船用ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)分析

高子朋 詹 宇 王 民 吳桂濤

隨著航運(yùn)業(yè)對(duì)節(jié)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(yīng)市場(chǎng)需要，MAN公司研發(fā)了以LNG為燃料的ME-GI系列船用二沖程雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀到y(tǒng)

ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)最核心的概念是缸內(nèi)高壓燃?xì)庵眹姡℅as Injection），即通過加壓裝置把燃?xì)鈮毫υ鲋?00bar，經(jīng)由燃?xì)鈬娚溟y將高壓燃?xì)庵苯訃娙霘飧祝淙細(xì)鈬娚溟y的布置（圖1所示）。

圖1 燃?xì)鈬娚溟y布置

高壓燃?xì)夤曹壪到y(tǒng)作為缸內(nèi)高壓燃?xì)庵眹娂夹g(shù)的保障，可以保證燃?xì)鈬娚鋲毫Φ姆€(wěn)定，并精確控制燃?xì)鈬娚淞俊E-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)夤?yīng)管采用雙層管壁設(shè)計(jì)，雙層壁燃?xì)夤埽―ouble-walled Gas Pipe）是一個(gè)恒壓的共軌系統(tǒng)，相當(dāng)于高壓燃?xì)夤曹壒埽▓D2和圖3所示），將300bar的高壓燃?xì)夥峙渲粮魅細(xì)饽K。

ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)是燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)（GI-ECS）。它是ME柴油機(jī)控制系統(tǒng)ME-ECS的補(bǔ)充。新增的GI-ECS控制單元從ME-ECS獲取定時(shí)和調(diào)速器油門指數(shù)，控制燃?xì)鈬娚鋾r(shí)間和進(jìn)氣量，并對(duì)氣缸燃燒情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)控制、報(bào)警和安全保護(hù)功能。GI-ECS獨(dú)立地控制燃?xì)庀到y(tǒng)，負(fù)責(zé)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饽Ｊ降倪\(yùn)行控制。ME-ECS仍控制燃油系統(tǒng)，并與GI-ECS進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

圖2 ME-GI發(fā)動(dòng)機(jī)雙燃料控制系統(tǒng)

圖2所示，ME-ECS和GI-ECS同時(shí)接收由曲軸位置感受系統(tǒng)傳來的曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)，并相互傳輸負(fù)荷分配和正時(shí)信號(hào)。ME-GI發(fā)動(dòng)機(jī)雙燃料控制過程如下， ME-ECS根據(jù)正時(shí)信號(hào)，通過電控燃油噴射閥V3的啟閉控制引燃油噴射正時(shí)和噴射量；GI-ECS根據(jù)正時(shí)信號(hào)，通過電控窗口閥V1的啟閉控制高壓燃?xì)獾耐〝?，進(jìn)而通過電控燃?xì)鈬娚溟yV2的啟閉控制燃?xì)鈬娚湔龝r(shí)和燃?xì)鈬娚淞?。同時(shí)ME-ECS和GI-ECS之間的負(fù)荷分配和正時(shí)信號(hào)可以控制燃油先于燃?xì)鈬娙霘飧?，并且保證總負(fù)荷等于燃油油門和燃?xì)庥烷T之和。

燃?xì)饽Ｊ焦ぷ鬟^程

ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)圖3所示，由燃?xì)饽K和燃?xì)鈬娚溟y組成。其中，燃?xì)饽K（圖3中虛線框部分）由窗口閥、電控窗口閥、電控燃?xì)鈬娚溟y、蓄壓器、放氣閥、除氣閥等組成。

圖3 燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)

當(dāng)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行于燃?xì)饽Ｊ綍r(shí)， GI-ECS通過控制電控窗口閥和電控燃?xì)鈬娚溟y來實(shí)現(xiàn)燃?xì)獾膰娚?，其燃?xì)鈬娚溥^程如下：

1.電控窗口閥和電控燃?xì)鈬娚溟y都處于關(guān)閉狀態(tài)，液壓控制油在電控窗口閥前等待。

2.電控窗口閥首先動(dòng)作，液壓控制油通過電控窗口閥打開窗口閥，高壓燃?xì)獾竭_(dá)燃?xì)鈬娚溟y前等待。

3.電控燃?xì)鈬娚溟y然后動(dòng)作，液壓控制油通過電控燃?xì)鈬娚溟y打開燃?xì)鈬娚溟y，高壓燃?xì)馔ㄟ^燃?xì)鈬娚溟y噴入氣缸。

4.電控燃?xì)鈬娚溟y關(guān)閉，通往燃?xì)鈬娚溟y的液壓控制油中斷，燃?xì)鈬娚溟y關(guān)閉，停止高壓燃?xì)鈬娚洹?/p>

5.電控窗口閥關(guān)閉，通往窗口閥的液壓控制油中斷，窗口閥關(guān)閉，燃?xì)鈬娚溟y前的高壓燃?xì)庵袛唷?/p>

ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饽Ｊ较碌墓ぷ餮h(huán)圖4所示，在進(jìn)氣行程，活塞打開掃氣口，新鮮空氣進(jìn)入氣缸掃氣、換氣，隨后活塞上行壓縮新鮮空氣。由于氣缸內(nèi)壓縮終點(diǎn)的溫度不足以將高壓燃?xì)庖迹ㄌ烊粴庾匀紲囟葹?00℃左右），所以在活塞到達(dá)上止點(diǎn)之前首先向氣缸內(nèi)噴入少量的自燃溫度較低的引燃油，引燃油發(fā)火燃燒將隨后噴入氣缸內(nèi)的高壓燃?xì)庖?，可燃混合氣燃燒膨脹?duì)外做功，最后將廢氣排出氣缸，完成一個(gè)工作循環(huán)。

