0 引　言

随着环境恶化和环保意识增强，船舶发动机尾气排放越来越受到各国政府和海事组织的关注，防止船舶造成空气污染的排放控制日益严苛^[1-2]。航运界探索了许多方法减少船用发动机排放，例如混合燃烧不同性质的清洁燃料^[3]。受到IMO 2050脱碳计划（到2050年把海运二氧化碳排放量减少到2008年的50%）的影响，船用LNG动力发动机也将面临尾气排放不达标的困境。因此，氢能作为未来能源变革的重要组成部分^[4]，有望成为航运业低碳转型重要突破口^[5]。

鉴于船用发动机对可靠性、机动性、环保性和经济性的要求，将目前较为成熟的LNG动力发动机改进为氢-天然气-柴油（HND）三燃料发动机成为船用发动机的一个潜在选项。近几年，氢-天然气-柴油三燃料发动机成为国内外学者的研究热点，并取得了很多有益的成果。本文针对HND三燃料发动机的国内外研究进展，针对其燃料特性、发动机燃烧性能、排放性能、在舰船方面的应用等方面进行分析，展望此类船用发动机在未来可能的发展趋势。

1 HND三燃料的特性

柴油（Diesel）是传统船舶发动机燃料，十六烷值高，可通过压缩点火启动内燃机。柴油机作为当前船舶应用最广泛的主动力装置，具有操作简单、可靠性高、经济性好等优点。在未来很长时间内以柴油机为基础的发动机在船舶动力装置领域仍将具有一定优势，但单纯以柴油为燃料的发动机尾气污染物排放高，环保性差。

天然气（Natural gas）是一种清洁燃料^[6]，主要成分为甲烷（CH₄，约99%），具有燃烧清洁、辛烷值高、资源丰富及价格低廉等优点，是船用发动机的理想替代燃料。目前以液化天然气（LNG）和柴油为燃料的双燃料发动机已经在船用发动机领域开始应用^[7]。但是天然气燃烧速率低，导致LNG动力发动机在动力性等方面略有损失^[8]，并且受到IMO 2050脱碳计划的影响，LNG动力船也将面对尾气难以达标的困境。

氢气（Hydrogen）被誉为21世纪最具发展前景的二次能源^[9-10]，是公认的清洁能源，其燃烧速度是天然气的8 倍，可提高缸内火焰速度和温度，从而提高燃烧效率和机动性，并且可以降低HC和CO等物质排放^[11]。然而，由于目前氢气价格较高，单独使用氢气作为远洋船舶的发动机燃料并不现实。在此背景下，氢与其他燃料的混合使用更具现实意义。

氢气、天然气、柴油3种燃料的物理和化学性质如表1所示^[12]。

DNH三燃料发动机结合了氢气、天然气和柴油3种燃料的特点，有望平衡船用发动机的可靠性、动力性、环保性和经济性。

2 DNH三燃料发动机的燃烧性能研究 2.1 缸内压力

Alrazen，HA等^[13]对一个单缸发动机进行CFD建模研究，通过数值模拟计算气体燃料（氢气和天然气）在不同混合比（H30-N70，H50-N50和H70-N30）条件下发动机的缸内压力，如图1所示。研究指出，当氢气含量增加时，会产生更高的火焰速度，缸内压力上升趋势更快。

Wojciech Tutak^[14]和Abu-Jrai，AM^[15]等将柴油机改装为可以同时燃烧3种燃料（柴油、氢气和甲烷）的发动机，通过实验分析了不同燃料比例对燃烧特性的影响。研究发现，仅在柴油机中添加天然气，缸内压力的峰值比纯柴油模式有所降低，加入氢气后压力峰值随氢气比例增加而提升，如图2所示。

这些研究认为缸内压力升高是由于之前天然气火焰传播速度低，将氢气加入可以使燃烧火焰加速，这有助于提高发动机效率^[16]。研究还指出，氢气可以改善柴油和CH₄的燃烧，天然气可以避免氢气不受控制的燃烧（缸内压力暴增），提高了三燃料发动机的安全性和耐用性^[17]。

