国内外船用LNG动力发动机发展现状

马义平， 曾向明， 魏海军， 赵 睿， 王忠诚， 许乐平

(上海海事大学 商船学院， 上海 201306)

国内外船用LNG动力发动机发展现状

马义平， 曾向明， 魏海军， 赵 睿， 王忠诚， 许乐平

(上海海事大学 商船学院， 上海 201306)

为加深对船用液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)发动机各厂家、各机型的了解，为将来国内船舶排放控制区内船舶机型选择及LNG发动机发展提供参考，在纯气体机、双燃料机和混烧机分类的基础上，从缸内直喷、支管进气及总管进气等不同进气方式出发，对不同厂家的LNG发动机进行分析，并从动力性、经济型、燃气替代率、NOx排放及甲烷逃逸量等方面对各机型进行比较。结果表明：气体机能耗都较柴油机大；双燃料发动机的燃气模式能耗约比燃油模式降低10%；国外发动机NOx排放大部分满足Tier Ⅲ，且都对甲烷逃逸量有控制；而国内LNG发动机与国外相比在技术、功率、价格及尾气排放上都有较大差距；国内发动机普遍采用总管进气，总体性能较差，且纯气体机功率部分范围断挡。研究显示：LNG发动机进气方式宜采用支管多点喷射或缸内高压直喷；发动机类型适合采用“微引燃”式双燃料机或高性能纯气体机。

液化天然气(LNG)； 发动机； 纯气体； 双燃料； 混烧

Abstract: To deeply understand the marine Liquefied Natural Gas (LNG) fueled engines of different manufacturers’ various engines, and provide references for ship’s engine model selection in China’s future emission restricted area and for development of China’s LNG fueled engines, the marine LNG fueled engines of different manufacturers are analyzed according to the fuel types and different ways of LNG gas inlet; in addition, the comparison is carried out from the angle of power performance, economy, gas replacement rate, NOxemission and methane escape. The results of the study indicate: Energy consumption of pure gas engine is larger than that of diesel engine; Compared to oil mode, the energy consumption of dual-fuel engine at gas mode reduces by 10%; NOxemission of most foreign LNG engines meet Tier Ⅲ, and methane escape of engines are controlled well; There is a large gap on technology, power, price and flue gas emission between domestic and foreign engines. Gas inlet in header pipe applied in most engines, poor overall performance and narrow power range are the main phenomenon of domestic LNG fueled engines. The study shows: gas intake adopting manifold multi-point injection or high pressure direct injection in cylinder, and engine model adopting “micro ignition” dual-fuel engine or high-performance pure gas engine, are best for the LNG fueled engine.

Keywords: LNG; engine; pure gas; dual-fuel; mixed burning

我国交通运输部印发的《船舶与港口污染防治专项行动实施方案(2015—2020年)》[1]提出：到2020年，珠三角、长三角及环渤海水域船舶的硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)排放量与2015年相比分别下降65%,20%及30%。该方案提出的11项主要任务中的第6项为积极推进液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)燃料应用。

自国家提出“气化长江”战略以来，对部分内河船舶试点进行了柴油机的LNG动力改造，同时新建了一批LNG动力船。船舶发动机使用LNG作为动力燃料可大量减少污染气体排放,但LNG动力发动机因燃料选择和进气方式不同而使得其动力性、经济性及尾气排放有很大差异。同时，国内相关研究起步较晚，在技术上与国外相比有较大差距。

这里对国内外LNG动力发动机的技术现状进行比较和分析，在为将来我国相关排放控制区内船舶机型的选择提供参考的同时，为我国LNG动力发动机的发展提供相关思路。

1 LNG动力发动机的分类

LNG动力发动机的简单分类[2]见图1。

图1 LNG动力发动机的简单分类

2 各厂家LNG动力发动机

2.1单一气体燃料发动机

2.1.1Rolls-Royce(罗尔斯·罗伊斯)

Rolls-Royce纯气体机采用支管进气，排放满足Tier Ⅲ标准。与柴油机相比，其Bergen B系列发动机的CO2排放量每功率单位约减少17%，NOx约减少90%，且几乎无SOx排放。Rolls-Royce宣称：船舶主机大部分时间是在50%～70%负荷下运行的，该范围内Rolls-Royce气体机燃料消耗要比双燃料机低15%～20%。[3]

