淺析高壓雙燃料主機

劉慧光

摘 要：隨著國際能源危機和環(huán)境惡化狀況日益加劇，航運業(yè)對節(jié)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(fā)動機也將是未來的一大發(fā)展趨勢。本文介紹了MAN ME-GI系列雙燃料發(fā)動機的技術(shù)細節(jié)及其特性，并總結(jié)了該機型的優(yōu)缺點和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：節(jié)能減排；LNG；雙燃料發(fā)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(yīng)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(yīng)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(qū)加強雜貨船，該船是世界首艘雙燃料冰區(qū)加強雜貨船，技術(shù)含量高，建造規(guī)格要求高，同時對環(huán)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(fā)動機，核心概念是缸內(nèi)高壓燃氣直噴，即在發(fā)動機壓縮沖程末期向氣缸內(nèi)噴入少量引燃油，由于此時氣缸內(nèi)壓力很高，隨后向缸內(nèi)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(fā)動機缸內(nèi)高壓噴射示意見圖1。

MAN ME-GI發(fā)動機的雙燃料系統(tǒng)是將常規(guī)的ME/ME-B機型上的燃油系統(tǒng)和新的燃氣系統(tǒng)結(jié)合在一起，詳見圖2.

2 增加的主要零部件

MAN ME-GI發(fā)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(tǒng)、電控燃氣噴射閥ELGI、燃氣控制通風和安全系統(tǒng)等。

除發(fā)動機本體外，船舶還需增加相應(yīng)的供氣系統(tǒng)作為配套的輔助設(shè)備，包括儲氣罐、高壓泵、外部雙壁管、GVT、惰氣系統(tǒng)等。

3 燃料噴射系統(tǒng)

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(guān)閉狀態(tài)，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(jīng)過燃氣噴射閥噴入燃燒室。隨后先后關(guān)閉ELGI和ELWI，停止高壓燃氣的噴射。

4 密封油系統(tǒng)

由于MAN ME-GI雙燃料發(fā)動機中的燃氣是通過定壓的高壓共軌系統(tǒng)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(tǒng)。密封油系統(tǒng)是一套高壓液壓油系統(tǒng)，保持高于燃氣約20-25bar的壓力，以防止氣體進入液壓油系統(tǒng)。密封油系統(tǒng)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(fā)動機控制系統(tǒng)

MAN ME-GI發(fā)動機控制系統(tǒng)（ME-GI-ECS），是一個可以控制所有發(fā)動機功能的集中控制系統(tǒng)。主要可控制如下功能：燃油的噴射、排氣閥動作、轉(zhuǎn)速控制、啟動和反轉(zhuǎn)、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(jiān)控和安全切斷、雙壁管通風和泄漏監(jiān)控、密封油控制、掃氣及進氣、供氣系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)被分為兩個部分，GI控制系統(tǒng)和GI安全系統(tǒng)，用于分別接受同一個功能中的2個重復(fù)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(tǒng)，采用雙壁式設(shè)計，內(nèi)管輸送高壓燃氣，外管起保護作用，防止內(nèi)管破裂時高壓燃氣噴出。內(nèi)、外管之間有機械通風，無燃氣區(qū)域的空氣經(jīng)過內(nèi)外管之間，再被抽出機艙排放到安全區(qū)域，從而將機艙和高壓燃氣系統(tǒng)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(fā)出報警信號，發(fā)動機將自動切換到燃油模式。

7 整體特性

MAN ME-GI雙燃料發(fā)動機在降低船舶廢氣中的污染物含量方面有很大的優(yōu)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(huán)）或SCR（選擇性催化還原）系統(tǒng)，才能滿足IMO Tier III的NOx排放標準。

MAN ME-GI 雙燃料發(fā)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(huán)和二沖程柴油機相同，被稱為狄塞爾循環(huán)。這種循環(huán)的熱效率隨壓縮比的增大而增大。狄塞爾循環(huán)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(jīng)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?zhèn)鞑ニ俣刃∮诓裼?，因此柴?天然氣雙燃料發(fā)動機容易產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象。由于MAN ME-GI 雙燃料發(fā)動機已消除爆燃問題，因此對燃氣沒有抗爆性能的要求，發(fā)動機對燃氣的適應(yīng)性好，甚至可以使用液態(tài)石油氣（LPG）等低甲烷值的燃氣作為燃料。

8 結(jié)束語

總的來說，MAN ME-GI雙燃料發(fā)動機除了具有傳統(tǒng)ME電控柴油機的所有功能和優(yōu)勢外，還能以LNG、LPG等多種燃氣作為主要燃料， 適應(yīng)性高，熱效率高，經(jīng)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(fā)動機滿足航運業(yè)綠色環(huán)保、高效節(jié)能的發(fā)展趨勢，市場前景廣闊。

參考文獻：

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