淺析高壓雙燃料主機

劉慧光

摘 要：隨著國際能源危機和環境惡化狀況日益加劇，航運業對節能減排也日趨重視，LNG已成為最有前景的替代燃料，以LNG為主要燃料的雙燃料發動機也將是未來的一大發展趨勢。本文介紹了MAN ME-GI系列雙燃料發動機的技術細節及其特性，并總結了該機型的優缺點和發展前景。

關鍵詞：節能減排；LNG；雙燃料發動機；ME-GI

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.015

LNG是液化天然氣的英文縮寫，其主要成分是甲烷。LNG無色、無味、無毒且無腐蝕，低溫、氣液膨脹比大、能效高易于運輸和儲存.天然氣作為清潔能源越來越受到青睞，很多國家都將LNG列為首選燃料，天然氣在能源供應中的比例也迅速增加，LNG燃料船也必將是未來的一大趨勢。為應對這一趨勢、提升造船能力，我廠在去年承接了2艘LNG-OIL雙燃料冰區加強雜貨船，該船是世界首艘雙燃料冰區加強雜貨船，技術含量高，建造規格要求高，同時對環保要求也極高。該船通過以LNG代替柴油作為燃料，不僅在燃料消耗量上有明顯下降，而且能夠極大減少硫氧化物和顆粒物排放，氮氧化物及二氧化碳的排放都有顯著降低。為此該船選用了MAN公司的5G45ME-C9.5-GI雙燃料主機。該主機既可以燃燒天然氣又可以用燃油作為單一燃料。下面針對該機型進行一些簡要分析。

1 工作原理

MAN ME-GI系列為船用二沖程雙燃料發動機，核心概念是缸內高壓燃氣直噴，即在發動機壓縮沖程末期向氣缸內噴入少量引燃油，由于此時氣缸內壓力很高，隨后向缸內噴入的天然氣需達到300bar的高壓，自燃溫度較低的引燃油將隨后噴入的高壓天然氣引燃，可燃混合氣燃燒膨脹對外做功。MAN ME-GI雙燃料發動機缸內高壓噴射示意見圖1。

MAN ME-GI發動機的雙燃料系統是將常規的ME/ME-B機型上的燃油系統和新的燃氣系統結合在一起，詳見圖2.

2 增加的主要零部件

MAN ME-GI發動機為了能同時燃燒燃氣和燃油，增加了燃氣雙壁管、帶蓄壓塊和控制閥的燃氣閥塊、燃氣噴射閥、密封油系統、電控燃氣噴射閥ELGI、燃氣控制通風和安全系統等。

除發動機本體外，船舶還需增加相應的供氣系統作為配套的輔助設備，包括儲氣罐、高壓泵、外部雙壁管、GVT、惰氣系統等。

3 燃料噴射系統

燃油的噴射是通過FIVA閥控制燃油增壓器將低壓燃油壓入燃油噴射閥最終噴入燃燒室，如圖3所示。燃油噴射閥在燃油模式下作為主噴油器，在燃氣模式下兼做引燃油噴油器。在燃氣模式下，負荷在10%—100%時，引燃油消耗量恒定為大約8g/（kW·h），柴油和重油都可作為引燃油。

燃氣的噴射主要依靠燃氣噴射閥和燃氣控制模塊（見圖2中的Gas control block）來完成。圖2中燃氣控制模塊包含電控燃氣噴射閥ELGI、電控燃氣窗口閥ELWI、窗口閥V1、放氣閥V2、除氣閥V3、蓄壓器ACCU。在燃氣模式下，燃氣噴射的具體過程如下：首先ELGI閥和ELWI閥都處于關閉狀態，ELWI先動作，通過液壓控制油打開V1，高壓燃氣到達燃氣噴射閥。然后ELGI動作，通過液壓控制油打開燃氣噴射閥（見圖3），高壓燃氣經過燃氣噴射閥噴入燃燒室。隨后先后關閉ELGI和ELWI，停止高壓燃氣的噴射。

