1. 选题目的及意义

1.1研究背景及意义

随着全球环境的日益恶化和人们环保意识的逐渐加强，控制污染气体及温室气体排放的要求日益强烈。除了我们所熟知的汽车排放和工厂有害气体排放等方面对环境造成的污染之外，海上船舶航行产生的排放对全球生态环境造成的影响也早已受到国际上的广泛关注。船舶作为国际贸易几乎最重要的交通工具，其排放方面的问题对环境造成的影响自然不能被忽视。而作为负责海上航行安全和防止船舶造成海洋污染的专门机构，国际海事组织（IMO）早在1990就提出了对NOX和SOX等排放物的控制指标，并且在随后的日子里不断出台新的规则和规范，或者是对旧法规进行修改，以实现减少海上船舶运输产生的污染气体和温室气体的排放。到现在，随着IMO相关法规的不断修改，对排放的限制也越来越大，要求也日益严格，这些都促使船舶相关行业去寻找能减少污染气体和温室气体排放的方法。此时，使用低硫油和可行的清洁能源成了一个突破口，但前者过高的燃油成本让许多船东难以接受，这让人们的目光转向了寻求合适的清洁能源。液化天然气(LNG)以其清洁性和良好的理化特性很好的满足了前面提到的一些要求，这促使了以LNG为主要燃料的船舶双燃料发动机的产生与发展。

全球经济的飞速发展导致能源的消耗也随之增长，这会导致能源的过度开采，进一步加剧对环境的破坏。同时，我国又是石油进口大国，对外依存度很高。如果不重视对各种可再生新能源的开发，就能源方面来讲，在未来我国会处于一个相当被动的处境。好在我国政府早已认识到这一问题，大力推动新能源的开发，争取在短时间内将常规能源用可再生能源或新型清洁能源替代。因此，从这一方面来看也要加快对LNG为动力的双燃料发动机的研究。

到目前为止，LNG动力船的发动机一般分为两种，一种是只使用LNG作为燃料的纯气体发动机，另一种是用柴油作为引燃油的LNG双燃料发动机。前者使用液化天然气替代柴油作为工作燃料，就现阶段来看，这种发动机由于技术方面还存在一些问题，在船舶方面的应用案例还是比较少；后者则是在不改变原有柴油机的构造的前提下，加装一套天然气供给系统，有纯柴油燃烧和柴油-LNG双燃料混烧两种工作模式，目前的LNG动力船使用的大多是这种双燃料发动机。就目前的研究来看，LNG双燃料发动机的相关性能完全能够满足当下的使用要求。而且就排放方面来说也远优于传统的柴油发动机，像NOX和SOX等污染气体的排放能得到大幅的减少，CO2等温室气体的排放也能显著降低。同时，由于我国的天然气储量比较丰富，这为LNG双燃料发动机的发展打下了基础。

双燃料发动机前期投入高，但是能在较短的时间内回本。从长远来看，双燃料发动机比传统柴油机更加经济适用，而且对环境的污染也远小于传统柴油机，能够取得远高于传统柴油机的收益。

但是新技术的产生必然会带来新的问题。双燃料发动机作为一项新的技术，必然会有这样那样的问题，其航行时的可靠性能不能得到保障？续航方面会不会存在问题？安全能不能确保？这些都是亟待解决的问题。本题目则是主要研究双燃料发动机的安全方面的问题，这是双燃料发动机研究的一个重要方向。由于双燃料发动机技术发展水平有限，因此双燃料船舶在实际使用过程中的安全性难以预料。而安全监控系统能够实时监测可能存在安全隐患的地方和可能造成安全隐患的因素，一旦监测的对象出现故障或者达到设定的临界值，就立刻通过报警器或者是指示灯发出警报，这能很大程度上避免一些事故的发生。为了确保双燃料船舶在航行中的安全性，建立一个发动机安全监控系统是很有必要的。

1.2国内外研究现状

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。大量研究表明，LNG/柴油双燃料模式能显著降低污染气体的排放水平，这一事实吸引着越来越多的发动机厂家加入双燃料发动机的行列中。

1.2.1国外研究现状

近年来，双燃料发动机的发展还是比较迅速的，但是一些实质上的进展还是由像瓦锡兰、曼恩等传统柴油机巨头取得的。其他的发动机厂家进展较慢，这一方面是由于技术上还存在一些问题，另一方面则是由于对双燃料发动机的市场前景存在疑虑。

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 Tier Ⅲ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。