2.2 缸内温度

Abu Mansor等^[18]使用Ansys Fluent软件模拟计算分析了氢-甲烷-柴油混合比的变化对直喷柴油机缸内温度的影响，柴油质量比例分别为40%，50%和60%，剩余燃料比例通过H₂/CH₄的各种混合进行模拟计算，结果显示氢含量越高，缸内温度提升越明显，如图3所示。研究认为，在相同的能量替代率下，氢气的添加会改变柴油机的缸内化学反应和点火延迟时间，从而导致缸内温度相应增加，甲烷的好处是可以避免温度急剧上升等现象。Wojciech Tutak^[13]和Abu-Jrai^[14]的实验研究佐证了这一研究结果。

2.3 放热率

燃烧放热率（HRR）是混合燃料在单位时间或单位曲轴转角的燃烧放热量。放热率与缸内压力、温度结合使用可以更好地表现燃烧行为。Talibi等^[19]的研究结果显示，氢气比例高（20%CH₄∶80%H₂）的燃料比氢气比例低（80%CH₄∶20%H₂）的放热率增加速率快很多，如图4所示。Abu Mansor等^[18]的研究结果也表明，随着氢气百分比的增加，三燃料混合气体的放热率首次增加发生在较早的曲柄角上，这是由于氢气火焰速度快于甲烷。

Wojciech Tutak等^[13]的研究发现，相对于纯柴油燃料，天然气-柴油双燃料的燃烧过程会有明显的点火延迟，放热率峰值要晚10多个曲轴转角，氢气-天然气-柴油三燃料的燃烧消除了这种不利影响。但是作者也指出，发动机中氢气能量分数的极限取决于其产生爆震的倾向，在该研究测试发动机中，氢能分数的极限为19%。

2.4 有效热效率（BTE）

Ouchikh等^[20]将1台单缸Lister Petter（TS1）柴油风冷发动机进行改造，研究了NG-H₂-Diesel三燃料模式对有效热效率（BTE）变化的影响，如图5所示。结果显示，在所有发动机负载下，与双燃料、三燃料模式相比，纯柴油模式BTE较高。在发动机低负荷下，NG-Diesel双燃料模式热效率与纯柴油模式差距较大，这与M.S. Lounici^[21]的研究结论一致，这是由于这些负载稀薄燃烧能力差。但是，通过添加H₂可以减少BTE的这种差异，结果表明，与NG双燃料运行相比，在NG-H₂-Diesel三燃料模式下几乎所有氢气浓度下都有增强。这是由于氢气的燃烧特性对气体燃料燃烧改善和燃烧速率提高的结果。对于高负载，与纯柴油运行相比，NG-H₂-Diesel三燃料模式的BTE差距稍微缩小。研究结果显示，关于NG-H₂-柴油三燃料混合模式中氢气浓度的影响，在10%的氢含量时，所有负载均获得了最高的BTE。

3 DNH三燃料发动机的排放性能研究 3.1 一氧化碳（CO）

一氧化碳是燃料中碳原子不完全燃烧的副产物，是发动机尾气排放中危害人体健康的成分。Talibi等^[19]在直接喷射压缩点火式发动机上燃烧由柴油引燃的甲烷-氢气混合物的实验研究，分析了三燃料发动机在不同CH₄-H₂混合比例下，气缸内CO的浓度的变化，结果如图6所示。可知，随着发动机负荷的增加（通过增加CH₄-H₂混合物的供应）缸内CO的浓度先增加后减少，同时发现，氢气比例高的燃料混合物产生的缸内CO浓度低于氢气比例低的。

Wojciech Tutak等^[13]的研究则显示随着气体燃料的添加CO排放量从纯柴油的1.8%大幅降低至0.08%，但增加氢气比例未发现对CO排放有明显影响；Abu Mansor等^[18]的研究显示当气态燃料中氢含量较高时，CO排放量会减少，这些结果与Gatts等^[22]的结果相似。将氢气添加到甲烷中扩大了甲烷的可燃性，有助于在减少CO排放的同时提高燃烧稳定性。

