船舶是全世界重要的交通运输工具，目前我国的通航里程超过了12.7万公里，2017年末全国拥有水上运输船舶14.49万艘和59.93万艘的机动渔船^[1]。柴油机因动力性强，经济性好，热效率高，稳定性高等原因成为了船舶的主要动力^[2]。但是随着我国石油对外依赖度的日渐升高和船舶排放法规的日趋严格^[3]，高排放的传统柴油机越来越难满足未来船舶对动力系统的要求，因此寻找清洁可再生的替代能源已成为现阶段的研究热点^[4-5]。

目前国内外将船舶替代燃料的更多焦点聚焦在天然气和生物柴油上^[6-7]，虽然天然气和生物柴油能够减少船舶发动机有害污染物排放^[8-9]，在我国“少气”的能源结构^[10]和生物资源不足的国情面前，其发展前景还是令人担忧。甲醇作为一种结构简单的高含氧燃料，其燃烧清洁无污染；另外甲醇来源广泛，煤炭、天然气、生物质等均可制得^[11]，并且CO₂加氢制取的方法取得了长足的进步^[12-13]；再加上我国甲醇产能居全球首位，因此甲醇作为船舶发动机的替代燃料有着较大的潜力。

由天津大学以车用柴油机为基础研发的柴油/甲醇组合燃烧(DMCC)技术，利用甲醇的高气化潜热、高含氧量、燃烧速度快等特性实现了同时大幅降低NO_x和PM排放的目的^[14-15]。但目前较少见到船舶发动机应用DMCC技术的研究报道，因此为了使船舶发动机能够更好地应对能源危机和环境压力，本研究在一台高速船用柴油机上应用了DMCC技术，探究了其燃烧与排放特性。

1 试验设备与步骤 1.1 试验设备

试验是在一台直列六缸四冲程增压中冷的船舶发动机上进行的，技术参数见表 1。该款发动机采用了高压共轨燃油喷射系统。该款发动机主要安装于内河船、沿海船、江海直达船、海峡[渡]船和渔船等船型上。发动机主要性能参数见表 1。

试验前先将本船舶柴油机进行DMCC模式的改装。在柴油机的进气总管上安装了3个甲醇喷嘴，由一个甲醇泵为其提供压力为0.45 MPa的甲醇。甲醇的喷射量和喷射时间由自主开发的甲醇电控单元(ECU)进行控制，增加的甲醇供给与喷射系统与原机的燃油供给系统完全独立。试验用柴油为含硫量小于10 ppm的市售国Ⅵ柴油，甲醇为纯度99.9%的工业甲醇，两者的主要性能对比如下表 2所示。为防止甲醇所具有的腐蚀性，试验中用到的各涉醇部件均采用耐醇设计。试验中用INCA 7.0监控发动机柴油的实时喷射参数，用2台相同的油/醇耗仪分别测量柴油和甲醇质量流量。Kistler 6125CU20压力传感器结合AVL 612 IndiSmart燃烧分析仪能够监控缸内燃烧情况；ToCeiL20N150进气质量流量计用来测量发动机的进气流量；AVL415滤纸试烟度计用来测量PM排放，Horiba MEAX 7100DEGR和Horiba MEAX 6000FT分别用来测量发动机常规和非常规气体排放。具体的台架试验系统如图 1所示。

1.2 试验模式和步骤

本试验是在不改变原发动机柴油标定MAP的条件下进行的。试验时，测功机使用“扭矩-转速”模式，发动机先采用纯柴油模式达到目标工况点，进行纯柴油模式试验(无DOC)，测量发动机的燃烧与排放的情况。然后通过甲醇ECU将甲醇喷入到发动机的进气总管中，进行双燃料模式实验。由于甲醇参与燃烧，测功机为控制发动机的转速和扭矩不变会主动通过减少油门踏板开度的方式来降低柴油的循环喷射量，从而达到了甲醇替代柴油的目的。通过燃烧分析仪观察缸内的燃烧情况，控制发动机的缸压、压力升高率和各缸循环变动情况在规定的安全范围内，逐步增加甲醇的喷射量，直至发动机达到最大甲醇替代率。试验过程中发动机低温冷却水泵一直循环，高温冷却水由电磁比例阀调节控制其温度在78 ℃附近，燃油温度保持在30 ℃附近。