2.1.2潍柴、广柴、玉柴、淄柴及济柴

(1) 潍柴LNG纯气机采用增压后总管进气，是在相应型号潍柴柴油机的基础上改制而成的，机型压缩比设计为10.5～11.5；采用美国WOODWARD单点喷射系统，正常空燃比为 1.11～1.54。纯气体机机型有WP6C136NG，WP10C280NG和WP12C350NG，转速为1 500 r/min或2 000 r/min，功率为120 ～350 kW，NOx排放满足Tier Ⅱ标准。

(2) 广柴6230SG(660 kW或635 kW，750 r/min或720 r/min)和8230SG(880 kW或845 kW，750 r/min或720 r/min)纯气体机采用支管进气，NOx排放为2.0 g/(kW·h)(满足Tier Ⅲ标准)，总碳化物排放为483 g/(kW·h)。[4]

(3) 玉柴蓝鲸NK系列气体机采用增压后总管进气，有从YC6K295LN-C20到YC6K420LN-C20共5款机型，功率为218～309 kW，转速为1 500 r/min或1 800 r/min，尾气排放满足Tier Ⅱ标准。[5]

(4) 淄柴Z6170ZLCZ/T气体机(1 000 r/min～1 500 r/min，165～350 kW)采用增压前总管进气。

(5) 济柴190系列气体机中的12缸V型(1 000 r/min或1 300 r/min，552 kW或680 kW)和16缸V型(1 000 r/min或1 200 r/min，1 300 kW或1 600 kW)气体机采用增压前总管进气，NOx排放满足Tier Ⅱ标准。

2.2双燃料发动机

2.2.1MAN(曼恩)

(1) 缸内高压直喷：MAN缸内高压直喷双燃料发动机(又称ME-GI)的缸盖上安装有2 个或3个燃油喷射阀、2个或3个燃气喷射阀。燃油喷射阀在纯燃油模式下用作主喷油器，在燃气模式下兼做引燃喷油器。[6]ME-GI通过燃油喷射阀喷入引燃油后，引燃油压燃，然后才喷入高压天然气。柴油和重油皆可作为引燃油，MAN引燃油量最少可为3%。ME-GI是在压缩冲程末端喷入燃气的，燃气喷射压力一般约30 MPa，燃气温度为45oC±10oC。在10%负荷以下，采用燃气模式不能稳定燃烧，发动机必须切换到纯燃油模式；在10%～100%负荷下，发动机可采用燃气模式。ME-GI功率范围为2 000～80 000 kW。表1为不同负荷下S50ME-GI8与S50ME的排放值比较。由该表可知，CO2和NOx分别降低约15%和12%，SOx大幅度降低，但碳氢(HC)约增加1倍。

(2) 支管进气：机型有L23/30DF和L28/32DF，功率分别为625～1 200 kW及1 000～1 800 kW。稀薄燃烧，空燃比为1.95～2.2。燃气进机压力为0.4～0.6 MPa，温度约60 ℃，燃气中甲烷值>80，空气进机温度<45 ℃，只能用柴油引燃。在20%负荷以下，发动机工作于纯柴油模式；在20%～85%负荷下，引燃油量恒定为7%左右，燃气供应量随负荷的增加而增加；在85%～100%负荷下，燃气量不变(约80%)，柴油量随负荷的增加而增加。ME-GI和ME机型的排放和能耗数据见表1。

2.2.2Wartsila(瓦锡兰)

表1 在不同负荷下S50ME-GI8与S50ME的排放值比较

(1) 缸内低压直喷：Wartsila二冲程机缸内低压直喷(又称2-S DF)除了主燃油喷油器之外，每缸还设有单独的引燃油喷油器，采用的是“微引燃”和“预燃室”技术。点火油在100%功率时约为2 g/(kW·h),在30%功率时约为8 g/(kW·h)，引燃油量为1%～5%，轻油和重油都可作为引燃油。Wartsila 2-S DF在压缩冲程中间行程喷入燃气，燃气喷射压力一般约为1.6 MPa，温度为0～60 ℃,功率范围为5 000～65 000 kW。

