船用甲醇-柴油双燃料发动机推进特性工况下的燃油经济性对比研究

在交通运输业中，水运凭借运量大、距离远、周期长等显著优势，承担着全球贸易总量的80%以上，对运输装备的动力性、经济性与可靠性提出了较高需求。柴油机作为船舶主要动力输出装置，凭借动力输出强、热效率高、经济性好的诸多优势在该领域得到了广泛运用。然而，随着全球环保意识的增强和排放法规的日益严苛，船舶动力系统的清洁化转型已成为不可逆转的发展趋势。

国际海事组织（IMO）设定的温室气体减排目标对航运业提出了严峻挑战——到2050年航运业温室气体排放量比2008年减少50%以上。与此同时，2020年限硫令的实施进一步加严了船舶排放控制要求。在此背景下，如何使船用发动机在保证动力输出的同时提升经济性并减少污染物排放，成为内燃机界的重要研究课题。尽管国内外许多专家学者针对废气再循环系统（EGR）、选择性催化还原系统（SCR）等发动机辅助设备进行了大量研究，但这并未从根本上解决化石燃料应用及高污染排放的问题，使用清洁替代燃料成为解决这一问题的有效措施。

一、船用动力系统的发展趋势

船用动力系统的技术演进历经了从蒸汽机到柴油机、从单一燃料到双燃料的深刻变革。传统船用柴油机经过百余年的发展，热效率已提升至50%以上，动力性和可靠性达到较高水平。然而，面对日益严峻的环保压力和石油资源的战略属性，船用动力系统正朝着多元化、清洁化、智能化的方向加速转型。

近年来，液化天然气（LNG）作为船用替代燃料率先实现规模化应用，其技术路线已相对成熟。但LNG燃料面临储运温度低（-162℃）、加注设施投资大、甲烷逃逸等问题，在一定程度上限制了其推广应用范围。在此背景下，甲醇作为一种新型替代燃料逐渐在车用动力、船用动力上进行尝试应用。相较于天然气、氨、氢等清洁燃料，甲醇具有储运成本低、安全系数高、燃烧性能好等突出优点。尤其是在水运背景下，甲醇可在常温常压下液态储存，更接近于柴油的理化性质，使其成为了最具发展前景的船用清洁替代燃料之一。

1.1 甲醇燃料的市场应用现状

从全球范围看，甲醇燃料在船舶动力领域的应用正呈现快速增长态势。根据DNV最新发布的《航运业甲醇燃料》白皮书，目前全球已运营及订购的甲醇动力船舶已突破450艘，甲醇技术解决方案适用于所有主要船型。甲醇燃料发动机与技术系统已达到较高成熟度，全球现有生产基地、储运设施及不断扩大的加注船队为规模化应用奠定了坚实基础。行业数据显示，现代双燃料发动机在甲醇模式下的累计运行时长已超过60万小时，船舶改装可行性得到了充分验证。

中国在全球甲醇燃料产业链中占据重要地位，占全球规划中低温室气体甲醇产能的43%。国内主要船舶动力企业纷纷布局甲醇燃料发动机研发。中国船舶集团旗下中船动力成功交付全球最大功率甲醇双燃料船用主机——CPGC/CMD-WinGD 10X92DF-M-1.0-LPSCR，设计最大功率可达64500千瓦，甲醇替代率超过95%，较传统柴油动力减少二氧化碳排放超7.5%。宁波中策动力集团研发的MDF6210CR甲醇-柴油双燃料发动机最高替代率可达63.03%，最高热效率达43.63%，综合技术性能达到国内领先、国际先进水平。

1.2 研究现状与存在问题

目前，国内外学者围绕甲醇燃料发动机开展了一系列研究工作。然而，研究内容主要集中于小型车用机台架测试以及定容燃烧弹光学诊断研究，针对船用甲醇发动机的相关研究开展较少。在已开展的研究中，仿真分析占据主导地位，虽然能够起到规律性研究的作用，但难以对船用甲醇发动机的设计优化提供实际指导。

在主机研发过程中，甲醇燃料应用仍面临诸多技术挑战：替代率低、易熄火、易爆震等问题制约着发动机性能的提升；在实际应用中，管路腐蚀、缸内侧燃、机油乳化等问题难以得到有效解决。此外，甲醇的低十六烷值（3~5）使其难以压燃，需要借助柴油引燃或火花塞点火，这增加了燃烧组织的复杂性。甲醇的高汽化潜热（1.11 MJ/kg）会导致缸内温度显著降低，可能引起燃烧不稳定和不完全燃烧等问题。