3.2 温室气体（CO₂和CH₄）

二氧化碳（CO₂）是碳元素充分燃烧的产物，是温室气体，将加剧全球气候变暖，CO₂是发动机节能减排的重要目标之一。在增加氢气比例可以降低三燃料发动机CO₂排放这方面，学者们基本上形成了共识：Alrazen等^[17]的研究通过数值模拟计算出发动机在双燃料和三燃料操作下的CO₂排放，如图7所示。结果表明，随着氢气比例的增加，二氧化碳排放显著降低。Wojciech Tutak^[13]，Korakianitis等^[23]的通过发动机实验研究印证了这一结论，这主要是由于燃料中的碳含量被氢直接替代所致。值得关注的是，由于发动机气阀重叠等原因，NG-Diesel双燃料发动机通常会产生甲烷逃逸，而CH₄所引起的温室效应比CO₂高20倍^[24]，DNH三燃料可以大为减少温室气体排放。

3.3 THC总碳氢（THC）

刘世文等^[25]在分析柴油/CNG 双燃料发动机高THC 排放来源的基础上，提出“柴油/CNG 双燃料发动机加氢燃烧”的概念，研究发现THC 排放随H₂比例的增大而迅速降低。这一方面是由于氢气本身燃烧后并不产生HC，另一方面是由于CNG 中掺烧H₂后，预混合气的火焰传播速度大大加快，使燃烧持续期变短，THC的氧化时间更充分，而且加入氢气使得混合气的淬熄距离变长减少了顶岸容积中的未燃HC 含量，进一步降低了THC 的排放量。

Wojciech Tutak等^[13]的研究结果发现，从柴油到CNG的燃料转换导致THC排放显着增加了2.5倍以上，这主要是由于所谓的缝隙效应，即天然气与空气形成混合物一部分被迫进入燃烧室的间隙中，间隙导致火焰熄灭增加了THC排放。氢气的添加可以降低THC排放量，当氢的比例为19%时，THC排放降低到常规发动机排放水平，即大约100 ppm。虽然燃烧过程中氢气比例更高将进一步降低THC排放量，但是会有周期性的变化和明显爆震的发生。

3.4 氮氧化物NOx

Abu Mansor^[18]和Abu-Jrai等^[14]的研究显示混合物中较高的氢气含量导致较高的NO排放。由于影响NOx形成的因素有缸内温度和燃烧反应时间等^[26-27]，而氢气更高的火焰速度和更显著的预混燃烧提高了缸内温度，燃烧室中较高的NOx生成率是由于在预混燃烧阶段燃烧室中的高温^[28]。Talibi等^[19]研究了三燃料发动机在各种负载和CH₄-H₂混合比例下，气缸内NOx的浓度随平均指示压力（IMEP）的变化，如图8所示。研究显示当混合物中氢气的比例较高时，NOx排放量的上升速度更快，这是由于燃烧更接近上止点（TDC），从而导致更高的气体温度，增加了NOx的生成率。

3.5 颗粒物排放（PM）

Abu-Jrai等^[14]研究了发动机在H₂-CH₄和传统柴油三燃料模式运行下的PM浓度，认为PM排放水平和趋势不仅取决于燃料特性，还取决于对发动机负载敏感的燃烧特性（如燃烧持续时间等），在不同负荷及燃料比例条件下的PM排放如表2所示。可以看出，在低发动机负荷下，（H25-M75）的颗粒物比（H75-M25）和（H50-M50）的显著增加，该结果与P.Raman^[29]，C.Abagnale^[30]的研究一致。在发动机高负荷条件下使用三燃料（H75-M25）时，PM减少超过55%。研究认为PM排放降低主要是因为氢气显着提高了气缸压力和温度，从而减少了颗粒物的形成^[31]。