圖4 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)

從圖4可以看出，ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在上止點(diǎn)將高壓燃?xì)庵苯訃娙霘飧?，其工作循環(huán)與二沖程柴油機(jī)相同，為狄塞爾循環(huán)。而低壓供氣的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)與汽油機(jī)相同，為奧托循環(huán)。

ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)采用狄塞爾循環(huán)，其顯著特點(diǎn)是：壓縮行程只壓縮新鮮空氣，燃?xì)獠粎⑴c壓縮過程，無需空燃比控制系統(tǒng)，消除了失火和爆燃問題，可采用與柴油機(jī)相當(dāng)?shù)膲嚎s比。而狄塞爾循環(huán)的熱效率隨壓縮比的增大而增大，因此ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饽Ｊ较戮哂信c二沖程柴油機(jī)相同的熱效率，達(dá)到了50%左右，經(jīng)濟(jì)性較好。

由于ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)消除了爆燃問題，因此對(duì)燃?xì)鉀]有抗爆性能的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃?xì)獾倪m應(yīng)性好，可以使用低甲烷值的燃?xì)?，甚至可以使用液態(tài)石油氣LPG作為燃料。 MAN公司目前已開發(fā)了LPG高壓噴射的ME-LGI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)特性分析

MAN公司對(duì)雙燃料樣機(jī)4T50ME-GI-X進(jìn)行了一系列性能測(cè)試。主要測(cè)試結(jié)果如下。

首先是排放特性。分別測(cè)試 了4T50ME-GI-X 雙 燃 料 發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油模式和燃?xì)饽Ｊ较?5%、50%、75%、100%負(fù) 荷 時(shí)的NOx、CO2排放水平，結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 NOx排放測(cè)試結(jié)果

圖6 CO2排放測(cè)試結(jié)果

如圖5所示，與燃油模式相比，燃?xì)饽Ｊ较翹Ox排放量顯著降低。并且，在低負(fù)荷時(shí)NOx減排較小，在75%負(fù)荷左右時(shí)NOx減排最顯著。在E3測(cè)試循環(huán)下，燃油模式和燃?xì)饽Ｊ降腘OX比排放值分別 為15.7g/kWh和11.9g/kWh，NOx減排達(dá)24%，可以滿足IMO Tier II的NOx排放要求。

由于ME-GI 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饽Ｊ较虏捎玫胰麪栄h(huán)，燃燒火焰溫度較高，與采用奧托循環(huán)的低壓雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)相比，NOx減排效果有限，必須配備EGR（廢氣再循環(huán)）或SCR（選擇性催化還原）系統(tǒng)才能滿足NOXTier III 的 排 放 標(biāo) 準(zhǔn)。這 是ME-GI 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用狄塞爾循環(huán)而產(chǎn)生的弊端。

如圖6所示，燃?xì)饽Ｊ较略诓煌?fù)荷時(shí)CO2減排量基本一致，約為23%。

基于高壓燃?xì)庵眹娎砟畹腗E-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)高壓燃?xì)庵苯訃娙霘飧?，并且由于該發(fā)動(dòng)機(jī)是二沖程低速機(jī)，不存在氣閥重疊角，因此燃?xì)獠粫?huì)隨廢氣從排氣閥直接竄出氣缸，解決了傳統(tǒng)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)乃?。根?jù)FTIR廢氣測(cè)量方法測(cè)得ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的甲烷逃逸率僅為0.2g/kWh，并且與負(fù)荷無關(guān)。而大部分采用奧托循環(huán)的四沖程雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的甲烷逃逸率在4-8 g/kWh之間?？梢奙E-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)顯著降低了碳?xì)浠衔颒C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(chǎn)物只有H2O和CO2，與傳統(tǒng)的柴油機(jī)相比，ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)饽Ｊ綍r(shí)SOX可實(shí)現(xiàn)95%減排。

綜上所述，ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)顯著降低了NOx、CO2、HC以及SOx的排放，符合船用發(fā)動(dòng)機(jī)綠色環(huán)保的發(fā)展方向。

其次是動(dòng)力特性。MAN公司分別測(cè)試了4T50ME-GI-X雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油模式和燃?xì)饽Ｊ较?5%和100%負(fù)荷時(shí)的釋熱率，測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，在75%負(fù)荷和100%負(fù)荷時(shí)，兩條曲線的差異都很小，意味著ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油模式、燃?xì)饽Ｊ较碌尼専崧驶臼窍嗤?，表明柴油機(jī)不會(huì)有功率損失。ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用與柴油機(jī)相同的狄塞爾循環(huán)，保持了與ME電控柴油機(jī)相同的動(dòng)力性能，具有較高的功率密度。

圖7 75%負(fù)荷時(shí)的釋熱率

圖8 100%負(fù)荷時(shí)的釋熱率

總的來說，ME-GI 為船用低速二沖程雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠燃用天然氣和燃油，燃?xì)夂腿加娃D(zhuǎn)換靈活，也可以燃用液化石油氣LPG，可用作LNG運(yùn)輸船、LPG運(yùn)輸船以及集裝箱船等多種商用船舶的主推進(jìn)系統(tǒng)。以LNG為主要燃料的ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率高，功率范圍廣，廢氣排放大幅降低，符合航運(yùn)業(yè)節(jié)能減排的發(fā)展趨勢(shì)，在航運(yùn)市場(chǎng)的應(yīng)用前景廣闊，ME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)將代表高效、環(huán)保、靈活的船舶推進(jìn)系統(tǒng)解決方案。