船用LNG双燃料发动机的技术发展及应用现状

袁江帆, 胡以怀, 蒋更红, 唐娟娟

(1.上海海事大学， 上海 201306； 2.上海船舶研究设计院， 上海 201203)

船用LNG双燃料发动机的技术发展及应用现状

袁江帆1, 胡以怀1, 蒋更红1, 唐娟娟2

(1.上海海事大学， 上海 201306； 2.上海船舶研究设计院， 上海 201203)

自2016年起，国际海事组织制定的Tier III标准在其设立的排放控制区ECA(Emission Control Area)实施，这势必加速船舶推进装置向节能环保，低排放方向的转型升级。LNG(Liquid Nature Gas)双燃料发动机技术为解决传统燃料发动机的排放问题提供了一条新途径，国内外制造商都在积极研发更好性能的LNG双燃料发动机，并取得了相当显著的进展。根据国内外双燃料发动机的发展现状各自优缺点的比较以及存在的差距，给出建议和看法。

LNG；双燃料发动机；船舶

0 引言

随着生态环境污染的日益严重,据不完全统计，目前航运业船舶每年需消耗12亿桶柴油，航运排放的气体NOx占到总排放量的10%～20%，SOx占到总排放量的4%～8%，CO2占到总排放量的6%[1]。为了实现可持续发展战略，减少船舶废气排放对生态环境所造成的进一步影响，人们都在积极寻找新能源来替代传统燃料。挪威船级社(DetNorskeVeritas，DNV)发表的“实现低碳航运之路—— 2030年减排潜力”[2]研究报告对25种措施的不同减排效果及相应的成本效益进行了分析，证实使用液化天然气(LNG)作为燃料是最行之有效的[2]。LNG与传统燃料相比，由于其本身不含硫成分，可实现船舶的SOx100%减排，NOx排放量减少80%，CO2排放量减少20%[3]。鉴于使用LNG作为燃料的诸多优点,我国正在大力推进油改气项目的实施，预计在2020年将有1 000艘内河船完成该改进。

1 IMO 减排规范推动LNG双燃料发动机发展

为了有效控制有害气体的排放，保护全球环境，国际海事组织(InternationalMaritimeOrganization，IMO)等国际性组织与各国地区政府采用了设立排放控制区(EmissionControlArea,ECA)和出台限制法规(NOxTier)等措施。如今，北海、波罗的海、美国沿海、墨西哥湾等水域都设立了受控的排放区，受影响的船舶超过3万余艘。经过这些限制区域的船舶都必须符合废气排放标准。在限制排放法规方面，IMO出台的防止船舶污染公约最具有代表性。其中，对于废气排放的控制具有逐阶控制的明确标准，即附则VI防止船舶造成空气污染规则(修订版)中对NOx排放的严格控制标准。通常情况下，传统的柴油发动机船在通过这些控制区域时采用燃烧低硫油的手段来达到排放要求，但这并非长久之计，也无法符合于2016年开始实施的TierIII标准，即要求在排放控制区的标准为TierII标准的五分之一，而在控制区以外则继续施行TierII标准。在SO2的控制方面，TierIII标准要求可采用排放控制不高于6g/kW·h国际认可的处理装置。这些减排规则的实施加速了船舶推进装置向节能环保型升级。我国环保部也正在制定我国内河船用柴油机大气排放标准，由于在技术上与欧美发达国家还存在较大的差距，我国对柴油机有害物质排放的要求也明显降低，以210系列柴油机的NOx排放为例，排放标准为11.97g/kW·h，比欧盟的标准高37%左右[4]。相比于使用传统柴油作为燃料的高成本和易泄漏所造成污染的燃烧方式相比，采用液化天然气作为燃料是一种成本低、安全、无污染的最佳解决方法，再者节能减排、绿色低碳也是未来渔业捕捞发展的大势所趋、必经之路。液化天然气是满足排放标准的安全、环保和经济最佳选择之一。

