船用ME-GI双燃料发动机技术分析

高子朋 詹 宇 王 民 吴桂涛

随着航运业对节能减排日益重视，LNG逐渐成为最有前景的替代燃料。为了适应市场需要，MAN公司研发了以LNG为燃料的ME-GI系列船用二冲程双燃料发动机。

ME-GI双燃料发动机燃气系统

ME-GI双燃料发动机最核心的概念是缸内高压燃气直喷（Gas Injection），即通过加压装置把燃气压力增至300bar，经由燃气喷射阀将高压燃气直接喷入气缸，其燃气喷射阀的布置（图1所示）。

图1 燃气喷射阀布置

高压燃气共轨系统作为缸内高压燃气直喷技术的保障，可以保证燃气喷射压力的稳定，并精确控制燃气喷射量。ME-GI双燃料发动机的燃气供应管采用双层管壁设计，双层壁燃气管（Double-walled Gas Pipe）是一个恒压的共轨系统，相当于高压燃气共轨管（图2和图3所示），将300bar的高压燃气分配至各燃气模块。

ME-GI双燃料发动机的核心技术是燃气控制系统（GI-ECS）。它是ME柴油机控制系统ME-ECS的补充。新增的GI-ECS控制单元从ME-ECS获取定时和调速器油门指数，控制燃气喷射时间和进气量，并对气缸燃烧情况进行监测，实现控制、报警和安全保护功能。GI-ECS独立地控制燃气系统，负责双燃料发动机燃气模式的运行控制。ME-ECS仍控制燃油系统，并与GI-ECS进行实时通信。

图2 ME-GI发动机双燃料控制系统

图2所示，ME-ECS和GI-ECS同时接收由曲轴位置感受系统传来的曲轴转角信号，并相互传输负荷分配和正时信号。ME-GI发动机双燃料控制过程如下， ME-ECS根据正时信号，通过电控燃油喷射阀V3的启闭控制引燃油喷射正时和喷射量；GI-ECS根据正时信号，通过电控窗口阀V1的启闭控制高压燃气的通断，进而通过电控燃气喷射阀V2的启闭控制燃气喷射正时和燃气喷射量。同时ME-ECS和GI-ECS之间的负荷分配和正时信号可以控制燃油先于燃气喷入气缸，并且保证总负荷等于燃油油门和燃气油门之和。

燃气模式工作过程

ME-GI双燃料发动机燃气喷射系统图3所示，由燃气模块和燃气喷射阀组成。其中，燃气模块（图3中虚线框部分）由窗口阀、电控窗口阀、电控燃气喷射阀、蓄压器、放气阀、除气阀等组成。

图3 燃气喷射系统

当双燃料发动机运行于燃气模式时， GI-ECS通过控制电控窗口阀和电控燃气喷射阀来实现燃气的喷射，其燃气喷射过程如下：

1.电控窗口阀和电控燃气喷射阀都处于关闭状态，液压控制油在电控窗口阀前等待。

2.电控窗口阀首先动作，液压控制油通过电控窗口阀打开窗口阀，高压燃气到达燃气喷射阀前等待。

3.电控燃气喷射阀然后动作，液压控制油通过电控燃气喷射阀打开燃气喷射阀，高压燃气通过燃气喷射阀喷入气缸。

4.电控燃气喷射阀关闭，通往燃气喷射阀的液压控制油中断，燃气喷射阀关闭，停止高压燃气喷射。

5.电控窗口阀关闭，通往窗口阀的液压控制油中断，窗口阀关闭，燃气喷射阀前的高压燃气中断。

ME-GI双燃料发动机燃气模式下的工作循环图4所示，在进气行程，活塞打开扫气口，新鲜空气进入气缸扫气、换气，随后活塞上行压缩新鲜空气。由于气缸内压缩终点的温度不足以将高压燃气引燃（天然气自燃温度为700℃左右），所以在活塞到达上止点之前首先向气缸内喷入少量的自燃温度较低的引燃油，引燃油发火燃烧将随后喷入气缸内的高压燃气引燃，可燃混合气燃烧膨胀对外做功，最后将废气排出气缸，完成一个工作循环。

图4 双燃料发动机工作循环

从图4可以看出，ME-GI双燃料发动机在上止点将高压燃气直接喷入气缸，其工作循环与二冲程柴油机相同，为狄塞尔循环。而低压供气的双燃料发动机的工作循环与汽油机相同，为奥托循环。