4 DNH三燃料发动机其他方面的研究 4.1 化学动力学研究

鉴于当前计算机的运算能力，对发动机气缸内燃烧过程进行数值模拟，就需要对燃料的详细化学动力学机理进行简化。张韦等^[32]将简化天然气 GRI3.0 机理、柴油替代机理 95/5，vv与氢气详细机理以及污染物生成模型组合，得到了一种含79种组分244 步反应的 DNH 三燃料机理，通过敏感性分析和重要组分分析，调整化学动力学参数，并对 DNH机理进行了验证，为今后对于三燃料发动机的数值模拟提供了基础。之后，张韦等^[33]运用CFD 耦合柴油/天然气/氢气三燃料化学动力学机理，以及CHEMKIN 化学动力学分析的方法，对柴油/天然气双燃料发动机掺烧氢气的燃烧特性、重要组分及排放物生成过程进行了数值模拟。

4.2 压缩比对三燃料发动机的影响

Tangoz等^[34]将1台3.9 L五十铃牌柴油机改装成H₂-CNG-柴油三燃料发动机，通过改变富氢压缩天然气（HCNG）混合物（100%压缩天然气，95%压缩天然气+ 5%的氢气，90%的天然气）的比例（H₂和CNG分别存储在2个气瓶中，由气体燃料混器调节），研究了不同压缩比（9.6，12.5和15）对发动机动力性能和排放特性的影响。发现随着压缩比的增加以及向CNG中添加氢气，最大气缸压力和放热率值接近上止点。该研究建议当CR值为9.6时，可以使用5%或10%的氢气比例改变柴油发动机的动力性能和排放性能。

5 DNH三燃料发动机在船舶方面的应用

近十年来，受到IMO限硫规定的推动，LNG双燃料发动机为主机的LNG动力船的数量呈现快速增长^[35-36]。同时，各国政府相继出台政策，例如我国已明确将LNG作为清洁节能环保能源在水运应用的大方向。未来几年使用LNG双燃料发动机的大型船舶将达到可观的规模。但是，在航运业2050脱碳计划下，船用LNG-Diesel双燃料发动机未来将面临难以实现碳减排要求的困境。

近几年，一些国家和地区开始探索船用氢燃料电池推进技术，相继颁布一系列规划与标准，引导并支持氢燃料电池船舶产业发展^[37]。但是由于氢燃料电池技术和价格的因素，其在大型远洋船舶上的应用将难以推广。

2018年，韩国学者提出了一种液化天然气-液化氢气（LNG-LH₂）混合动力推进系统^[38]，用于267 000 m³ 液化天然气运输船，并对其进行了评估。该船推进系统由LNG双燃料电力推进（DFDE）发动机和燃料电池推进器混合而成。

当前，船用H₂-NG-Diesel三燃料发动机仍在实验室研究探索阶段，尚未在船上应用。由于此类发动机燃料灵活性和连接不同燃料使用的技术，可以成为船东和航运业（特别是在远洋航运领域）适应能源转型和为低碳未来的战略储备，有望在未来某些情况下进行应用。

6 展　望

从目前的研究来看，船用HND三燃料发动机可以改善LNG双燃料发动机的燃烧性能，有助于提高发动机效率和动力性。在排放性能方面可以有效降低温室气体排放，降低THC和PM排放。同时，该类发动机具有传统柴油机的可靠性和耐用性，可以根据外界环境调节各燃料比例，具有燃料选择机动灵活的特点。因此，具有一定的发展前景。

由于当前氢气价格和存储技术的限制，该类发动机在经济性方面尚无优势。可喜的是，世界各国开始重视氢能源的开发和利用，国际可再生能源机构的报告指出，通过可再生能源制取的氢气（即“绿色氢气”）将在全球能源转型中发挥核心作用，预计2050年绿色氢气将占全球能源消费的8%^[5]，氢气将在航运、冶金等难以脱碳的行业发挥重大作用。

在未来，随着对各港口国排放控制的日益严苛和IMO脱碳计划等政策的影响，结合我国和全球的氢能源战略的发展，船用HND三燃料发动机有望得到商业化推广应用。