在应对限硫令的当下,双燃料低速二冲程主机在市场上的认可度正在逐步提高。目前全球范围内在船用低速二冲程双燃料柴油机领域以MAN公司的ME-GI高压型和WIN G&D公司的XDF低压型为典型代表。
ME-GI和XDF采用两种不同技术路线的双燃料低速二冲程柴油机,由于其工作原理不同导致其特性有明显区别。取决于其各自工作原理,在安全性、机械性能、投资及运维成本等方面这两种机型表现出不同的特点。下面针对其燃烧过程、排放特性、功率输出特性、热效率以及甲烷逃逸等方面进行对比研究,在涉及具体参数特性时两种参考对比机型分别为MAN 6S50ME-C8.2-GI-TII和WN GD 6RT-Flex50-TII。
图1 ME GI和XDF工作原理对比
1、燃烧过程对比
ME-GI和XDF的工作原理——燃烧过程分属两种不同的内燃机循环——狄赛尔循环和奥托循环。
高压ME-GI技术以迪塞尔循环燃烧原理工作(图2左侧),并以燃气不参与气缸内压缩过程和扩散式燃烧为主要特征。在ME-GI的狄赛尔循环中,活塞上行至其上沿封闭扫气口之前为扫气冲程0-1,活塞继续上行至上死点可视为绝热压缩过程1-2,300bar/45℃燃气向气缸内喷射并被点火油点燃后的燃烧过程可以视为定压加热过程2-3,高温燃气推动活塞下行做功过程视为绝热膨胀过程3-4,排气阀打开后扫气箱新鲜空气驱动气缸内废气排入排烟管为排气冲程4-1-0。
低压X-DF技术基于奥托循环燃烧原理工作(图2右侧),并以燃气参与气缸内压缩过程和稀薄燃烧为主要特征。在XDF的奥托循环中,活塞上行至其上沿封闭扫气口之前为扫气冲程0-1,活塞继续上行一定距离后16bar/30℃燃气经过燃气阀喷射阀GAV喷入气缸,混合燃气压缩的过程可视为绝热压缩过程1-2,向气缸内喷射点火油点燃混合气的燃烧过程可视为定容加热过程2-3,高温燃气推动活塞下行做功过程视为绝热膨胀过程3-4,排气阀打开后扫气箱新鲜空气驱动气缸内废气排入排烟管为排气冲程4-1-0。XDF柴油机中燃料和空气以相对较高的空燃比进行预混合和燃烧,可降低NOX排放同时降低燃料消耗。
图2 迪塞尔和奥托循环对比
2、燃气供应系统对比
对于ME-GI供气系统,其300bar/45℃高压燃气可以由LNG经高压泵加压再经高压燃气加热器加热或者由BOG压缩机将货舱内的BOG压缩获得。而双燃料四冲程发电机需要6bar燃气可以由BOG压缩机中间级或者由高压燃气加热器出口减压获得。