(2) 支管进气：采用双喷嘴喷油器[7]，引燃油压力约为900 bar,有20DF，34DF，46DF和50DF等机型，功率范围为1 100～17 550 kW。进机燃气有一定数值要求，如：低热值为28～36 MJ/m3(m3指的是标准状态下的体积)，GVU前燃气压力为0.5～0.55 MPa，甲烷值≥80，燃气温度为0～60 ℃等。考虑到CH4的温室效应是CO2的25倍，且CH4含量约占总HC的75%，在燃气模式下总HC排放折合成CO2当量排放计算；与燃油模式相比，CO2总排放数值减小约18.5%(见表2)。

表2 34DF双燃料发动机燃气/燃油模式下的污染物对比

2.3混烧机

2.3.1济柴

目前济柴已取得C6190，C8190和L8190等3个族系产品中国船级社(China Classification Society, CCS)证书，功率范围为300～1 000 kW。

(1) 增压前总管进气：较多采用增压前总管进气，与原柴油机相比燃烧室结构、各气阀定时和喷油定时等均未作任何改动。燃气替代率一般为70%。

(2) 支管进气：燃气常温进机，燃气进机压力一般<0.4 MPa。燃气替代率随负荷的增加而增加，在75%以上负荷时，燃气替代率约为80%。

2.3.2淄柴

目前淄柴已开发Z150，Z170及Z210系列船用LNG动力发动机，并已取得CCS认可证书。

(1) 增压前总管进气：淄柴Z6170采用增压前总管进气,燃气进机压力为零压(或负压)，燃气温度在20 ℃之内，5～15 ℃最好。其采用德国海茵茨曼控制技术，通过废气旁通控制和氧传感器实现空燃比闭环控制。在标定工况下燃气替代率>70%，实际应用中，在25%负荷以下时全柴油运行，在50%～75%负荷时燃气替代效果较好，燃气替代率随负荷的增加而增加。

(2) 支管进气：淄柴Z8170采用电液联控多点喷射技术，综合最高燃油替代率可达80%以上。喷射单元中每缸燃气喷射阀4个，燃气进机压力一般为0.4～0.6 MPa。

2.3.3玉柴

玉柴蓝鲸SK系列混烧机采用增压后总管进气，有YC6K295LN-C21到YC6K450LN-C21共6款机型，功率范围为218～331 kW，转速为1500 r/min或1 800 r/min，尾气排放满足Tier Ⅱ标准。

3 国外LNG动力发动机技术现状

3.1双燃料和纯气体机齐头并进

在船用LNG动力发动机上， MAN和Wartsila仅推广双燃料发动机，Rolls-Royce推广纯气体机。

3.2低速二冲程采用缸内直喷“微引燃”双燃料发动机

尽管各LNG动力发动机的动力性、尾气排放和经济性表现略有不同(见表3)，但“微引燃”低速二冲程双燃料发动机的总体性能较好。二冲程机主要由MAN和Wartsila制造。

表3 国外LNG动力发动机的技术表现

1) MAN采用缸内高压直喷(燃气压力约为30 MPa)，燃烧过程为迪塞尔循环，可实现与柴油机相当的动力性及热效率，动态特性好、燃料适应性强，避免爆燃，没有CH4逃逸，NOx排放满足Tier Ⅱ标准；但燃气压力为30 MPa，管路强度和密封性要求较高，系统复杂，成本高昂。

2) Wartsila 采用缸内低压直喷(燃气压力约为1.6 MPa)，燃烧过程为奥拓循环，同时采用“预燃室”和“微引燃”技术，整个负载范围内都可在燃气模式下运行，NOx排放满足Tier Ⅲ标准，CH4排放也较四冲程少。

3.3支管进气四冲程机尾气排放性能较好

对于四冲程机，Rolls-Royce纯气体机、Wartsila和MAN双燃料机等都采用支管进气。支管进气能精确控制燃气喷射，较好地控制CH4逃逸；各机型CO2，SOx和PM的减少量如表3所示，各数值差异不大；但在NOx减排上，MAN仅满足Tier Ⅱ标准，而Rolls-Royce和Wartsila可满足Tier Ⅲ标准。在动态响应上，Rolls-Royce采用可变截面涡轮增压系统，动态响应特性较好；而Wartsila和MAN采用废气旁通控制空燃比，动态响应特性稍差。

