曼恩和瓦錫蘭船用二沖程雙燃料發動機之比較

馬義平 王忠誠 時繼東 趙 睿 許樂平

（上海海事大學 商船學院 上海201306）

引 言

柴油-天然氣雙燃料發動機是在原柴油機基礎上改裝的既可以燃用天然氣（以少量柴油引燃）又可以用柴油作為單一燃料的發動機。天然氣的主要成分有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等，其中甲烷占70%～90%，硫化氫及氮氣含量微小。天然氣的燃點約650℃，著火溫度較高，以天然氣為燃料的發動機在壓縮過程中缸內氣體溫度達不到其自燃點，因此必須依靠電火花點火，或者先噴入少量柴油（柴油燃點一般為220℃），柴油自燃再引燃天然氣。用LNG 加柴油混合動力的船舶，可比單獨使用柴油動力節約燃料費用25%左右，且其尾氣中CO2排放會減少25%，NOX排放減少約85%，SOX減排近99%，顆粒減排近98%［1］。

柴油-天然氣雙燃料發動機最先應用于LNG船，由于雙燃料發動機具有諸多優點，大有向普通貨船轉移的趨勢。船用二沖程柴油-天然氣雙燃料發動機現主要機型有MAN ME-GI［2］和兩種機型有諸多不同。對其進行比較能為一般貨船的機型選擇和管理提供參考。

1 工作原理

1.1 MAN ME-GI雙燃料發動機

MAN ME-GI柴油-天然氣雙燃料發動機采用缸內高壓直噴式，即在發動機壓縮沖程末期，從噴油器噴入少量且油量固定的點火油作為點火燃料，隨后向缸內高壓噴入天然氣，使天然氣依靠微量點火油著火釋放的能量進行燃燒［3］。

圖1 MAN ME-GI缸內高壓噴射示意圖

2-S DF柴油-天然氣雙燃料發動機采用缸內低壓噴射式，即在活塞將掃氣口關閉之后，以較低壓力向缸內噴入天然氣，使天然氣和空氣混合。當活塞運動到上止點附近時向缸內噴射少量點火油，利用點火油的著火能量將缸內天然氣和空氣的混合氣點燃，從而進行燃料的燃燒并完成做功過程。

圖2 2-S DF缸內低壓噴射示意圖

2 點火油

2.1 點火油來源

ME-GI 雙燃料發動機在缸蓋上安裝2個或3個燃油噴射閥及燃氣噴射閥［4］。燃油噴射閥的開啟和關閉原理與普通ME 柴油機相同，純燃油模式時用作主噴油器，燃氣模式時兼做點火噴油器使用。

2.2 點火油量

ME-GI通過燃油噴射閥噴入點火油后，點火油壓燃，然后才噴入高壓天然氣，根據燃油質量不同，按油耗率（g/kW·h）計算，點火油一般在5%～8%。在100%負荷時，點火油約8 g/kW·h，燃油和柴油都可作為點火油。ME-GI發動機在30%～100%負荷時，需要的點火油量可以恒定。在20%負荷以下時，燃氣模式不能保證穩定運行，此時發動機必須切換到純燃油模式，所以ME-GI點火油的功能類似于維持最低發火轉速。

圖3 點火噴油器和預燃室

3 燃氣系統

3.1 燃氣壓力

ME-GI是在壓縮沖程末端噴入燃氣，此時缸內壓力很高，所以燃氣噴射壓力也很大，一般約為3×107Pa［5］；而2-S DF是壓縮沖程中間行程噴入燃氣，其時缸內氣壓不高，所以燃氣噴射壓力也較低，一般在1.6×106Pa。

