MAN Energy Solutions为双燃料发动机甲烷逃逸提供解决方案，持续专注海事能源转型

MAN Energy Solutions为双燃料发动机甲烷逃逸提供解决方案，持续专注海事能源转型

Jonathan Walker，发动机领域自由撰稿人

自上世纪九十年代第一批双燃料（DF）燃气发动机在液化天然气（LNG）运输船运行以来，双燃料发动机已成为该领域的主流之选。LNG运输船一直都是双燃料燃气发动机的重要试验场，而为了履行减少大型船用发动机二氧化碳（CO2）和其他温室气体排放的承诺，双燃料发动机正广泛地被应用于其他船舶，如集装箱船、散货船、渡轮和邮轮等。

形成上述趋势的基础是天然气中甲烷的低碳氢比——甲烷的化学式为CH4，是碳氢化合物中氢和碳的最简单组合，因此也拥有最低的含碳量。与其他化石燃料相比，使用甲烷的中低速船用发动机可减少约25%的CO2排放。得益于温室气体的初步效益，双燃料燃气发动机业已成为海事能源转型的重要起点。在该转型的设想下，大型船用及固定式应用发动机将分阶段实现从使用甲烷到零碳及碳中和合成燃料的转变。其中，双燃料发动机所使用的天然气来源可以是LNG运输船的蒸发气，或者其他类型船舶上液态储存的液化天然气（LNG）形态储存。

然而，若把甲烷当作从化石燃料到新合成燃料转型的首要过渡选择，甲烷应用本身也别具挑战，即如何最大限度地减少甲烷逃逸。MAN Energy Solutions（以下简称“MAN”）执行董事会成员兼首席技术官Gunnar Stiesch博士介绍道：“在发动机技术中，甲烷逃逸指的是发动机中部分未经燃烧的甲烷通过发动机尾气排出的现象。在不采取对策的情况下，甲烷可以通过多种途径从奥托（Otto）循环燃烧进程中运行的二冲程和四冲程燃气发动机内逃逸到大气中。”Stiesch博士指出，“这一问题至关重要，因为甲烷在天然气中的占比通常可达85-95%，而甲烷作为一种强效温室气体，具有显著的全球变暖潜能值。甲烷在20年周期内可捕获的热量是CO2的86倍，而在100年周期内则是约30倍。”

Gunnar Stiesch博士，MAN Energy Solutions执行董事会成员兼首席技术官

因此，尽管MAN现有发动机中的甲烷逃逸量在废气中占比很小，但其带来的温室气体效应却十分显著。进一步来说，逃逸出的甲烷不仅是温室气体的一大来源，更是本应转化为动能却被浪费掉的燃料。

“如此一来，最大限度地减少甲烷逃逸，也将为实现国际海事组织（IMO）的‘初始战略（Initial Strategy）’中所规定的航运业温室气体减排目标作出重大贡献。根据‘初始战略’的要求，与2008年基准相比，国际航运的碳强度到2030年将至少降低40%，到2050年降低70%；与此同时，截至2050年，国际航运的温室气体年排放总量也将较2008年下降至少50%，”Stiesch博士补充道。

在充分意识到只有解决甲烷逃逸问题，才能完全发挥出天然气燃料的经济效益和排放优势后，MAN二冲程和四冲程燃气发动机的设计者和开发人员便一直致力于最大限度地减少其双燃料发动机和火花点火式纯气体燃料发动机的甲烷逃逸现象。在MAN的两类双燃料发动机（二冲程和四冲程）中，基于奥托循环运营的四冲程双燃料发动机则是重中之重。

这样做的逻辑很简单：目前，MAN为航运业提供的大型低速二冲程双燃料发动机的燃烧技术已经可从源头上消除甲烷逃逸，这类发动机亦是大型商船中的主流选择。Stiesch博士解释了其背后的原因：“根据发动机的工作原理，我们的ME-GI二冲程双燃料发动机所采用的高压气体喷射技术，可将甲烷逃逸量控制在0.2-0.3g/kWh之间。发动机以迪塞尔（Diesel）循环原理运行：气体燃料在高压下直接被喷射到热压缩空气中，随后活塞移动至上止点、排气门关闭，最后引燃燃料将被点燃。这样做，确保了极为充分高效的燃烧过程，最大限度地释放热量。换句话说，直接注入的甲烷没有逃逸燃烧并被排出至大气中的途径。”