4 国内LNG动力发动机主要问题

4.1普遍采用总管进气

国内LNG发动机普遍采用总管进气，结构简单，只需增加一套燃气供应系统(混烧机可完全保留柴油机的燃油喷射系统)，但总管及增压器存在爆炸危险[8]，缸内存在爆燃危险。

4.2尾气排放性能差

混烧机总管进气，空燃比只能整机调节，不能单缸控制；发动机未经优化，不能发挥气体燃料的优势,NOx减排效果不明显，气阀重叠角期间天然气直接逃逸，CH4逃逸现象严重，CO排放大幅升高。纯气体机总管进气，CH4逃逸现象较混烧机明显改善，但NOx排放也只能满足Tier II标准。

支管进气结构复杂，可实现单缸燃气精确控制，避免或减少气阀重叠角期间的CH4逃逸，尾气排放总体效果要好于总管进气，部分机型(如广柴纯气体机6230SG)NOx排放满足Tier Ⅲ标准。

4.3经济性较差

国内混烧机实际应用时在额定工况下的燃气替代率一般约为70%,但在长江航行的船舶受下水顺流的影响、在京杭运河航行的船舶受需经常过闸的影响，在很多情况下主机都在较低的负荷下运行，此时燃气替代率一般约为50%。此外，国内混烧机CH4逃逸现象较严重，据相关专家介绍，总管进气混烧机的CH4逃逸量要比支管多点喷射混烧机增加20%左右。因此，考虑到CH4逃逸及主机轻负荷运行的影响，国内混烧机的经济性较差。

4.4纯气体机功率部分范围断挡

国内LNG纯气体机功率部分范围断挡，致使某些吨位内河船的主机选型较困难。内河船舶吨位与主机功率选配见表4。1 000 kW以下各功率，国内混烧机可选机型较多，基本能覆盖整个功率范围；而纯气体机可选机型较少，功率在350 kW以下，潍柴、淄柴和玉柴有几款机型；功率在350～1 000 kW，有济柴12V190ZDT(552 kW /680 kW)，广柴6230SG(660kW/635kW)和8230SG(880kW/845kW)等几款定功率机型，功率断档较多。

表4 内河船舶吨位与主机功率选配

5 国内外LNG动力发动机比较

5.1国内与国外约有20a的技术差距

船舶气体机的发展历程[9]见图2,可看出国内正处在油气混烧阶段，与国外约有20 a的技术差距。技术比较结果见表5。

图2 船舶气体机的发展历程

表5 国内外各机型技术比较

5.2国内与国外价格及功率都差别较大

国外LNG发动机价格昂贵，国内较便宜。功率相同时，国外发动机的价格约是国内的3～5倍。[10]除整机外，备件差价更大。国外发动机功率都较大(一般>1 000 kW)，一般为中低速机；国内发动机功率较小(一般<2 000 kW)，一般为中高速机。

5.3国内混烧机燃气替代率较低

国外双燃料机的替代率>92%，最高可达99%(Wartsila)；国内混烧机的替代率一般约为70%。

5.4国内LNG动力发动机尾气排放较国外差

国内气体发动机尾气排放总体表现较差，大部分仅满足Tier Ⅱ标准(广柴6230SG，Tier Ⅲ)，CH4逃逸控制较差，或未进行过数据测量；国外气体机大部分满足Tier Ⅲ标准，且CH4逃逸量都较少。

5.5LNG动力发动机能耗较柴油机能耗大

单一燃料气体机、双燃料机(缸内高压直喷除外)和混烧机的能耗都较柴油机能耗大。纯气体机采用奥拓循环，能耗大于柴油机(迪塞尔循环)，Rolls-Royce纯气体机的热效率约为50%；缸内高压直喷双燃料机采用迪塞尔循环，热效率与普通柴油机基本上一样；其他双燃料机采用奥拓循环，热效率减小，且所有双燃料机在燃油模式下的能耗比燃气模式能耗增加10%左右；国内混烧机因存在CH4逃逸现象而使得热效率也有所下降。

