0 引　言

在全球能源转型不断加速和碳排放法规日益严格的大环境下，船舶动力系统朝着高效清洁化发展，已然成为航运业达成“双碳”目标的关键重点方向，国际海事组织，提出了到2050年让船舶业排放温室气体量减少50%的战略目标，这一目标促使替代燃料技术成为了研究的热门焦点^[1]。甲醇化学式为CH₃OH，凭借着低碳的特性、有可再生制备的潜力以及储运方面的安全性，被看作是船舶燃料转型的一个关键选择^[2]，近些年来，甲醇/柴油双燃料发动机因为可兼容传统柴油机的结构，同时又拥有低碳排放的特性，成为了船舶动力系统优化的关键技术路径之一。

传统柴油机由于一直以来对化石燃料有所依赖，正面临着氮氧化物，也就是NOx、颗粒物，也就是PM排放以及碳排放这两方面的压力，甲醇作为燃料，在燃烧反应当中可抑制碳烟的生成，并且借助稀释效应降低NOx的排放。Yang等^[3]的研究结果显示，当甲醇替代率上升到30%的时候，柴油颗粒过滤器，也就是DPF的再生能耗大幅减少了22.52%，NOx排放量也随着甲醇替代率，即MSR的增加而呈现出下降的趋势。然而甲醇自身所有的独特理化特性，像高汽化潜热、低十六烷值等，导致缸内燃烧过程变得复杂且多变，迫切需要对其替代率在发动机热效率、燃烧稳定性以及排放特性方面的作用机制展开系统性的剖析^[4]。

当前围绕甲醇双燃料技术的研究大多集中于车用发动机领域，反观船舶发动机缸内直喷方式的甲醇双燃料技术，相关研究却寥寥无几。申立忠等^[5]对反应控制点火（RCCI）技术在压缩发动机上的应用进行了研究，结果显示在低负荷条件下，燃料替代率的增加伴随着THC、CO和未燃甲醇的排放量呈现上升趋势。宣熔等^[6]以海洋用中间转速发动机4190ZLC-2作为测试台时，发现燃料混合率达到20%时，氮氧的排量相比原发动机减少了5.4%，而CO的浓度则增加了49.2%，大幅减少了71.2%。然而，上述研究均未涉及直接喷射技术。Shi等^[7]借助单孔喷射与双燃料分层（DDFS）技术对低负荷工况加以优化，成功实现甲醇替代率（MSR）达到70%时热效率跃升至52.07%，不过，过量预混致使压缩负功增加的问题依然悬而未决。从现有研究成果来看，甲醇替代率与喷射策略的协同优化对于提升双燃料发动机的综合性能起着举足轻重的作用。然而，船舶发动机特殊的工况条件对其燃料适应性与耐久性又提出了更为严苛的要求。

基于上述情况，本文主要关注缸内直喷船舶甲醇/柴油双燃料发动机，详细分析25%小负荷工况点下不同甲醇替代率对该发动机燃烧过程产生的影响，希望凭借针对船舶发动机缸内直喷甲醇双燃料发动机展开的相关研究，在一定范围内填补当前研究存在的欠缺之处，期望本研究可为航运业的能源转型以及节能减排工作给予理论方面的参考内容以及实践层面的经验借鉴。

1 发动机模型建立与验证 1.1 模型建立与网格划分

本次研究主要围绕一台经过改装的四缸增压中冷柴油机展开，具体参数见表1。甲醇和柴油物理化学性质见表2。可知甲醇有更高的汽化潜热、更低的低热值和十六烷值。使用CFD仿真软件CONVERGE构建工程模型，分析燃烧和排放过程。考虑到发动机喷油器的同轴对称特性，所以研究使用1/7扇形气缸的模型进行模拟工作，如图1所示。

考虑到网格数量对建模精度的影响，进行无关性研究。本研究中，分别对计算区域中的速度、温度和燃料喷雾进行加密2倍和3倍，通过改变基本网格大小进行分析，结果如图2所示。可以看出，3 mm气缸内的峰值压力略高于3.5 mm，但略低于2.5 mm气缸的峰压，两者的数据误差均低于3%。从建模时间的角度来看，创建3 mm的基准网格所需的时间与3.5 mm相当，但与2.5 mm相比则显著减少。考虑到计算精度和建模时间，选择了3 mm的基准网格进行建模。