二、试验系统与方案设计

2.1 试验样机与改造方案

本文介绍的试验对象原型为一台船用柴油机，该机型主要用于船舶推进及发电用途，具备良好的动力性和可靠性。原机采用电子组合泵加压供油，柴油经由机械阀喷入缸内，形成传统的扩散燃烧模式。为实现甲醇-柴油双燃料燃烧，对原机进行了系统化改造。

甲醇供给系统的设计是改造工程的核心环节。通过在原机进气歧管打孔，安装甲醇喷射器、甲醇轨以及甲醇/柴油模式电子控制器（ECU），将原机改造为船用甲醇/柴油双燃料发动机。甲醇喷射器采用与汽油喷射器类似的结构设计，内部管路经过耐腐蚀处理，可承受甲醇燃料的化学腐蚀，实现0.5 MPa的稳定喷射压力。甲醇经过供给系统加压后在甲醇轨管处达到设定压力，之后根据ECU设定的喷射正时将甲醇喷射入进气道中。雾化后的甲醇与空气充分混合后进入缸内，被提前喷射入缸的柴油引燃，形成柴油引燃甲醇均质混合气的燃烧模式。

这种进气道喷射甲醇的技术路线具有结构改动小、改造成本低、控制灵活等优点。甲醇在进气道内喷射雾化，与空气形成均质混合气后进入气缸，充分利用了进气加热促进甲醇蒸发的效应，克服了甲醇常温下难蒸发的障碍。与缸内直喷技术路线相比，进气道喷射避免了缸盖结构复杂化、布置困难、成本高等问题，为现有柴油机的甲醇化改造提供了经济可行的技术方案。

2.2 主要测试设备

本文介绍的试验测试系统由发动机测功系统、燃烧分析系统、排放分析系统和燃料流量测量系统四大部分组成，各系统协同工作，确保试验数据的准确性和可靠性。

测功系统：使用湘仪FC2012W水力测功机与发动机相连，为发动机提供可调节的负荷，并对发动机的输出扭矩和转速进行实时监测。水力测功机具有良好的稳定性和调节精度，能够满足船舶推进特性试验的负荷控制要求。

燃烧分析系统：缸内压力测量采用AVL GH15DK缸压传感器，安装于发动机第一缸，实时采集缸内压力变化信号。曲轴转角测量使用AVL 366C角标仪，精确获取曲轴转角位置。燃烧分析仪采用AVL X-ion系统，对缸压信号和角标信号进行处理分析，最终计算得到缸内压力、放热率、平均指示有效压力、累积放热百分比等燃烧特征参数。在试验过程中，待发动机稳定运行后，取发动机转动200转的缸压数据平均值进行分析，以消除循环波动的影响。

排放分析系统：尾气成分浓度测试使用湖北锐意Gasboard-9801发动机排放测试系统。为确保排放采样的准确性，排放分析仪的取样口设置在排气管上，选取距发动机排气口下游约10倍排气管直径的位置，以获取具有代表性的排气样品。该系统可对发动机尾气中的CO、CO₂、NO、THC等成分进行连续采样分析，待排放分析仪读数稳定后记录30秒内的各排放物排放浓度平均值。

燃料流量测量系统：柴油和甲醇流量分别使用E+H公司生产的Promass83H型流量计与83A04型流量计进行测量。两款流量计均采用科里奥利原理，可直接测量燃料的质量流量，测量精度高、响应速度快，能够满足双燃料模式下两种燃料独立测量的需求。

2.3 试验方案设计

本试验所用的发动机主要用于船舶推进应用，大多数运行情况下按照船舶的推进特性曲线进行工作。推进类发动机的NTE排放测试区间覆盖了发动机在正常运行情况下可能达到的转速和负载范围。试验设计选取了船舶推进特性常用五个工况点，分别为推进特性曲线上的25%负荷、50%负荷、75%负荷、90%负荷以及100%负荷工况点。

