目的及意义

随着全球环境的日益恶化和人们环保意识的逐渐增强，控制污染气体和温室气体排放的要求日益强烈。迫于环保压力，国际海事组织（IMO）不断推出新规则规范，IMO TierⅢ阶段排放已于 2016 年 1 月 1 日实施，且适用排放控制区不断扩大。

为适应日益严格的海事环保法规的要求，绿色环保船舶动力成为必选。天然气因具有良好的燃料可获得性、低污染性、经济性，以柴油为引燃燃料、液化天然气（LNG）为动力的双燃料发动机得到了快速发展。

双燃料发动机基本由原来的柴油机改装而来，所以早期的研究多为简单的改装与匹配，后来发展到结构、参数等的优化，近年来柴油/天然气双燃料发动机的研究热点是高压直喷（HPDI）技术，柴油微引燃、多点电控喷射、燃烧及排放特性、燃烧模型、增压中冷、稀薄燃烧、控制排放的缸内燃烧技术、催化转化技术以及废气再循环（EGR）等。

目前，双燃料发动机技术发展已跨越单点喷射式、多点喷射式、缸内直喷式三阶段进入“微引燃”阶段。大量文献表明，柴油/天然气双燃料模式能显著降低 NOX 和 PM排放水平，愈来愈多的发动机厂家加入了双燃料发动机的开发行列。

国外研究现状

美国的 Cooper 公司将原来的 LSVB 柴油机改造成了由微量柴油来引燃天然气的 Cooper Cleanburn 双燃料发动机，在改变进气道和燃烧室结构的基础上，在缸盖上增设了包含微量喷油器的预燃室，最大替代率可高达99.1%，大大降低了排放和柴油使用率。芬兰的 Coltec 公司也研发出了带有预燃室的微引燃双燃料发动机。

芬兰瓦锡兰自 1996 年来相继推出了 20DF、31DF、34DF、46DF 和 50DF 五款双燃料发动机，采用 Otto 循环式缸内低压直喷技术，即在扫气冲程将压力低于 1.6MPa 的天然气直接喷入气缸，在压缩行程终点附近利用微量引燃油点燃天然气。双燃料发动机在柴油机基础上优化了气门正时和燃烧室形状，采用进气道多点喷射及预燃室技术，实现全负荷范围内燃气运行，燃油替代率 95%-99%，燃气模式下均可达到 IMO TierⅢ排放，HC 排放大幅降低，广泛应用于陆用发电、船用发电、船舶主推市场。

德国曼恩 2012 年推出了 ME-GI 型双燃料发动机，能使用天然气或 GFO 运行，用于集装箱船、散货轮、ConRo船舶及 LPG 和 LNG 运输船。该机型在 ME 型低速 MAN Bamp;W 发动机基础上进行改装，加装了燃气喷射阀、引燃燃料喷射阀、气体控制模块等装置，燃气采用 Diesel 循环式缸内高压直喷技术，即在压缩冲程终点以 30MPa 压力将天然气喷入气缸，有效避免了爆震和甲烷逃逸，动力性、经济性及动态响应性与柴油机相当，替代率高达 97%，但 NOX 排放仅满足 IMO TierⅡ，需结合 EGR 或 SCR 方可满足 IMO TierⅢ。该机型包含燃油运行（100%燃油）、最小燃油运行（3-5%引燃油 天然气）和定量燃气运行（引燃燃油 定量天然气）3 种运行模式，对甲烷值无要求，大幅降低了硫化物和PM 排放，且能灵活燃烧 HFO/GO/DO 和气体燃料，少量引燃油即可燃烧任何比例 HFO/气体。曼恩公司还开发了 ME-LGI 技术，燃料为 LNG、LPG、甲醇，乙醇、二甲醚（DME）和汽油等低闪点燃料，并于2017 年上海海事展展出 6S50ME-LGI 模型。ME-LGI 为液态气体燃料缸内直喷技术，发动机可采用低闪点液态替代燃料运行，用于甲醇和 LPG 运输船。该技术已在新型 MELGIM（M 为甲醇）发动机实施，用于 50000dwt 甲醇运输船。截至 2016.7 已有 7 台发动机交付客户。

美国卡特彼勒 2012 年推出了 M46DF 双燃料发动机，在 M43C 柴油机基础上优化发动机配气机构、燃烧室形状，加装废气旁通阀。凸轮轴采用可变凸轮技术 FCT，燃气燃油模式采用不同凸轮型线，燃气小重叠角，燃油大重叠角。燃气采用支管多点喷射的低压进气方式，燃气模式下排放满足 IMO TierⅢ标准，并通过美国环保署 EPA Tier2环保认证。

韩国现代重工 2017 年上海海事展展出了 H35DF/H27DF 双燃料发动机，BMEP 在 20bar 左右，单缸功率228kW～480kW。双燃料发动机在原柴油机基础上增加了引燃油微喷系统和燃气喷射系统，优化了喷油器喷嘴及活塞碗形状，采用“米勒循环 高压比增压器”技术、增强中冷技术，排放满足 IMO TierⅢ标准（无需后处理）。

日本新泻完成了 28AHX-DF 的研发和实船应用，功率达 2880kW，排放满足 IMO TierⅢ标准，用于主推、辅机及陆用发电。2017 年上海海事展展出了功率 1920kW 的6L28AHX-DF 模型，该机型为世界首台 FPP（固定距螺旋桨）直接驱动的燃气机（用于拖轮），动态特性与柴油机相当。