柴油-天然气双燃料发动机是在原柴油机基础上改装的既可以燃用天然气(以少量柴油引燃)又可以用柴油作为单一燃料的一种发动机。天然气的主要成分有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等，其中甲烷占70%~90%，硫化氢及氮气含量微小。天然气的燃点约650C，着火温度较高，以天然气为燃料的发动机在压缩过程中缸内气体温度达不到其自燃点，因此必须依靠电火花引燃，或者先喷入少量柴油(柴油燃点一般为220C)，柴油自燃再引燃天然气。用LNG加柴油混合动力的船舶，可比单独使用柴油动力节约燃料费用25%左右，且其尾气中CO2排放会减少25%，NOx排放减少约85%，SOx近99%，颗粒近98%。

  船用二冲程柴油-天然气双燃料发动机现主要机型有MAN ME-GI和Wartsila2-S DF,两种机型有诸多不同

1工作原理

  MAN ME-GI柴油-天然气双燃料发动机采用缸内高压直喷式，即在发动机压缩冲程末期，从喷油器喷入少量且油量固定的引燃油作为引燃燃料，随后向缸内高压喷入天然气，使天然气依靠微量引燃油着火释放的能量进行燃烧。

  Wartsila 2-S DF柴油-天然气双燃料发动机采用缸内低压喷射式，二冲程双燃料柴油机即在活塞将扫气口关闭之后，以较低压力向缸内喷入天然气，使天然气和空气混合。当活塞运动到上止点附近时向缸内喷射少量引燃油，利用引燃油的着火能量将缸内的天然气和空气的混合气点燃，从而进行燃料的燃烧并完成做功过程。

 图一：MAN ME-GI和Wartsila 2-S DF工作原理图示

  W20DF四冲程机用的是米勒定时(LNG时低负荷延迟进气阀关闭)，更加大大的减少了NOX的排量。

  Low-pressure gas admission燃气的进气压力低，一般是进气压力等于扫气压力加上0.8bar.

  Pilot diesel injection (LFO)通过轻柴油作为引燃油去点燃燃气和空气的混合气体。柴油模式下继续用引燃油的目的是防止引燃油的喷嘴因不完全燃烧或燃油的原因而造成的引燃油喷油器口的堵塞。

      图二：W20DF四冲程机工作原理图示

2、引燃油

1)引燃油来源

  ME-GI双燃料发动机在缸盖上安装了2或3个燃油喷射阀，2个或3个燃气喷射阀。燃油喷射阀的开启和关闭原理与普通ME柴油机相同，纯燃油模式时用作主喷油器，燃气模式时兼做引燃喷油器使用。

  Wartsila 2-S DF除主燃油喷油器外，每缸设有单独的引燃油喷油器，引燃油来自引燃油泵，主要采用“微引燃”和“预燃室”技术。

2)引燃油量

  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，根据燃油质量不同，按油耗率(g/kW.h) 计算，引燃油-般在5~ 8%。 在100%负荷时，引燃油约8 g/kW.h,燃油和柴油都可作为引燃油。ME-GI发动机在30~100%负荷时，需要的引燃油量可以恒定。在20%负荷以下时，燃气模式不能保证稳定运行，此时发动机必须切换到纯燃油模式，所以ME-GI引燃油的功能类似于维持最低发火转速。

  Wartsila 2-S DF发动机在100%功率时引燃油约~ 2g/kW.h, 30%功率时约~8g/kW.h,即最大功率时引燃油最小，约1%左右。Wartsila 2-S DF发动机采用“预燃室”技术，“ 预燃室”空间较小，燃油喷入时，在“预燃室"较小的空间内油气浓度较大，发动机容易着火。所以与ME-GI相比，Wartsila2-S DF的引燃油量较少。引燃油也是高压燃油，所以采用了双壁高压管。

3、燃气压力

  ME-GI是在压缩冲程末端喷入燃气，此时缸内压力很高，所以燃气喷射压力也很大，一般约300bar， 温度约45"C:而Wartsila 2-S DF是压缩冲程中间行程喷入燃气，其时缸内气压不高，所以燃气喷射压力也较低，一般在16bar，温度一般<60"C。

4、双壁管

ME-GI和Wartsila 2-S DF发动机的燃气管都采用双壁式设计，内管输送高压燃气，外管起保护作用，以防止内管破裂时高压燃气喷出。此外，内外管之间机械通风，内外管之间的空间的换气能力约为30次/小时，抽出的气体排放至安全区域。由于采用了抽吸式通风，所以双壁管中间空间的压力低于机舱压力。在通风管末端安装有HC (碳氢)传感器，一旦 探测到燃气泄漏，立刻给出报警信号，同时自动切换至燃油模式运行。

5、惰气系统

  ME-GI的燃气管路上安装了惰气系统。为ME-GI燃气系统，LNG燃料经泵加压和换热器冷却后，再经机舱双壁燃气管到达燃气喷射阀，液压油经气体控制阀作用于燃气喷射阀，气体控制阀的通断控制燃气喷射阀的启闭。在其每个工作循环中，供入每个缸的燃气可通过测量积聚器的压降检测出来。通过这种系统，无论是燃气喷射阀咬死还是燃气阀堵塞，任何非正常的燃气流将会被立刻检测出来，燃气供应将会停止，燃气管线将被惰气清洗，同时发动机切换到纯燃油模式。