横坐标转速比rn定义为发动机当前转速与额定转速的比值，纵坐标负荷L定义为当前功率与额定功率的比值。发动机外特性曲线是试验用发动机的功率特性限制曲线；发动机推进特性曲线是船舶航行中发动机功率与转速的关系曲线，也是发动机常用工况的所在曲线；100%转速工况代表发动机的满负荷工况。

在试验过程中，转速与甲醇替代率通过发动机控制器进行设定，扭矩通过测功机进行调节，确保各工况点达到预设的输出功率。试验分别在纯柴油模式（D模式）和甲醇-柴油双燃料模式（M/D模式）下进行，记录各工况点的燃料消耗量、缸内压力变化及排放浓度，为后续对比分析提供基础数据。

2.4 评价指标定义

为系统评价两种燃料模式下的发动机性能，本文定义了以下评价指标：

经济性评价指标：主要对比两种模式下的燃料消耗情况与对应的成本。等效燃料消耗量将甲醇和柴油消耗量按热值折算为柴油当量，计算公式为：等效燃料消耗量 = 柴油消耗量 + 甲醇消耗量 × (甲醇低热值/柴油低热值)。燃料消耗率为发动机单位功输出所消耗的等效燃料量，反映燃料利用效率。单位功成本根据燃料市场零售价计算，其中-10号柴油价格为7.65元/kg，甲醇价格为2.45元/kg，以发动机每输出1 kW·h功所需的燃料费用作为经济性评判标准。

燃烧性能评价指标：选取第一缸的最大缸压及对应转角、CA05（累积放热达到总放热量5%时对应的曲轴转角，即燃烧始点）、CA50（累积放热达到总放热量50%时对应的曲轴转角，即燃烧重心）、CA90（累积放热达到总放热量90%时对应的曲轴转角，即燃烧终点）、燃烧持续期（CA05到CA90的曲轴转角间隔）和平均有效压力作为发动机燃烧性能的评判标准。

排放性能评价指标：将相同工况下两种模式下CO、CO₂、NO、THC等污染物排放浓度作为发动机排放性能的评判标准，并结合排放特征分析污染物生成机理。

三、试验结果与分析

3.1 燃油经济性分析

（1）等效燃料消耗量

通过对比发动机在纯柴油模式与双燃料模式下的等效燃料消耗量随负荷的变化规律，可以评估甲醇替代对燃料利用效率的影响。试验结果表明，发动机在纯柴油模式与双燃料模式下的等效燃料消耗量并未呈现显著差距，两种模式下等效燃料消耗量的高低与甲醇替代率没有直接的对应关系。

在五个试验工况点中，仅50%负荷时双燃料模式的等效燃料消耗量高于纯柴油模式。该工况下发动机等效燃料消耗量为88.80 kg/h，比纯柴油模式提高8.1%。分析其原因，50%负荷时双燃料模式的甲醇能量替代率达到48.7%，为该工况点最高替代率。然而，发动机在50%负荷工况点的缸内温度并不高，大量甲醇喷入缸内导致缸内温度迅速降低，进而引起柴油和甲醇的不完全燃烧。甲醇汽化潜热高（1.11 MJ/kg，是汽油的3.7倍）的特点进一步加剧了这一工况燃烧的恶化，从而导致等效燃料消耗量增加。

90%负荷时双燃料模式的等效燃料消耗量为143.1 kg/h，相较于纯柴油模式降低最多，降幅达7.5%。当转速大于1200 r/min时，甲醇消耗量逐渐降低，这是因为甲醇中含有50%的氧元素可以促进缸内燃烧。在高负荷下适当降低甲醇替代率，可以有效抑制发动机爆震的发生，提高发动机运行稳定性。这一现象表明，甲醇替代率并非越高越好，需要根据工况条件进行优化匹配。

（2）燃料消耗率与单位功成本

燃料消耗率相较于燃料消耗量更直观地反映燃料利用效率。除50%负荷外，双燃料模式的燃料消耗率均低于纯柴油模式。在50%负荷时，大量热量并未有效用于做功，结合后续的燃烧及排放分析可发现，此时两种燃料的燃烧并不充分，导致燃料消耗率过高。

