ME-LGIM发动机的实践经验与技术优化
在甲醇动力技术规模化应用的进程中，先行者的实践经验已成为行业的宝贵参考。本文旨在系统梳理Everllence B&W ME-LGIM发动机这一成熟平台近年来遇到的技术挑战及其优化方案，为业界同仁提供切实借鉴。
Everllence B&W ME-LGIM发动机是基于ME-LGI发动机平台开发的双燃料解决方案之一，专为甲醇燃料的液体喷射而设计。与所有气体喷射(GI)、乙烷气体喷射(GIE)及液气喷射(LGI)发动机类似，LGIM发动机同样遵循狄塞尔燃烧原理工作。
自2012年推向市场、2016年在首艘船舶投入运营以来，LGIM发动机已累计服役近10年。在最初的约9年时间中，所有LGIM发动机均采用G50缸径，并主要应用于甲醇运输船。近年来，Everllence陆续接获多种船型LGIM发动机订单，包括汽车运输船(PCTC)、散货船、油船，以及超过100艘采用G80或G95发动机规格的大型集装箱船。本文将重点介绍G50及G95两种规格的LGIM发动机在实际运行中积累的服务经验。
LGIM发动机部件
图1 LGIM发动机部件示意图
图1展示了LGIM发动机的主要部件构成，具体包括：排气阀液压管、高压主燃油管、液压蓄能器、双壁管进口、双壁管出口、液压油管、密封油管、甲醇燃油增压喷射阀(FBIVM)、燃油喷射正时液压控制阀。
为满足国际海事组织(IMO)Tier III排放法规的要求，部分G50-LGIM发动机引入了甲醇-水混合系统，以将NOX排放水平降低至Tier III标准，该类发动机被命名为LGIM-W，采用两种不同的混合装置之一，将水掺混入甲醇或柴油中，后者可生成水乳化柴油。目前，LGIM-W发动机并未纳入我们现有的二冲程发动机产品系列。以下部分详细阐述了G50ME-C LGIM-W发动机在符合Tier III运行中的实际服务经验，以及我们正在推进的相关研发工作。
G50-LGIM-W发动机的运行
1、喷嘴疲劳损伤
由于喷射持续时间的延长，部分G50ME-C-LGIM-W发动机的喷嘴热疲劳负荷有所增加。图2展示了LGIM-W发动机在符合Tier III运行时喷嘴出现疲劳损伤的实例。在该案例中，5个喷嘴在运行期间几乎同时发生了疲劳损伤。
图2 G50-LGIM-W发动机喷嘴出现的疲劳损伤
2、持续的设计与测试措施
为缓解甲醇喷嘴的热疲劳损伤，我们开发了3种试验性设计方案。表1汇总了这些方案中所采用的应对措施及其各自的主要优点和不足之处。
表1 针对降低甲醇喷嘴热负荷的3种试验设计方案
(1)新型喷嘴设计
图3 新型LGIM微型囊式喷嘴设计(蓝色)与旧款设计(绿色)对比示意图
图3中蓝色部分所示的新型喷嘴设计，部分借鉴了已在气体喷射(GI)和液化石油气喷射(LGIP)发动机上成功测试的类似喷嘴结构。该新型喷油器与喷嘴设计的主要技术特点包括：切断轴滑动缩短，有助于减少磨损、卡滞或粘连风险；喷嘴长度缩短，降低了温度梯度与应力幅值；喷嘴孔间距加大(由原设计的3.3毫米增至4.6毫米)。我们已通过有限元法(FEM)计算对该喷嘴设计进行了验证，该设计在实机测试中成功验证后，将申请船级社认可。
(2)带隔热罩的喷嘴
图4 a)加装隔热罩的喷嘴(安装于加大喷嘴孔径的气缸盖内)；b)为应对隔热罩测试中潜在问题而设计的截短型隔热罩