试验工况点是按照《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)》中规定的船舶发动机推进特性4个循环工况点进行选择的，具体参数如下表 3所示。

将发动机改装为双燃料发动机后，甲醇对发动机功率的贡献量用甲醇替代率R_M表示，替代1 kg柴油所需消耗的甲醇量用替换比U_M表示。替代率和替换比的计算方法为：

$ R_{M}=\frac{M_{D}-M_{d}}{M_{D}} \times 100 \% $

(1)

$ U_{M}=\frac{M_{M}}{M_{D}-M_{d}} $

(2)

式中：R_M为甲醇替代率；U_M为替换比；M_D为纯柴油模式下的柴油消耗量，kg/h；M_d、M_M分别为同一工况双燃料模式下的柴油消耗量和甲醇消耗量，kg/h。

2 燃烧情况分析 2.1 100%功率点燃烧分析

图 2为纯柴油模式和双燃料模式下100%功率点缸压、放热率、压升率和缸内平均温度对比曲线。由缸压曲线可知，双燃料模式下压缩冲程的缸内压力明显低于纯柴油模式。在试验中对发动机的标定数据没有进行更改，随着甲醇的加入使得柴油的喷油时刻提前，纯柴油模式时喷油时刻为-5.6℃A ATDC，而双燃料模式时喷油时刻为-7.9℃A ATDC，喷油时刻的前移使得燃烧相位前移；同时，双燃料模式下燃烧一半燃料放热对应的曲轴转角(CA50)较纯柴油模式下提前了4.5℃A，而且双燃料模式峰值放热率明显高于纯柴油模式，燃烧更加集中且更靠近上止点。

从图 2中还可以看出，双燃料模式下，最大缸压明显高于纯柴油模式，最大压力升高率也高于纯柴油模式，这是由于放热率峰值明显高于纯柴油模式，且更接近上止点，明显提升了燃烧的等容度。此外，主燃烧期内，双燃料模式的缸内平均温度明显高于纯柴油模式，这是由于双燃料模式下放热速率明显增加，累积放热量增加。

2.2 50%功率点燃烧分析

图 3为纯柴油模式和双燃料模式下50%功率点缸压、放热率、压升率和缸内平均温度对比曲线图。与上面工况点相同，双燃料模式下压缩阶段的缸内压力明显低于纯柴油模式，而最大缸压明显高于纯柴油模式。不同的是，双燃料模式的着火时刻较纯柴油模式大幅提前，这是由于柴油ECU标定MAP在油量较小工况时的喷油时刻较早，同时增加了预喷策略，而在大油量工况喷油时刻较晚，没有采用预喷策略。该工况下，甲醇的替代率达到了55%，纯柴油模式时，发动机运行在大油量区间，当甲醇喷入后，柴油的循环油量下降，发动机工作在小油量区间，这时喷油时刻提前，同时还有预喷策略，因此使得该工况下的着火时刻大幅提前。

从图 3中还可以看出，双燃料模式下最大压力升高率超过了0.4 MPa/(°)，最大压力升高率所对应的曲轴转角也较纯柴油模式大幅提前。双燃料模式下的缸内平均温度也明显高于纯柴油模式。

