船用甲醇发动机技术发展现状及未来趋势分析
船用甲醇发动机技术发展现状及未来趋势分析
随着全球对环境保护和可持续发展的重视，船舶动力领域的绿色低碳转型已成为必然趋势。作为替代能源的重要选择之一，甲醇燃料因其独特的理化性质和环保优势，正在船舶动力领域展现出巨大的发展潜力。本文将从甲醇作为船用燃料的优势出发，深入探讨船用甲醇发动机的技术发展现状，并展望其未来的发展趋势。
018年4月，国际海事组织通过了关于温室气体减排的初步战略，为海运业的绿色低碳发展指明了方向。该战略提出，以2008年为基准，到2030年全球海运业的平均CO₂排放量需减少40%，至2050年进一步减少70%。此外，还设定了到2050年前将年度温室气体排放总量至少减少50%的目标，并致力于在21世纪末实现海运业温室气体的零排放。
面对海运业温室气体减排的法规要求，船舶动力领域迎来了巨大的挑战。绿色低碳的转型已成为行业的必然趋势。我国航运业也在积极探寻绿色低碳的船舶动力发展道路，以期为全球温室气体减排贡献力量。
在众多替代能源中，可再生绿色清洁能源被视为实现减排目标的有效途径。尽管太阳能、风能等可再生能源具有诸多优势，但其供给和运输方面仍存在诸多限制。而绿色甲醇燃料，作为一种绿色可再生能源的载体，通过转化存储绿色电能，有望解决这一难题。
绿色合成甲醇燃料因其高能量密度和常温液态的理化特性，与传统化石燃料相似，使得其储存、运输、加注和使用过程与传统方式无异，从而大大提升了其作为未来燃料实现碳中和目标的潜力。此外，国际海事组织已发布《甲醇/乙醇燃料船舶安全暂行指南》，中国船级社也紧跟步伐，于2022年7月发布了《船舶应用甲醇乙醇燃料指南2022》，为甲醇燃料的推广应用提供了坚实的政策支持。然而，就我国目前的情况来看，绿色甲醇燃料的价格及加注配套设施等问题仍需进一步解决，以实现其更广泛的推广应用。
一、甲醇作为船用燃料的显著优势
相较于液化天然气（LNG）等替代燃料，甲醇在常温状态下呈现为液态，这使得燃料舱的设计和建造过程更为简便，从而显著降低了成本。此外，国际上已经积累了甲醇动力船的应用经验，为甲醇燃料的应用提供了实践支持。
在环保方面，甲醇燃料表现出色。由于不含硫元素，甲醇双燃料发动机在运行时，仅需引燃柴油即可产生硫化物，相较于使用传统燃料油的发动机，其SOx排放能轻松满足国际海事组织（IMO）的减排要求。同时，在氮氧化物（NOx）排放上，甲醇燃料也展现出了显著的优势，其NOx排放量远低于低硫油（MGO）。
测试结果显示，使用Wartsila Z40SMD型发动机时，MGO的NOx排放约为11.5 g/（kW·h），而甲醇燃料的NOx排放则降低至5.0 g/（kW·h），降幅高达56.5%。这得益于甲醇燃料中50%的氧原子含量，使得燃烧速度更快，燃烧品质更高，进而有效降低了发动机的污染物排放。
更为值得一提的是，甲醇燃料发动机不仅能满足目前施行的IMO Tier II和GB 15097—2016中国第二阶段法规限值的要求，其化学分子式CH₃OH也意味着其理化性质与汽油高度相似。这使得甲醇燃料在船用燃料领域具有广阔的应用前景。
甲醇燃料不仅是一种高效的船用燃料，还是一种关键的化工原料。我国在甲醇的生产、储存、运输及加注等方面已建立了完备的基础设施，使得甲醇燃料的产能极为可观。同时，在国际航运业繁荣的地区，甲醇燃料的基础配套设施往往也一应俱全。随着可再生能源技术的不断进步，生物甲醇及可再生合成甲醇燃料的产业规模正在迅速壮大，绿色甲醇因此有望成为未来船舶碳中和的重要燃料选择。
二、船用甲醇发动机的研究进展
随着甲醇燃料在船用领域的广泛应用，船用甲醇发动机的研究也取得了显著进展。目前，国内外众多科研机构和企业都在致力于开发高效、可靠的船用甲醇发动机，以满足日益增长的船用燃料需求。这些研究不仅集中在发动机的性能提升上，还包括了甲醇燃料的供应、储存和加注等配套设施的完善。随着技术的不断突破，船用甲醇发动机的性能将更加出色，为船舶的碳中和转型提供有力支持。
1、国外船用甲醇发动机研究现状