图4a展示了配备隔热罩的喷嘴设计，其气缸盖经改造，扩大了内孔以安装该隔热罩。图4b则为一种“截短”型隔热罩设计，旨在应对测试中可能出现的未曾预见的问题。截至本文撰写时，尚未收到相关问题反馈。
(3)气缸盖保护球结构
图5 (柴油)燃油喷嘴、带隔热罩的甲醇喷嘴及气缸盖上焊接的保护球结构示意图
图5展示了带隔热罩的甲醇喷嘴及气缸盖上焊接的保护球结构。图中亦可见柴油喷嘴的布置。作为设计验证流程的一部分，上述新设计方案已在G50-LGIM和G50-LGIM-W发动机中进行实机测试。现有测试结果将在未来相关文章中讨论。
G50-LGIM 发动机技术
1、切断轴材料
甲醇燃油增压喷射阀(FBIVM)中的切断轴最初采用不锈钢(X90)制造。在燃料运行过程中，切断轴长期处于高温环境，即使暴露时间较短，不锈钢材料性能仍会发生变化。
图6 不锈钢(X90)、工具钢(S85W6Mo)和M390在两种高温环境下材料性能(硬度)随运行时间的变化关系a)550°C环境下的硬度变化；b)500°C环境下的硬度变化；c)高温运行导致的切断轴断裂实例
图6中的曲线分别展示了在550℃和500℃环境下运行不足5小时后不锈钢硬度的下降情况。图6最后一张图片，呈现了高温暴露导致的切断轴断裂实例。为避免不锈钢材料性能发生上述变化，我们已将切断轴材料更换为工具钢(S85W6Mo)。图6数据表明，工具钢在高温下的性能稳定性显著优于不锈钢。然而，选用工具钢作为喷嘴材料需对其切断轴进行表面涂层处理。
图7 a)采用Alcrona涂层的切断轴，目前正在G50-LGIM-W发动机中进行全尺寸测试；b)采用DLC涂层的切断轴，其轴端出现侵蚀现象
在涂层选型研究中，我们测试了当前行业标准的类金刚石碳(DLC)涂层。Alcrona涂层(图7a)正处于实机测试阶段。如图7b所示，采用DLC涂层的喷嘴其切断轴尖端出现了侵蚀现象。在持续推进喷嘴测试的同时，我们已制定计划对新款微型囊式喷嘴开展实机测试。有关G95发动机的测试结果将在后续章节中详细说明。
运行试验和数据分析
1、隔热罩喷嘴的运行测试
配备隔热罩的喷嘴运行测试已在两艘船舶上进行：一艘为2100TEU集装箱船(搭载G50ME C-LGIM发动机)，另一艘为甲醇运输船(搭载G50ME-C-LGIM-W发动机)。截至2025年5月，2100TEU集装箱船参考测试(无隔热罩)与数据分析已完成；隔热罩测试(在发动机以双燃料模式和燃油模式运行时，测量带隔热罩喷嘴的温度)已完成；保护球测试已完成。甲醇运输船参考测试(无隔热罩)已完成；隔热罩测试已完成；保护球测试(取消)；采用Alcrona涂层的切断轴全尺寸测试进行中；新型喷嘴设计测试进行中。
2、隔热罩测试
在G50ME-C-LGIM发动机以双燃料模式和燃油模式运行期间，我们分别采集了喷嘴温度数据。针对每种运行模式，共进行了两组温度测量：一组使用无隔热罩的喷嘴(作为参考)，另一组使用带隔热罩的喷嘴，两组喷嘴均安装在装有仪表的FBIVM上。图10显示了双燃料模式下两组测量中所记录的最高喷嘴温度随发动机负荷(0-75%)变化的情况。1号气缸中的两个FBIVM各设有两个测温点，其位置标识于图8至图11的图例中。
图8 双燃料模式(G50ME-C-LGIM)下，a)无隔热罩喷嘴；b)带隔热罩喷嘴的最高温度(°C)
图9 双燃料模式(G50ME-C-LGIM)中带隔热罩喷嘴相比无隔热罩喷嘴的温度降低值(°C)
