船用甲醇發動機的研發現狀與發展趨勢

近年來，溫室氣體減排一直是航運業關注的重點問題，研究和開展船舶低碳/零碳替代燃料規模化利用，才有可能從根本上解決航運溫室氣體排放問題。甲醇作為一種新型船舶替代燃料受到越來越廣泛的關注，相對應的船用甲醇發動機的研發和推廣也在穩步進行。截至目前，MAN ES 公司的二衝程發動機已經成功地實現了大規模商業化應用，共有超過50臺甲醇發動機被訂購用於或計劃用於甲醇動力船。其他國內外發動機廠商也分別在二衝程和四衝程發動機的研發賽道上快速前進，預計到2025年船用甲醇發動機市場將迎來百花齊放的新階段。

發動機作為船舶的“心臟”，為船舶的正常航行提供源源不斷的動力輸出。因此，推廣甲醇作為船舶燃料，重點在於開發船用甲醇發動機，高效、環保、可靠的甲醇發動機是未來實現船舶規模化應用甲醇燃料的關鍵所在。

圖1 MAN甲醇發動機實機

圖2 搭載MAN甲醇發動機的Waterfront Shipping公司甲醇動力船舶

船用甲醇發動機面臨的挑戰及應對方案

甲醇作為一種新型船舶替代燃料，其理化特性與傳統燃油有很大差異，因此將甲醇應用於船用發動機仍存在許多關鍵技術亟待解決。

甲醇理論熱值（20 MJ/kg）約為傳統燃油理論熱值（42。5 MJ/kg）的一半，為保證動力效能，其燃料噴射系統需進行特殊設計以增大噴醇量。常見的設計方案主要包括增大柱塞直徑、增加噴孔數量、增大噴孔直徑、延長噴射時間等。

甲醇十六烷值（3~5）比傳統燃油十六烷值（40~55）低，且甲醇自燃溫度（465℃）比傳統燃油自燃溫度（250℃）高，為保證甲醇發動機的冷啟動效能，需特殊考慮其缸內燃燒過程。透過提高燃料進機溫度、新增助燃劑、使用柴油引燃等方法保障正常啟動。

甲醇動力粘度（0。6 N·s/m2， 40℃）比傳統燃油（2~6 N·s/m2， 40℃）低，為保證甲醇發動機中運動部件的良好潤滑，其滑油系統通常需進行特殊設計。

不同於傳統燃油，甲醇對部分金屬和非金屬具有腐蝕作用，因此甲醇發動機的燃料艙、燃料供應系統、發動機本身需要進行特殊的防腐處理。中國船級社《船舶應用甲醇/乙醇燃料指南》（2022）對適用於甲醇燃料的金屬和非金屬材料做出了明確規定，其中鋁合金、鍍鋅鋼、鉛合金、丁腈橡膠、丁基橡膠等不能用於含甲醇的系統，而奧氏不鏽鋼、雙相不鏽鋼、聚四氟乙烯、三元乙丙橡膠、氯丁橡膠等可用於含甲醇的系統。

船用甲醇發動機研發與應用現狀

經過近十年來各大發動機廠商的不斷努力，船用甲醇發動機的發展已經實現了從無到有，從單一技術路線到多種技術路線並行的飛躍。二衝程領域目前僅有MAN ES 和WinGD 正在開展相關工作， MAN ES旗下的 ME-LGIM 發動機已成功實現大規模商業化應用。四衝程領域是目前國內外發動機廠商重點攻克的領域，雖然還沒有商業化運營的案例，但在航運業對甲醇燃料愈發關注的推動下，預計未來三年將完成破冰並實現規模化商業化應用。