3 排放分析 3.1 CO排放分析

图 4为发动机4个工况点不同模式下的CO比排放。由图可知，纯柴油模式下4个工况点的CO排放量均较低，其加权CO排放量为0.69 g/(kW·h)。双燃料模式无DOC的模式下，CO排放量在不同功率点时都较高，其中75%功率点时达到了11.57 g/(kW·h)。其原因有2点：1)由于甲醇喷入时较高的汽化潜热使缸内温度降低，使缸内淬熄层的厚度增加，甲醇的火焰传播很难到达这个区域；2)双燃料模式下的滞燃期延长^[16-17]，主燃烧相位提前，燃烧后期缸内温度将低，导致不完全燃烧和较高的CO排放^[18-19]。在全负荷工况下CO排放较低，这是由于缸内温度较高，有利于CO的后期氧化。双燃料模式有DOC的条件下，CO排放量极低，4个工况点的加权CO排放量为0.02 g/(kW·h)，而无DOC的条件下4个工况点的加权CO排放量为9.02 g/(kW·h)，DOC的转化效率达到了99.77%。

3.2 HC排放分析

图 5为发动机4个工况点不同模式下的当量HC比排放。由图 5可知，双燃料模式无DOC的情况下HC排放量远高于纯柴油模式，同时随着功率的增加，HC的排放量逐渐减少。造成此现象的原因有以下几点^[18-19]：1)扫气的影响，双燃料模式下进入气缸的新鲜充量是空气与甲醇的预混气，在扫气过程中少量未燃混合气直接从排气门排出缸外；2)双燃料模式下甲醇与空气混合后进入气缸，在整个进气和压缩冲程中甲醇停留缸内时间长，存在的壁面冷激效应和狭隙效应等都会增加HC排放；3)柴油机气缸周围的过量空气系数较大，使得甲醇以未然HC的形式排出，小负荷时尤甚。

从图中还可以看出，纯柴油模式下HC排放量较低，4个工况点加权的HC排放量为0.1 g/(kW·h)；双燃料模式有DOC的情况下4个工况点的HC排放量均为0 g/(kW·h)，而无DOC时4个工况点加权的HC排放量为2.79 g/(kW·h)，DOC的转化效率达到了100%。

3.3 NO_x排放分析

图 6和图 7为发动机4个工况不同模式下的NO_x排放量和当量NO_x比排放对比图。从图中可以看出，双燃料模式DOC之后的NO_x排放量要高于纯柴油模式，但是在除50%功率点外，双燃料无DOC之后的当量NO_x比排放低于纯柴油模式，其主要原因可能在于：双燃料模式下燃烧相位早于纯柴油模式，后燃比例降低，排气温度降低，这使得双燃料模式时的发动机进气量要低于纯柴油模式，从而导致了排气流量的减少，进而导致了比排放的降低。双燃料模式主燃烧期时的燃烧持续期明显缩短，从而限制了NO_x排放生成。50%功率点时由于双燃料模式时的主放热时刻更接近上止点，缸内温度升高较多，因此NO_x排放量有所增加。

3.4 PM排放分析

图 8为发动机4个工况点不同模式下的当量PM比排放。前人研究表明，柴油甲醇组合燃烧方式会大幅降低烟度排放^[20-21]，其主要原因首先为甲醇含氧，燃烧时清洁无污染，甲醇的加入替代了部分柴油，使参与燃烧的柴油量减少；另外甲醇对柴油的抑制作用使滞燃期延长，预混燃烧比例增加，扩散燃烧比例减少，从而使PM排放降低。本试验中，由图 8可知，50%功率点时PM排放较纯柴油模式有较大降幅，其余3个工况点双燃料模式和纯柴油模式的PM排放相差不大，甚至在加装DOC的条件下还有增加的现象。其原因主要为本试验未改变原机ECU参数，原柴油标定MAP在中小油量区间的喷油压力要低于大油量区间的喷油压力，双燃料模式时甲醇的加入减少了部分柴油，因此降低了此时柴油喷油压力，使柴油雾化不良增加了PM排放。对于50%功率点而言，该工况点的替代率达到了55%，使喷进的柴油量大幅减少，从而降低了PM排放。双燃料模式下，在增加DOC的情况下PM排放略有增加的原因一方面可能是由于DOC的使用增加了排气背压，而导致PM的生成。