图9展示了在双燃料模式下，带隔热罩喷嘴相较于无隔热罩喷嘴所产生的温度降低幅度。
如图9所示，在使用带隔热罩的喷嘴时，喷嘴温度显著下降。我们对以燃油(柴油)模式运行的G50 LGIM发动机也进行了完全相同的测量与计算，结果如图10和图11所示。
图10 燃油(柴油)模式(G50ME-C-LGIM)下，a)无隔热罩喷嘴；b)带隔热罩喷嘴的最高温度(°C)
图11 燃油(柴油)模式(G50ME-C-LGIM)中带隔热罩喷嘴相比无隔热罩喷嘴的温度降低值(°C)
图11显示了燃油模式下带隔热罩保护的喷嘴所产生的温度降幅。
与无隔热罩的参考喷嘴相比，带隔热罩喷嘴的最高温度降低了约100°C。
我们还对同时配备隔热罩喷嘴与带保护球气缸盖的方案进行了测试，但该方案并未带来进一步的温度下降。因此，保护球将不会作为LGIM发动机的标准配置推出。
3、运行测试结果
在G50-LGIM发动机上开展的运行测试表明，所采用的改进措施与设计方案成功保障了发动机的稳定运行，这主要得益于以下设计与材料特性的优化：喷嘴材料(钨)；喷嘴隔热罩(镍铬合金)；切断轴材料(工具钢
G95-LGIM 发动机技术
以下将介绍我们G95-LGIM发动机技术最新更新、实际服务经验及后续发展。
1、高压液压管路排气点的更新
图12 FBIVM高压液压管路中测得的压力峰值(绿色部分)
在用于驱动FBIVM的高压液压管路中，曾观测到极高的压力峰值。短期内，此类压力峰易导致高压管路损坏，并可能引起发动机启动故障。图12展示了高压液压管路中的压力测量结果，其中绿色标记段为观测到的压力峰值。
图13 新旧高压液压管路设计对比，图中标注为排气点
为解决压力峰值问题，我们已将排气点重新布置至高压管路的最高位置，并对管路结构进行了优化。图13对比了新旧高压液压管路的设计，图中明确标出了排气点的位置。
将排气点迁移至管路最高处后，压力峰值问题已得到解决。此项高压管路新设计已在所有G95发动机投入运行前完成更新。
2、采用顺序甲醇填充的燃料
切换改进在发动机从柴油切换至甲醇运行的过程中，曾出现敲击声。该现象是由于FBIVM腔室内积聚的氮气形成“气弹簧”效应所致。为缓解切换过程中的敲击及可能引发的燃烧不稳定问题，现通过逐缸顺序向各FBIVM腔室填充甲醇的方式予以解决。高容量低压供应(LPS)泵可确保甲醇填充过程中FBIVM柱塞处于底部位置，从而避免残留氮气产生气弹簧作用。整个甲醇填充顺序由控制系统软件实现。
图14 高容量低压甲醇供应泵的初始安装示意图
图15 FBIVM顺序填充流程示意图
图14展示了高容量LPS泵的初始安装布置，图15则反映了FBIVM顺序填充的工作过程。
目前，所有在生产及在役的G95-LGIM发动机均配备了高容量LPS泵。自引入顺序甲醇填充控制软件后，燃料切换过程中曾出现的问题已得到彻底解决。
3、带隔离片的连接件重新设计
甲醇经由气体分配块、气缸盖内的“喷枪”、连接件及套筒，最终输送至FBIVM。
图16 甲醇经由气体分配块、喷枪、连接件、套筒及气缸盖内FBIVM的供应路径，图中同时显示了泄压阀(BOV)的位置
图17 连接件螺栓断裂情况(图中未显示螺栓)
在实际运行中发现，连接件中的M12螺栓(图16和图17)发生断裂，导致甲醇泄漏及双燃料系统停止。
图18 连接件设计对比：a)原设计(无隔离片) b)新设计(带隔离片)
