船用甲醇发动机技术发展趋势

财富 2024-12-03 21:28 北京

文/张东明沈翔王丽杰程士超李垂孝，天津大学上海船用柴油机研究所，柴油机

2018年4月，国际海事组织通过温室气体减排初步战略，明确未来海运业绿色低碳的发展要求：以 2008 年为基准，到 2030 年，全球海运平均 CO₂排放量减少40%，到 2050 年减少 70%；在 2050 年前，年度温室气体排放总量至少减少 50%；到 21世纪末，实现海运业温室气体零排放。

海运业温室气体减排法规对船舶动力领域提出巨大挑战，船舶动力的绿色低碳转型已成为必然趋势。目前我国航运业也在积极探索绿色低碳的船舶动力发展路径，为实现航运业温室气体减排贡献力量。

目前，作为传统化石燃料的替代，可再生绿色清洁能源的应用被普遍认为是实现温室气体减排目标的有效且可行措施，但太阳能、风能等可再生能源的供给和运输仍存在限制。

相关研究表明，绿色甲醇燃料可作为绿色可再生能源的载体，通过产生绿色电能并进行转化存储，可解决可再生能源供给、运输、存储等方面的难题。

绿色合成甲醇燃料作为替代燃料的优势主要在于能量密度高、常温为液态等，这些理化性质与其对应的化石燃料比较接近，甲醇燃料的储存、运输、加注和使用与传统化石燃料没有明显差别，因此极大提升了绿色甲醇作为未来燃料实现碳中和目标的可行性。

在国内外政策方面，国际海事组织已制定发布《甲醇/乙醇燃料船舶安全暂行指南》，中国船级社也于 2022 年 7 月发布《船舶应用甲醇乙醇燃料指南 2022》，为甲醇燃料推广提供政策保障。

就我国的实际情况而言，绿色甲醇燃料的价格、加注配套设施等因素限制了其推广应用。

一、甲醇作为船用燃料的优势

相比液化天然气（liquefied natural gas，LNG）替代燃料，甲醇燃料在常温状态下为液态，因而燃料舱的设计和建造更为简单，成本优势明显。

目前国际上已有甲醇动力船的应用经验。

国内外的排放控制区对硫氧化物（SOx）的排放提出更加严苛的要求，SOx的排放后处理会导致成本增加。甲醇燃料不含硫元素，因此在甲醇双燃料发动机运行时，仅引燃柴油会产生硫化物。

相比使用传统燃料油的发动机，甲醇−柴油双燃料发动机的 SOx排放可满足国际海事组织对 SOx减排的要求。在氮氧化物（NOx）排放方面，发动机使用甲醇燃料与使用低硫油（marine gas oil， MGO）相比，NOx排放可显著降低。

Wartsila Z40SMD型发动机的测试结果显示：使用 MGO 时，NOx排放约为 11.5 g/（kW·h）；使用甲醇燃料时，NOx排放约为 5.0 g/（kW·h），NOx排放降低 56.5%。在甲醇燃料中 50% 为氧原子，因此燃烧速度更快，燃烧品质更高，从而可有效降低发动机污染物排放。

甲醇燃料发动机可满足目前施行的 IMO Tier Ⅱ和GB 15097—2016中国第二阶段法规限值的要求。甲醇化学分子式为 CH₃OH，为简单的饱和一元醇，其理化性质与汽油类似。甲醇与其他几种船用燃料的理化特性参数对比如表1。

本文中的重油为HFO （heavy fuel oil）。

甲醇燃料是一种重要的化工原料，我国已建立起较为完善的甲醇基础配套设施（包括生产、储存、运输、加注等），甲醇燃料的产能巨大。另外，国际航运业发达的地区，大多也都拥有完善的甲醇燃料基础配套设施。

随着可再生能源技术的进一步发展，生物甲醇、可再生合成甲醇燃料的产业规模正在快速发展，因此绿色甲醇将是未来非常具有潜力的船舶碳中和燃料。

二、船用甲醇发动机研究现状

1、国外船用甲醇发动机研究现状

瑞典等部分欧洲国家对船用甲醇发动机的研究和应用已较为成熟。图1为瑞典隆德大学对重载发动机替代燃料燃烧模式与指示热效率、碳烟排放量关系的理论研究成果。

在图1 中，○ 表示火花塞点火（spark ignition，SI），□ 表示直喷压燃（direct injection compression ignition，DICI），◇ 表示双燃料（dual fuel，DF），△ 表示新燃料燃烧理论。