表1 甲醇發動機國內外研發情況

二衝程甲醇發動機-成熟的商業化運營案例

MAN ES

2012年，MAN ES 推出了二衝程ME-LGI 雙燃料甲醇發動機，實機如圖1所示。ME-LGI 甲醇發動機最初用於甲醇運輸船，該船型可利用一部分甲醇貨物作燃料以提供船舶所必需的動力，這在一定程度上可以節省船舶運營成本，達到降本增效的目的。該發動機燃料供應系統原理圖如圖3所示，液態甲醇從燃料艙被泵送至燃料日用櫃，並經燃料供應閥組透過雙壁管向發動機中供應燃料。

圖3 MAN甲醇燃料供應系統原理圖

ME-LGI 發動機主要適用於甲醇、乙醇等低閃點液體燃料，與目前已基本發展成熟的 ME-GI 天然氣發動機相比，具有相似的工作過程與安全設計理念，不同於ME-GI 發動機使用的氣態形式的燃料，ME-LGI 發動機中燃料以液態形式進行供應和噴射。由於ME-LGI 與ME-GI 發動機所噴射燃料的理化性質存在差異，因此二者在輔助系統上有著很大不同。

ME-LGI 甲醇發動機輔助系統所包含的關鍵子系統/裝置主要有低閃點燃料供應系統與燃料噴射閥組。

低閃點燃料供應系統主要負責向發動機提供滿足其正常工作條件所需溫度、流量、壓力的燃料，其基本工作過程與傳統燃油供應系統類似，二者的主要區別在於供應管路中甲醇的供應壓力約為 8 bar（1 bar相當於0。1兆帕斯卡），以保證其在供應管路中始終保持液態，而燃油通常為 3~4 bar。

ME-LGI 甲醇發動機在每個氣缸蓋上均配備有平均指示壓力感測器，用來監測氣缸內燃料燃燒狀態的三種常見指標：壓縮壓力、燃燒壓力、膨脹壓力。同時，該發動機集成了甲醇燃料安全控制系統，可以監測不同閥件的壓力、溫度等引數。當系統在密封油或雙壁管中檢測到甲醇時，發動機將自動切換至燃油模式。

為滿足IMO Tier III 要求，ME-LGI 甲醇發動機透過安裝注水裝置在甲醇燃料中摻入25%~40%的水以降低廢氣中的氮氧化物（NOx）含量，從而可以免於安裝選擇性催化還原裝置（Selective Catalytic Reduction，SCR）。注水裝置主要由輸送泵、濾器、壓力變送器、流量計等組成，透過向燃料供應閥組中注入加壓水實現甲醇與水的混合，該過程由發動機控制系統（Engine Control System，ECS）控制。

截至目前，共有超過50臺ME-LGI 甲醇發動機被訂購用於或計劃用於甲醇動力船，Waterfront Shipping公司的船隊搭載該發動機累計執行時間超過 12萬小時，是目前甲醇發動機商業化運營最成熟的案例。

WinGD

目前，WinGD 二衝程甲醇發動機尚在研製中，樣機如圖4所示。據公開資料顯示，WinGD計劃於2022年完成甲醇發動機燃燒機理試驗與噴射系統設計（包含噴射模組與液壓模組），2023年完成甲醇發動機噴射系統試驗驗證與單缸機試驗驗證，並最終於2024年完成整機系統整合。

圖4 WinGD甲醇發動機樣機

對於現役的WinGD X 與X-DF 發動機，該公司提供了改裝甲醇的初步解決方案：涵蓋 ECS 控制系統升級、甲醇燃料供應系統及燃料噴射系統升級、SCR 系統安裝或升級等。對於燃料供應系統，針對甲醇具有毒性、閃點低、甲醇蒸氣比空氣重等特點，WinGD 在甲醇燃料隔離、洩漏探測與洩漏控制等方面均採用了特殊設計。WinGD 甲醇燃料供應系統初步設計方案的主要技術引數如表2所示，原理圖如圖5所示。當該發動機使用甲醇燃料時，液態甲醇從燃料罐依次流經低壓燃料泵與高壓燃料泵後，經換熱器與濾器後透過雙壁管向發動機中供應燃料。

