论文标题：Experimental Optimization of Natural Gas Injection Timing in a Dual-Fuel Marine Engine to Minimize GHG Emissions

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-5628/4/3/11

期刊名： Gases

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/gases

一、引言

航运业温室气体与大气污染物减排压力日益严峻，天然气/柴油双燃料船舶发动机是替代传统重油、降低排放的主流技术路径。现有船用双燃料发动机多采用进气歧管连续供气方式，易产生甲烷逃逸、燃烧不完全、等效碳排放偏高的问题。

当前研究多集中在柴油引燃策略、掺氢/氨替代燃料等方向，针对天然气分段喷射正时、进排气门配气相位耦合规律的系统试验研究偏少，且缺少进气歧管气道传输特性对喷射时序影响的机理分析。为此，本文以大型单缸船用四冲程发动机为试验载体，开展天然气分段喷射正时试验优化，揭示喷射时序对燃烧特性、甲烷逃逸及温室气体排放的影响规律，为船用双燃料发动机低排放运行提供技术依据。

图1 实验装置及控制测试条件系统的示意图

二、实验材料与方法

1. 试验样机：采用大型缸径单缸四冲程船用研究发动机，配备外部增压系统，可精准控制增压压力、喷油压力与喷射策略。

2. 燃料方案：以柴油为引燃燃料、天然气为主燃料，设定天然气能量占比80%、柴油20%的双燃料配比。

3. 喷射模式：对比传统连续供气与分段相位喷射两种进气方式，可独立控制天然气喷射起始角、喷射持续角。

4. 测试系统：采用NDIR、电化学传感器等检测CO?、THC、甲烷排放，通过缸压传感器与角度编码器采集燃烧特征参数，校正平均有效压力以消除增压功耗影响。

5. 理论模型：建立进气歧管简化几何模型，计算天然气从喷射口到进气阀的气道传输角程，结合配气相位确定最优喷射窗口。

6. 试验工况：固定转速1500r/min、中低负荷8 bar BMEP，在1.4–2.0 bar范围内调节增压压力，遍历不同天然气喷射起始角开展对比试验。

三、核心实验结果与分析

1. 喷射正时对 THC / 甲烷逃逸影响显著

天然气喷射正时不合理时，燃气会在气门重叠期直接随排气逃逸，THC 排放可达连续喷射模式的3倍；优化分段喷射正时后，THC排放可降至连续供气的1/3，甲烷逃逸大幅抑制。

2. 最优喷射窗口机理明确

匹配进排气门启闭时序与气道传输延迟，在特定曲轴转角区间喷射，可保证混合气在排气门关闭、进气门最大开启时刻进入气缸，彻底规避气门重叠期燃气泄漏。喷射过早或过晚均会造成混合气滞留或短路逃逸，排放劣化。

3. 增压压力存在最优区间

增压压力升至1.8 bar 前，发动机效率小幅提升；超过1.8 bar 后混合气过稀、火焰传播变差，THC 与等效CO₂排放显著上升；最优增压压力为1.5 bar，兼顾效率与排放。

4. 排放与效率量化优势

相比纯柴油模式，优化后的分段喷射双燃料方案等效CO?减排约20%；发动机热效率略高于纯柴油工况（提升约5%），实现减排与能效双赢。

四、讨论与工程意义

1. 理论价值

明晰了船用双燃料发动机天然气喷射正时—气道传输—配气相位的耦合机理，建立了基于进气歧管几何的喷射时序预判方法，弥补现有研究只试验不机理解释的不足。

2. 工程应用价值

所采用的分段喷射控制策略无需大幅改动发动机结构，仅通过喷射正时与增压压力标定，即可显著降低甲烷逃逸和温室气体排放，适合现有船用双燃料发动机升级改造。

3. 工况匹配与约束

低中负荷下该优化策略效果突出；高负荷下进气量需求增大，需进一步匹配喷射量、增压策略与柴油引燃比例。同时双燃料模式NO?排放可控，可降低后处理装置压力。

4. 研究局限性

仅针对单一机型、固定转速中低负荷开展试验，未覆盖全工况；未探究不同进气道结构、环境工况对最优喷射正时的影响，后续可拓展多机型、全工况标定。

五、结论与展望

1. 主要结论

船用双燃料发动机天然气分段相位喷射远优于传统连续供气，合理匹配喷射正时可使 THC 排放降低62%、等效CO?减排20%。

喷射正时需结合气道传输延迟与配气相位协同标定，避开气门重叠期，是抑制甲烷逃逸的核心关键。

增压压力存在最优值1.5 bar，过高会造成混合气过稀、排放恶化；优化后双燃料模式热效率可略超纯柴油工况。

该喷射正时优化方案简单易行，可在不改机前提下实现航运发动机温室气体与甲烷逃逸协同减排。

2. 后续展望

后续可拓展全负荷、全转速工况试验；探究多燃料（沼气、生物天然气）适配性；结合仿真开展喷射策略与EGR、后处理的耦合优化，形成船用双燃料发动机低排放标定通用方法。

期刊介绍

主编：Prof. Dr. Ben J. Anthony来自克兰菲尔德大学

Gases（ISSN: 2673-5628）是一个国际性、跨学科的气体科学与工程领域同行评审开放获取期刊。本刊涵盖天然气、气体排放、气态污染物、（温室）气体控制及气体传感器等领域的应用科学与工程进展。

2025 CiteScore：6.5

Time to First Decision：30.9 Days

Acceptance to Publication：5.3 Days