上海振華重工（集團）股份有限公司 谷林春

在應(yīng)對限硫令的當下，雙燃料低速二沖程主機在市場上的認可度正在逐步提高。目前全球范圍內(nèi)在船用低速二沖程雙燃料柴油機領(lǐng)域以MAN公司的ME-GI高壓型和WIN G&D公司的XDF低壓型為典型代表。

ME-GI和XDF采用兩種不同技術(shù)路線的雙燃料低速二沖程柴油機，由于其工作原理不同導致其特性有明顯區(qū)別。取決于其各自工作原理，在安全性、機械性能、投資及運維成本等方面這兩種機型表現(xiàn)出不同的特點。下面針對其燃燒過程、排放特性、功率輸出特性、熱效率以及甲烷逃逸等方面進行對比研究，在涉及具體參數(shù)特性時兩種參考對比機型分別為MAN 6S50ME-C8.2-GI-TII和WN GD 6RT-Flex50-TII。

圖1 ME GI和XDF工作原理對比

1、燃燒過程對比

ME-GI和XDF的工作原理——燃燒過程分屬兩種不同的內(nèi)燃機循環(huán)——狄賽爾循環(huán)和奧托循環(huán)。

高壓ME-GI技術(shù)以迪塞爾循環(huán)燃燒原理工作（圖2左側(cè)），并以燃氣不參與氣缸內(nèi)壓縮過程和擴散式燃燒為主要特征。在ME-GI的狄賽爾循環(huán)中，活塞上行至其上沿封閉掃氣口之前為掃氣沖程0-1，活塞繼續(xù)上行至上死點可視為絕熱壓縮過程1-2，300bar/45℃燃氣向氣缸內(nèi)噴射并被點火油點燃后的燃燒過程可以視為定壓加熱過程2-3，高溫燃氣推動活塞下行做功過程視為絕熱膨脹過程3-4，排氣閥打開后掃氣箱新鮮空氣驅(qū)動氣缸內(nèi)廢氣排入排煙管為排氣沖程4-1-0。

低壓X-DF技術(shù)基于奧托循環(huán)燃燒原理工作（圖2右側(cè)），并以燃氣參與氣缸內(nèi)壓縮過程和稀薄燃燒為主要特征。在XDF的奧托循環(huán)中，活塞上行至其上沿封閉掃氣口之前為掃氣沖程0-1，活塞繼續(xù)上行一定距離后16bar/30℃燃氣經(jīng)過燃氣閥噴射閥GAV噴入氣缸，混合燃氣壓縮的過程可視為絕熱壓縮過程1-2，向氣缸內(nèi)噴射點火油點燃混合氣的燃燒過程可視為定容加熱過程2-3，高溫燃氣推動活塞下行做功過程視為絕熱膨脹過程3-4，排氣閥打開后掃氣箱新鮮空氣驅(qū)動氣缸內(nèi)廢氣排入排煙管為排氣沖程4-1-0。XDF柴油機中燃料和空氣以相對較高的空燃比進行預(yù)混合和燃燒，可降低NOX排放同時降低燃料消耗。

2、燃氣供應(yīng)系統(tǒng)對比

對于ME-GI供氣系統(tǒng)，其300bar/45℃高壓燃氣可以由LNG經(jīng)高壓泵加壓再經(jīng)高壓燃氣加熱器加熱或者由BOG壓縮機將貨艙內(nèi)的BOG壓縮獲得。而雙燃料四沖程發(fā)電機需要6bar燃氣可以由BOG壓縮機中間級或者由高壓燃氣加熱器出口減壓獲得。

XDF的燃氣供應(yīng)系統(tǒng)，其16bar/30℃/45℃的燃氣可以由LNG經(jīng)增壓泵加壓再經(jīng)過低壓蒸發(fā)器和燃氣加熱器加熱或者由BOG壓縮機壓縮獲得。而雙燃料四沖程發(fā)電機所需要的6bar燃氣則由16bar的燃氣經(jīng)減壓獲得。

在上述兩種高、低供氣系統(tǒng)中，LNG運輸船貨艙中的燃氣泵位于貨艙內(nèi)部，而LNG動力商船上的LNG泵則位于燃料艙外部。

3、柴油機排放性能對比

對于柴油機來說，其排放性能主要體現(xiàn)在溫室氣體（CO2、CH4）排放、SOX/NOX以及顆粒物PM等幾方面。

圖2 迪塞爾和奧托循環(huán)對比

圖3 ME-GI和XDF典型燃氣供應(yīng)系統(tǒng)對比

圖4 ME-GI和XDF溫室氣體GHG排放對比

圖5 ME-GI與XDF燃料消耗率對比

對于ME-GI柴油機來說，相對比于其HFO工作模式，燃氣模式的溫室氣體GHG減排量可達25%～30%，而XDF由于存在甲烷逃逸問題，其整體溫室氣體GHG減排效果只是達到約18%。但是如果考慮ME-GI的燃氣壓縮機及燃氣增壓泵等輔助系統(tǒng)所帶來的GHG排放，XDF總體GHG排放效果反而要優(yōu)于ME-GI系統(tǒng)，圖4所示為某船實測數(shù)據(jù)。