2 LNG双燃料发动机在船舶上的应用

LNG双燃料发动机的概念最早于20世纪80年代末提出，以电控二冲程发动机为基础，其最先被运用于汽车，由于其优良的燃烧和经济性能，被逐渐拓展运用到船舶领域。LNG船用双燃料发动机根据不同的点火方式可以分为火花塞式和柴油引燃式两种[5]。前者通过火花塞点燃，而后者通过压缩冲程终点形成的高温高压先使引燃柴油(燃点220℃左右)自燃，在通过其燃烧放出的热量迅速升高缸内温度点燃天然气(燃点650℃左右)。考虑到船舶远洋航行时存在加注的问题，发动机在天然气不足时还可以从燃气模式切换到燃油模式。

LNG船用双燃料发动机根据进气方式的差异可分为缸外进气和缸内进气两种。缸外进气包括总管进气和支管进气两种方式：支管进气是电控多点顺序喷射；缸内进气可分为低压缸内直喷和高压缸内直喷两种形式[6-7]。综合分析来看，微引燃式支管电控多点喷射和缸内直喷是比较有发展前景的供气方式，它们均能实现单缸燃烧控制，具有充分发挥气体燃料优势的潜力，且能获得较好的排放性能。

由于市场和技术的原因，四冲程中速双燃料发动机[8]在研发和推向市场方面远远领先于二冲程低速发动机。目前，曼恩公司的高压缸内直喷双燃料发动机和瓦锡兰公司的低压缸内直喷双燃料发动机占据了此领域主要的市场份额。

2.1 曼恩高压直喷双燃料发动机

曼恩公司的高压直接喷射式LNG双燃料发动机是目前世界上最为先进的发动机之一[8]。2011年5月，曼恩公司在300多名嘉宾的见证下，在其研发中心举行了首台ME-GI二冲程燃气发动机的首发仪式，将自己对ME-GI系列机的研发推向了高潮[9]。

2014年，第一台ME-GI主机(型号8L70ME-C8.2-GI)被应用于一条3 100箱的集装箱船。该船由DOOSAN公司建造，船东为TotemOceanTrai-ler。之前订单中的大多数双燃料机(如8L70ME-C8.2GI等)都应用于集装箱船和LNG船，受价格和限制排放区域的影响，他们的航线也大多集中在北美。2014年-2016年，在LNG动力船应用方面，包括已交付和未交付订单，曼恩缸内高压直喷双燃料发动机约有52台、支管多点喷射双燃料发动机约有33台。

资料显示，ME-GI双燃料发动机的核心技术是燃气控制系统(GI-ECS)，它是对ME柴油机控制系统ME-ECS的补充。它的缸盖上有2～3个燃油喷射阀和燃气喷射阀，其燃油喷射阀开关原理是在燃油模式时作为气缸主喷油器，燃气模式时也兼做点火喷油器使用[10]。ME-GI采用引燃油引燃天然气的点火方式，引燃油量极少，一般只需3%～8%。ME-GI双燃料发动机[11]喷入燃气时压力很高，因此需要300bar以上的燃气喷射压力。值得强调的是，曼恩公司的LNG双燃料发动机采用缸内高压直喷，甲烷逃逸量<0.02%，基本无甲烷逸出，高负荷时，燃气设定压力更高可以喷射更多的燃气。

ME-GI部分发动机燃气控制参数如下所示：

压力要求：额定值300bar，最大值315bar，安全释放阀320bar，波动限制±2bar，设定值公差±5%。

质量要求：无冷凝，无油/水滴及水气。

曼恩公司的发动机型号从G95ME-C9～S30ME-B9，共21款机型。所有的MANME电控机都可以做成ME-GI双燃料型式。表1为ME-GI部分机型基本参数。

表1 ME-GI部分机型基本参数

ME-GI 双燃料发动机燃气模式采用的是狄塞尔循环，燃烧火焰相对较高，与瓦锡兰公司采用奥托循环的低压双燃料发动机相比，NOx减排效果有限，因此必须配备废气再循环(ExhaustGasRecirculation，EGR)或选择性催化还原(SelectiveCatalyticReduction，SCR)系统才能满足NOx双燃料发动机工作循环TierIII所要求的排放标准[12]，这是采用狄塞尔循环的弊端。但曼恩公司最新研制的51/60DF双燃料发动机采用了最先进的“微先导”燃气点燃技术和最新的曼恩柴油机共轨技术，可高效地将柴油或天然气转化成电力或机械推进动力，允许灵活设置各缸的喷油定时、持续时间和压力，排放非常低，可满足TierIII标准。