从单位功成本角度分析，在任何工况下使用甲醇均可降低发动机的燃料成本。在25%负荷下，单位功成本降低最为显著，最多可实现18.22%的成本降低。这一经济性优势源于甲醇与柴油的价格差异：柴油热值为42.5 MJ/kg，甲醇热值为19.93 MJ/kg；按市场价计算，柴油的燃料成本为0.18元/MJ，甲醇的燃料成本仅为0.123元/MJ。尽管甲醇汽化潜热高，但其成本优势仍然非常明显。在保证甲醇缸内充分汽化燃烧的前提下，任何替代率的甲醇均可带来发动机单位功成本的降低。

（3）有效热效率

有效热效率的对比情况与等效燃料消耗量及燃料消耗率变化规律基本一致。除50%负荷外，使用甲醇可以起到提高有效热效率的作用。在25%负荷时，甲醇替代率为36.25%，有效热效率提高8.23%；在75%负荷时，甲醇替代率为30.19%，有效热效率提高2.17%；在90%负荷时，甲醇替代率为18.44%，有效热效率提高8.17%。

值得注意的是，有效热效率的提高与甲醇替代率并无直接线性关系。在50%负荷时，双燃料模式的有效热效率相较于纯柴油模式降低7.57%，此时替代率虽然达到最高（48.7%），但热效率却是各工况点最低。这一现象揭示了甲醇-柴油双燃料燃烧的复杂性：过高的甲醇替代率在中低负荷下可能导致燃烧恶化，反而降低热效率。因此，对于甲醇-柴油双燃料发动机，如何兼顾发动机运行成本、有效热效率以及甲醇替代率，将成为船用甲醇动力推广应用的重要研究课题。

3.2 燃烧特性分析

（1）缸内压力特征

缸内压力是反映发动机燃烧过程的关键参数，其峰值大小及对应曲轴转角位置直接影响发动机的动力输出、机械负荷和燃烧噪声。试验结果表明，发动机最大缸压的高低与甲醇替代率高低并无直接对应关系。

在双燃料模式下，缸内混合燃料的燃烧过程可以划分为柴油燃烧、甲醇汽化以及甲醇燃烧三个阶段。甲醇在进气道喷射并与空气混合后进入缸内，因此缸内混合燃料的燃烧过程与柴油及甲醇的喷射正时有直接联系。25%负荷时，较高替代率的甲醇会使缸内温度迅速降低，导致燃料燃烧不充分，双燃料模式的最大缸压降低。此时，甲醇汽化吸热的影响大于甲醇对燃烧的促进作用，表现为最大缸压下降。

50%负荷和75%负荷时，缸内温度相较于25%负荷有所升高，但甲醇喷射量均超过70 kg/h。大量甲醇的汽化燃烧持续时间较长，导致压力升高的累积效应，从而使最大缸压增大。90%负荷和100%负荷时，甲醇喷射量远小于柴油喷射量，且缸内温度足够引燃甲醇。此时甲醇燃烧与柴油燃烧关系的独立性增强，压力累积效应减弱，使得最大缸压有一定程度降低。

从最大缸压对应曲轴转角分析，除75%负荷外，双燃料模式最大缸压对应的曲轴转角均滞后于柴油模式。这是因为双燃料模式下柴油汽化、引燃甲醇需要一定时间，造成最大缸压对应曲轴转角的滞后。75%负荷时发动机缸内温度较高，甲醇喷入缸内即可汽化甚至出现少量被点燃的情况，导致柴油燃烧与甲醇燃烧的重合，使最大缸压对应的曲轴转角提前。90%和100%负荷时缸内温度达到最高且甲醇消耗量较小，甲醇喷入缸内时即可被点燃，与柴油燃烧联系较少，对缸压上升总体影响较小，缸压上升主要受柴油燃烧影响，因此最大缸压对应曲轴转角并未出现提前。

（2）平均有效压力

平均有效压力是指单位气缸工作容积所做的有效功，是评判发动机动力性的重要参数。对比双燃料模式与柴油模式下的平均有效压力可以发现，双燃料模式下各工况点的平均有效压力均低于柴油模式。

75%负荷时差异最为显著，柴油模式平均有效压力为1357 kPa，双燃料模式为1213 kPa，两者相差144 kPa；25%负荷时差距最小，柴油模式平均有效压力为687 kPa，双燃料模式为635 kPa，相差52 kPa。平均有效压力随负荷的变化曲线接近线性，甲醇的加入均导致平均有效压力下降，但下降程度与替代率高低无绝对关系。