6、NOx排放

  高温、富氧和高温持续时问是影响柴油机NOx生成的主要因素。当反应的温度高于2200K时，温度每上升90K,氮氧化物NOX的生成量会翻倍增加。MAN 4T50ME-GI-X性能测试表明，与燃油模式相比，燃气模式下低负荷时NOx减排较小，在75% 负荷左右时NOx减排最显著。E3循环测试下，燃油模式和燃气模式的NOx比排放值分别为15.7g/kW.h和11.9 g/kW.h, NOx减排达24%，满足IMO Tier I1的NOX排放要求。因此，MAN ME-GI必须配备EGR (废气再循环)或SCR (选择性催化还原)系统才能满足Tier II的NOx排放标准。ME-GI属于狄塞尔循环，而2-S DF属于奥托循环。狄塞尔循环中气缸内的最高燃烧温度明显高于奥托循环，高温持续时间也较长，因此当燃烧室氧气浓度相当时，狄塞尔循环中NOX的生成量要高于奥托循环。Wartsila宜称其2-S DF发动机在燃气模式下NOx排放约2g/kW.h,满足Tierlll排放标准。

  因此，从尾气NOx排放方面来说，Wartila2-S DF要优于MANME-GI,这也是ME-GI发动机采用狄塞尔循环而产生的弊端。MAN劣势：依赖后处理系统（如HPSCR），增加复杂度。 瓦锡兰优势：免后处理降低运维成本，特别适合排放控制区（ECA）。

7、CO2排放

发动机尾气中CO2含量主要与进机燃料和发动机负荷相关。MAN 4T50ME-GI X测试表明，与燃油模式相比，不同负荷下燃气模式时CO2减排量基本一致，约为23%。Wartsila 2-S DF燃气模式时尾气中CO2，排放会减少25%。因此，从CO2排放控制方面来说，两机型差别很小。

8、经济性

  狄塞尔循环的热效率随压缩比的增大而增大，ME-GI发动机与ME发动机压缩比相同，缸内平均有效压力几乎不变，因此燃气模式下具有与二冲程柴油机相同的热效率，达到了50%左右。此外，天然气中甲烷值量对ME-GI发动机影响甚小，一般情况下，MAN ME-GI发动机燃气模式时都能100%功率输出。

  由于爆震/预引燃的限制，Wartsila2-S DF发动机最大输出功率较同尺寸柴油机小，在某些情况下，双燃料发动机需要增加1个气缸才能达到同尺寸柴油机的功率。此外，Wartsila2-S DF双燃料发动机的实际输出功率受燃气中甲烷值的多少限制，燃气中甲烷值一般在70~90%之间，所以Wartsila2-S DF的一般工作负荷小于85%CMCR ( 合同最大持续工况或额定最大持续工况)([1]，当燃气中甲烷值太低时，Wartsila 2-S DF发动机控制系统自动调整功率输出值至安全水平。一般而言，Wartsila 2-S DF的热效率约在47%左右。

  因此MAN ME-GI与Wartsila2-S DF相比，热效率要高，经济性要好。但是初始投资角度考虑，瓦锡兰：低压系统结构简单，资本支出低15-20%（无需外部压缩机/后处理系统）。 MAN：高压共轨系统+双壁管设计，设备成本较高。

9、空燃比控制

  由于甲烷与空气混合物的着火延迟时间要长于柴油，甲烷燃烧的火焰传播速度也低于柴油，所以柴油-天然气双燃料发动机易产生爆燃现象。

  Wartsila 2-S DF的工作过程可分为2个阶段，即点燃和燃烧，可导致3种形式的爆燃:柴油爆燃，柴油燃烧后点燃天然气而产生的爆燃和主燃料自燃所产生的不稳定爆燃。实验表明:爆燃取决于负荷和转速、燃烧温度、引燃油与天然气的比例以及缸内紊流情况。为减少爆燃发生，可采取以下途径:(1)适当增加引燃油量，减少天然气量，低负荷运转时效果特别明显;(2)提高转速，加强燃烧室内气流运动，提高火焰传播速度，降低燃气终燃温度，减缓爆震; (3) 选取较大的空燃比，稀释燃气，冷却气缸，阻止爆震。Wartsila2-S DF的空燃比较高，如50DF发动机良好工况时可达2.2。

  按照化学公式计算1立方甲烷完全燃烧需要2立方氧气，氧气含量占空气20%，所以需要空气10立方。定义为空气、燃气比为1.在这种燃烧状态下，柴油机的压缩比需要很小或在低负荷下工作，否则就会产生爆震。为了增加柴油机的压缩比，增加柴油机的效率，增加他的压缩比到13.在高负荷时就会产生爆震，损坏柴油机的部件，所以瓦锡兰用空气和燃气比为21比1.: λ=2.1既能产生大的功率又不会产生爆震。

  ME-GI双燃料发动机的工作循环采用狄塞尔循环，压缩行程只压缩新鲜空气，燃气不参与压缩过程，引燃油压燃后，天然气高压喷入直接燃烧，因此无需空燃比控制，消除了失火和爆燃问题，可采用与柴油机相当的压缩比。由于ME-GI双燃料发动机消除了爆燃问题，因此对燃气没有抗爆性能的要求，发动机对燃气的适应性好，可以使用低甲烷值的燃气，甚至可以使用液态石油气LPG作为燃料。

总结：核心优劣势与选型建议

  选型建议：追求长期燃料经济性与功率密度选MAN；注重合规成本与运维简便性选瓦锡兰。未来零碳船舶需评估双方氨/甲醇发动机进度（MAN计划2024年氨机型，瓦锡兰推进模块化升级）。