2.2 瓦锡兰公司低压双燃料发动机

瓦锡兰公司于20世纪80年代开始研究双燃料发动机，90年代开始运用陆地装置。2006年，由瓦锡兰公司制造的50DF发动机应用于第一艘天然气运输船上。截至2015年6月，瓦锡兰公司总共生产了1 300 多台DF发动机，现LNG双燃料发动机市场占有率达80%。50DF问世以来，全球65%的新造天然气运输船装备了瓦锡兰公司生产的双燃料发动机。2015年6月，瓦锡兰与玉柴集团合作生产的5RT-flex50DF双燃料低速机交付成功，这也是我国第一台船用双燃料低速机，被装配在浙江华祥海运有限公司的一艘14 000m3液化气运输船上[13]。

瓦锡兰2-SDF发动机与曼恩LNG双燃料发动机存在很多不同之处，在主燃油喷射器的基础上每缸还单独设有点火油喷射器，点火采用了先进的“微点火”和“预燃室”技术,它在100%功率时点火油约2g/kW·h，30%功率时约8g/kW·h[14]。此外，电控喷油器燃油共轨，点火油最小量时可达1%，HFO(HeavyFuelOil)可作为引燃油。该点火油系统的特点为：(1) 采用共轨技术，仅需1台点火油泵即可满足所有气缸运行要求；(2) 点火油泵配有滤器和调压阀；(3) 点火油泵为电动机驱动。

研究表明，与其他技术相比，瓦锡兰的低压DF发动机技术基于稀薄燃烧原理(奥托循环)，能够为船东节省15%～ 20%的资本支出[15]，其主要通过两方面实现：首先，瓦锡兰双燃料发动机的液化天然气和气体处理系统在低于10bar的压力条件下工作，不仅可以降低投资成本，而且系统也更为简单，低压设计理念可以省去高耗能的压气机组而采用最经济的低压供气系统；其次，发动机不再需要进一步的NOx净化系统来满足未来的排放法规标准。瓦锡兰这类新型发动机已经能够符合IMONOxTierIII排放标准，引燃油量降低至1%，并且在使用液态燃料时最低可达到TierII标准。2-SDF发动机在燃气模式下NOx排放量约2g/kW.h[16]，也满足TierIII排放标准。

2.3 罗尔斯·罗伊斯公司纯气体发动机

罗尔斯·罗伊斯公司(下文简称罗·罗)的创新和成就并不仅限于汽车领域，在船舶行业也紧跟时代的步伐，拥有长远的眼光。罗·罗在分析了中国近十年天然气的使用量后，发现天然气在中国拥有巨大的发展空间，主动把“气”概念带到了中国，与挪威运输公司NorLinesAS、江苏产业重工强强联手，将世界首艘纯气体机推进船的建造基地设在中国[17]。

与传统柴油机相比，罗·罗公司生产的BergenB系列稀薄燃烧燃气发动机的CO2和NOx排放量均有明显降低，且SOx排放几乎为零，较好地符合了绿色环保的理念，可以满足2016年最新出台的TierIII排放标准[18]。为了增强市场竞争力，罗·罗公司还与天海融合防务装备技术股份有限公司联合，构思出了适合于内河、沿海、近海航行的2 500～40 000m3的中小型LNG运输船设计理念。