平均有效压力是反映发动机做功输出的直接指标。尽管在两种模式负荷相同时设定的转速、扭矩一致（即理论输出功率相同），但燃料喷射的不稳定性、甲醇的不完全燃烧可能导致实际输出功率的下降。甲醇汽化潜热大，虽然甲醇加入降低了缸内温度、减少了壁面传热损失，但燃料蒸发雾化差导致不完全燃烧程度提高，最终导致双燃料模式平均有效压力下降。这一现象提示，在甲醇发动机开发中需要优化燃烧组织，提高甲醇的燃烧效率，以弥补动力性损失。

（3）燃烧相位特征

当发动机在燃烧过程中累计放热量达到5%、50%和90%时，对应的曲轴转角分别定义为燃烧始点CA05、燃烧放热重心CA50和燃烧终点CA90。这些燃烧相位参数反映了燃烧进程的快慢和放热规律。

双燃料模式下CA05均呈现一定程度的曲轴转角滞后。在25%负荷时滞后最为显著，双燃料模式比柴油模式滞后5.34°CA；100%负荷时滞后最小，为0.05°CA。CA50受发动机运行工况影响较大，呈现出低负荷提前、高负荷滞后的复杂规律。双燃料模式的CA90均提前于柴油模式，提前幅度大致接近，与替代率高低无直接关系。

这一现象与甲醇的理化特性密切相关。甲醇十六烷值较低（3~5），远低于柴油的40~55，甲醇与柴油在缸内混合物的十六烷值低于纯柴油，使得混合物的着火性能变差、燃烧粗暴，导致燃烧始点滞后与燃烧终点提前。对于燃烧重心，在中低负荷时缸内温度较低，甲醇对缸内温度冷却的影响大于甲醇燃烧粗暴的影响，甲醇加入使燃烧重心滞后；在中高负荷阶段缸内温度上升、甲醇替代率降低，混合燃料着火性能增强，此时甲醇燃烧粗暴的影响大于冷却效应，造成燃烧重心提前。

双燃料模式CA90均提前于柴油模式，50%负荷时提前最多（3.62°CA），100%负荷时提前最少（2.41°CA）。可见甲醇的加入可使燃烧终点提前，有利于适应发动机高转速运行，使发动机对油门变化响应更加快速。

（4）燃烧持续期

从CA05到CA90的曲轴转角间隔被定义为燃烧持续期，其长短对发动机的排放、燃烧效率有直接影响。对比两种模式下的燃烧持续期可以看出，双燃料模式在各工况点的燃烧持续期均短于柴油模式。

25%负荷时差异最为显著，双燃料模式燃烧持续期为9.16°CA，柴油模式为17.65°CA，两者相差8.49°CA；100%负荷时差异最小，双燃料模式燃烧持续期为37.26°CA，柴油模式为39.72°CA，相差2.49°CA。

甲醇的低十六烷值导致混合物滞燃期延长，缸内混合气更加均匀，预混燃烧速度增大，从而使双燃料模式燃烧持续期缩短。甲醇的使用缩短发动机燃烧持续期，虽然增强了发动机的机动性，但也可能带来排放变差、燃烧效率降低等问题。燃烧持续期缩短意味着燃烧过程更为集中，可能导致缸内温度压力升高率增大，NOx生成倾向增强，同时对燃料与空气混合时间提出更高要求。

3.3 排放特性分析

（1）CO与HC排放

CO和HC是烃类不完全燃烧的产物，主要受氧气浓度和缸内温度的影响。试验结果表明，双燃料模式下排放尾气中的CO和HC呈现先增加后减少的趋势，但整体高于纯柴油模式。

从排放量级分析，尾气中CO占据绝大部分。使用甲醇后，除100%负荷外，CO排放均有一定程度降低。CO和HC的生成机理表明，低负荷时发动机缸内温度偏低，燃料燃烧不充分；高负荷时发动机燃料喷射量大、转速快但缸内体积有限，为达到同样热量更多的甲醇被喷入缸内，导致燃料液滴与空气混合程度较差，缸内局部缺氧情况加剧，最终导致烃类氧化反应不彻底。