ME-GI双燃料发动机的工作循环采用狄塞尔循环，其显著特点是：压缩行程只压缩新鲜空气，燃气不参与压缩过程，无需空燃比控制系统，消除了失火和爆燃问题，可采用与柴油机相当的压缩比。而狄塞尔循环的热效率随压缩比的增大而增大，因此ME-GI双燃料发动机燃气模式下具有与二冲程柴油机相同的热效率，达到了50%左右，经济性较好。

由于ME-GI双燃料发动机消除了爆燃问题，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，可以使用低甲烷值的燃气，甚至可以使用液态石油气LPG作为燃料。 MAN公司目前已开发了LPG高压喷射的ME-LGI双燃料发动机。

ME-GI双燃料发动机特性分析

MAN公司对双燃料样机4T50ME-GI-X进行了一系列性能测试。主要测试结果如下。

首先是排放特性。分别测试 了4T50ME-GI-X 双 燃 料 发动机在燃油模式和燃气模式下25%、50%、75%、100%负 荷 时的NOx、CO2排放水平，结果如图5、图6 所示。

图5 NOx排放测试结果

图6 CO2排放测试结果

如图5所示，与燃油模式相比，燃气模式下NOx排放量显著降低。并且，在低负荷时NOx减排较小，在75%负荷左右时NOx减排最显著。在E3测试循环下，燃油模式和燃气模式的NOX比排放值分别 为15.7g/kWh和11.9g/kWh，NOx减排达24%，可以满足IMO Tier II的NOx排放要求。

由于ME-GI 双燃料发动机燃气模式下采用狄塞尔循环，燃烧火焰温度较高，与采用奥托循环的低压双燃料发动机相比，NOx减排效果有限，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NOXTier III 的 排 放 标 准。这 是ME-GI 双燃料发动机采用狄塞尔循环而产生的弊端。

如图6所示，燃气模式下在不同负荷时CO2减排量基本一致，约为23%。

基于高压燃气直喷理念的ME-GI双燃料发动机高压燃气直接喷入气缸，并且由于该发动机是二冲程低速机，不存在气阀重叠角，因此燃气不会随废气从排气阀直接窜出气缸，解决了传统双燃料发动机甲烷逃逸（Methane Slip）的问题，将甲烷逃逸率降低到了与液体燃料发动机相当的水平。根据FTIR废气测量方法测得ME-GI双燃料发动机的甲烷逃逸率仅为0.2g/kWh，并且与负荷无关。而大部分采用奥托循环的四冲程双燃料发动机的甲烷逃逸率在4-8 g/kWh之间。可见ME-GI双燃料发动机显著降低了碳氢化合物HC的排放。另外，LNG作为一种清洁能源，主要成分是甲烷，完全燃烧后的产物只有H2O和CO2，与传统的柴油机相比，ME-GI双燃料发动机在燃气模式时SOX可实现95%减排。

综上所述，ME-GI双燃料发动机显著降低了NOx、CO2、HC以及SOx的排放，符合船用发动机绿色环保的发展方向。

其次是动力特性。MAN公司分别测试了4T50ME-GI-X双燃料发动机在燃油模式和燃气模式下75%和100%负荷时的释热率，测试结果如图7、图8所示。

由图7、图8可知，在75%负荷和100%负荷时，两条曲线的差异都很小，意味着ME-GI双燃料发动机在燃油模式、燃气模式下的释热率基本是相同的，表明柴油机不会有功率损失。ME-GI双燃料发动机采用与柴油机相同的狄塞尔循环，保持了与ME电控柴油机相同的动力性能，具有较高的功率密度。

图7 75%负荷时的释热率

图8 100%负荷时的释热率

总的来说，ME-GI 为船用低速二冲程双燃料发动机，能够燃用天然气和燃油，燃气和燃油转换灵活，也可以燃用液化石油气LPG，可用作LNG运输船、LPG运输船以及集装箱船等多种商用船舶的主推进系统。以LNG为主要燃料的ME-GI双燃料发动机热效率高，功率范围广，废气排放大幅降低，符合航运业节能减排的发展趋势，在航运市场的应用前景广阔，ME-GI双燃料发动机将代表高效、环保、灵活的船舶推进系统解决方案。