2.4 国内LNG双燃料发动机介绍

由于受到新建成本高、技术限制等因素的影响，LNG燃料动力船在我国以改造为主。我国围绕LNG双燃料发动机正做着积极的研究尝试。中油济南柴油机厂(下文简称“济柴”)是国内第一家开展气化水运的发动机制造单位，同时也是国内第一家成功研发船用双燃料产品单位。2012年2月20日，济柴400kW双燃料船机取得CCS认证，标志着国内首台双燃料船机的诞生。目前，济柴已取得C6190、C8190、L8190 3个系列双燃料产品中国船级社(ChinaClassificationSociety，CCS)证书，功率范围为300～1 000kW。另外，中油济柴也是国内第一家成功研发船用纯气机产品单位。2010年4月16日，济柴1 200kW天然气发动机取得CCS认证，标志着国内首台船用纯气机的诞生。目前,济柴已与国际AVL公司、曼恩公司分别展开合作，已相继开发了260，320缸径纯气机，单缸功率分别为250kW，400kW，可根据用户需求分别配置6，7，8，9，12，14，16，18缸气体机，是国内第一家参与在航船双燃料领域改造的单位。2011年11月20日，济柴成功改造鲁济宁货2535机动货船，迄今已独立完成9艘船舶的双燃料动力改造。

济柴混烧机中较多机型采用增压前总管单点喷射，该类机型与原柴油机相比，燃烧室结构、各气阀定时、喷油定时未做任何改动。燃气替代率一般≤80%。船舶实际应用时，较大负荷下,燃气替代率约为70%。其中，部分采用了海茵茨曼控制系统，常温燃气，燃气进机压力一般<4kg/cm2，75%以上负荷时，燃气替代率约80%。除了混烧机外，济柴190系列中的12缸V型和16缸V型以及26/32系列和MAN32/40系列都是纯气体机。

淄博柴油机厂于2008年开始了对船用双燃料发动机的研究，并积极与山东大学合作开展支管多点喷射和混烧机研究，所采用的燃气进气方式有增压前单点喷射和增压后多点喷射。增压前单点喷射是LNG储罐中的燃气经过气化、过滤和减压后从进气总管喷入，燃气进机压力为零压(或负压)，燃气温度控制在20℃之内，一般5～15℃最好。温度较高，燃气量就少，会影响空燃比。船舶应用上，50%～75%负荷燃气替代效果较好，25%负荷以下时，建议全柴油运行。已经可以满足TierII级排放标准。2014年，淄柴设计开发Z8170本质安全型多点喷射双增压双燃料发动机，2015年2月已完成了CCS认可型式试验及NOx排放测试试验。

3 应用问题和挑战

目前，国内应用于船舶领域的双燃料发动机拥有着广阔发展前景，但仍然面临不少挑战，包括：

(1)LNG燃料的储运和加注仍然是一个很大的难题。由于储罐系统结构复杂，加之LNG在同条件下相比柴油体积大的多，需要很大的储运空间。在加注方面，全球现有的加注站还不够完善，加注补给设备不配套，主要集中在欧美发达国家，而想要全面发展LNG双燃料技术首先需要建成完善的补给系统。

(2) 有待建立相对健全的行业标准和技术规范。虽然LNG双燃料技术已经相对成熟，但国内尚未制定与之相对应的运送和加注标准。

(3) 改造船舶LNG燃烧效率和排放技术尚待提高。没有资金补贴，船东积极性不高。由于LNG双燃料发动机的初期投资要比传统发动机高出很多，很多船东还处于观望阶段，特别是近期石油价格暴跌，LNG燃料经济性减弱,如果没有国家资金的支持势必阻碍燃料技术的发展与应用。另外，LNG发动机本身还存在很多技术问题，如爆燃、爆震、甲烷逃逸、润滑不良、HC排放量严重等。

(4) 润滑不良。柴油以小液体形态喷入气缸，对阀门、阀座等有润滑、冷却作用，而燃气发动机燃料为气体，由于LNG燃料燃烧产生的热值要比传统燃料大，燃烧室温度更高，会导致润滑油过快老化，使发动机阀座部件干涩无润滑，极易过度磨损。调查发现，很多改造后的船舶由于润滑不良而使发动机吊缸频率明显增加，从而显著增加了维护保养的周期以及维护成本。

