全球范围内的减排竞赛，不仅使行业开始关注替代能源，也在关注天然气等内燃机的替代燃料。气体机具有较低的排放和经验证的性能，由于水平钻井、水力压裂等新生产技术的出现，国内天然气供应稳定、价格稳定，正在推动天然气作为主要能源。因此，世界各地越来越多地使用固定式燃气发动机，为医院和制造业等大型场所提供热能和动力，现在人们对移动燃气发动机的兴趣也越来越大。 拥有相对较短运行路线的重型车队运营商，如建筑车辆、垃圾车或当地送货卡车，已开始投资当地的加油站，允许他们使用天然气。这些移动气体机经常与柴油机一起混合在车队中运行。这一发展中的市场为车队运营商和润滑油供应商带来了机遇和挑战，对多燃料发动机润滑油创造了简化物流和避免误用的需求。 多燃料润滑油需要在气体机和重型柴油机中保持优异的性能。与柴油机不同，气体机在更高的温度下工作，燃烧过程中产生更多的水蒸气，并依赖于含有添加剂的灰分来替代柴油机燃料提供的一些润滑性。与此同时，柴油机用润滑油需要提供烟灰分散性和颗粒过滤器的兼容性。这些性能要求对润滑油提出了特殊的要求:它需要具备优异的抗氧化和硝化性能，防止沉积，腐蚀控制，烟灰分散性，并在受限的灰分环境中提供磨损保护。 在此，提出了一种新的多燃料发动机润滑油添加剂技术，以满足之前重型柴油和气体机对滑油不同的需求，;并在发动机和现场试验中，通过抗氧化、抗硝化、耐磨性、耐用性、清洁度和煤烟分散性等多项参数的测试，证明了其在两种应用中的优异性能。（版权归CIMAC所有）

Winterthur Gas & Diesel公司基于RT-flex / XType柴油机技术开发了RT-flex / X-DF(双燃料)发动机。这是一个众所周知的发展目标，以验证组件和概念从柴油机到双燃料奥托发动机。第一台应用的双燃料发动机采用的是RT-flex50双燃料。大部分燃烧室的相关零部件都是沿用柴油机的。活塞、活塞环和气缸润滑系统是完全相同的。优化了气缸套,集成了2个进气口喷嘴，外部安装了气体进气阀。针对DF调节(奥托循环燃烧特性)方面，对气缸冷却进行了优化。气缸盖上集成了2个带预燃室的先导喷射阀。WinGD的双燃料发动机可以使用液化天然气、馏分油和剩余燃料。共享气态和液态燃料也是可以的。目前的气缸润滑油是基于目前可用的润滑油。典型的低BN产品用于天然气，高BN产品用于含硫燃料。首次试验证实，双燃料发动机配置中WinGD的柴油机摩擦学概念也能很好的适用。然而，目前得出的结论是由于活塞上的积垢问题，需要优化某些部件来改善气体的运行方式。气缸套润滑是双燃料优化的缸套润滑油改进的一个主要部分。基于业主Terntank、ExxonMobil和运营商WingD之间的密切合作，在一艘商用船上开展了一次集中的润滑油测试实验以更好地了解多缸润滑油配方变量的影响，从而实现沉积物控制并提高发动机整体硬件耐久性。通过设计试验润滑油参数矩阵来评估关键参数的影响，如总碱值、粘度，以及高温下在活塞沉积物氧化稳定的高质量基础油。本文将对WinGD的双燃料发动机的优化方案进行深入分析，并对X-DF发动机摩擦学的研究进行深入分析。（版权归CIMAC所有）

为了满足IMO制定的2050年减排目标，相比柴油和重油，对具备更低温室气体排放的替代燃料提出了需求。近年来，预混或进气道喷射的天然气发动机作为一种替代燃料在重载船舶发动机上较为流行，这主要是由于其在CO2、 NOx、SOx和颗粒物的减排方面较为突出。尽管如此，过去的研究也表明其负面影响是甲烷排放对大气环境的温室气体效应，在一些情况下会抵消其在其他方面的减排效果。 本文对一艘5000标方的近海船舶的CO2和CH4排放进行测试。一种定制的特定波长的甲烷传感器可以提供快速、精确、装船实时测量发动机排气管甲烷浓度的解决方案。 不同的运行策略用以在2台气体机发电机组之间平衡负载,并提供所需的推力和船上用电需求。CH4和CO2排放在整个船舶运行阶段进行测量，并对不同的船舶运行策略下的排放情况进行对比。采用停缸、闭环预喷及优化船舶运行策略，可以将温室气体排放降低40%。