6 结束语

6.1进气方式宜采用支管多点喷射和缸内高压直喷

与总管进气方式相比，支管多点喷射不仅能更精确地控制燃气供应量，有利于实现对空燃比的精确控制，提高发动机的热效率，降低NOx排放,同时还能避免天然气在气门叠开期间直接逃逸，控制HC排放。缸内高压直喷发动机具有与柴油机相当的动力性和热效率，且基本无CH4逃逸。发动机动态特性较好，燃料适应性强，避免爆燃。因此，这2种进气方式应成为我国船用LNG动力发动机今后的重点推广方向。

6.2发动机类型适合采用“微引燃”式双燃料机和高性能纯气体机

混烧机因采用燃油与气体混合燃烧的模式而使得发动机的设计在一定程度上处于“两难”的境地，要兼顾2种燃料的燃烧优化。“微引燃”式双燃料机在双燃料模式下仅用微量柴油引燃，可专门针对气体燃料进行燃烧优化，改善NOx排放和燃油经济性；同时，因柴油使用量大幅降低，可有利于减少SOx排放。[14]纯气体机的研发完全不用考虑燃油模式，可针对气体燃料的特点对发动机进行全新设计和优化，取得最大的节能和减排效益。

[1] 中华人民共和国交通运输部. 关于印发船舶与港口污染防治专项行动实施方案(2015—2020年)的通知[EB/OL].[2015-08-27](2015-08-31).http://www.moc.gov.cn/zfxxgk/bnssj/syj/201508/t20150831_1871478.html.

[2] 雷伟，甘少炜，周国强，等. 船用天然气发动机技术现状及发展[J]. 船海工程，2014，43(6)：123-126.

[3] 邢丹. 罗·罗：引领中国船舶动力新“气”象[J].中国船检，2011(12):92-94.

[4] 广柴.船用柴油/天然气发动机[EB/OL]. (2015-08-31). http://www.gdfdiesel.com.cn/product.asp?id=51&nb=183.

[5] 玉柴.船用发动机[EB/OL].(2015-08-31). http://www.kengine.cn/Product/About.asp?id=583.

[6] 马义平，王忠诚，时继东，等. 曼恩和瓦锡兰船用二冲程双燃料发动机之比较[J].船舶，2015,26(5)：94-99.

[7] 卢瑞军，周志勇，武宪磊. 船用天然气发动机关键技术发展及应用[J].内燃机与动力装置，2014，31(3)：57-60.

[8] 郭子锐，邓康耀，曲栓，等.气体发动机技术的发展[J]. 柴油机，2011，33(6)：3-9.

[9] CCS武汉规范研究所. LNG动力船专题培训——LNG动力船发动机及电气设备[EB/OL][2015-03-10].(2015-06-10). http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAxOTEzNzk2OQ==&mid=206520782&idx=1&sn=f1f2f5e98e715d2812943a95d200725e&scene=1&srcid=8NvC7y0UOEgql2gG4jRNrd.

[10] 高惠君.中国LNG燃料动力船发展前景分析[EB/OL].(2013-08-13).http://www.cjhy.gov.cn/hangyu-ndongtai/dianziqikan/hangyunzazhi/201308/t20130813_238349.html.

[11] MOHR H，BAUFELD T . 面向未来的双燃料发动机技术进展[J].国外铁道机车与动车,2013,(6):39-47.

[12] 杨波，盛苏建，周斌. 1 000 m3LNG 燃料加注船主机选型研究[J]. 船海工程，2014，43(5)：148-150.

[13] 马志超. 船舶发动机天然气应用的关键技术研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[14] 雷伟. 我国船用天然气发动机技术最新发展[EB/OL].(2014-11-18).http://www.lngfuelledships.com/jishu/201/238.html.

CurrentDevelopmentSituationofMarineLNGFueled
EnginesBothatHomeandAbroad

MAYiping,ZENGXiangming,WEIHaijun,ZHAORui,WANGZhongcheng,XULeping

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

U664.12

A

2016-04-29

马义平(1977—)，男，安徽无为人，轮机长，讲师，博士，研究方向为船舶动力装置有害排放控制、现代轮机管理与安全技术。 E-mail: mayiping168@163.com

许乐平(1957—)，男，河北衡水人，轮机长，教授，博士生导师，研究方向为船舶污染物控制及海洋环境保护。 E-mail: lpxu@shmtu.edu.cn

1000-4653(2016)03-0020-06