由于LNG中已經(jīng)被除硫，所以ME-GI和XDF柴油機的硫排放基本為零（點火燃油對硫排放影響微?。＿@也是為什么以LNG為燃料的柴油機被選為應(yīng)對2020硫排放限制的主流措施之一。

ME-GI燃氣模式的NOX排放可以比其HFO模式降低24%，但是由于燃氣模式采用迪塞爾循環(huán)燃燒溫度較高氮氧化物排放量高，仍不滿足Tier III排放要求，需要加裝SCR或者采取EGR技術(shù)減排。而XDF燃氣模式采用奧托循環(huán)，通過控制空燃比λ和點火正時獲得最佳燃燒速度，從而獲得最佳效率和最低NOx排放效果，可以直接滿足Tier III排放要求。X-DF柴油機可實現(xiàn)燃氣模式NOx排放比HFO模式減少90%。

表1 ME-GI和XDF燃油燃氣消耗率對比

因為天然氣燃燒充分，ME-GI和XDF的顆粒物PM排放基本為零。

4、燃料消耗率對比

對于MAN和WIN GD兩種機型，選取MAN B&W G50MEC9.6-GI-Tll和WN GD 6RTFlex50-TII進行比較兩者燃油及燃氣消耗率。油耗率的測定是用熱值為42700Kj/kg的燃油，在ISO條件：大氣壓1bar/環(huán)境溫度及冷卻水溫度均為25℃下測量的。

通過上表可以看到，對于同樣的500mm缸徑的柴油機， ME-GI柴油機無論是在燃油模式還是在燃氣模式下其油耗率均優(yōu)于XDF柴油機；而XDF柴油機的點火油消耗率低于ME-GI柴油機。

總體來說，采用迪塞爾循環(huán)的ME-GI柴油機采用燃氣直接噴射的擴散燃燒方式，因而其燃燒溫度較高，擁有整體較高的熱效率。對于選定型號的這兩種二沖程雙燃料柴油機來說，兩者的燃油和燃氣消耗率差別明顯。

圖6 各種熱機熱效率情況

圖7 XDF柴油機A/F-BMEP運行區(qū)間（A/F-BMEP）圖

5、熱效率對比

得益于二沖程柴油機的較高熱效率，ME-GI柴油機在燃氣模式下仍然繼承了其母型的熱效率水平，可達50%左右。而XDF柴油機因為采用奧托循環(huán)，壓縮比為7-10，低于ME-GI柴油機的迪塞爾循環(huán)的11-22水準，因而其熱效率只有47%左右。

6、功率下降情況對比

ME-GI柴油機由于采取迪塞爾循環(huán)，燃氣直接噴射缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定，不存在燃氣模式下的功率下降和熱效率降低問題，與其燃油模式功率輸出相同。但是，XDF柴油機在燃氣模式下采用奧托循環(huán)，為避免燃氣混合氣壓縮過程中的爆燃造成的嚴重的敲缸問題，不得不限制燃氣的噴射量來控制BMEP，因而XDF在燃氣模式下存在15%～20%的功率下降問題。如下圖所示，XDF最終的運行區(qū)間紙杯限制在很窄的一個范圍內(nèi)。XDF的空燃比和平均有效壓力受到很大限制。

同時，對XDF來說為了保證氣缸內(nèi)燃料穩(wěn)定燃燒，對甲烷值MN（表征燃氣抗爆性能的指標，以相同抗爆性能的甲烷和氫氣混合標準測試氣體中的甲烷體積比表示）要求必須在60以上。在MN80以下時，燃料的MN每下降一個數(shù)值，柴油機功率輸出降低約1%。類似地，燃氣進氣溫度每升高1℃，柴油機功率輸出也將會下降2%。

為了保證燃氣模式燃燒充分和100%功率輸出，XDF柴油機引入了動態(tài)燃燒控制DCC。通過監(jiān)控氣缸壓力經(jīng)由一套特殊算法，自動激活DCC功能。高負荷時，高溫、高濕以及低甲烷值會導致燃燒壓力超過正常值，這時候主油頭噴入少量（3%～15%能量）燃油，推動渦輪增壓器提供充分的燃燒空氣，維持預(yù)期的空燃比λ。此時NOX排放仍然滿足Tier III標準。

7、柴油機加載性能對比

ME-GI柴油機的燃氣模式與其柴油模式區(qū)別不大，因此其加載性能與其燃油模式相同。但是，在作為船用主機的XDF柴油機中其加載卻需要按照一個加載曲線逐步進行，以避免氣缸內(nèi)敲缸的粗暴工作情況發(fā)生。然而，在DFDE電力推進動力裝置中，作為發(fā)電機的DF柴油機卻不受這個特性限制。