1.2 模型选择与验证

在本研究中，发动机的转速始终保持在1660 r/min，利用燃料的总热值1140 J/cycle来描述小负荷工作状态。柴油燃料喷射角度和压力分别设置为距上止点5°和55 MPa，保持稳定状态。另一方面，甲醇进样角度和压力保持在距上止点2°和20 MPa的固定值。柴油喷射器采用7孔设计，单孔直径为0.16 mm。甲醇喷射器还配有7孔喷嘴，孔径为0.4 mm。柴油和甲醇的喷射起始相位分别以D_SOI和M_SOI表示，其中M_SOI-3代表甲醇喷射开始于上止点前3˚的时刻。

初始及边界条件设置如下：IVC时初始涡流比为1.5，转速为1660 r/min。气缸底盖温度为473 K，气缸壁面温度为423 K，活塞顶面温度为523 K。模拟从进气门关闭到排气门开启这个范围，这对应的曲轴转角分别为−130.3°和112.2°（CA ATDC）。

仿真模型的选择如下：湍流模型选择为RNG κ-ε ^[8]，喷雾破碎模型为KH-RT ^[9]，喷雾/壁面相互作用模型为Wall film ^[10]，液滴碰撞模型为NTC collision ^[11]，壁面传热模型为Han and Reitz ^[12]，燃烧模型为Sage，化学反应机理为diesel/methanol dual fuel mechanism^[13]，碳烟排放模型为Hiroyasu soot model^[14]。

本研究的实验数据来源于臧儒振的实验研究^[15]，由图3曲线对比分析发现，缸内压力曲线的吻合度较高，放热率曲线的变化趋势以及峰值所对应的曲轴转角基本一致，虽存在一定偏差，不过都处于合理且可接受的区间，研究结果显示，所构建的仿真模型可以有效模拟甲醇/柴油缸内直喷燃烧过程的动态变化情况。

2 计算方案

甲醇燃料替代率的变化会对甲醇与柴油的喷雾质量特性产生作用，进而通过喷雾特性的改变对发动机燃烧质量形成间接影响。研究设定甲醇/柴油双燃料发动机甲醇替代率为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%。在保持燃料喷射总量不变的前提下，改变甲醇替代率，此时保持甲醇喷射压力与柴油喷射压力不变，分别得到甲醇与柴油的喷油量与喷射时长。

柴油引燃量（$ {R}_{{d}} $）和甲醇替代率（$ {R}_{{m}} $）分别表示柴油与甲醇所供热量占燃料总热值（$ {E}_{\text{fuel}} $）的比例，其计算公式如下：

$ \begin{matrix}{R}_{{d}}=\displaystyle\frac{{M}_{{d}}\times {H}_{{d}}}{{M}_{{d}}\times {H}_{{d}}+{M}_{{m}}\times {H}_{{m}}}\times 100{\text{%}}，\end{matrix} $

(1)

$ \begin{matrix}{R}_{{m}}=\displaystyle\frac{{M}_{{m}}\times {H}_{{m}}}{{M}_{{d}}\times {H}_{{d}}+{M}_{{m}}\times {H}_{{m}}}\times 100{\text{%}}，\end{matrix} $

(2)

$ \begin{matrix}{E}_{\text{fuel}}={M}_{{d}}\times {H}_{{d}}+{M}_{{m}}\times {H}_{{m}}。\end{matrix} $

(3)

式中：$ {M}_{{d}} $和$ {M}_{{m}} $分别为引燃柴油与甲醇的每次循环需要喷射的质量；$ {H}_{{d}} $和$ {H}_{{m}} $分别为引燃柴油和甲醇的每次循环的低热值。

指示热效率（ITE）和当量指示燃油消耗率（EISFC^[16]）是对发动机的经济性进行评估的重要指标。其计算公式如下：

$ \begin{matrix}ITE=\displaystyle\frac{100\times {W}_{i}}{{M}_{{d}}\times {H}_{{d}}+{M}_{{m}}\times {H}_{{m}}}\times 100{\text{%}}，\end{matrix} $

(4)

$ EIS FC=\displaystyle\frac{{M}_{d}\times {H}_{{d}}+{M}_{{m}}\times {H}_{{m}}}{{W}_{i}\times {H}_{{d}}}。$

(5)

式中：$ {W}_{i} $为每个循环周期中从进气门闭合至排气门开启这一区间的指示功。

通过对热通量和曲轴角进行积分计算，可以获得累积放热率。CA10的初始燃烧点对应于曲柄角，此时累积热释放达到总值的10%。燃烧重心（在本文中称为CA50）对应于累积热量产生量达到总热量的50%时的曲柄角；该角度相对于上止点显示为ATDC。燃烧持续时间由从初始燃烧点CA10到最终燃烧点 CA90的曲柄角度范围决定。CA90表示当累积热量产生量达到总值的90%时，曲柄转角的位置。