值得注意的是，双燃料模式下不完全燃烧产物的增加与甲醇的汽化特性密切相关。甲醇的高汽化潜热导致缸内温度降低，特别是在低负荷工况下，这一效应更为显著，抑制了CO向CO₂的氧化反应。同时，进气道喷射甲醇可能导致部分甲醇在进气管壁面形成液膜，进入缸内后造成局部过浓区域，进一步加剧不完全燃烧。

（2）碳排放特征

对比两种模式下发动机CO、CO₂及HC三种含碳气体排放之和，可以评估不同燃料模式的碳排放特征。低负荷时使用甲醇可以有效降低碳排放，最高可降低5%；但高负荷时即使较低替代率的甲醇加入也会增加碳排放。

从燃料分子结构分析，每释放1 MJ热量，柴油大约释放0.0202 kg碳，而甲醇释放0.0188 kg碳。理论上使用甲醇必然降低碳排放，但试验结果与此规律存在矛盾。分析其原因，高负荷时双燃料模式下发动机碳烟排放会降低，甲醇抑制碳烟生成，导致更多含碳物质转化为气态排放。这一解释与高负荷工况下双燃料模式CO、CO₂、HC排放均较高的规律相符，也是双燃料模式下含碳气体排放在75%、90%及100%负荷均高于纯柴油模式的原因。

这一现象揭示了甲醇燃烧的碳转化路径变化：甲醇作为含氧燃料（含氧量50%），促进了碳烟前驱物的氧化，减少了颗粒物排放，但部分碳以气态形式排出。从总碳氢化合物排放角度，双燃料模式有所增加，这需要通过后处理系统加以控制。

（3）NO排放

氮氧化物（NOx）的生成需要同时满足高温、富氧和燃烧反应持续时间三个条件。试验结果表明，全工况下发动机NO排放均大于0.1%，在25%~75%负荷区间，双燃料模式NO排放均低于柴油模式。

25%负荷下两种模式的NO排放均为最高，双燃料模式为0.1356%，柴油模式为0.1477%；100%负荷下两种模式的NO排放均为最低，双燃料模式为0.1101%，柴油模式为0.1051%。与此同时，双燃料模式下尾气中O₂含量均高于柴油模式。

在25%~75%负荷区间，双燃料模式NO排放低于纯柴油模式，但双燃料模式尾气O₂含量与纯柴油模式的差值不低于0.39%，远高于90%及100%负荷下的0.15%和0.01%。这一现象表明，在中低负荷时缸内即使有较为充足的氧气，大量甲醇的加入降低了缸内温度，从而削弱了NOx的生成条件。甲醇的高汽化潜热导致压缩温度降低，燃烧温度相应下降，抑制了热力型NOx的生成。

在高负荷时，甲醇替代率较低，缸内温度进一步升高，充足的氧气和高温条件共同作用，导致缸内N₂能够充分与O₂发生反应，使NOx排放升高。这一规律提示，高负荷工况下需要采取相应措施控制NOx排放，如调节甲醇替代率、优化喷射正时或结合废气再循环技术。

四、船用甲醇-柴油双燃料发动机核心优势

4.1 经济性优势

甲醇-柴油双燃料发动机最显著的优势体现在运行成本方面。基于本文试验数据，甲醇的加入在各工况点均可降低单位功成本，25%负荷下最多可实现18.22%的成本降低。这一经济性优势主要源于甲醇与柴油的价差以及甲醇的含氧特性。

从燃料成本构成分析，柴油热值为42.5 MJ/kg，甲醇热值为19.93 MJ/kg，按市场价7.65元/kg和2.45元/kg计算，柴油单位能量成本为0.18元/MJ，甲醇仅为0.123元/MJ。即使考虑甲醇汽化潜热高可能导致的燃烧效率变化，甲醇仍具有明显的成本优势。在船舶运营全生命周期内，燃料成本占总运营成本的比例较高，甲醇燃料的应用可显著降低船东的运营支出。

除直接燃料成本优势外，甲醇双燃料发动机还具备燃料灵活性。船舶可根据甲醇和柴油的市场价格波动，灵活调整两种燃料的使用比例，实现运营成本最优化。在全球甲醇产能持续扩张、绿色甲醇供应链逐步完善的背景下，这一经济性优势将进一步凸显。