在船用甲醇发动机领域，瑞典等部分欧洲国家已经取得了显著的研究和应用成果。例如，瑞典隆德大学在重载发动机替代燃料燃烧模式方面进行了深入的理论研究，探讨了指示热效率与碳烟排放量之间的关系，为船用甲醇发动机的优化设计提供了重要依据。
图1展示了瑞典隆德大学对重载发动机的理论研究，其中○代表火花塞点火，□代表直喷压燃，◇代表双燃料，△代表新燃料燃烧理论。从图中可以看出，醇类燃料通过直喷压燃和部分预混燃烧模式，能够同时实现高热效率和低碳烟排放。然而，甲醇燃料由于其着火性较差，需要采用辅助点火方式来组织燃烧。
目前，可选的辅助点火方式包括热面点火、预热塞点火、掺烧模式（甲醇由柴油机进气道喷入）、柴油−甲醇混合燃料、加十六烷值改进剂、柴油微喷引燃以及预混后采用火花塞点燃的奥托循环模式。
此外，近年来国外发动机行业也在不断推进船用甲醇燃料发动机相关技术的研究。Wartsila和MAN等知名船用发动机厂商已经着手在甲醇−柴油双燃料发动机领域展开应用研究，并已成功开发出低速机和中速机产品，并投放市场。
2015年，MAN公司隆重推出了ME-LGIM型甲醇双燃料发动机。这款发动机在甲醇燃料模式下，能够显著降低CO₂、颗粒物、NOx和SOx等有害物质的排放。同时，它还具备在甲醇和传统燃料之间灵活切换的能力。经过实际测试，与仅使用传统化石燃料的低速机相比，采用甲醇燃料的低速机在热效率和经济性方面表现更为出色。
MAN公司研发的甲醇−柴油双燃料发动机，其甲醇和柴油均采用缸内直喷技术。特别是MAN 50ME-LGIM低速机，通过甲醇缸内直喷、柴油引燃，并结合废气再循环技术，成功达到了IMO Tier Ⅲ的排放标准。在甲醇模式下，其功率输出与柴油模式相当，且在负荷≥10%时即可切换至甲醇模式，最高可达95%的甲醇替代率。试验结果更是令人瞩目，NOx排放量较Tier Ⅱ限值降低了70%，同时颗粒物排放几乎为零。
015年，Stena Line公司的“Germanica”号渡轮上，成功应用了Wartsila公司基于ZA40S发动机改造的甲醇−柴油双燃料发动机。这款发动机巧妙地融入了柴油微喷引燃技术，仅需增设甲醇燃料喷射系统，而活塞、缸套、连杆等核心部件则可完全沿用原机设计。经过严格的排放测试，“Germanica”号渡轮所搭载的这款发动机表现优异，NOx排放量控制在3~5g/（kW·h）之间，CO排放低于1g/（kW·h），烟度（FSN）约为0.1，几乎无硫氧化物排放，且甲醛排放也远低于德国标准。在动力输出和瞬态加载能力方面，该发动机与柴油模式不相上下，尤其在甲醇模式下，热效率更是显著提高。值得一提的是，Wartsila公司正计划在此基础上推出一款全新的Wartsila 32甲醇发动机，该发动机将ZA40S发动机的燃料喷射控制与燃烧技术，与Wartsila32平台的发动机自动化控制功能深度融合，打造出一款甲醇−柴油双燃料四冲程发动机。预计这款新型发动机将在2023年正式面世。
图2展示了Wartsila32甲醇-柴油双燃料四冲程发动机的外观与结构。这款发动机融合了先进的技术，将ZA40S发动机的燃料喷射控制与燃烧技术，与Wartsila32平台的发动机自动化控制功能紧密结合，打造出高效且环保的甲醇−柴油双燃料四冲程发动机。其设计精巧，动力强劲，预计将在未来为航运业带来革命性的变革。
3、国内船用甲醇发动机研究现状
当前，国内船用甲醇发动机在部分技术领域仍落后于国外水平。然而，随着甲醇发动机技术的不断进步，我国的高校和科研单位已在该领域取得了一系列的基础研究与应用成果。
015年，天津大学在“柴油与甲醇组合燃烧技术”的研究上取得了重要进展，成功实现了甲醇平均替代率高达32.7%，从而突破了柴油-甲醇双燃料发动机的关键技术。此外，他们还在一台450kW的渔船发动机上成功进行了甲醇替代柴油的台架试验，最大甲醇替代率更是达到了46%，为该技术在船用柴油机上的应用提供了坚实的技术支撑。
