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船用天然气/柴油双燃料发动机性能与特性的试验剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球经济快速发展的当下，能源与环境问题已然成为人类社会可持续发展进程中无法回避的严峻挑战。航运业作为国际贸易的关键支撑，在全球经济体系中占据着举足轻重的地位。然而，传统船用发动机主要依赖石油基燃料，如重油和柴油，这些燃料的大量使用不仅导致全球石油资源加速消耗，使得能源供需矛盾日益尖锐，还引发了一系列严重的环境问题。船舶排放的废气中含有大量的硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）以及温室气体二氧化碳（CO2）等污染物，对大气环境、海洋生态系统以及人类健康都造成了极大的威胁。

国际海事组织（IMO）作为国际航运领域的权威监管机构，为了应对航运业带来的环境挑战，制定并实施了一系列严格的排放法规。例如，IMO的《国际防止船舶造成污染公约》（MARPOL）附则VI对船舶排放的硫氧化物、氮氧化物和颗粒物等污染物的排放标准进行了明确规定，并不断提高标准的严格程度，以促使航运业减少污染物排放。此外，随着全球对气候变化问题的关注度不断提高，各国纷纷提出了碳减排目标，航运业作为碳排放的重要来源之一，也面临着巨大的减排压力。

在这样的背景下，寻求清洁、高效的船用替代燃料和新型发动机技术已成为航运业实现可持续发展的必然选择。天然气作为一种相对清洁的化石能源，具有储量丰富、分布广泛、价格相对稳定等优点。与传统的石油基燃料相比，天然气燃烧时几乎不产生硫氧化物和颗粒物，氮氧化物的排放量也大幅降低，二氧化碳排放量可减少约20%-30%，能够显著降低船舶对环境的污染，满足日益严格的排放法规要求。

船用天然气/柴油双燃料发动机作为一种新型的船舶动力装置，结合了天然气和柴油的优点，既能够在大多数工况下使用清洁的天然气作为主要燃料，减少污染物排放，又保留了柴油发动机在启动、低负荷运行和应急情况下的可靠性和稳定性。这种发动机可以根据船舶的运行状态和燃料供应情况，灵活地切换燃料模式，在保证船舶动力性能的同时，实现节能减排的目标。

研究船用天然气/柴油双燃料发动机具有重大的现实意义。从环境角度来看，它有助于减少船舶排放对大气环境和海洋生态的污染，保护人类赖以生存的自然环境，促进全球生态平衡的维护。从能源角度出发，它为航运业提供了一种多元化的能源解决方案，降低了对单一石油基燃料的依赖，提高了能源利用效率，增强了能源安全保障。从经济角度而言，虽然双燃料发动机的初始投资成本可能相对较高，但从长期运行来看，由于天然气价格相对较低，能够降低船舶的燃料成本，提高航运企业的经济效益。此外，随着技术的不断进步和市场的逐渐成熟，双燃料发动机的成本有望进一步降低，其经济优势将更加明显。

在能源与环境问题日益严峻的今天，船用天然气/柴油双燃料发动机的研究与应用对于推动航运业的绿色、可持续发展具有不可替代的重要作用，是航运业应对未来挑战的关键技术之一。

1.2国内外研究现状

在全球倡导绿色航运、节能减排的大背景下，船用天然气/柴油双燃料发动机成为国内外研究的热点，众多科研机构、高校和企业投入大量资源进行技术研发、应用推广以及试验研究，取得了一系列显著成果。

国外在船用天然气/柴油双燃料发动机领域起步较早，技术相对成熟。芬兰的瓦锡兰（W?rtsil?）公司和德国的曼恩（MAN）公司是行业内的领军企业。瓦锡兰研发的50DF双燃料发动机，采用柴油引燃方式，缸径500mm，冲程580mm，标定单缸功率950/975kW，转速500/514r/min，平均有效压力2.00MPa。该发动机具备良好的动力性能和燃料适应性，在全球范围内广泛应用于各类商船，如集装箱船、散货船等。其先进的电子控制系统能够精确控制天然气和柴油的喷射量和喷射时机，实现高效燃烧，有效降低了污染物排放，氮氧化物排放量相较于传统柴油机降低了80%以上。

曼恩公司的ME-GI电控双燃料柴油机同样具有卓越的性能。该机型在二冲程机领域具有开创性意义，燃油和燃气喷射均由电子系统精确控制，提高了发动机的可靠性和稳定性。以一艘配备MANME-GI发动机的18000TEU集装箱船为例，与使用传统重油发动机相比，二氧化碳排放量每年可减少约20%，显著提升了船舶的环保性能。此外，曼恩公司还积极开展发动机改装技术研究，致力于将现有单一燃料发动机改装成双燃料发动机，以满足船舶脱碳需求。据估算，通过对符合条件的船舶发动机进行改装，每年可减少逾9700万吨的二氧化碳排放量。

在试验研究方面，国外科研团队借助先进的试验设备和仿真技术，深入探究双燃料发动机的燃烧特性、排放规律以及可靠性等关键问题。挪威科技大学的研究人员利用高速摄像机和激光诊断技术，对双燃料发动机的燃烧过程