以致燃料燃烧不充分，最终导致双燃料模式的最大缸压降低，此时甲醇汽化吸热的影响大于甲醇对燃烧的促进作用。50%负荷和75%负荷时，缸内温度相较于25%负荷时有了一定的升高，但甲醇喷射量均超过70 kg/h，甲醇的汽化燃烧持续时间较长，导致压力升高的累积，从而导致最大缸压增大。90%负荷和100%负荷时，甲醇的喷射量远小于柴油的喷射量，且缸内温度足够引燃甲醇，此时甲醇燃烧与柴油燃烧关系的独立性增强，导致压力的累积效应减弱，使得最大缸压有一定程度的降低。

由图8b可知，除75%负荷外，双燃料模式最大缸压对应的曲轴转角均滞后于柴油模式，这是因为双燃料模式下柴油汽化、引燃甲醇需要一定的时间，从而造成最大缸压对应曲轴转角的滞后。75%负荷时发动机缸内温度较高，甲醇喷入缸内即可汽化甚至出现少量被点燃的情况，造成柴油燃烧与甲醇燃烧的重合，使最大缸压对应的曲轴转角提前。90%和100%负荷时缸内温度达到最高且甲醇的消耗量较小，甲醇在喷入缸内时即可被点燃，与柴油的燃烧联系较少，对发动机缸压上升的总体影响较小，缸压上升主要受柴油燃烧影响，因此最大缸压处对应的曲轴转角并未出现提前。

平均有效压力指的是单位气缸工作容积所做的有效功，是评判发动机动力性的重要参数。图9对比了发动机在双燃料模式以及柴油模式下的平均有效压力，可以看出双燃料模式下各工况点的平均有效压力均低于柴油模式时。其中，75%负荷时柴油模式的平均有效压力为1357 kPa，双燃料模式的平均有效压力为1213 kPa，此时两者相差最大为144 kPa；25%负荷时两者差距最小，柴油模式的平均有效压力为687 kPa，双燃料模式的平均有效压力为635 kPa，相差52 kPa。

平均有效压力是反映发动机做功输出的评判指标，尽管在两种模式负荷相同时所设定的转速、扭矩一样（即理论输出功率一致），但是燃料喷射的不稳定性、甲醇的不完全燃烧可能导致输出功率的下降。平均有效压力随负荷的变化曲线是接近线性的；甲醇的加入均会导致平均有效压力的下降，但下降程度的大小与替代率的高低没有绝对关系。甲醇的汽化潜热大，虽然甲醇的加入降低了缸内温度，减少了壁面传热损失，但是燃料蒸发雾化差导致不完全燃烧程度提高，最终导致双燃料模式的平均有效压力下降。

当发动机在燃烧过程中累计放热量达到5%、50%以及90%时，该时刻对应的曲轴转角被分别定义为燃烧始点CA05、燃烧放热重心CA50以及燃烧终点CA90。图10对比了发动机在两种模式下的CA05、CA50以及CA90。

从图10中可以看出，双燃料模式下CA05均有一定程度的曲轴转角滞后，在25%负荷时双燃料模式比柴油模式滞后最多，曲轴转角为5.34°；在100%负荷时双燃料模式比柴油模式滞后最少，曲轴转角为0.05°。但CA50受发动机运行工况的影响，呈现出低负荷提前、高负荷滞后的情况。双燃料模式的CA90均提前于柴油模式，提前的幅度大致接近，与替代率高低无直接关系。

甲醇的十六烷值较低，甲醇与柴油在缸内混合物的十六烷值低于柴油本身，使得混合物的着火性能差、燃烧粗暴，这导致燃烧始点的滞后与燃烧终点的提前。对于燃烧重心，在中低负荷时缸内温度较低，甲醇对缸内温度冷却的影响大于甲醇燃烧粗暴的影响，甲醇的加入会使燃烧重心滞后；而在中高负荷阶段缸内温度上升，甲醇替代率降低，混合燃料着火性能增强，此时甲醇燃烧粗暴的影响大于甲醇对缸内温度冷却的影响，造成燃烧重心提前。双燃料模式的CA90均提前于柴油模式，其中50%负荷时双燃料模式的CA90相较于柴油模式下提前最多（曲轴转角为3.62°），100%负荷时双燃料模式的CA90相较于柴油模式下提前最少（曲轴转角为2.41°），可见甲醇的加入均可使燃烧终点提前，这有利于适应发动机高转速运行且能对油门变化响应更加快速。

从CA05到CA90中间的过程被定义为燃烧持续期，燃烧持续期的长短对发动机的排放、燃烧效率有直接影响。图11对比了发动机在两种模式下的燃烧持续期（对应曲轴转角），可以看出双燃料模式在各工况点下的燃烧持续期均短于柴油模式，其中25%负荷时双燃料模式的燃烧持续期为9.16°，柴油模式的燃烧持续期为17.65°，两者相差最大为8.49°；100%负荷时双燃料模式的燃烧持续期为37.26°，柴油模式的燃烧持续期为39.72°，两者相差最小为2.49°。

