用于船舶应用的甲醇双燃料发动机的喷射与燃烧特性

时间：2026年1月29日

来源：Applied Thermal Engineering

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甲醇作为低碳燃料在船舶发动机中的应用面临点火稳定性挑战。本研究通过 marine-scale 多孔喷嘴在定容燃烧室中实验，揭示了甲醇与柴油双燃料喷射的雾化特性：甲醇因表面张力低导致喷射角比柴油大0.2-13.4%，但柴油因密度高穿透更深。燃烧相位显示柴油预燃时间间隔影响甲醇燃烧峰值和持续时间，早喷甲醇提升8%峰值放热，晚喷甲醇延长燃烧2ms。研究为双燃料喷射策略优化提供实验依据。

杨承镐|朴贤春|Vallinayagam Raman|Balaji Mohan|Emre Cenker|张俊硕|朴成旭

韩国汉阳大学研究生院机械融合工程系，首尔04763

摘要

甲醇作为一种低碳燃料，正受到越来越多的关注，适用于船舶发动机；然而，其较低的十六烷值和较高的蒸发潜热给稳定的点火和燃烧带来了挑战。在本研究中，使用船舶规模的多孔喷射器，在与发动机相关的条件下，通过常量燃烧室实验研究了柴油-甲醇双燃料喷射系统的喷雾、点火和燃烧特性。

高速光学诊断技术被用来分析喷雾发展、喷雾锥角（SCA）、点火行为和热量释放特性。实验表明，在所有测试的环境压力下，甲醇的SCA始终大于柴油。在相同的喷射时刻，甲醇的时间平均SCA大约比柴油高出0.2–13.4%，这主要是由于甲醇的较低表面张力，尽管其粘度较高，但仍促进了更好的破碎和径向扩散。相比之下，由于柴油的密度和动量通量较大，其喷雾尖端的穿透时间延长了多达10%。

燃烧实验表明，双燃料的点火和热量释放行为受到柴油引燃喷射与甲醇喷射之间停留时间的强烈影响。甲醇喷射与柴油早期点火重叠时，峰值热量释放率提高了多达8%；而延迟甲醇喷射则导致热量释放更加平稳，燃烧持续时间延长。在大多数条件下，点火延迟的变化很小，这表明柴油引燃喷射控制了整体燃烧的起始，而增加甲醇喷射时间则使整体燃烧持续时间延长了最多2毫秒。

这些结果为柴油-甲醇双燃料系统中的喷雾-燃烧相互作用提供了定量见解，并强调了优化喷射策略对于实现稳定高效低碳船舶发动机运行的重要性。

引言

为应对大气中温室气体（GHGs）浓度的增加，国际上加强了减少碳排放的规定。在海运领域，国际海事组织（IMO）制定了雄心勃勃的目标，即到2030年将二氧化碳排放量相对于2008年的水平减少30%，到2040年减少80%，最终在2050年实现净零排放[1]，[2]。因此，船舶发动机行业正在从传统化石燃料向低碳和零碳替代燃料转型。

在二氧化碳法规实施之前，船舶柴油油（MDO）是船舶发动机的主要燃料。特别是中速压缩点火（CI）船舶发动机传统上依赖柴油燃料，因为柴油具有较高的能量密度、有利的自燃特性、稳定的燃烧性能以及完善的全球供应基础设施。几十年来，人们付出了大量努力来提高柴油发动机的效率、耐用性和排放性能。最近，先进的数据驱动和基于机器学习的方法被应用于进一步优化燃油消耗、燃烧相位和发动机运行，表明传统柴油发动机在控制和校准方面已接近其实际优化极限[3]，[4]，[5]。

为了减少二氧化碳排放，随后引入了碳强度较低的替代燃料，如生物柴油、液化石油气（LPG）和液化天然气（LNG）[6]，[7]，[8]，[9]，[10]。最近，无碳燃料如氢气和氨气因其在燃烧过程中能够完全消除二氧化碳排放而受到广泛关注。然而，尽管这些燃料具有优势，但仍存在重大技术挑战，尤其是在点火稳定性、安全性、储存和燃料处理方面，这些因素目前限制了它们作为主要船舶燃料的应用[11]，[12]，[13]，[14]。