4.2 燃烧特性优势

甲醇的加入对发动机燃烧过程产生了积极影响，主要体现在燃烧持续期缩短和燃烧终点提前两个方面。

试验结果表明，双燃料模式下各工况点燃烧持续期均短于纯柴油模式，25%负荷时最大缩短8.49°CA。燃烧持续期缩短意味着燃烧过程更为集中，等容度提高，有利于热效率提升。同时，燃烧终点提前有利于适应发动机高转速运行，使发动机对负荷变化响应更加快速，提高了船舶的机动性和操纵性。

甲醇的含氧特性（含氧量50%）促进了缸内燃烧，特别是在高负荷工况下，甲醇的加入可以抑制爆震倾向，提高发动机运行稳定性。甲醇燃烧火焰传播速度快，预混燃烧比例增加，有助于提高燃烧效率。此外，甲醇不含硫，燃烧过程中不会产生硫氧化物排放，避免了硫酸腐蚀和颗粒物生成，有利于延长发动机使用寿命。

从燃烧优化角度，甲醇双燃料发动机可通过调节甲醇替代率、喷射正时等参数，实现燃烧相位的灵活控制，在不同工况下获得最优燃烧特性。国内研发的MDF6210CR甲醇-柴油双燃料发动机最高热效率已达43.63%，证明了甲醇燃料在提升热效率方面的潜力。

4.3 环保优势

甲醇作为清洁替代燃料，在环保性能方面具有显著优势。首先，甲醇分子不含硫，燃烧过程不产生SO₂排放，可直接满足限硫令要求，无需额外安装脱硫装置。其次，甲醇燃烧几乎不产生碳烟，可有效降低颗粒物排放，减轻对大气环境的污染。

从温室气体排放角度，甲醇具有碳减排潜力。甲醇分子结构中碳原子数少，每单位能量释放的碳量低于柴油。更重要的是，当甲醇来源于生物质或可再生电力（电子甲醇）时，可实现全生命周期的碳中和甚至负碳排放。DNV报告指出，部分生物甲醇与电子甲醇路径可实现极低甚至负生命周期排放，为航运业深度脱碳提供了可行路径。

在NOx排放控制方面，甲醇的低温燃烧特性具有天然优势。本文试验结果表明，在中低负荷工况下，甲醇的加入可降低缸内燃烧温度，抑制NOx生成，25%~75%负荷区间双燃料模式NO排放均低于柴油模式。这一特性可减轻后处理系统负担，降低SCR系统尿素消耗量。

4.4 技术成熟度与改装可行性

从技术应用角度，甲醇双燃料发动机已具备较高技术成熟度。全球现代双燃料发动机在甲醇模式下的累计运行时长已超过60万小时，船舶改装可行性得到了充分验证。

甲醇燃料的理化特性使其在船舶应用中具有独特优势。与液化天然气（-162℃）和氨（-33℃或高压）不同，甲醇可在常温常压下液态储存，储罐设计简单，无需低温绝热或高压容器。甲醇的能量密度较高，储罐占用空间小于低温燃料，对现有船舶改装更为友好。甲醇可使用常规加注系统，港口能够快速且经济高效地完成加注设施适配，降低了基础设施投资门槛。

在发动机制造领域，国内已建成甲醇双燃料主机台架试验平台，可满足多型号甲醇双燃料主机的出厂试验需求。中船恒宇能源公司自主研发的超大型船用甲醇燃料主机台架试验平台，可实现燃料供给温度和压力随主机负荷波动的精准控制，为甲醇发动机研发提供了重要试验手段。淄柴动力联合天津大学研发的甲醇/柴油双燃料发动机，采用进气歧管高压喷射甲醇形成均质混合气技术，实现了中高速船用发动机准均质压燃高效应用，突破了国外技术壁垒。

五、结论与展望

5.1 研究结论

本文通过对一台船用甲醇-柴油双燃料发动机开展推进特性试验研究，系统对比了纯柴油模式与双燃料模式下的经济性、燃烧性能及排放性能，得出以下主要结论：

（1）在推进特性工况点上，柴油模式的燃料消耗量与双燃料模式的等效燃料消耗量相近，但甲醇的使用显著降低单位功成本。25%负荷下最多可实现18.22%的成本降低，使发动机燃油经济性得到明显提升。有效热效率的变化与甲醇替代率无直接线性关系，50%负荷时过高的替代率反而导致热效率下降，表明甲醇替代率需要根据工况优化匹配。