表2 WinGD 甲醇燃料供應系統主要技術引數

圖5 WinGD甲醇燃料供應系統原理圖

四衝程甲醇發動機-高速發展的研發程序

Wartsila

2015年，Wartsila 將Stena Germanica 輪渡上4臺四衝程發動機中的1臺改造為了甲醇動力，改造主要涉及該船柴油機改造、甲醇加註站改造、壓載水艙改甲醇儲存艙、泵室改造，甲醇燃料供應系統改造、惰性氣體系統改造等。

在Wartsila 成功完成Stena Germanica 甲醇動力系統改造後，Wartsila 正式開始了旗下甲醇發動機的研製工作。自20世紀80年代以來，基於Wartsila 32平臺的發動機憑藉其高可靠性與低油耗的特點，成為眾多船廠、船東及運營商的首選，截止目前已有超5300臺發動機裝備實船。而Wartsila 32甲醇發動機是一款集成了Wartsila Z40發動機燃料噴射控制與燃燒技術、以及Wartsila 32平臺發動機自動化控制功能於一體的雙燃料四衝程甲醇發動機，預計將於2023年正式交付使用，樣機如圖6所示。

圖6 Wartsila甲醇發動機樣機

Wartsila 32甲醇發動機主要技術引數與功率分佈如表3所示，系統概覽如圖7所示。液態甲醇從燃料艙經濾器、主燃料閥輸送至燃料泵，加壓後輸送至高壓共軌，並透過雙壁管以約600 bar 的壓力向發動機中供應燃料。該發動機所配備的關鍵裝置主要有可變進氣閥關閉裝置、甲醇燃料泵、液壓噴射控制裝置等。

表3 Wartsila 32甲醇發動機主要技術引數

圖7 Wartsila 32甲醇發動機系統概覽圖

除Stena Germanica 外，Wartsila 為Van Oord 甲醇動力風電安裝船提供了包括主機、推進系統、SCR和燃料供應系統在內的全套解決方案，該船長176 m，寬63 m，型深至主甲板13。2 m，最大工作水深80 m，配備有2900 m3的甲醇燃料艙及5臺雙燃料甲醇發動機，預計將於2024年正式投入使用。

MAN ES

2021年，MAN 對外宣佈正在開發可以使用甲醇做燃料的四衝程發動機，並計劃於2022年完成該發動機主要設計工作，同時從2024年起MAN將正式對外提供四衝程甲醇發動機解決方案。該發動機將主要為集裝箱船、渡輪、漁船和遊輪等提供動力。

其他國外發動機廠商

2021年， Rolls-Royce 對外宣佈正在開發可採用甲醇做燃料的MTU四衝程發動機，該發動機將主要用於遊艇，並計劃從2023年起逐步釋出新一代使用可再生燃料的MTU 2000與MTU 4000發動機。除甲醇發動機外，Rolls-Royce還計劃推出包含推進系統、自動化系統在內的一系列船舶解決方案，該解決方案包括混合動力系統、燃料電池系統和MTU NautIQ 自動化系統等。2022年， Caterpillar對外宣佈正在開展甲醇發動機研發工作，以探索採用甲醇發動機作為船舶動力裝置的解決方案。

淄柴動力

2022年，淄柴動力開發出的四衝程Z6170甲醇發動機完成樣機試驗，並透過“船用中高速甲醇/柴油雙燃料發動機”專案成果鑑定，該發動機的研製成功標誌著淄柴動力在揭示甲醇/柴油二元燃料快速燃燒機理、探索甲醇進氣歧管混合氣形成技術、甲醇/柴油雙燃料系統控制技術，以及研發甲醇泵、噴嘴、濾清器等耐甲醇關鍵零部件和甲醇/柴油雙燃料專用後處理裝置等方面取得了關鍵突破。Z6170甲醇發動機試驗樣機如圖8所示，主要技術引數如表4所示。