8、甲烷逃逸情況對比

甲烷逃逸是指部分燃料甲烷通過柴油機并向上進入煙囪而沒有進行燃燒做功。 ME-GI柴油機因為采取缸內(nèi)燃氣直接噴射工作方式，其燃料甲烷燃燒充分，廢氣中基本不含有甲烷（只有約0.1%），因而認為其甲烷逃逸量幾乎為零。在XDF柴油機中，甲烷逃逸是其兩個主要缺陷之一（另一個是敲缸問題）。由于采用燃氣預(yù)混合技術(shù)，尤其是在低負荷下氣缸內(nèi)的稀薄燃燒會變得不穩(wěn)定，所以柴油機廢氣中不可避免的存在未燃燒的甲烷。包括活塞壓縮過程中少量甲烷在活塞環(huán)與缸套直接的微量泄漏，XDF柴油機廢氣中甲烷逃逸量可達2%～4%。這樣的結(jié)果一方面是帶來溫室氣體GHG排放問題，另一方面則會帶來排煙管內(nèi)的爆炸風險。

9、運行模式對比

ME-GI柴油機共有三種運行模式：燃氣模式、SDF特定比例混合燃料模式和燃油模式。燃氣模式下，點火油為SMCR的3%。SDF模式下，操作者設(shè)定固定的燃氣比例，燃油補償剩余功率需求。而燃油模式則與傳統(tǒng)的ME機型一致，但是點火油依然工作避免結(jié)碳堵塞噴嘴。

XDF柴油機與ME-GI類似，也有三種運行模式：燃氣模式、燃油模式和燃料共享FS模式。燃氣模式下，點火油占總能量約1%。燃油模式下，主油頭工作與傳統(tǒng)的RTFlex柴油機相同。同時，點火油油頭依然噴油（0.5%能量）防止結(jié)碳堵塞噴嘴。燃油模式可以有MDO和HFO兩種狀態(tài)工作。HFO切換到燃氣模式是，必須先切換到MDO模式。XDF的燃料共享FS模式下，液體燃料最低比例為5%能量。液氣燃料比例可以根據(jù)情況手動設(shè)定。

ME-GI燃氣模式負荷必須高于10%，低于10%需要切換到燃油模式。而XDF怎沒有此限制。

10、CAPEX及OPEX對比

就設(shè)備初投資而言，ME-GI中的高壓帶來的設(shè)備成本急劇增加。因而綜合兩種方案比較，包括主輔機，EGR以及高壓的LNG燃氣供給系統(tǒng)FGSS在內(nèi)，ME-GI的初始投資CAPEX明顯要高壓XDF。

但是如果考慮在NOX排放控制區(qū)域運行，ME-GI的燃料費用相應(yīng)會增加。而XDF則保持不變。ME-GI柴油機本身的優(yōu)勢使得其比XDF有更節(jié)能。但是，XDF輔助系統(tǒng)電力消耗相對比于ME-GI輔助系統(tǒng)（高壓壓縮機及LNG泵等）要小。且XDF的整套FGSS系統(tǒng)安裝簡單，維護方便，維護費用低廉。對于以LNG為燃料的船舶，高壓燃料和天然氣供應(yīng)系統(tǒng)的CAPEX約高15%。對于LNG船，高壓燃料和氣體供應(yīng)系統(tǒng)的CAPEX約高40%。

11、ME-GI與XDF發(fā)展趨勢

ME-GI自投入市場以來，近些年MAN公司一直在推進ME-GI技術(shù)進步。結(jié)合VLEC船舶的發(fā)展，目前市場上出現(xiàn)了以乙烷為燃料的ME-GIE以及液體噴射甲烷MELGIP柴油機和以LPG、甲醇為燃料的ME-LGI。與此同時，MAN公司在2019年5月份宣稱為提供更具CAPEX和OPEX的新的解決方案，其正在開發(fā)低壓概念的ME-GA柴油機并將在2021年末投入市場。這個技術(shù)路線是向WIN GD的XDF方向靠攏。這個事情本身寓意深刻。

WIN GD公司在其XDF更安全更可靠的技術(shù)基礎(chǔ)之上也不斷更新?lián)Q代。據(jù)稱，其XDF 2.0版本新發(fā)動機已經(jīng)在實驗室內(nèi)部開始測試，預(yù)計2021年交付船廠。在其新版本XDF發(fā)動機上，燃氣模式的燃氣消耗率將下降2%（3g/kWh），燃油模式的油耗率下降4%～5%（8g/kWh），同時甲烷排放降低40%～50%。這是個吸引人的變化。

總的來看，低速二沖程柴油機在未來船用發(fā)動機市場上仍然占據(jù)有絕對的主流地位。至于對ME-GI和XDF兩種不同的技術(shù)路線在未來的發(fā)展預(yù)期，不光受技術(shù)本身發(fā)展的影響，同時市場、環(huán)保以等非技術(shù)因素也是不可忽視的條件。