温室气体排放越来越受到公众的关注，目前针对温室气体排放研究的投资也日益增多。尽管如此，目前主机厂及资方仍对此有诸多疑虑有待解决，主要原因是受众多温室气体排放的相关研究并没有反映出存在不同燃烧模式的二冲程双燃料船用主机应用增多带来的影响。目前的排放研究主要集中在四冲程奥托循环或双燃料气体机方面，在2015年以前，关于二冲程双燃料气体机的排放研究很少。基于上述数据的研究被认为是过时的。 WinGD同时有众多X-DF二冲程双燃料发动机投入商业运行，并且有2台全尺寸的试验样机。因此,越来越多的测试数据可以真实的反映上述情况。上述测试数据表明，基于X-DF的燃烧模式的碳氢排放要远低于目前拥有相同燃烧模式的其他机型。这些数据足以支撑形成基于发动机负荷和尺寸的一阶甲烷排放预测模型。测试结果一方面验证预测了模型的精度，另一方面也在此证明X-DF的总碳氢排放远低于目前其他奥拓循环的双燃料发动机。 拥有较低的排放使X-DF发动机在面向各种燃料时都是对环境最友好的燃烧系统。不仅如此，该方案为未来掺氢还是掺甲烷以进一步改善排放提供了技术可行性。 在此基础上，精确的温室气体排放预测也在最新一届的IPCC和OCCT会议上被提及，并认为是可行的，我们鼓励基于温室气体的减排情况对技术研究和战略目标进行更新。

2016年10月，美国环保署修改了针对使用气体燃料的重载车用、非道路、船用及机车的排放监测程序，其中就有碳氢排放的限制值。原来适用于非甲烷碳氢，而目前仅适用于非甲烷碳氢中的非乙烷碳氢，也就是所谓的非甲烷非乙烷碳氢。本文就美国环保署对天然气发动机和双燃料发动机碳氢排放测试和报告的变化进行梳理。同时将使用压缩天然气的调车机车的非甲烷和非甲烷非乙烷碳氢排放试验作为案例进行研究，其中非甲烷碳氢一般采用基于FID原理的测试方法，而非甲烷非乙烷碳氢则采用FTIR以及FID-FTIR测试程序，这两种测试程序均依照美国环保署目前的测试标准。

瓦克夏4系VHP气体机是VHP家族里最新的12缸气体机。该系列气体机在转速1200rpm时可以提供1417kW的高功率，具备良好的燃料适应性、较低的活塞温度、更长的维修间隔、更佳的可靠性、更强的缸盖冷却、更低的运行成本及极低的排放水平。 3台瓦克夏VHP5系气体机在美国马塞勒斯页岩气地区的气体压缩站分别运行了超过8000小时，完成了型式认可试验。据此VHP5系气体机已于2018年年中发布，并且在年底前售出超过200台。 瓦克夏VHP5系气体机相比之前提升了13%的功率、10%的效率，其燃料适应性可以适用于含丙烷39%的天然气，并且降低了75%的碳氢排放及20%的全生命周期运行成本，同时维修间隔延长了30%。上述这些改进直接降低了用户的使用成本。

中国针对内河船舶排放的限制法规日益严格，尤其是对气体机甲烷逃逸排放的控制。对于单点预混的气体来说，很难实现法规要求，主要受限于不完全燃烧及气阀重叠期时甲烷随扫气过程进入排气管。多点燃气喷射可以对各缸燃气进行控制。燃气喷射时刻对混合气的形成及扫气过程影响较大，因此需要进行优化来改善燃烧并降低甲烷排放。本文针对1000r/min, 10%负荷, 燃气喷射时刻10-40°CA ATDC的工况进行试验。试验在一台玉柴6K6缸火花塞点火发动机上进行，该发动机的额定功率为294kW。当发动机在低负荷运行，燃烧温度和压力相对较低，因此燃烧较为恶化且甲烷排放较高。于此同时，运用三维仿真对进气过程及点火时的燃气分布计算分析，该过程对燃烧尤为关键。该计算对优化点火时刻和降低甲烷排放提供参考。

