浅析高压双燃料主机

摘 要：随着国际能源危机和环境恶化状况日益加剧，航运业对节能减排也日趋重视，LNG已成为最有前景的替代燃料，以LNG为主要燃料的双燃料发动机也将是未来的一大发展趋势。本文介绍了MAN ME-GI系列双燃料发动机的技术细节及其特性，并总结了该机型的优缺点和发展前景。

关键词：节能减排；LNG；双燃料发动机；ME-GI

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.21.015

LNG是液化天然气的英文缩写，其主要成分是甲烷。LNG无色、无味、无毒且无腐蚀，低温、气液膨胀比大、能效高易于运输和储存.天然气作为清洁能源越来越受到青睐，很多国家都将LNG列为首选燃料，天然气在能源供应中的比例也迅速增加，LNG燃料船也必将是未来的一大趋势。为应对这一趋势、提升造船能力，我厂在去年承接了2艘LNG-OIL双燃料冰区加强杂货船，该船是世界首艘双燃料冰区加强杂货船，技术含量高，建造规格要求高，同时对环保要求也极高。该船通过以LNG代替柴油作为燃料，不仅在燃料消耗量上有明显下降，而且能够极大减少硫氧化物和颗粒物排放，氮氧化物及二氧化碳的排放都有显著降低。为此该船选用了MAN公司的5G45ME-C9.5-GI双燃料主机。该主机既可以燃烧天然气又可以用燃油作为单一燃料。下面针对该机型进行一些简要分析。

1 工作原理

MAN ME-GI系列为船用二冲程双燃料发动机，核心概念是缸内高压燃气直喷，即在发动机压缩冲程末期向气缸内喷入少量引燃油，由于此时气缸内压力很高，随后向缸内喷入的天然气需达到300bar的高压，自燃温度较低的引燃油将随后喷入的高压天然气引燃，可燃混合气燃烧膨胀对外做功。MAN ME-GI双燃料发动机缸内高压喷射示意见图1。

MAN ME-GI发动机的双燃料系统是将常规的ME/ME-B机型上的燃油系统和新的燃气系统结合在一起，详见图2.

2 增加的主要零部件

MAN ME-GI发动机为了能同时燃烧燃气和燃油，增加了燃气双壁管、带蓄压块和控制阀的燃气阀块、燃气喷射阀、密封油系统、电控燃气喷射阀ELGI、燃气控制通风和安全系统等。

除发动机本体外，船舶还需增加相应的供气系统作为配套的辅助设备，包括储气罐、高压泵、外部双壁管、GVT、惰气系统等。

3 燃料喷射系统

燃油的喷射是通过FIVA阀控制燃油增压器将低压燃油压入燃油喷射阀最终喷入燃烧室，如图3所示。燃油喷射阀在燃油模式下作为主喷油器，在燃气模式下兼做引燃油喷油器。在燃气模式下，负荷在10%―100%时，引燃油消耗量恒定为大约8g/（kW・h），柴油和重油都可作为引燃油。

燃气的喷射主要依靠燃气喷射阀和燃气控制模块（见图2中的Gas control block）来完成。图2中燃气控制模块包含电控燃气喷射阀ELGI、电控燃气窗口阀ELWI、窗口阀V1、放气阀V2、除气阀V3、蓄压器ACCU。在燃气模式下，燃气喷射的具体过程如下：首先ELGI阀和ELWI阀都处于关闭状态，ELWI先动作，通过液压控制油打开V1，高压燃气到达燃气喷射阀。然后ELGI动作，通过液压控制油打开燃气喷射阀（见图3），高压燃气经过燃气喷射阀喷入燃烧室。随后先后关闭ELGI和ELWI，停止高压燃气的喷射。

4 密封油系统

由于MAN ME-GI双燃料发动机中的燃气是通过定压的高压共轨系统分配到各个燃气喷射阀的，因此燃气喷射阀以及一边是燃气一边是液压控制油的窗口阀、切断阀等阀上的燃气压力始终保持在300bar左右，为了防止高压燃气进入液压控制油中，需要一套密封油系统。密封油系统是一套高压液压油系统，保持高于燃气约20-25bar的压力，以防止气体进入液压油系统。密封油系统主要由一台泵和一个带蓄压器的安全阀块组成，并通过双壁管输送密封油。密封油的消耗很少，并且会与燃气一起被喷进燃烧室燃烧。