3.2 雙壁管

ME-GI和2-S DF發動機的燃氣管都采用雙壁式設計，內管輸送高壓燃氣，外管起保護作用，以防止內管破裂時高壓燃氣噴出。此外，內外管之間機械通風，內外管之間空間的換氣能力約為30次/小時，抽出的氣體排放至安全區域。由于采用了抽吸式通風，所以雙壁管中間空間的壓力低于機艙壓力。在通風管末端安裝有HC（碳氫）傳感器，一旦探測到燃氣泄漏，立刻給出報警信號，同時自動切換至燃油模式運行。

3.3 惰氣系統

ME-GI的燃氣管路上安裝了惰氣系統［2］。在其每個工作循環中，供入每個缸的燃氣可通過測量積聚器的壓降檢測出來。通過這種系統，無論是燃氣噴射閥咬死還是燃氣閥堵塞，任何非正常的燃氣流將會被立刻檢測出來，燃氣供應將會停止，燃氣管線將被惰氣清洗，同時發動機切換到純燃油模式。

圖4 ME-GI燃氣系統

4 尾氣排放

4.1 NOX排放

高溫、富氧和高溫持續時間是影響柴油機NOX生成的主要因素。當反應的溫度高于2 200 K 時，溫度每上升90 K，氮氧化物NOX的生成量會翻倍增加［6］。

MAN 4T50ME-GI-X性能測試表明，與燃油模式相比，燃氣模式下低負荷時NOX減排較小，在75%負荷左右時NOX減排最顯著。E3循環測試下，燃油模式和燃氣模式的NOX比排放值分別為15.7 g/kW·h和 11.9 g/kW·h，NOX減 排 達 24%，滿足IMO Tier II的NOX排放要求。因此，MAN ME-GI必須配備EGR（廢氣再循環）或SCR（選擇性催化還原）系統才能滿足Tier III 的NOX排放標準［7］。

ME-GI屬于狄塞爾循環，而2-S DF屬于奧托循環。從圖5中可以看出，狄塞爾循環中氣缸內的最高燃燒溫度明顯高于奧托循環，高溫持續時間也較長，因此當燃燒室氧氣濃度相當時，狄塞爾循環中NOX的生成量要高于奧托循環［8］。宣稱其2-S DF發動機在燃氣模式下NOX排放約2 g/kW·h（圖7），滿足Tier III 排放標準。

圖5 狄塞爾循環和奧托循環的溫度比較

因此，從尾氣NOX排放方面來說，2-S DF要優于MAN ME-GI，這也是ME-GI 發動機采用狄塞爾循環而產生的弊端。

4.2 CO2排放

發動機尾氣中CO2含量主要與進機燃料和發動機負荷相關。MAN 4T50ME-GI-X測試表明，與燃油模式相比，不同負荷燃氣模式時CO2減排量基本一致，約為23%［7］。2-S DF燃氣模式時尾氣中CO2排放會減少25%［1］。因此，從CO2排放及控制角度來看，兩種機型差別很小。

4.3 SOX排放

低速二沖程柴油機的燃油消耗率一般在160～195 g/kW·h，假定兩機型的燃油消耗率都為180 g/kW·h，燃油含硫量為全球船用燃油平均含硫標準2.7%，根據點火油量大約可計算出尾氣中SOX含量。MAN ME-GI的點火油量一般在5%～8%之間，最新宣傳其點火油量可降低到3%，假如點火油量按5%計算，考慮尾氣中SOX主要是SO2，SO2分子量64，比S增加1倍，因此燃氣模式下，尾氣中SOX含量約為180×0.05×0.027×2=0.486 g/kW·h。

5 經濟性

狄塞爾循環的熱效率隨壓縮比的增大而增大，ME-GI發動機與ME發動機壓縮比相同，缸內平均有效壓力幾乎不變，因此燃氣模式下具有與二沖程柴油機相同的熱效率，均達到50% 左右［7］。此外，天然氣中甲烷值量對ME-GI發動機影響甚小，一般情況下，MAN ME-GI發動機燃氣模式時都能100%功率輸出。