在这种背景下，甲醇作为一种有前景的过渡或“桥梁”燃料应运而生。对于中速船舶发动机而言，甲醇越来越被视为传统柴油燃料的实用替代品，能够在保持与现有发动机架构兼容性的同时显著减少二氧化碳排放。E-甲醇利用可再生电力生产的氢气以及从大气或工业来源捕获的碳合成，从生命周期的角度来看，几乎可以实现净零二氧化碳排放[15]，[16]，[17]，[18]，[19]，[20]。与氢气和氨气相比，甲醇在常温下为液态，可以利用现有的燃料基础设施，并且其体积能量密度高于氢气，这对于船载储存空间有限的船舶应用具有优势。然而，甲醇的十六烷值非常低，蒸发潜热较高，这使得在柴油发动机运行条件下实现稳定的自燃变得困难[21]，[22]，[23]，[24]，[25]。

为了克服这些限制，提出了柴油-甲醇双燃料燃烧策略，其中少量柴油作为引燃燃料注入以启动点火，产生的高温火焰促进甲醇燃烧[26]，[27]。在这种双燃料概念中，柴油燃料继续作为点火源，而甲醇替代了中速船舶发动机中传统上由柴油提供的部分能量。基于这一概念，许多实验研究了柴油辅助的甲醇双燃料发动机，以提高燃烧稳定性并扩大甲醇的替代比例[28]，[29]，[30]，[31]，[32]。这些研究表明，引入柴油引燃可以显著提高点火可靠性和整体燃烧性能，相比于仅使用甲醇的情况。然而，大多数研究主要集中在发动机性能、效率和排放特性上，而柴油和甲醇之间的喷雾相互作用、点火顺序以及早期燃烧机制并未直接探讨。

最近的研究进一步探索了柴油-甲醇双燃料燃烧的优化策略。Karvounis等人[33]基于CFD对一个高甲醇能量比例运行的大型四冲程船舶双燃料发动机进行了研究，确定了在符合IMO Tier III NOx法规的同时实现高达99%燃烧效率的最佳喷射时间。Liu等人[34]实验研究了甲醇/柴油双燃料发动机，报告称NOx和颗粒物排放显著减少，但由于燃烧不完全和甲醇的冷却效应，HC和CO排放有所增加。Yin等人[35]使用双直喷系统研究了甲醇能量替代比例和柴油喷射时间的影响，发现随着甲醇比例的增加，热量释放特性、点火延迟和燃烧稳定性出现了复杂的变化。

尽管这些研究为柴油-甲醇双燃料发动机的性能和排放特性提供了宝贵的见解，但它们主要依赖于基于发动机的测量或数值模拟。因此，控制双燃料运行的基本喷雾、点火和早期燃烧过程仍了解不足。这一限制尤其关键，因为双燃料燃烧行为对喷雾雾化、蒸发和燃料-空气混合过程非常敏感，特别是在高负荷船舶发动机条件下。

专注于柴油-甲醇双燃料燃烧的实验可视化研究仍然有限[36]，[37]，[38]，[39]，现有的可视化研究大多使用汽车规模的喷射器，喷射量在毫克级别，喷嘴孔径相对较小[40]，[41]，[42]，[43]，[44]，[45]，[46]，[47]。相比之下，船舶发动机通常每循环喷射数百克燃料，导致喷雾穿透、扩散和混合特性有根本性的不同。此外，能够从单一单元同时输送引燃柴油和主甲醇燃料的喷射器对于船舶应用越来越重要，但与此类喷射器相关的点火和燃烧过程尚未得到充分研究。因此，柴油和甲醇喷雾之间的相互作用以及在船舶相关条件下的后续点火顺序仍不清楚。

因此，本研究旨在使用船舶规模喷射器在大型常量燃烧室中实验研究柴油-甲醇双燃料喷射系统的喷雾发展、点火和燃烧特性。通过使用光学诊断技术可视化毫克级别燃料喷射条件下的完整喷雾-燃烧过程，本研究旨在弥合发动机规模性能研究和基本喷雾-燃烧理解之间的差距。预计本研究的结果将为双燃料点火机制提供关键的实验见解，并支持未来船舶发动机设计和数值模型的开发和验证。