（2）甲醇的加入改变了发动机燃烧特性。双燃料模式下燃烧始点滞后、燃烧终点提前，燃烧持续期显著缩短，25%负荷时最大缩短8.49°CA。甲醇的低十六烷值导致滞燃期延长，预混燃烧比例增加，燃烧过程更为集中。甲醇的不完全燃烧导致总热值下降，双燃料模式下各工况点平均有效压力均有一定程度下降。

（3）排放性能方面，双燃料模式CO与HC排放均高于柴油模式，呈现先增加后减少的趋势，这与甲醇的低温燃烧特性和汽化效应密切相关。NO排放随发动机负荷增大而降低，中低负荷时双燃料模式NO排放低于柴油模式，高负荷时略高于柴油模式，体现了甲醇低温燃烧在NOx控制方面的优势与局限。甲醇的加入改变了碳转化路径，抑制碳烟生成但增加含碳气体排放。

5.2 存在问题与挑战

尽管甲醇-柴油双燃料发动机展现出显著优势，但在技术推广应用中仍面临诸多挑战。在燃烧组织层面，中低负荷下甲醇替代率过高可能导致燃烧不稳定，有效热效率下降；高负荷下NOx排放增加需要协同控制。甲醇的高汽化潜热导致缸内温度降低，可能引起不完全燃烧和HC排放增加。

在工程应用层面，甲醇的腐蚀性对燃料系统材料提出了特殊要求，管路腐蚀、密封件老化等问题需要针对性解决。甲醇对水的亲和力强，易吸收水分导致燃料变质和相分离。进气道喷射甲醇可能引起机油乳化，影响发动机润滑性能和可靠性。甲醇的低闪点和毒性对船舶安全设计提出了更高要求，需要配置燃料泄漏监测、通风防爆等安全系统。

在燃料供给层面，绿色甲醇的产能和供应链仍在建设中，当前生物甲醇价格较高，2025年均价约为每吨MGOe 2500美元，是船用轻柴油的近三倍。全球生物甲醇产量仅220万吨，远低于2040年预计6000万吨的潜在需求，燃料可得性是制约规模化应用的重要因素。

5.3 研究展望

针对上述问题和挑战，未来研究可从以下几个方向深入展开：

燃烧系统优化：开展甲醇喷射策略、喷射正时、喷射压力对燃烧过程影响的系统研究，探索变工况下甲醇替代率的优化匹配规律。结合光学诊断和CFD仿真，深入揭示甲醇-柴油双燃料燃烧机理，为燃烧系统设计提供理论指导。

整机性能仿真：试验研究具有较高的时间、经济成本，同时试验结果易受环境因素影响。未来研究应综合使用建模仿真手段，建立甲醇-柴油双燃料发动机多维仿真模型，开展系统的仿真研究，预测不同工况、不同替代率下的发动机性能，为试验设计和参数优化提供指导。

后处理技术开发：针对双燃料模式HC和CO排放升高的问题，研发适用于甲醇发动机的氧化催化后处理装置。淄柴动力已开展甲醇/柴油双燃料专用氧化催化后处理装置的研发，未来应进一步优化催化剂配方，提高低温转化效率，满足严苛排放法规要求。

燃料灵活性拓展：探索甲醇与其他燃料（如乙醇、生物柴油）的混合应用，研究不同燃料特性对发动机性能的影响。DNV指出，甲醇双燃料发动机经简单改造后亦可使用乙醇，燃料灵活性可进一步降低运营风险和成本。

实船应用验证：在台架试验基础上，开展实船应用示范，验证甲醇双燃料发动机在实际航行条件下的可靠性、经济性和排放性能。积累运行数据，为发动机优化和控制策略改进提供依据。

绿色甲醇供应链建设：推动生物甲醇和电子甲醇的产业化发展，降低绿色甲醇生产成本，完善甲醇加注基础设施网络。中国占全球规划中低温室气体甲醇产能的43%，应充分发挥这一优势，构建完整的甲醇燃料产业链。

综上所述，甲醇-柴油双燃料发动机作为船用清洁替代动力的重要技术路线，具有良好的经济性、环保性和技术可行性。通过持续的技术研发和工程优化，甲醇动力有望在航运业绿色转型中发挥重要作用，为构建自主可控、绿色智能的中国船用动力体系提供有力支撑。

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