甲醇的十六烷值为3~5，远小于传统燃油的十六烷值40~55，因此甲醇与柴油混合物的十六烷值相较于柴油有一定程度的降低，这导致混合物滞燃期延长，缸内的混合气更加均匀，预混燃烧速度增大，从而导致双燃料模式下的燃烧持续期缩短。甲醇的使用会缩短发动机的燃烧持续期，这虽然增强了发动机的机动性，但也可能造成排放差、燃烧效率低等问题^［15-16］。

2.3 排放特性分析

图12所示为发动机在两种模式的各工况点下CO₂、CO以及HC的排放情况对比。由单位量级可知，排放尾气中CO₂占据绝大部分，可以看出使用甲醇后尾气排放中CO₂除了100%负荷外均有一定程度的降低；双燃料模式下排放尾气中的CO和HC呈现出先增加后减少的趋势，但整体高于纯柴油模式下的趋势。CO和HC是烃类不完全燃烧的产物，主要受氧气浓度和缸内温度的影响。低负荷时发动机缸内温度偏低，燃料燃烧不充分；高负荷时发动机燃料喷射量大、发动机转速快但缸内体积有限，为达到同样热量更多的甲醇被喷入缸内，这导致燃料液滴与空气的混合程度较差，缸内局部缺氧的情况加剧，最终导致烃类的氧化反应不彻底^［16-17］。对含碳气体浓度变化的分析具有一定类似性，因此本文将3种气体在尾气中的浓度进行求和分析，得到了图13所示的含碳气体浓度（体积分数）对比。

图13中红色和黑色实线对比了两种模式下发动机CO₂、CO及HC这3种气体的排放之和，蓝色虚线展示了各工况下双燃料模式相较于纯柴油模式的降碳率。可以看出：低负荷时使用甲醇可以有效降低碳排放，最高可降低5%，但高负荷时即使较低替代率甲醇的加入也会增加碳排放。由甲醇及柴油的分子式及热值可以分析得知，每释放1 MJ的热量，柴油大约会释放0.0202 kg的碳，而甲醇会释放0.0188 kg的碳，原则上使用甲醇就一定会降低碳排放。但这与实验规律矛盾，参考文献［17］可知，高负荷时双燃料模式下发动机的碳烟排放会降低，甲醇会抑制碳烟的生成，从而导致更多的含碳气体释放。这也与图11中展示的高负荷工况下双燃料模式下CO₂、CO、HC的排放均较高的规律相符，也是双燃料模式下含碳气体排放在75%、90%及100%负荷均高于纯柴油模式下的原因。

图14a展示了两种模式下尾气排放中的NO _x 含量和O₂含量的对比情况。可以看出：全工况下发动机的NO _x 排放均大于0.1%，在25%~75%负荷间双燃料模式下的NO _x 排放均低于柴油模式。25%负荷下两种模式的NO _x 排放均为最高，其中双燃料模式下的NO _x 排放为0.1356%，柴油模式下的NO _x 排放为0.1477%；100%负荷下两种模式的NO _x 排放均为最低，其中双燃料模式下的NO _x 排放为0.1101%，柴油模式下的NO _x 排放为0.1051%。与此同时，双燃料模式下尾气中的O₂含量均高于柴油模式，如图14b所示。

发动机工作中，NO _x 的生成需要满足高温、富氧和燃烧反应持续时间三个条件。25%~75%负荷下，双燃料模式下尾气中的NO _x 均低于纯柴油模式，但双燃料模式下排放尾气的O₂含量与纯柴油模式下的差值不低于0.39%，远高于90%及100%负荷下的氧含量差值，分别为0.15%及0.01%。由此可认为此时缸内即便有较为充足的氧气，但大量甲醇的加入降低了缸内温度，从而削弱了NO _x 的生成条件；在高负荷时甲醇替代率较低，且缸内温度进一步升高，这导致缸内的N₂能够充分与O₂发生反应，从而导致NO _x 排放升高。

3 结论

1）在推进特性工况点上，柴油模式的燃料消耗量与双燃料模式的等效燃料消耗量近似，但甲醇的使用会降低单位功成本，使发动机的燃油经济性得到了提升。

2）甲醇的使用会使燃烧始点滞后、燃烧终点提前，缩短了燃料的燃烧持续期；甲醇的不完全燃烧会导致总热值的下降，进而导致双燃料模式下各工况点平均有效压力均有一定程度的下降。

3）双燃料模式的CO与HC排放均高于柴油模式，呈现出先增加后减少的趋势，发动机在两种模式下的NO _x 排放均随着发动机负荷的增大而降低，但高负荷工况下双燃料模式的NO _x 排放高于柴油模式。

4）试验研究具有较高的时间、经济成本，同时试验结果易受到环境因素影响。在未来的研究中将综合使用建模仿真手段，对船用甲醇双燃料发动机开展系统的仿真研究，以期对船用甲醇动力的发展起到一定的指导作用。

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基金资助

山东省自然科学基金(ZR2024QE250)

哈尔滨工程大学新兴方向培育专项计划(3072024XX2721)