3 结果分析 3.1 发动机燃烧性能分析

图4展示了各工况下缸压及放热率的变化规律。研究表明：每个R_m工况的起始放热时刻保持一致，这是由于在当前DM喷射时序设定下，柴油先行于甲醇喷射，使甲醇喷雾特性尚未对柴油的自燃阶段产生影响。其中在甲醇替代率在40%以下时，对缸压和放热率反应不敏感；在R_m为50%～80%时，缸压和放热率较为敏感，并且此时缸压随甲醇替代率增加而降低，在R_m=80%时缸内爆压降低3.1%。当甲醇掺混比R_m超过50%时，与R_m=40%工况相比，缸内压力峰值呈现衰减趋势，但放热率峰值的曲轴转角位置发生前移。在柴油与甲醇喷射压力维持恒定时，由于柴油总热值降低而甲醇总热值升高，先导喷射的柴油引发快速初期燃烧形成首波放热峰值；约3°CA ATDC后甲醇喷入产生的汽化吸热效应暂缓燃烧进程，致使放热率回落；后续甲醇通过扩散燃烧则形成次生波峰。放热强度受缸内着火时混合气浓度有很大影响，随着R_m增大，甲醇混合气浓度持续升高，燃烧过程逐渐由后喷甲醇的扩散燃烧主导。

表3显示在此工况低替代率下，缸温峰值随替代率增加而增加，缸温峰值由1374.0 K上升到1402.9 K，对应曲轴转角后移，曲轴转角由12.8°CA ATDC推迟到13.6 °CA ATDC。当甲醇掺混比R_m超过40%时，平均缸温峰值开始下降，从1 402.9 K下降到1 391.7 K，曲轴转角提前0.5 °CA ATDC，而当甲醇替代率R_m=80%时，缸温峰值降低到1 377.7 K，对应曲轴转角为15.1 °CA ATDC。由表2可知，甲醇对比柴油拥有更高的汽化潜热，在高替代率下，过度的冷却损失导致缸内温度降低，进而削弱柴油雾化蒸发效果。高甲醇替代率下（尤其是R_m=70%，R_m=80%），强烈的蒸发冷却导致压缩终点温度过低，混合气需要更长的时间吸收压缩热量，因此缸温峰值对应曲轴转角延长。

喷油正时是控制缸内燃烧稳定性的关键因素之一，图5给出了6种喷射策略下的缸压和放热率变化规律。可以看出，在$ {R}_{{m}} $=80%工况条件下，无论是柴油还是甲醇的喷射相位都会引起缸内压力以及瞬时热释放率的变化出现非单调现象；同时可以发现：随着柴油喷射相位滞后程度增加、喷射间隔角加大而使得缸压逐渐降低；由于柴油具有一定的自燃能力，其燃烧初期会放出大量热量从而导致放热率曲线呈现出两段式特性（即存在2个明显的峰），其中第一个高峰为柴油自燃形成的初始燃烧热；第二个高峰则是由甲醇的扩散燃烧所引起的二次放热过程。若保持柴油喷射相位一定，则通过减少两次喷射间的间隔角使燃烧趋于集中放热的过程，等容度升高后可观察到缸压峰值逐渐上升的趋势。

图6展示了低负荷条件下，直接喷射技术在气缸中的延迟周期、CA50和燃烧持续时间的特性。在气缸的直接喷射模式中，随着甲醇的替换速度的变化，延迟周期和燃烧持续时间的波动范围相对有限，并且随着的增加，当设置固定间隔的喷射角时，CA50逐渐偏离上止点的趋势，后喷甲醇提供的燃烧放热量占比增多，使得放热中心朝着曲轴转角后段移动。

直接喷射模式下，各$ {R}_{{m}} $对应的延迟时间略有变化，主要因甲醇潜热较高。甲醇进入气缸吸收热量，导致缸内温度降低，自身温度也下降，进而降低混合气温度，使燃烧变慢，延迟时间延长。但随着$ {R}_{{m}} $的增大，甲醇的掺入量增加，其对混合气温度的降低作用逐渐趋于稳定，因此滞燃期的变化也趋于稳定。

燃烧持续期的变化较小是由于在缸内直喷过程中，甲醇和柴油的喷雾、混合过程较为复杂。随着$ {R}_{{m}} $的增加，甲醇的喷射量和喷射时刻相对稳定，其与柴油的混合方式逐渐趋于稳定，形成了相对稳定的混合气浓度和均匀性，从而使得燃烧过程的持续时间变化较小。

