赵 睿，许乐平，胡甚平，李长熊，王忠诚

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

0 引 言

随着环境问题的日益严重，人们的环保意识不断增强。船舶发动机尾气作为海上大气污染的主要来源，受到各国政府和地区的广泛关注，控制污染气体排放的要求日益强烈[1-3]。国际海事组织出台了一系列规则规范，并规定船舶的防污染、排放量下降的标准以及其时限。“清洁、低碳、安全、高效”的能源变革已是大势所趋[4]。在此背景下，液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）以其良好的环境效益性，成为新的时期船用发动机的替代燃料的首选，使得船用LNG动力发动机拥有广大的市场发展空间。但是，由于天然气特有的物化特性，LNG动力发动机在动力性等方面略有损失[5]，因此，通过燃料掺氢提升船用LNG动力发动机性能并增强环保优势具有一定的应用前景。

1 船用LNG动力发动机技术比较

1.1 LNG动力发动机的应用技术现状

LNG是一种优质、清洁、安全的燃料，广泛应用于各类产业领域。我国政府提倡使用天然气作为发动机燃料，主要是因为从我国的能源战略规划来看，我国未来天然气的供应是比较充足的，从能源安全的角

度来看，推广使用天然气，能够减少对石油的依赖。尤其是在环境保护方面，使用天然气替代石油，能有效的减少硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、二氧化碳（CO2）以及颗粒物（PM）的排放，推广LNG动力发动机有助于减少发动机尾气对大气环境的污染。以LNG为燃料的发动机（LNG动力发动机）主要有2种分类方式：按燃料使用方式，LNG动力发动机可分为单一气体燃料发动机、双燃料发动机和混烧发动机；按燃料的进气方式，可分为缸外进气和缸内进气2种，缸外进气包括总管进气和支管进气2种方式，而总管进气又分为混合器式（增压器前进气）和电控单点喷射（增压器后进气），支管进气则是电控多点顺序喷射；缸内进气即缸内直喷，也分为低压缸内直喷和高压缸内直喷2种形式[6]。LNG动力发动机的简单分类如图1所示。

图1 LNG动力发动机的分类Fig. 1 Classification of LNG engines

1.2 LNG动力发动机技术比较

本文着重从LNG作为发动机的燃料的3种使用方式来分析。

1.2.1 单一气体燃料发动机

该类型发动机只能使用天然气燃料工作，一般是由火花塞点火的高速机。由于单一气体燃料发动机没有后备燃料，当其在船舶上应用时，通常要求配备2个独立的气罐和供气系统，在作为船用发动机在船舶结构设计和布置上难度较大。

1.2.2 双燃料发动机

双燃料发动机是指既能单独使用液体燃料（燃油），又能单独使用气体燃料（利用微量柴油引燃）的发动机。通常特指在燃气模式下，利用少量燃油（称为“引燃油”）的自行压燃来点燃气体燃料的使用LNG和燃油的发动机。与单一气体燃料发动机相比，双燃料发动机最大的特点是具有纯燃油工作模式，即在气体燃料不足时发动机可完全使用燃油工作。该类机型作为远洋运输船舶发动机具有广阔的应用前景。

1.2.3 混烧发动机

混烧发动机的特点是燃油和气体燃料在缸内按照某种比例进行混合燃烧，该比例可根据发动机工况进行调节，来适应负荷的变化，同时也具备纯燃油模式，从本质上讲，这也是双燃料发动机的一种[7]。该类机型主要应用于内河船舶。

国内外船用LNG动力发动机的性能比较的情况如表1所示。

表1 国内外船用LNG动力发动机性能比较Tab. 1 Comparison of performance of marine LNG engines

目前，船用LNG动力发动机以混烧机和双燃料发动机为主。由于天然气中 90% 左右的体积分数由甲烷（CH4）组成，甲烷没有C-C 链，因此燃烧基本不会产生碳烟[8]，使用天然气作为燃料能保证船舶在降低NOX和CO2排放的同时，使SOX排放基本为零[9]。但是，HC排放量较高，除高压双燃料发动机外，国内外其他类型的LNG动力发动机都不同程度存在甲烷逃逸的情况[10]，这致使温室气体排放仍有很大的压缩空间。此外，由于天然气燃烧速率较低，导致天然气发动机燃烧持续期长，燃烧等容度低，热效率低，动力性有所降低。