圖6 2-S DF發動機的功率輸出

6 安全性

6.1 空燃比控制

由于甲烷與空氣混合物的著火延遲時間要長于柴油，甲烷燃燒的火焰傳播速度也低于柴油，所以柴油-天然氣雙燃料發動機易產生爆燃現象［8］。

（1）適當增加點火油量，減少天然氣量，低負荷運轉時效果特別明顯；

（2）提高轉速，加強燃燒室內氣流運動，提高火焰傳播速度，降低燃氣終燃溫度，減緩爆震；

圖7 2-S DF發動機的空燃比控制

ME-GI雙燃料發動機的工作循環采用狄塞爾循環，壓縮行程只壓縮新鮮空氣，燃氣不參與壓縮過程，點火油壓燃后，天然氣高壓噴入直接燃燒，因此無需空燃比控制，消除失火和爆燃問題，可采用與柴油機相當的壓縮比。由于ME-GI雙燃料發動機消除爆燃問題，因此對燃氣沒有抗爆性能的要求，發動機對燃氣的適應性好，可以使用低甲烷值的燃氣，甚至可以使用液態石油氣LPG作為燃料。

6.2 燃氣進入掃氣箱

MAN ME-GI發動機的燃油和天然氣是在壓縮行程的末端噴入，天然氣噴入氣缸內直接燃燒，因此天然氣穿過活塞環到達掃氣箱的危險較小；但是是在壓縮中間行程噴入天然氣，因此壓縮行程中天然氣穿過活塞環到達掃氣箱的危險較大。基于上述理解，DF對活塞環的密封性要求較高，需要監測和安全保護措施［10］。2-S DF安裝燃氣閥傳感器檢查燃氣閥的動作，當燃氣閥誤動作時，切斷燃氣供應，發動機切換到純燃油模式，但仍有可能因燃氣噴射閥的閥面/閥座接觸不良，致使發動機在活塞越過燃氣噴射閥后（如圖2中右圖：點火膨脹做功位置）燃氣泄漏進入掃氣箱。

7 結 論

［1］ Wartsial.Wartsila 50DF product guide［EB/OL］.［2010-02］http：//www.wartsila-hyundai.com/data/project_guide/Project_guide.pdf.

［2］ MAN Diesel.ME-GI Dual Fuel MAN B&W Engines：A Technical，Operational and Cost-effective Solution for Ships Fuelled by Gas［EB/OL］.［2010］.http：//www.dma.dk/themes/LNGinfrastructureproject/Documents/Bunkering%20operations%20and%20ship%20propulsion/ME-GI%20Dual%20Fuel%20MAN%20Engines.pdf.

［3］ 曹海濱.LNG燃料發動機船舶應用現狀與前景探討［J］.青島遠洋船員職業學院學報，2014（2）：19-21.

［4］ 夏立國，翁昕昊.MAN B&W ME-GI 雙燃料低速二沖程船用柴油機［J］.船舶標準化工程師，2012（1）：24-26.

［5］ 王濤，李善從，吳璇，等.雙燃料低速發動機供氣系統分析［J］.柴油機，2014（6）：22-25.

［6］ 夏立國.船用柴油機氮氧化物排放規范、技術標準和控制技術［J］.船舶標準化工程師，2010（6）：46-50.

［7］ 高子朋，詹宇，王民，等.船用ME-GI雙燃料發動機技術分析［J］.中國船檢，2014（10）：68-70.

［8］ 任勝超，胡以懷.內河船舶LNG雙燃料柴油機的技術特點及應用［J］.船舶標準化工程師，2014（4）：9-12.

［9］ 馬志豪，徐斌，吳建，等.采用示功圖分析雙燃料發動機爆燃特性［J］.拖拉機與農用運輸車，2003（4）：23-25.

［10］ 盧瑞軍，周志勇，武憲磊.船用天然氣發動機關鍵技術發展及應用［J］.內燃機與動力裝置，2014（3）：57-60.