CA50略微远离上止点是因为：1）随着$ {R}_{{m}} $的增大，甲醇在缸内的比例增加，其燃烧特性对整个燃烧过程的影响也更加显著。且由于甲醇滞后于柴油3°CA ATDC喷入，此时燃烧由甲醇的扩散燃烧模式主导。在高$ {R}_{{m}} $下，甲醇的燃烧相对滞后。2）随着$ {R}_{{m}} $的增加，使用甲醇代替柴油的比例增加，混合物的浓度相对降低。低浓度的混合物需要更长时间才能完成燃烧过程。$ {R}_{m} $的增加，使得更多的甲醇参与燃烧，其着火延迟的影响更加明显，使得燃烧过程的起始时刻推迟，进而导致CA50远离上止点。

图7呈现了小负荷工况下缸内直喷技术的温度云图分布情况，在缸内直喷模式的10%、40%以及80%工况时，柴油燃料的自然着火发生在上止点前的活塞腔中央，在10%的工作条件下，柴油燃料的喷射占据了大部分，喷油过程中出现柴油与甲醇喷射重叠，呈现出2种燃料同步扩散燃烧的情况。然后当工况增加到80%时，甲醇燃料增多，部分柴油喷射后，甲醇燃料被喷射到火焰区，支持扩散燃烧过程。经分析可知，缸内直喷技术中燃料燃烧放热速率相对较慢，这主要是因为燃料依靠扩散燃烧方式进行反应，并且该模式下高温区域范围有限，主要分布在喷雾轴线方向以及活塞凹坑内部。

3.2 发动机排放性能分析

图8呈现了小负荷工况下缸内直喷技术的当量比分布特征，结合图7的缸内温度云图可进行耦合分析。碳烟的生成条件是高温缺氧，而其氧化依赖高温富氧条件^[17]。在燃烧全过程中，碳烟的生成与消耗构成动态平衡。火焰中因混合气质量不佳导致氧分压下降，促进碳烟前驱体成核；而在高温氧化区，剧烈燃烧释放的热量虽提升温度，但充足的氧浓度反而加速碳烟表面氧化反应；此外，火焰外围虽温度略低，但过量空气的环境仍能通过扩散氧化机制清除碳烟。火焰温度提升会同时促进两种反应的进行。而部分混合气在喷嘴喷射形成的湍流作用下，向右侧凹坑富集，使该区域原本较稀的混合气浓度趋近于当量比1。这一过程同时缩小了燃烧室右侧温度高于2200K的区域分布范围，进而减少了凹坑附近NOx的高浓度生成区。混合气的集中效应减少了燃烧室内的贫燃混合气比例，有利于降低NOx排放。最终，这种温度与浓度分布的优化降低了燃烧的整体温度，对抑制soot和NOx的生成具有积极作用。

图9～图11为小负荷缸内直喷法soot、CO、NOx的排放。可以得出，随着$ {R}_{{m}} $的增加，soot排放逐渐下降，CO排放随着$ {R}_{{m}} $的增加逐渐上升，NOx排放随着$ {R}_{\mathrm{m}} $的增加逐渐下降，Soot和NOx在$ {R}_{{m}} $=80%实现超低排放。

对比$ {R}_{{m}}=10{\text{%}} $，$ {R}_{{m}}=40{\text{%}} $一氧化碳排放增加56.7%，$ {R}_{{m}}=80{\text{%}} $一氧化碳排放增加66%。CO的排放产生这样的趋势是由于以下几点：甲醇汽化时会摄取大量热量，使得进气温度以及缸内初始温度降低。较低的温度会使燃烧速度减慢，燃烧持续期延长，使得燃料在气缸内的燃烧不够充分，从而产生更多的CO。气缸中温度的降低也会影响CO的氧化过程。在低温下，甲醇与OH基反应生成活性较低的H₂O₂，这抑制了CO向CO₂的进一步氧化，结果导致CO的排放量增加^[18]。此外，甲醇在燃烧时的理论空气需求量比柴油燃料还要多，而在燃烧过程中所需的氧气量也随着甲醇置换速度的增加而增加。进气系统未能及时提供足够的氧气，就会导致局部区域氧气不足，燃料无法完全氧化，从而使CO排放量上升。