可以看出，醇类燃料采用直喷压燃和部分预混燃烧模式，可实现高热效率和低碳烟排放。甲醇燃料的着火性差，须使用辅助点火方式组织燃烧。可选的辅助点火方式有：

（1）热面点火/预热塞点火。

（2）掺烧模式，甲醇由柴油机进气道喷入。

（3）柴油−甲醇混合燃料。

（4）加十六烷值改进剂。

（5）柴油微喷引燃。

（6）预混后采用火花塞点燃的奥托循环模式。

近年来，国外发动机行业也在持续加大对船用甲醇燃料发动机相关技术的研究。Wartsila 和MAN等船用发动机厂商已经在甲醇−柴油双燃料发动机领域开展相关应用研究，开发低速机和中速机产品并已投放市场。

2015年，MAN 公司推出ME-LGIM型甲醇双燃料发动机。该发动机在甲醇燃料模式下运行时，CO₂、颗粒物、NOx和 SOx等的排放明显降低。此外，该发动机可在燃用甲醇和燃用传统燃料之间进行切换。

在测试时，与仅燃用传统化石燃料的低速机相比，以甲醇作为燃料的低速机热效率和经济性更优。MAN公司研发的甲醇−柴油双燃料发动机的甲醇和柴油均为缸内直喷型式。

MAN 50ME-LGIM 低速机采用甲醇缸内直喷、柴油引燃，并结合废气再循环技术，排放达到了 IMO Tier Ⅲ水平，在甲醇模式下的功率输出与柴油模式相当。当负荷<10% 时可采用全柴油模式，当负荷≥10% 时可以切换至甲醇模式，在 100%负荷时甲醇替代率可以达到95%。试验结果显示NOx排放量比Tier Ⅱ限值降低70%，几乎无颗粒物排放。

2015年，Stena Line公司的“Germanica”号渡轮应用 Wartsila 公司基于 ZA40S 改造的甲醇−柴油双燃料发动机。该机采用柴油微喷引燃技术，除加装甲醇燃料喷射系统外，活塞、缸套、连杆等关重件可沿用原机。

排放测试结果为：

NOx为3~5g/（kW·h）、CO<1g/（kW·h）、烟度（FSN）约为0.1、几乎无硫氧化物排放、甲醛排放低于德国标准。

动力输出和瞬态加载能力均与柴油模式相当，且在甲醇模式下发动机表现出更高的热效率。在此项改装技术基础上，Wartsila 即将推出一款 Wartsila 32 甲醇发动机，该发动机是一款将ZA40S 发动机燃料喷射控制与燃烧技术与 Wartsila32平台发动机自动化控制功能集成于一体的甲醇−柴油双燃料四冲程发动机，预计将于 2023 年正式交付使用。

图2 Wartsila32甲醇-柴油双燃料四冲程发动机

2、国内船用甲醇发动机研究现状

国内船用甲醇发动机在一些技术领域和国外还存在一定的差距。随着甲醇发动机技术的发展，我国部分高校及科研单位等已取得一定的基础研究与应用成果。

2015 年，天津大学通过对“柴油与甲醇组合燃烧技术”的研究，实现甲醇平均替代率达到32.7%，实现柴油−甲醇双燃料发动机的关键技术突破，并在 1 台 450 kW 的渔船发动机上完成甲醇替代柴油的台架试验，最大甲醇替代率为 46%，为探究该技术在船用柴油机上的应用奠定技术基础。

2022年，淄柴动力开发的四冲程Z6170甲醇发动机完成样机试验，并通过“船用中高速甲醇−柴油双燃料发动机”项目成果鉴定，该发动机采用甲醇−柴油二元燃烧技术，甲醇气道喷射与缸内柴油进行掺烧，综合替代率可达40%左右。