到了2022年，淄柴动力也取得了显著成就。他们开发的新型四冲程Z6170甲醇发动机成功完成了样机试验，并通过了“船用中高速甲醇-柴油双燃料发动机”项目的成果鉴定。这款发动机采用了创新的甲醇-柴油二元燃烧技术，通过甲醇气道喷射与缸内柴油的掺烧，实现了综合替代率约40%的高水平。
图3展示了淄柴动力所研发的四冲程Z6170甲醇发动机的样貌。这款发动机不仅通过了严格的样机试验，更在“船用中高速甲醇-柴油双燃料发动机”项目的成果鉴定中脱颖而出。其独特的甲醇-柴油二元燃烧技术，结合甲醇气道喷射与缸内柴油的巧妙掺烧，成功实现了高达40%的综合替代率，为船用柴油机的绿色转型提供了强有力的技术支持。
4、国内外研究现状小结
国外方面，甲醇-柴油双燃料技术在中速机领域已得到广泛应用。MAN、Wartsila及ABC等知名企业均已采用此技术路线，并取得了显著成果。在低速机领域，MAN推出的产品已获得市场认可并实现应用。然而，目前仅有Wartsila在原SulzerZA40S柴油机基础上进行了甲醇-柴油双燃料改进，但尚未形成量产。
国内方面，车用甲醇发动机已采用进气道喷射甲醇单一燃料技术路线并投入商用。但需注意的是，车用甲醇发动机的技术路线和整机设计思路与船用发动机存在差异，因此无法直接借鉴。目前，国内在内河单机功率小于600kW的小缸径高速柴油机上进行甲醇-柴油双燃料机改造研究，针对缸径大于170mm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，甲醇替代率可达30%~40%，但仍需进一步提高。
三、船用甲醇发动机的未来展望
船用甲醇发动机的发展可概括为三个主要阶段：低压气道喷射甲醇燃烧、高压缸内直喷甲醇燃料，以及高压缸内直喷甲醇柴油引燃技术。
（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气道喷射甲醇并采用点燃燃烧模式。然而，这种模式下甲醇的综合替代率仅能达到约40%。由于甲醇的高辛烷值和高挥发性特点，使其在点燃式发动机上的应用成为可能，但单一的甲醇燃料并不适合船用发动机的预混燃烧模式。在高负荷时，过高的甲醇替代率会导致预混合气集中放热，从而引发缸内燃烧粗暴、早燃爆震等异常现象，对发动机造成损害。
（2）高压缸内直喷单一甲醇燃料技术
这种缸内直喷单一甲醇并采用压燃燃烧的方式在实际应用中面临挑战。由于甲醇的十六烷值很低，它并不适合传统的压燃模式。尽管有研究者尝试通过降低压缩比来提高负荷上限，但发动机的进气温度需提升至155℃才能保持稳定运转，这无疑增加了技术的复杂性。
（3）高压缸内直喷甲醇柴油引燃技术
MAN和Wartsila等知名企业推出的船用甲醇发动机采用了此技术路线。通过缸内甲醇直喷形成非预混燃烧，这种技术有效地解决了进气道喷射甲醇所面临的问题。目前，这一领域的研究尚处于起步阶段，但已显示出巨大的潜力。
值得一提的是，上海船用柴油机研究所也在积极推进船用甲醇燃料中速机的缸内直喷技术研究。他们基于1~2 MW级的CS21柴油机平台，开展了关键技术的台架测试。通过在甲醇缸内直喷、微喷引燃以及多目标多参数优化技术上的突破，他们成功实现了92%的甲醇替代率，并且在燃油经济性、加速加载性能以及排放特性方面都取得了显著的提升。
图4展示了甲醇燃料中速机的试验平台，这一平台旨在满足船东对甲醇双燃料中速机的迫切需求。依托在单一燃料甲醇机方面的深厚研究基础，上海船用柴油机研究所计划于2024年推出新款甲醇−柴油双燃料中速机产品。这款产品将具备高替代率与卓越性能，从而助力满足未来国内外日趋严格的温室气体排放法规。
四、结 论
（1）对于高强化度、高功率需求的船舶发动机，甲醇气道喷射单一燃料的技术路线并不适用。
（2）甲醇气道喷射与柴油混烧的二元燃烧技术路线，其替代率目前仍较低，需要进一步的技术研究来提升替代率。这一限制可能阻碍了其在船舶动力领域的大规模应用。
（3）相比之下，采用甲醇和柴油缸内双直喷的双燃料发动机，因其燃料使用的灵活性和高甲醇替代率，更有可能被市场所接受，并有望成为未来的发展趋势。