对比R_m=10%，R_m=40%碳烟排放降低64.7%，R_m=80%碳烟排放可降低92.7%。soot的排放产生这样的趋势是由于以下几点：首先甲醇是一种清洁能源，其碳氢比相对较低，燃烧过程中产生的碳烟较少。随着$ {R}_{{m}} $的增加，甲醇部分取代了柴油燃料，燃烧过程中产生的烟尘量也相应减少。然后，随着$ {R}_{{m}} $的增加，甲醇注入量增加，并且由于甲醇的汽化温度高，它在燃烧过程中吸收了更多的热量，可以降低燃烧温度，抑制烟尘的形成。最后，由于甲醇的燃烧特性，混合气体的燃烧过程变得更加均匀，从而减少了高温富碳局部区域的形成，减少了烟尘的形成。

对比R_m=10%，R_m=40%氮氧化物排放可降低5.9%，R_m=80%氮氧化物排放可降低40.6%。NOx的排放产生这样的趋势是由于以下几点：随着$ {R}_{{m}} $上升，甲醇掺入量变大。甲醇燃烧时温度较低，且汽化潜热大，能吸收更多热量，降低燃烧温度，而NOx生成与燃烧温度关系密切，燃烧温度降低可明显减少NOx生成。甲醇的掺入还会使混合气的过量空气系数提高，减少局部高温富氧区形成，抑制NOx生成。此外，$ {R}_{{m}} $增加使燃烧更均匀，燃烧持续期缩短，减少高温富氧环境存在时间，进一步降低NOx生成。

3.3 发动机经济性能分析

图12所示为是甲醇替代率对指示热效率和燃油消耗率的关系。借助对图表数据加以分析可了解到，在甲醇的替代率持续改善的过程中，ITE呈现增加的趋势。当置换率为40%时，指示热效率比基准运行状态增加了2.3%，而当置换率提高到80%时，指示热效率达到了最高值。相反，随着甲醇置换率的增加，燃料消耗趋于下降，当置换率达到80%时，燃料消耗相比于$ {R}_{{m}} $=10%的工况减少了4.2%。

其中指示热效率随着甲醇替代率的增多呈上升趋势是由于甲醇分子中含氧量达50%，远高于柴油。在燃烧过程中，甲醇提供的氧气可弥补缸内局部缺氧区域，减少碳烟生成并促进燃料完全氧化，从而提高燃烧效率。其次甲醇燃烧生成CO₂和H₂O的趋势更强，减少了未燃碳氢和碳烟颗粒的生成，降低了不完全燃烧的能量损失。最后甲醇的汽化潜热远高于柴油，其蒸发吸热效应可降低缸内局部温度，减少高温区传热损失（如缸壁散热）。同时，较低的温度抑制了氮氧化物（NOx）的生成，间接减少后处理能量消耗。

而燃油消耗率随着甲醇替代率的增多呈下降趋势是由于单位能量做功增加，尽管甲醇的低热值仅为柴油的47%，但其燃烧效率的提高（更完全燃烧、更低热损失）使得单位质量燃料的实际做功能力显著提升。同时甲醇与柴油的混合燃烧优化了燃烧过程，减少能量浪费（如碳烟辐射损失、排气能量损失）。其次甲醇的快速混合特性促使燃烧模式从柴油主导的扩散燃烧转向预混燃烧，后者具有更高的理论热效率。最后甲醇的理论空燃比远低于柴油，因此在相同进气量下，甲醇可提供更多可燃混合气，减少“过量空气”导致的泵气损失。

4 结　语

针对船舶用甲醇/柴油双燃料发动机，搭建模型后深入探究甲醇替代率对发动机燃烧、性能及排放的影响，总结如下：

1）燃烧性能方面，甲醇替代率低于40%时，缸内压力和放热率变化不大；超50%后，两者随替代率上升而下降。

2）在排放性能方面，当甲醇替代率上升时，一氧化碳排放有所增加，但碳烟和氮氧化物排放呈现减少的趋势，在替代率为80%时能够实现超低排放。

3）从经济效益角度来看，甲醇比重的增加，会使指示热效率逐渐增大，在替代率为80%时达到46.5%的峰值。同时，随着甲醇替代水平的不断提高，燃料消耗也随之降低，当替代率达到80%时，燃料消耗处于最低水平。

综上所述，甲醇替代柴油在船舶动力系统中具有显著的优势和潜力，但仍需注意高替代率下冷启动、低负荷失火等工程风险。因此可以根据不同所需指标，通过优化甲醇的替代率，来提高燃烧效率和经济性，减少污染物的排放。这是使航运业达成“双碳”目标的重要技术手段。