综述：天然气-柴油双燃料船用发动机的挑战与机遇

（编辑推荐）本文系统综述了天然气-柴油双燃料（NG-diesel dual-fuel）船用发动机在减排CO2和污染物（如IMO Tier III）中的技术优势，涵盖微引燃（micro-pilot）燃烧机制、关键部件设计（如燃料供给系统）、商业化应用挑战（甲烷逃逸/CH4 slip）及碳中和燃料（氢/氨）前景，为船舶能源转型（Maritime Energy Transition）提供重要参考。

　　

引言

国际海事组织（IMO）提出2050年航运业净零排放目标，推动天然气-柴油双燃料发动机成为短期减排关键方案。相比传统柴油，液化天然气（LNG）可降低20–30% CO₂排放，其高氢碳比（C/H）特性显著减少碳强度。双燃料发动机通过微引燃柴油（<5%能量占比）点燃预混天然气，兼顾燃料冗余与低碳需求，尤其适用于LNG运输船、拖轮等船舶。

微引燃双燃料燃烧机制

引燃喷射与点火
微引燃柴油的喷射参数（压力、时序、量）直接影响火焰传播稳定性。低压进气口天然气喷射易引发甲烷逃逸，而高压直喷（HP）可消除爆震风险，但需优化喷油器布局以适配二冲程发动机扫气过程。

燃烧与排放特性
Otto循环预混燃烧面临爆震（knocking）和预燃（pre-ignition）挑战，而Diesel循环扩散燃烧效率更高且无甲烷逃逸。关键矛盾在于：预混燃烧需平衡IMOTier III排放与功率降额（derating），而高压直喷需解决缸内混合不均问题。

双燃料发动机设计

关键部件改造
柴油机改装需新增微引燃系统、燃气供给系统及电控单元。缸头设计需兼容双燃料喷射，燃烧室形状优化可提升湍流强度（turbulence intensity）。例如，MAN Energy Solutions的ME-GI发动机采用高压直喷技术，实现与柴油机等效功率输出。

商业化产品对比
四冲程发动机多采用低压进气喷射（如W?rtsil? 31DF），而二冲程发动机（如WinGD X-DF）偏好高压直喷。前者成本低但存在甲烷逃逸（1–3%未燃CH₄），后者效率达50%以上但需复杂燃气压缩系统。

实验与数值研究进展

CFD模拟揭示：微引燃火焰传播受天然气替代率（λ）和EGR率共同调控。实验表明，氨-柴油双燃料可降低60% CO₂，但需解决NH₃毒性及低燃烧速度问题。

关键挑战与未来方向

甲烷逃逸
未燃CH₄主要源于扫气过程短路（short-circuiting），氧化催化剂（DOC）可降低80%排放，但增加背压。

碳中和燃料适配
氢双燃料需应对早燃风险，氨燃料需开发高活性引燃策略（如等离子体点火）。绿色甲醇因低毒性成为过渡选择，但能量密度仅为柴油的50%。

结论

天然气双燃料发动机是航运业短期减排的最优解，但需突破甲烷逃逸、瞬态响应（transient response）等技术瓶颈。未来研究应聚焦氨/氢等零碳燃料的燃烧优化，并推动高压直喷系统小型化。