圖8 淄柴Z6170甲醇發動機樣機

表4 淄柴Z6170甲醇發動機主要技術引數

Z6170是一款採用甲醇進氣歧管噴射技術、以柴油引燃甲醇的二元混合氣為燃料的雙燃料發動機。該甲醇發動機在經過純柴油起動之後，便可轉入甲醇/柴油雙燃料工作模式。當處在雙燃料工作模式時，甲醇燃料經由甲醇箱、甲醇流量計、甲醇穩壓箱、甲醇濾清器、甲醇泵和甲醇限壓閥後，以4 bar 的壓力輸送至噴醇器總成。噴醇器總成安裝在發動機進氣歧管外部，加壓後的甲醇由噴醇器總成噴射至發動機進氣歧管內部。隨後，甲醇噴霧蒸發並與空氣混合形成均質混合氣進入氣缸，最終由柴油引燃。

排放方面，甲醇/柴油雙燃料工作模式下需要解決的關鍵問題是總碳氫化合物（THC）和一氧化碳（CO）的排放問題。當甲醇以均質混合氣形態進入氣缸後，由於柴油機掃氣時間相對較長，會造成一部分混合氣進入排氣管中；此外，低負荷下的高空燃比、混合氣在氣缸中的不完全燃燒、混合氣進氣所引起的氣缸溫度降低以及燃燒室縫隙處存在的淬熄現象都將導致THC和CO排放升高。針對甲醇均質燃燒後THC和CO排放過高的問題，開發專用後處理裝置顯得十分必要。

中船動力集團

2021年，中船動力集團正式對外發布了旗下320 mm 缸徑四衝程甲醇發動機研發計劃，該發動機基於中船動力集團已有的320系列發動機成熟技術，針對不同市場需求，可提供包括進氣道噴射、缸內直噴等多種燃料噴射解決方案，首型機研製工作計劃將於2022年底完成。

2022年，中船動力集團研發的6M320DM甲醇發動機在安柴首次點火成功，其甲醇供應系統由滬東重機研製。該發動機缸徑320 mm，行程420 mm，單缸功率500 kW，轉速750 rpm，可用於包括甲醇運輸船、20000總噸以下散貨船、化學品船和成品油船、海工船、1100箱以下集裝箱船的主機以及大型集裝箱船和油船的發電機組在內的多種場景。

船用甲醇發動機功能與安全技術標準

甲醇發動機除應滿足產品自身的設計功能（如功率、扭矩、油耗、排放）要求外，還須符合海事主管機關和船級社的相關規範和產品檢驗要求，並取得船用產品證書，方可實現裝船應用。

2020年11月，國際海事組織（IMO）在海上安全委員會第102次會議上，正式批准了《國際船舶應用甲醇/乙醇燃料安全臨時導則》，為船舶安全使用甲醇燃料提供了堅實的技術和標準支援。除此之外，很多國際船級社也相繼釋出了船舶使用甲醇燃料的規範和指南，中國船級社於2022年7月1日正式釋出《船舶應用甲醇/乙醇燃料指南》（2022），挪威船級社、美國船級社、英國勞氏船級社也分別頒佈了類似的規範和指南。

未來船用甲醇發動機的發展趨勢

分析上述船用甲醇發動機企業已推出或計劃推出的甲醇發動機主要資訊可以得出：在甲醇燃料噴射所用技術路線上，國內外存在較大區別，國外普遍採用缸內液體直噴技術，而國內則採用進氣歧管噴射技術；後處理方面，除MAN ES可選用燃料摻水的方式降低NOx排放外，其他企業均採用SCR的方式降低 NOx排放。隨著越來越多商業化甲醇動力船舶的推廣，實船執行的經驗和資料將進一步推動船用甲醇發動機技術的革新和進步，預計在未來的發動機市場上，廠商會根據不同的應用場景為船東提供更多更完善的技術解決方案以滿足更多定製化的需求。

表5 各型甲醇發動機對比

本文作者：趙凱