趙 睿，許樂平，蘇祥文，王忠誠

(1. 上海海事大學(xué) 商船學(xué)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(nèi)外學(xué)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(nèi)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(yīng)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(nèi)燃機。柴油機作為當(dāng)前船舶應(yīng)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(nèi)以柴油機為基礎(chǔ)的發(fā)動機在船舶動力裝置領(lǐng)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(lǐng)域開始應(yīng)用[7]。但是天然氣燃燒速率低，導(dǎo)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(biāo)的困境。

氫氣（Hydrogen）被譽為21 世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源[9-10]，是公認(rèn)的清潔能源，其燃燒速度是天然氣的8 倍，可提高缸內(nèi)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(zhì)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(xué)性質(zhì)如表1 所示[12]。

DNH 三燃料發(fā)動機結(jié)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(nèi)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(nèi)壓力，如圖1 所示。研究指出，當(dāng)氫氣含量增加時，會產(chǎn)生更高的火焰速度，缸內(nèi)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(zhì)脫礦、牙周組織破壞、牙根吸收、黏膜潰瘍、牙齒松動、牙髓反應(yīng)的發(fā)生例數(shù)，并計算不良反應(yīng)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(nèi)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(nèi)壓力的模擬計算結(jié)果Fig. 1 Simulation calculation results of cylinder pressure with different fuel ratios

圖2 不同燃料比例下缸內(nèi)壓力的實驗結(jié)果Fig. 2 Experimental results of cylinder pressure with different fuel ratios

這些研究認(rèn)為缸內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)溫度的影響，柴油質(zhì)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(jié)果顯示氫含量越高，缸內(nèi)溫度提升越明顯，如圖3所示。研究認(rèn)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(nèi)化學(xué)反應(yīng)和點火延遲時間，從而導(dǎo)致缸內(nèi)溫度相應(yīng)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(jié)果。

2.3 放熱率

圖3 不同燃料比例的缸內(nèi)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(zhuǎn)角的燃燒放熱量。放熱率與缸內(nèi)壓力、溫度結(jié)合使用可以更好地表現(xiàn)燃燒行為。Talibi 等[19]的研究結(jié)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(jié)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(zhuǎn)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?jǐn)?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?jǐn)?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(fēng)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(jié)果顯示，在所有發(fā)動機負(fù)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(fù)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(jié)論一致，這是由于這些負(fù)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(jié)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(jié)果。對于高負(fù)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(jié)果顯示，關(guān)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(fù)載均獲得了最高的BTE。

圖5 不同發(fā)動機負(fù)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(nèi)CO 的濃度的變化，結(jié)果如圖6 所示?？芍S著發(fā)動機負(fù)荷的增加（通過增加CH4-H2混合物的供應(yīng)）缸內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(dāng)氣態(tài)燃料中氫含量較高時，CO 排放量會減少，這些結(jié)果與Gatts 等[22]的結(jié)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(biāo)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(xué)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(jié)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(jié)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(guān)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(yīng)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(chǔ)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(yù)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，從柴油到CNG 的燃料轉(zhuǎn)換導(dǎo)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(yīng)，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(dǎo)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(dāng)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(dǎo)致較高的NO 排放。由于影響NOx 形成的因素有缸內(nèi)溫度和燃燒反應(yīng)時間等[26-27]，而氫氣更高的火焰速度和更顯著的預(yù)混燃燒提高了缸內(nèi)溫度，燃燒室中較高的NOx 生成率是由于在預(yù)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(fù)載和CH4-H2混合比例下，氣缸內(nèi)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(dāng)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(dǎo)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(nèi)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(rèn)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(fù)載敏感的燃燒特性（如燃燒持續(xù)時間等），在不同負(fù)荷及燃料比例條件下的PM 排放如表2所示?？梢钥闯觯诘桶l(fā)動機負(fù)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(jié)果與P.Raman[29]，C.Abagnale[30]的研究一致。在發(fā)動機高負(fù)荷條件下使用三燃料（H75-M25）時，PM 減少超過55%。研究認(rèn)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(fù)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(xué)動力學(xué)研究

鑒于當(dāng)前計算機的運算能力，對發(fā)動機氣缸內(nèi)燃燒過程進行數(shù)值模擬，就需要對燃料的詳細化學(xué)動力學(xué)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(yīng)的 DNH 三燃料機理，通過敏感性分析和重要組分分析，調(diào)整化學(xué)動力學(xué)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(chǔ)。之后，張韋等[33]運用CFD 耦合柴油/天然氣/氫氣三燃料化學(xué)動力學(xué)機理，以及CHEMKIN 化學(xué)動力學(xué)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(diào)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(dāng)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(yīng)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(yīng)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(shù)，相繼頒布一系列規(guī)劃與標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)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(shù)和價格的因素，其在大型遠洋船舶上的應(yīng)用將難以推廣。

2018 年，韓國學(xué)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(dāng)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(yīng)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(shù)，可以成為船東和航運業(yè)（特別是在遠洋航運領(lǐng)域）適應(yīng)能源轉(zhuǎn)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(yīng)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(diào)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(dāng)前氫氣價格和存儲技術(shù)的限制，該類發(fā)動機在經(jīng)濟性方面尚無優(yōu)勢。可喜的是，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(gòu)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(zhuǎn)型中發(fā)揮核心作用，預(yù)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(yán)苛和IMO 脫碳計劃等政策的影響，結(jié)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(yīng)用。