3.5 甲醛排放分析

前人研究表明，采用柴油/甲醇组合燃烧方式会使柴油机增加甲醛的排放，其主要原因为甲醇的不完全氧化反应生成了甲醛^[22]。图 9为船舶发动机4个工况点不同模式下的当量甲醛比排放。由图 9可知，船舶发动机在采用柴油/甲醇双燃料燃烧后的甲醛排放量也会升高，4个工况点加权排放量为2.04 g/(kW·h)。但经过DOC后处理器后的甲醛排放大幅降低，4个工况点加权排放量为0.016 g/(kW·h)，DOC后处理器对甲醛的氧化效率达到了99.2%。

3.6 加权排放分析

表 4为发动机推进特性4个工况点的加权比排放。由表可知，双燃料模式无DOC的情况下HC、CO和甲醛排放较高，但在有DOC的情况下HC排放为0，CO排放仅为国Ⅰ排放限制的0.4%，甲醛排放低于纯柴油模式。总之，在不改动原机ECU数据的前提下，双燃料模式可以满足国Ⅰ排放标准。

4 油耗特性分析 4.1 替代率和替换比分析

图 10为满足国Ⅰ排放限值的柴油甲醇双燃料发动机在推进特性4个工况点下的替代率和替换比。由图可知，4个工况点中50%和25%功率点的替代率超过了50%，其中50%功率点的替代率达到了55.21%，25%功率点的替代率为50%，100%功率点由于最大缸压的限制而限制了替代率。4个工况点的替换比都低于理论替换比2.16(理论替换比是依据甲醇热值与柴油热值计算，2.16 kg甲醇的热值等于1 kg柴油的热值)，且在100%功率点时替换比最低，仅为1.58。由此表明船舶发动机采用柴油甲醇组合燃烧模式能够提高发动机的热效率。

4.2 当量比油耗分析

为比较不同燃料模式下发动机的当量比油耗(BSFC)，采用以下公式计算其当量比油耗：

$ \mathrm{BSFC}=\frac{H_{L M} \times M_{M}+H_{L D} \times M_{D}}{H_{L D} \times P_{e}} \times 1\;000 $

(3)

式中：H_LD和H_LM分别是柴油和甲醇的低质量热值，kJ/kg；M_D和M_M分别是柴油和甲醇的消耗量，kg/h；P_e为发动机的有效功率，kW。

图 11为推进特性4个循环不同模式下BSFC对比图。由图 11可知，纯柴油模式的BSFC均高于210 g/(kW·h)，而DMCC模式无DOC的BSFC均低于210 g/(kW·h)，其中50%功率点的BSFC仅为191.63 g/(kW·h)，较纯柴油模式降低了11.97%。

纯柴油模式4个工况点的加权BSFC为215.2 g/(kW·h)，双燃料模式无DOC的加权BSFC为203.44 g/(kW·h)，双燃料模式有DOC的加权BSFC为204.79 g/(kW·h)。整体而言，各工况点双燃料模式的BSFC都低于纯柴油模式。

5 结论

1) 双燃料模式时的燃烧相位都较纯柴油模式时有所提前，主放热时刻更接近上止点，最大缸压、放热率峰值和最高压升率都较纯柴油模式时高。

2) 双燃料模式无DOC时的CO、HC和甲醛排放较高，但在加装DOC之后几乎可以将其完全消除。

3) 在不改动原机柴油ECU标定数据的条件下，发动机双燃料模式加DOC时可以满足国Ⅰ排放标准。大部分加权排放指标都低于纯柴油模式，PM与纯柴油模式时相当。

4) 除100%功率点外，其余工况点下的甲醇替代率均高于40%。4个工况点的替换比均低于理论替换比。发动机双燃料模式时的油耗特性优于纯柴油模式，其中50%功率点无DOC时比油耗较纯柴油降低了11.97%。