船用ME-GI雙燃料發動機技術分析

高子朋 詹 宇 王 民 吳桂濤

隨著航運業對節能減排日益重視，LNG逐漸成為最有前景的替代燃料。為了適應市場需要，MAN公司研發了以LNG為燃料的ME-GI系列船用二沖程雙燃料發動機。

ME-GI雙燃料發動機燃氣系統

ME-GI雙燃料發動機最核心的概念是缸內高壓燃氣直噴（Gas Injection），即通過加壓裝置把燃氣壓力增至300bar，經由燃氣噴射閥將高壓燃氣直接噴入氣缸，其燃氣噴射閥的布置（圖1所示）。

圖1 燃氣噴射閥布置

高壓燃氣共軌系統作為缸內高壓燃氣直噴技術的保障，可以保證燃氣噴射壓力的穩定，并精確控制燃氣噴射量。ME-GI雙燃料發動機的燃氣供應管采用雙層管壁設計，雙層壁燃氣管（Double-walled Gas Pipe）是一個恒壓的共軌系統，相當于高壓燃氣共軌管（圖2和圖3所示），將300bar的高壓燃氣分配至各燃氣模塊。

ME-GI雙燃料發動機的核心技術是燃氣控制系統（GI-ECS）。它是ME柴油機控制系統ME-ECS的補充。新增的GI-ECS控制單元從ME-ECS獲取定時和調速器油門指數，控制燃氣噴射時間和進氣量，并對氣缸燃燒情況進行監測，實現控制、報警和安全保護功能。GI-ECS獨立地控制燃氣系統，負責雙燃料發動機燃氣模式的運行控制。ME-ECS仍控制燃油系統，并與GI-ECS進行實時通信。

圖2 ME-GI發動機雙燃料控制系統

圖2所示，ME-ECS和GI-ECS同時接收由曲軸位置感受系統傳來的曲軸轉角信號，并相互傳輸負荷分配和正時信號。ME-GI發動機雙燃料控制過程如下， ME-ECS根據正時信號，通過電控燃油噴射閥V3的啟閉控制引燃油噴射正時和噴射量；GI-ECS根據正時信號，通過電控窗口閥V1的啟閉控制高壓燃氣的通斷，進而通過電控燃氣噴射閥V2的啟閉控制燃氣噴射正時和燃氣噴射量。同時ME-ECS和GI-ECS之間的負荷分配和正時信號可以控制燃油先于燃氣噴入氣缸，并且保證總負荷等于燃油油門和燃氣油門之和。

燃氣模式工作過程

ME-GI雙燃料發動機燃氣噴射系統圖3所示，由燃氣模塊和燃氣噴射閥組成。其中，燃氣模塊（圖3中虛線框部分）由窗口閥、電控窗口閥、電控燃氣噴射閥、蓄壓器、放氣閥、除氣閥等組成。

圖3 燃氣噴射系統

當雙燃料發動機運行于燃氣模式時， GI-ECS通過控制電控窗口閥和電控燃氣噴射閥來實現燃氣的噴射，其燃氣噴射過程如下：

1.電控窗口閥和電控燃氣噴射閥都處于關閉狀態，液壓控制油在電控窗口閥前等待。

2.電控窗口閥首先動作，液壓控制油通過電控窗口閥打開窗口閥，高壓燃氣到達燃氣噴射閥前等待。

3.電控燃氣噴射閥然后動作，液壓控制油通過電控燃氣噴射閥打開燃氣噴射閥，高壓燃氣通過燃氣噴射閥噴入氣缸。

4.電控燃氣噴射閥關閉，通往燃氣噴射閥的液壓控制油中斷，燃氣噴射閥關閉，停止高壓燃氣噴射。

5.電控窗口閥關閉，通往窗口閥的液壓控制油中斷，窗口閥關閉，燃氣噴射閥前的高壓燃氣中斷。

ME-GI雙燃料發動機燃氣模式下的工作循環圖4所示，在進氣行程，活塞打開掃氣口，新鮮空氣進入氣缸掃氣、換氣，隨后活塞上行壓縮新鮮空氣。由于氣缸內壓縮終點的溫度不足以將高壓燃氣引燃（天然氣自燃溫度為700℃左右），所以在活塞到達上止點之前首先向氣缸內噴入少量的自燃溫度較低的引燃油，引燃油發火燃燒將隨后噴入氣缸內的高壓燃氣引燃，可燃混合氣燃燒膨脹對外做功，最后將廢氣排出氣缸，完成一個工作循環。