得益于对其二冲程双燃料系列发动机甲烷逃逸现象的有效解决，MAN能够以“g/kWh”为单位量化甲烷的逃逸情况，并将这种度量水平维持在发动机的负载范围内。就温室气体的整体排放而言，甲烷实现了可忽略不计的近零逃逸。此外，在ME-GI二冲程双燃料发动机的迪塞尔循环中，更高的压缩比和气体直喷技术确保了极低的燃料消耗与CO2排放。与此同时，ME-GI二冲程双燃料发动机也可匹配所有商用级别的LNG燃料，并保持十分稳定地运行。“因此，采用气体直喷技术的MAN ME-GI低速双燃料发动机，是目前唯一能够实现几乎零甲烷逃逸的船用发动机，”Stiesch博士补充道。

再来看中速发动机方面，在无有效对策的情况下，采用奥托循环燃烧原理运行的四冲程双燃料发动机则会为甲烷提供逃逸燃烧并被排放至大气中的路径。故而，自2000年代中期四冲程双燃料发动机推出以来，MAN便一直致力于解决其中的甲烷逃逸问题。“可以指出的是，自MAN 51/60 双燃料发动机上市以来，我们已将未经燃烧的甲烷排放量降低了一半，且该进程仍在持续，研究成果也被应用于我们所有的四冲程双燃料发动机系列上，”Stiesch博士说道。“MAN的所有中速四冲程双燃料发动机都基于奥托循环燃烧原理运行，气体燃料与空气预混合并在压缩前进入气缸。混合气被压缩后，再由引燃油进行‘微引燃’（占两种燃料释放总热量的不到1%）。因此，在气门打开与关闭时，燃料/空气混合物处于全部进气和压缩冲程以及部分做功冲程的气缸之中。”

MAN 51/60双燃料发动机

上述工作流程是由发动机的固有运行特性而决定的，无可避免。为了克服由此带来的影响，MAN希望通过以下三种途径以进一步限制甲烷逃逸。首先，持续改进发动机内部设计和电子控制，进一步提升燃料效率，从而提高燃烧的充分程度，减少甲烷逃逸现象并降低CO2排放；其次，新研发的后处理解决方案——氧化催化剂，有助于减少最多70%的甲烷逃逸量；最后，MAN的工程师们也正在评估将气体直喷技术应用于四冲程双燃料发动机上的可行性，如前文所述，该技术已在二冲程双燃料发动机上得到使用，若最终成行，则有可能进一步减少90%以上的甲烷逃逸量。

在发动机内部设计方面，由MAN设计并正在研究的甲烷逃逸对策包含了所有重要的方面：发动机运行控制、燃烧进程及其控制、发动机基本结构。随着这些对策的成熟，相关措施正被谨慎应用于新的和已有的四冲程双燃料发动机（如49/60、51/60和35/44 DF）以及由售后部门MAN PrimeServ改装的可使用LNG的迪塞尔发动机（如由48/60改装成的51/60 DF）上。

攻关工作的其中一项要点是减少气门重叠并缩短气体注入耗时。“在四冲程发动机的进气冲程期间，进气阀和排气阀同时开启，增压空气或空气/燃料混合物对气缸进行‘扫除’以代替废气，该步骤中出现的气阀重叠无可避免。在奥托发动机燃气运行中，尽量缩短气阀重叠期可减少空气/气体混合物到达排气口的时间，与此同时，严格控制气体燃料从进气口电控阀门进入的时间点和持续时长，可有助于精确限制其在排气罚打开时进入气缸的时间，”Stiesch博士指出。