2 LNG动力船燃料掺氢

氢能是公认的清洁能源，被誉为21 世纪最具发展前景的二次能源[11]。与传统燃料相比，具有零污染、利用率高、危险系数小的优点[12]。氢气（H2）目前虽然主要是作为重要的工业原料，但在能源转型过程中，氢更重要的是作为一种清洁能源和良好的能源载体，具有清洁高效、可储能、可运输、应用场景丰富等特点[13]。将氢能用于内燃机燃料，有助于解决全球变暖以及环境污染，其开发利用得到了世界范围内的高度关注。氢气燃烧所需的点火能量小，只需要0.02 MJ[14]，燃点只有574 ℃，是一种极易燃的气体，在空气中的体积分数为4%～75%时都能燃烧，并且，氢气还具有燃烧速率快的特点。因此，通过向天然气中掺混少量氢气不仅可以减少发动机尾气有害气体的排放，还可以提高混合气的燃烧速率，从而提高发动机的性能。氢气与天然气主要理化参数对比如表2所示。

表2 氢气与天然气主要理化参数对比[15]Tab. 2 Comparison of main physical and chemical parameters of hydrogen and natural gas

由于氢气制备成本和氢气发动机技术方面的原因，目前认为天然气掺氢将是氢能在内燃机上应用最有前途和最具可行性的方式[16]。天然气掺混氢气技术已日渐成熟，近10年来，荷兰和法国都进行了将氢气掺到天然气输气管网的试验，荷兰年均氢气掺入天然气的体积分数达12%；法国敦刻尔克GRHYD项目氢气掺入体积分数最高达20%。这些尝试为LNG动力发动机燃料掺氢提供了实践基础。

3 LNG动力发动机燃料掺氢试验

3.1 试验方案

本试验通过在1台单缸天然气混烧发动机上燃用CH4以及不同体积掺氢比的CH4燃料，分析对比燃料掺氢对发动机尾气排放中有害气体含量和烟温的影响。试验气体通过支管进入发动机进气主管，与空气混合后进入气缸参与燃烧[17]。天然气混烧发动机的示意图如图2所示。

3.2 试验设备与方法

试验采用的发动机为常柴生产的ZR180型单缸柴油机，测功机采用ZF100KB磁粉测功机，并配套测功机控制柜。排放测量系统为德图公司的testo 350排气分析仪。试验用的气体为：纯甲烷（CH4体积分数为99.9%）和混合气（H2:CH4=15:85）。试验过程中将发动机转速固定为1 000 r/min，试验气体流量为2.5 L/min，通过改变发动机的功率，测试在不同功率下（1 200 W，1 600 W，2 000 W，2 400 W，2 800 W，3 200 W，3 600 W）排烟中的不同物质的指标来对比LNG动力发动机燃料掺氢前后的排放变化情况。试验台架基本结构如图3所示。

图2 天然气混烧发动机示意图Fig. 2 Schematic diagram of natural gas co-firing engine

图3 试验台架基本结构图Fig. 3 Basic structure of the experimental bench

图4 一氧化碳排放浓度变化对比图Fig. 4 Comparison of changes in carbon monoxide emissions

3.3 试验结果及分析

3.3.1 一氧化碳排放变化对比

掺氢天然气和纯天然气应用混烧发动机的一氧化碳（CO）排放浓度对比曲线如图4 所示。从对比图可以看到，CO排放浓度的变化规律是基本一致的，都是随着功率的上升而呈现明显的下降趋势，相对于使用纯天然气燃料，燃料掺氢能明显降低LNG动力发动机的一氧化碳排放浓度。

3.3.2 氮氧化物排放变化对比

发动机的氮氧化物（NOX）排放浓度对比曲线如图5所示。从对比图可以看到，发动机的NOX排放浓度变化规律一致，都是随着功率的上升而呈现上升趋势，使用纯天然气燃料和掺氢天然气燃料尾气排放中氮氧化物浓度变化不明显。

图5 氮氧化物排放变化对比图Fig. 5 Comparison of NOx emission changes

3.3.3 烟温变化对比

发动机的尾气排放中排烟温度的对比曲线如图6所示。从对比图可以看到，2种试验条件下发动机排烟温度的变化规律一致，都是随着功率的上升而上升，使用掺氢天然气燃料的排烟温度比使用纯天然气略高，说明缸内燃烧更充分，这得益于H2优异的着火性能，由此可以推断，燃料掺氢有助于提升LNG动力发动机的动力性能。

图6 排烟温度变化对比图Fig. 6 Comparison of smoke temperature changes

4 结 语

本文结合船用LNG动力发动机的应用现状，通过LNG动力发动机燃料掺氢台架试验进行分析对比，得出以下结论：LNG动力发动机燃料掺氢能够明显改善一氧化碳排放，由于H2不含C原子，使用掺氢燃料将有效降低温室气体的排放；氮氧化物的排放变化不明显；由于H2良好的着火性，掺氢天然气燃烧速率较快，将有效提高LNG动力发动机的动力性；通过燃料掺氢将使船用LNG动力发动机的优势更加显著。