(5) 双燃料发动机的甲烷逃逸现象很严重，而甲烷的温室效应是CO2的20多倍。如果不控制它的逃逸现象，可能在温室效应的控制上会适得其反。甲烷逃逸的主要原因是由于发动机存在气阀重叠角以及缸内燃烧不充分，使多余的甲烷随着尾气排入大气，可以通过消除气阀重叠角和改善燃烧的方法减少该现象的发生。另外，由于缸内余隙是HC排放的主要来源，可以通过加工活塞倒角和改善燃烧室形状来降低HC的排放。

4 发展的建议

(1) 双燃料柴油机主要存在3种形式的爆燃，其主要影响因素包括发动机的负荷、转速、燃烧温度、气缸内紊流情况，天然气与引燃柴油混合比例。如适当提高转速，增加引燃柴油油量，减少天然气量可改善双燃料柴油机(特别是低负荷运转时)的爆燃状况。通过借鉴ME-GI发动机的技术，使燃气不参与压缩过程，只通入新鲜空气，能够很好地解决失火和爆燃现象。

(2) 国内LNG双燃料发动机与国外先进的双燃料发动机在技术方面相比还存在10～20年的差距，比如在尾气排放上，曼恩公司的技术早已满足TierII标准要求，瓦锡兰公司的技术满足TierIII标准要求，且都对甲烷逃逸量进行了较深入研究；而国内各LNG发动机的尾气排放一般只满足TierI标准要求，在甲烷逃逸上研究也较少。因此，需加强与曼恩、瓦锡兰等发动机制造商的合作，投资引进他们的先进技术并研发出自己的技术产业。另外，最新研究表明HC的排放对人体有很大的危害，也应该在如何降低HC排放上多做研究。

(3) 目前国内应用最广的是总管增压器前预混合式发动机。但考虑到发动机的性能及价格因素，未来在长江或运河流域应用LNG动力发动机还应首选支管多点喷射式发动机较为合适。

(4) 针对双燃料发动机润滑不良的突出问题，普通润滑油已经无法解决由气体干涩引起的阀门磨损及开关不严等问题，因此需研制新型材料或选用高性能的润滑油。如可使用结构陶瓷性材料，这种材料具有很好的耐磨性、化学稳定性、耐高温性[19]，但结构陶瓷性材料种类繁多，我们还需做大量的试验和研究才能研制出符合双燃料发动机的最佳材料。

(5) 由于双燃料发动机在国内还处于起步阶段，未来十年在内河和近海完成对船舶的进一步改造计划还需要国家政策和资金的大力支持，相关机构应加快对相应制度的规范和制定，加大在双燃料发动机领域的投入，合理安排天然气储气和加注站，使国内双燃料改造技术能够更快地趋于成熟。

节约资源和保护环境是我国的基本国策之一，推广高能效LNG双燃料船是实现水运行业节能减排、转型升级的有效措施。升级船舶动力，降低能耗，减少排放，加快清洁水运建设步伐是发展绿色水运交通，建设生态文明的需要。国外中低速LNG双燃料发动机技术已经相当成熟，无论在降低能耗还是排放上都能基本满足国际最新排放标准。我国船企需继续加强同国外发动机厂家的合作与交流，研制出适合自己国内船舶及内河状况的LNG双燃料发动机。

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Technology Development and Application Status about Dual Fuel Engine

YUAN Jiangfan1, HU Yihuai1, JIANG Genghong1， TANG Juanjuan2

(1.Shanghai Maritime University, Shanghai 201306， China；2.Shanghai Ship Design and Research Institute, Shanghai 201203， China)

Since 2016，the Tier III, which was developed in the implementation of the Emission Control Area (ECA) by the International Maritime Organization, is bound to accelerate the marine propulsion plant to the direction of energy saving,environmental protection and low emission.The technology of LNG dual fuel engine has obvious advantages in reducing emission of pollutants and the cost of fuel, which can provide a new way to the solution of the problem of traditional fuel engine emissions.Domestic and foreign manufacturers are actively developing the LNG dual fuel engine with better performance, and have made considerable progress. According to the development and respective advantages and disadvantages of domestic and foreign dual fuel engine, as well as current gap suggestions and recommendations are provided.

LNG； dual fuel engine； ship

袁江帆(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为双燃料发动机船舶动力装置。

1000-3878(2017)01-0001-05

U664

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