针对发动机结构，一种成功的方法是减少燃烧室中的余隙容积——发动机内可以存储少量未燃烧气体燃料，但燃烧进程中的火花却无法触及并点燃的空间。活塞的顶部环岸便是这样的例子，该区域指的是活塞头部中活塞环上方的区域。升高活塞环的位置以降低顶部环岸的高度，从而降低余隙容积，提高燃烧效率（衡量燃烧充分程度的公认指标）。 

在另一种先进工艺中，MAN已解决了甲烷转化的优化问题：通过在燃烧过程中使用点火控制并在气缸中加入燃烧压力传感器，以实现气缸压力监控和基于该压力的燃烧控制。在部分负载运转中，停缸技术的优点正得到利用。

“除了减轻甲烷逃逸，对MAN四冲程双燃料发动机燃烧过程所做的这些改进还显著提高了燃油效率，进而降低了CO2排放，”Stiesch博士评论道。“迄今为止，MAN已减少了约3-3.5 g/kWh特定燃料的消耗量，通过微调，有望进一步提升该能力。”

在后处理方面，尽管氧化催化剂因废气温度较低而不适用二冲程发动机，但它仍可作为一项完善的技术，应用于去除四冲程发动机废气中未燃烧的碳氢化合物与一氧化碳。MAN四冲程火花点火式发动机和双燃料发动机的废气温度处于支持甲烷氧化的范围。“我们从2017年着手开发氧化催化剂以应对甲烷逃逸，现今已取得了重大进展，”Stiesch博士证实道，“在实验室中，我们已实现了减少70%甲烷逃逸的目标，并计划于2023年进行首个商业运营船上的试点安装。预计在2025年左右，作为减少甲烷逃逸的商业解决方案，这项技术将被投入市场。”

“如前所述，在过去十年间，我们已经成功将四冲程燃气发动机的甲烷逃逸量减半，我们相信在进一步改进燃烧过程后，至少可以再减量20%。此外，奥托循环气体燃烧的特点是甲烷逃逸和氮氧化物（NOx）排放之间的自然平衡关系。该平衡可将燃烧过程转化为较低的甲烷逃逸和略高的NOx排放，而对于配备选择性催化还原（SCR）催化剂以用于NOx减排的发动机而言，通过SCR，上述排放指数将轻松地二次降低。目前，这一技术已经过充分验证并切实可行。”Stiesch博士说道。

不同型号发动机气态甲烷的排放量对比

最后，目前尚存在一种可能：在MAN四冲程双燃料发动机上应用其 ME-GI二冲程双燃料燃气发动机的气体直喷技术，将它们从奥托循环转为迪塞尔循环。据估算，这样可以进一步减少逾90%的甲烷逃逸。“然而，在现有的发动机结构和燃烧边界条件下，对于四冲程发动机来说，这种方式尚未被视作具有成本竞争力的解决方案，因而MAN的工作重点仍将放在增强奥托循环的燃烧技术上，”Stiesch博士总结道。 

MAN正在进行大量投资，以便为航运业提供所需的可实现有害气体及温室气体低排放的燃气发动机。就Stiesch博士而言，从技术层面转向政策考量，同时作为发动机制造商的坚定代表，他希望随着研发成本的递增能看到一个更稳定的监管框架。“双方的利益相关者——用户和制造商，都希望制定更具体的监管条例，并确保它们在全球范围能够协调融洽地实施。作为一个国际化的行业，航运业在所有国家和地区之间都存在竞争。相关监管条例应当宏伟远大，但同时也要在全球范围内协调统一，以确保公平的竞争环境。国际海事组织需要朝着该方向采取行动。”

关于双燃料发动机技术

二冲程和四冲程双燃料燃气发动机，因其可将化石燃料（天然气）转变为新的合成零碳和净零碳燃料，被首先用于为LNG运输船提供动力。

而最先应用的则是运行奥托循环燃烧过程的四冲程机组，它可驱动发电机组为推进电机和其他消耗设备供电。

双燃料发动机的优势在于，它们可以燃烧货物中蒸发气体，或者可在燃料舱中没有或仅有少量LNG的情况下切换至100%液体燃料运行。