4 密封油系統

由于MAN ME-GI雙燃料發動機中的燃氣是通過定壓的高壓共軌系統分配到各個燃氣噴射閥的，因此燃氣噴射閥以及一邊是燃氣一邊是液壓控制油的窗口閥、切斷閥等閥上的燃氣壓力始終保持在300bar左右，為了防止高壓燃氣進入液壓控制油中，需要一套密封油系統。密封油系統是一套高壓液壓油系統，保持高于燃氣約20-25bar的壓力，以防止氣體進入液壓油系統。密封油系統主要由一臺泵和一個帶蓄壓器的安全閥塊組成，并通過雙壁管輸送密封油。密封油的消耗很少，并且會與燃氣一起被噴進燃燒室燃燒。

5 MAN ME-GI發動機控制系統

MAN ME-GI發動機控制系統（ME-GI-ECS），是一個可以控制所有發動機功能的集中控制系統。主要可控制如下功能：燃油的噴射、排氣閥動作、轉速控制、啟動和反轉、氣缸潤滑、燃氣的噴射、燃油模式和雙燃料模式的切換、燃氣燃燒監控和安全切斷、雙壁管通風和泄漏監控、密封油控制、掃氣及進氣、供氣系統通信。圖5為ME-GI-ECS的核心控制功能，即燃油和燃氣的噴射控制。

如圖4所示，ME-ECS和GI延伸系統同時接收曲軸的位置和速度信號，并相互傳輸負荷分配和正時信號。兩者分別控制燃油和燃氣的噴射量和噴射時間，并相互配合使得引燃油先于燃氣噴入燃燒室，并保證總負荷等于燃油油門和燃氣油門之和。

為了燃氣安全考慮，很多功能都是雙份的，特別是傳感器。因此GI延伸系統被分為兩個部分，GI控制系統和GI安全系統，用于分別接受同一個功能中的2個重復的傳感器的信號。

6 雙壁管

MAN ME-GI的燃氣管是一套定壓的高壓共軌系統，采用雙壁式設計，內管輸送高壓燃氣，外管起保護作用，防止內管破裂時高壓燃氣噴出。內、外管之間有機械通風，無燃氣區域的空氣經過內外管之間，再被抽出機艙排放到安全區域，從而將機艙和高壓燃氣系統隔離。機械抽風的換氣量能達到每小時約10-30次。在通風管出口安裝有碳氫化合物探測器，一旦探測器探測到燃氣泄漏，就會發出報警信號，發動機將自動切換到燃油模式。

7 整體特性

MAN ME-GI雙燃料發動機在降低船舶廢氣中的污染物含量方面有很大的優勢，可使SOx降低約95%。由于主要使用LNG作為燃料，CO2和粉塵的排放也將顯著降低。此外NOx也可下降約12%-15%左右，但是僅能滿足IMO Tier II的NOx排放要求。因此，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IMO Tier III的NOx排放標準。

MAN ME-GI 雙燃料發動機在壓縮行程的末端將高壓燃氣直接噴入氣缸，其工作循環和二沖程柴油機相同，被稱為狄塞爾循環。這種循環的熱效率隨壓縮比的增大而增大。狄塞爾循環在壓縮行程中只須壓縮新鮮空氣，燃氣不參與壓縮過程；在引燃油壓燃后，燃氣高壓噴入，直接燃燒，無須控制空燃比來消除失火和爆燃問題，可采用與柴油機相同的壓縮比。因此，MAN ME-GI在燃氣模式下具有與二沖程柴油機相同的熱效率（達到50% 左右），經濟性較好。

由于甲烷和空氣混合物的燃燒延遲時間長于柴油，甲烷燃燒的火焰傳播速度小于柴油，因此柴油-天然氣雙燃料發動機容易產生爆燃現象。由于MAN ME-GI 雙燃料發動機已消除爆燃問題，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，甚至可以使用液態石油氣（LPG）等低甲烷值的燃氣作為燃料。

8 結束語

總的來說，MAN ME-GI雙燃料發動機除了具有傳統ME電控柴油機的所有功能和優勢外，還能以LNG、LPG等多種燃氣作為主要燃料， 適應性高，熱效率高，經濟性好，大幅降低了柴油的使用，減少了船舶運營成本。極大的減少了船舶廢氣中的污染物排放，配備EGR或SCR后可滿足IMO Tier III的NOx排放標準。MAN ME-GI雙燃料發動機滿足航運業綠色環保、高效節能的發展趨勢，市場前景廣闊。

參考文獻：

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