5 MAN ME-GI发动机控制系统

MAN ME-GI发动机控制系统（ME-GI-ECS），是一个可以控制所有发动机功能的集中控制系统。主要可控制如下功能：燃油的喷射、排气阀动作、转速控制、启动和反转、气缸、燃气的喷射、燃油模式和双燃料模式的切换、燃气燃烧监控和安全切断、双壁管通风和泄漏监控、密封油控制、扫气及进气、供气系统通信。图5为ME-GI-ECS的核心控制功能，即燃油和燃气的喷射控制。

如图4所示，ME-ECS和GI延伸系统同时接收曲轴的位置和速度信号，并相互传输负荷分配和正时信号。两者分别控制燃油和燃气的喷射量和喷射时间，并相互配合使得引燃油先于燃气喷入燃烧室，并保证总负荷等于燃油油门和燃气油门之和。

为了燃气安全考虑，很多功能都是双份的，特别是传感器。因此GI延伸系统被分为两个部分，GI控制系统和GI安全系统，用于分别接受同一个功能中的2个重复的传感器的信号。

6 双壁管

MAN ME-GI的燃气管是一套定压的高压共轨系统，采用双壁式设计，内管输送高压燃气，外管起保护作用，防止内管破裂时高压燃气喷出。内、外管之间有机械通风，无燃气区域的空气经过内外管之间，再被抽出机舱排放到安全区域，从而将机舱和高压燃气系统隔离。机械抽风的换气量能达到每小时约10-30次。在通风管出口安装有碳氢化合物探测器，一旦探测器探测到燃气泄漏，就会发出报警信号，发动机将自动切换到燃油模式。

7 整体特性

MAN ME-GI双燃料发动机在降低船舶废气中的污染物含量方面有很大的优势，可使SOx降低约95%。由于主要使用LNG作为燃料，CO2和粉尘的排放也将显著降低。此外NOx也可下降约12%-15%左右，但是仅能满足IMO Tier II的NOx排放要求。因此，必须配备EGR（废气再循环）或SCR（选择性催化还原）系统，才能满足IMO Tier III的NOx排放标准。

MAN ME-GI 双燃料发动机在压缩行程的末端将高压燃气直接喷入气缸，其工作循环和二冲程柴油机相同，被称为狄塞尔循环。这种循环的热效率随压缩比的增大而增大。狄塞尔循环在压缩行程中只须压缩新鲜空气，燃气不参与压缩过程；在引燃油压燃后，燃气高压喷入，直接燃烧，无须控制空燃比来消除失火和爆燃问题，可采用与柴油机相同的压缩比。因此，MAN ME-GI在燃气模式下具有与二冲程柴油机相同的热效率（达到50% 左右），经济性较好。

由于甲烷和空气混合物的燃烧延迟时间长于柴油，甲烷燃烧的火焰传播速度小于柴油，因此柴油-天然气双燃料发动机容易产生爆燃现象。由于MAN ME-GI 双燃料发动机已消除爆燃问题，因此对燃气没有抗爆性能的要求，发动机对燃气的适应性好，甚至可以使用液态石油气（LPG）等低甲烷值的燃气作为燃料。

8 结束语

总的来说，MAN ME-GI双燃料发动机除了具有传统ME电控柴油机的所有功能和优势外，还能以LNG、LPG等多种燃气作为主要燃料， 适应性高，热效率高，经济性好，大幅降低了柴油的使用，减少了船舶运营成本。极大的减少了船舶废气中的污染物排放，配备EGR或SCR后可满足IMO Tier III的NOx排放标准。MAN ME-GI双燃料发动机满足航运业绿色环保、高效节能的发展趋势，市场前景广阔。

参考文献：

[1]G45ME-C9.5-GI Project Guide[Z].2014.

[2]李斌.船舶柴油机[M].大连：大连海事大学出版社，2008.

[3]LNG Carriers with ME-GI Engine and High Pressure Gas Supply System.[Z].MAN Diesel A/S，Copenhagen，Denmark，2007.

[4]MARPOL 73/78 附则VI[S].2008.