由于排放法规日益严格，天然气逐渐成为船用动力的代用燃料。在这一市场趋势下，上海船用柴油机研究所开发了一款代号为M23G的气体机，缸径230mm，行程320mm。该款气体机采用稀薄燃烧和空燃比控制技术，利用燃气独立供给的预燃室来拓展稀薄极限，而空燃比可以在任何负荷下实时控制。开发这款机型的目的是为了满足对船机高效率低排放的排放性和经济性要求。 M23G的热效率指标为42.5%，单缸功率为200kW，平均有效压力为18.1bar，排放满足IMO Tier Ⅲ限值要求。为了满足上述指标，采用了先进预燃室技术和控制技术来实现稀薄燃烧。在此基础上，对进气道和燃气喷嘴也进行了优化设计。为了实现高效率，采用了较高的几何压缩比，并通过米勒循环来实现有效压缩比的平衡，并通过提升增压比来对米勒循环进行补偿。M23G是在已经成功投入市场的CS21柴油机上改型而成，通过扩缸来保持较高的平均有效压力。此外，对空燃比、燃气压力、点火正时、瞬态限油和运行区域进行了标定。因此，该款气体机适用于提供高效低排放的船用动力。本文对该款气体机的8M23G样机性能开发过程进行了介绍，具体包括总体技术方案及一些仿真和试验细节。此外，该样机已经通过了型式认可试验及600小时的耐久试验。

鉴于日益严格的排放法规，液化天然气为船东提供了一种洁净、全球可获取且成本可接受的燃料替代方案。在2017年，103条LNG燃料船（包括LNG运输船）已经在运行，还有97条船的订单。这种形势正以23%的比例逐年递增[1]。 尽管如此，不同于传统船用燃料，LNG来自不同的地域、经过不同的处理或包含不同的气体组分[2]。不仅如此，新兴的替代燃料层出不穷，例如石油伴生气、生物质气等。这将会持续影响后续燃料的热力学特性，同时对相关设备的制造产生影响[3]。 此外，由于不可避免的热量损失及液相到气相的转换，随着逐步的转化会对燃料特性，如甲烷值和低热值产生显著影响。 最终都会对发动机性能、控制策略、排放和运行特性产生影响。举例来说，老化会降低甲烷值而增加排放和燃料消耗。在一些案例中，低甲烷值会带来爆震风险[4]。驾驶者建议供应商将老化因素加入到爆震限制的考虑中[5]。 基于上述原因，在船舶行程中准确的评估燃料组成的影响是保证能量平衡和开展技术经济性分析的关键。通过流动计算与试验对比，对燃料从气罐经过燃料系统进入发动机的整个路径进行分析。在上述研究中，气罐被设计成压力容器（C型罐）[7]。燃料系统包含2个热交换器：蒸发器和压力提升单元[8]。利用各种不同的计算公式，可在数十秒至数小时内通过仿真计算轻松获得参数数据。文中对典型气体的组成进行了研究。基于作者的认识，该项研究尚属首次。 研究结果主要聚焦在对“甲烷值不明确“问题的定义。进而对如何利用蒸发过程来提升甲烷值进行分析。最后强调由于燃料成分的变化，热能审计不可或缺。 该工作属于TSM研发小组的博士研究项目，为了对船用LNG动力的零维/一维多体数据库进行扩充。

过去十多年来，发动机的瞬态性能已经在船用和陆用领域扮演主要角色，成为终端用户在商业项目的考量因素之一。与此同时，随着纯气体和双燃料2种燃料形式的稀薄燃烧天然气发动机市场的蓬勃发展，其在降低环境污染、提高能源利用效率等方面成为可持续发展的全球性战略产品。气体机与柴油机在技术上容易比较的一个方面就是加载能力。由于气体机稀薄燃烧对空燃比较为敏感，因此其负载瞬态变化性能会受到限制。 过去的研发主要针对改进气体机在起动、加载步长及转速稳定时间的性能。本文对瓦锡兰在相关开发中的最新成果，具体包括灵活的硬件如可变正时和共轨燃油系统，以及实时的缸内空燃比或增压压力的瞬态补偿控制脉谱等智能软件的开发。 开发的技术方案已经在瓦锡兰相关纯气体机和双燃料机，从小缸径（例如Wärtsilä 20DF）到中等及大缸径（例如Wärtsilä 34SG, 31SG, 46DF, 50DF）等的开发过程中被验证和改善。能实现的技术提升主要依赖于灵活性硬件的应用情况。举例来说，在最好情况下，采用上述改进措施可以减少至少50%的发动机从零到满负荷的加载时间，有时会比柴油机更好。 这些技术的开发最终是为了满足市场对发动机动力高可靠性的需求（例如数据中心的备用发电机组、挖泥船等）。本文对研发过程进行了介绍，同时展示了成功的用户案例。