圖4 雙燃料發動機工作循環

從圖4可以看出，ME-GI雙燃料發動機在上止點將高壓燃氣直接噴入氣缸，其工作循環與二沖程柴油機相同，為狄塞爾循環。而低壓供氣的雙燃料發動機的工作循環與汽油機相同，為奧托循環。

ME-GI雙燃料發動機的工作循環采用狄塞爾循環，其顯著特點是：壓縮行程只壓縮新鮮空氣，燃氣不參與壓縮過程，無需空燃比控制系統，消除了失火和爆燃問題，可采用與柴油機相當的壓縮比。而狄塞爾循環的熱效率隨壓縮比的增大而增大，因此ME-GI雙燃料發動機燃氣模式下具有與二沖程柴油機相同的熱效率，達到了50%左右，經濟性較好。

由于ME-GI雙燃料發動機消除了爆燃問題，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。 MAN公司目前已開發了LPG高壓噴射的ME-LGI雙燃料發動機。

ME-GI雙燃料發動機特性分析

MAN公司對雙燃料樣機4T50ME-GI-X進行了一系列性能測試。主要測試結果如下。

首先是排放特性。分別測試 了4T50ME-GI-X 雙 燃 料 發動機在燃油模式和燃氣模式下25%、50%、75%、100%負 荷 時的NOx、CO2排放水平，結果如圖5、圖6 所示。

圖5 NOx排放測試結果

圖6 CO2排放測試結果

如圖5所示，與燃油模式相比，燃氣模式下NOx排放量顯著降低。并且，在低負荷時NOx減排較小，在75%負荷左右時NOx減排最顯著。在E3測試循環下，燃油模式和燃氣模式的NOX比排放值分別 為15.7g/kWh和11.9g/kWh，NOx減排達24%，可以滿足IMO Tier II的NOx排放要求。

由于ME-GI 雙燃料發動機燃氣模式下采用狄塞爾循環，燃燒火焰溫度較高，與采用奧托循環的低壓雙燃料發動機相比，NOx減排效果有限，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NOXTier III 的 排 放 標 準。這 是ME-GI 雙燃料發動機采用狄塞爾循環而產生的弊端。

如圖6所示，燃氣模式下在不同負荷時CO2減排量基本一致，約為23%。

基于高壓燃氣直噴理念的ME-GI雙燃料發動機高壓燃氣直接噴入氣缸，并且由于該發動機是二沖程低速機，不存在氣閥重疊角，因此燃氣不會隨廢氣從排氣閥直接竄出氣缸，解決了傳統雙燃料發動機甲烷逃逸（Methane Slip）的問題，將甲烷逃逸率降低到了與液體燃料發動機相當的水平。根據FTIR廢氣測量方法測得ME-GI雙燃料發動機的甲烷逃逸率僅為0.2g/kWh，并且與負荷無關。而大部分采用奧托循環的四沖程雙燃料發動機的甲烷逃逸率在4-8 g/kWh之間。可見ME-GI雙燃料發動機顯著降低了碳氫化合物HC的排放。另外，LNG作為一種清潔能源，主要成分是甲烷，完全燃燒后的產物只有H2O和CO2，與傳統的柴油機相比，ME-GI雙燃料發動機在燃氣模式時SOX可實現95%減排。

綜上所述，ME-GI雙燃料發動機顯著降低了NOx、CO2、HC以及SOx的排放，符合船用發動機綠色環保的發展方向。

其次是動力特性。MAN公司分別測試了4T50ME-GI-X雙燃料發動機在燃油模式和燃氣模式下75%和100%負荷時的釋熱率，測試結果如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，在75%負荷和100%負荷時，兩條曲線的差異都很小，意味著ME-GI雙燃料發動機在燃油模式、燃氣模式下的釋熱率基本是相同的，表明柴油機不會有功率損失。ME-GI雙燃料發動機采用與柴油機相同的狄塞爾循環，保持了與ME電控柴油機相同的動力性能，具有較高的功率密度。

圖7 75%負荷時的釋熱率

圖8 100%負荷時的釋熱率

總的來說，ME-GI 為船用低速二沖程雙燃料發動機，能夠燃用天然氣和燃油，燃氣和燃油轉換靈活，也可以燃用液化石油氣LPG，可用作LNG運輸船、LPG運輸船以及集裝箱船等多種商用船舶的主推進系統。以LNG為主要燃料的ME-GI雙燃料發動機熱效率高，功率范圍廣，廢氣排放大幅降低，符合航運業節能減排的發展趨勢，在航運市場的應用前景廣闊，ME-GI雙燃料發動機將代表高效、環保、靈活的船舶推進系統解決方案。