图3 淄柴动力开发的四冲程Z6170甲醇发动机

3、国内外研究现状小结

国外方面，从技术路线来看，以 MAN、Wartsila 及 ABC 为代表的中速机知名企业都采用甲醇−柴油双燃料技术路线。在低速机领域，MAN 推出的低速机已获得多个市场订单，并实现市场应用；在中速机领域，目前只有Wartsila在原 SulzerZA40S柴油机基础上完成了甲醇−柴油双燃料改进，但未形成量产产品。

国内方面，车用甲醇发动机采用进气道喷射甲醇单一燃料技术路线，现已投入商用，但车用甲醇−发动机因缸径和使用要求与船用发动机不同，造成其技术路线和整机设计思路都不同，无法直接借用。

国内在内河单机功率<600 kW的小缸径高速柴油机上进行甲醇−柴油双燃料机改造研究工作，针对缸径>170 mm且采用甲醇进气道喷射预混及柴油引燃的双燃料技术路线的发动机，甲醇替代率为 30%~40%，甲醇替代率仍有待进一步提高。

三、船用甲醇发动机未来发展趋势

总体来说，国内外对甲醇发动机的应用研究可概括为低压气道喷射缸内预混燃烧、高压缸内直喷压燃、甲醇高压缸内直喷柴油引燃技术 3 大阶段：

（1）低压气道喷射甲醇燃烧技术

早期的甲醇发动机研究主要集中在低压气道喷射甲醇点燃燃烧模式上。一般认为，在进气道喷射甲醇燃烧模式下，甲醇的综合替代率只能达到 40% 左右。甲醇高辛烷值、高挥发性的特性与汽油类似，为其在点燃式发动机上使用提供了便利，但单一的甲醇燃料不适用于采用预混燃烧模式的船用发动机燃烧，并且在发动机中高负荷时甲醇替代率过高会造成大量预混合气的集中放热，导致缸内燃烧粗暴甚至发生早燃爆震等不正常燃烧现象，对发动机硬件造成损伤。

（2）高压缸内直喷单一甲醇燃料技术

这种缸内喷射单一甲醇进行压燃燃烧的方式实际上难以在发动机上进行广泛应用。十六烷值是衡量燃料着火特性的指标，甲醇的十六烷值极低，并不适用于传统的压燃燃烧模式。

有国外研究者通过缸内喷射单一甲醇的方式进行压燃燃烧，在某压缩比为 15 的发动机上开展压燃试验，结果显示虽然降低压缩比可显著提高负荷上限，但发动机的进气温度要提升到155 ℃，发动机才能稳定运转。

（3）高压缸内直喷甲醇柴油引燃技术

MAN和Wartsila推出的船用甲醇发动机的燃烧均采用此种技术路线。高压直喷甲醇引燃技术路线通过缸内甲醇直喷形成非预混燃烧的方式可以较好地解决进气道喷射甲醇燃烧面临的问题，但目前这方面的研究较少。

在船用甲醇燃料中速机缸内直喷技术研究方面，上海船用柴油机研究所在2019年基于1~2 MW级 CS21 柴油机平台开展甲醇燃料缸内直喷的关键技术研究。目前已完成台架测试，凭借在甲醇缸内直喷、微喷引燃、甲醇燃烧多目标多参数优化技术上的突破，实现 92% 甲醇替代率指标，燃油经济性、加速加载性能、排放特性较传统柴油发动机都有明显提升。

图4为甲醇燃料中速机试验平台。

为满足船东对甲醇双燃料中速机的需求，上海船用柴油机研究所基于单一燃料甲醇机的研究基础，预计将于 2024 年推出高替代率、高性能指标的甲醇−柴油双燃料中速机产品，以满足未来国内外温室气体排放法规的要求。

四、结论

（1）甲醇气道喷射单一燃料的技术路线不适用于高强化度、高功率需要的船舶发动机。

（2）甲醇气道喷射柴油混烧的二元燃烧技术路线替代率偏低，须进一步进行技术研究提升替代率，这限制了其在船舶动力领域的应用。

（3）甲醇和柴油缸内双直喷的双燃料发动机凭借其燃料使用灵活性以及高甲醇替代率优势，将更容易被市场接受，成为未来发展趋势。

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