为降低螺栓所受动态载荷，我们重新设计了连接件，在其中增加了隔离片，具体如图18所示。
自采用带隔离片的新设计以来，未再发生螺栓断裂案例。
4、提高关闭压力的泄压阀升级
图19 气体分配块上的泄压阀(BOV)
气体分配块上装有一个由电磁控制的液压方向泄压阀(BOV)，其位置参见图16与图19。该阀门在系统泄压操作期间启动。
图20 G95ME-C10.5-LGIM发动机泄压阀阀芯的冲蚀损伤
在G95ME-C10.5-LGIM发动机中，发现BOV阀芯存在因空蚀和冲蚀导致损坏的案例。损坏致使甲醇泄漏至甲醇回流管，并引发氮气过度吹扫，最终触发报警并导致双燃料系统停机。图20展示了某台G95ME-C10.5-LGIM发动机因冲蚀损坏的BOV阀芯。
尽管结构设计高度相似，但同等问题在G50ME-LGIM发动机中并未表现出相同程度的影响。截至本文撰写时，仍需积累更多运行时间以得出最终结论。
5、G95-LGIM喷嘴运行测试
(1)带隔热罩的FBIVM喷嘴
图21 用于G95-LGIM发动机的带隔热罩FBIVM喷嘴
由于甲醇燃烧特性(雾化时间延长、高吸热量)导致FBIVM喷嘴热负荷增加，现采用隔热罩以降低其热负荷。图21展示了配备镍铬合金隔热罩的G95-LGIM喷嘴。如G50发动机部分所述，隔热罩可显著降低FBIVM喷嘴温度，降温幅度约100°C。该隔热罩设计目前已作为所有LGIM发动机的标准配置。
(2)新款微型囊式喷嘴设计
图22 a)标准滑动式燃油喷嘴；b)微型囊式喷嘴设计
图23 正在进行微型气囊燃油阀测试的13000TEU集装箱船/达飞官网
为降低FBIVM喷嘴喷孔处的应力，我们开发了一种新型喷嘴试验设计。该设计借鉴了GI发动机的设计，采用独立供油孔与喷孔分离的方式，从而有效降低应力水平。图22对比了标准滑动式燃油喷嘴与微型囊式喷嘴设计。
G95-LGIM微型囊式燃油阀已安装于一艘13000TEU集装箱船(图23)进行运行测试，该船为新系列中首艘采用G95-LGIM发动机的船舶。
图24 微型囊式设计详图
图24展示了正在测试的微型囊式设计的具体细节。
图25 柴油运行683小时后对微型囊式阀的首次检查显示，喷嘴与切断轴状态良好
图25为微型囊式阀的首次检查结果。此次检查前，发动机始终以柴油模式运行。经683小时柴油运行后对微型囊式阀的首次检查表明，喷嘴及切断轴均处于良好状态。后续仍需开展进一步检验。
(3)增加密封长度的滑动式喷嘴/切断轴
图26 G95-LGIM发动机滑动式甲醇燃油阀切断轴尖端侵蚀
如图26所示，在G95-LGIM发动机滑动式甲醇喷嘴的切断轴尖端观察到侵蚀现象。
图27 推测侵蚀成因——柴油运行时燃烧气体侵入甲醇滑动式喷嘴
推测该侵蚀成因是在柴油运行模式下，燃烧气体侵入滑动式喷嘴内部所致，机理如图27所示。
图28 甲醇滑动式喷嘴密封长度对比：a)标准密封长度0.8mm b)加长密封长度试验设计1.2mm
图28展示了密封长度加长的滑动式甲醇喷嘴及切断轴的试验设计。截至本文撰写时，该设计尚待开展实船运行测试。
近10年前，LGIM技术首次应用于甲醇运输船推进系统。近年来，我们陆续接获了其他船型及更大规格的LGIM发动机订单。本文概述了截至目前该型发动机在服役过程中出现的部分问题及相关解决措施。未来数月乃至数年内，随着更多发动机及新机型投入运营，我们将持续对相关表现进行跟踪与优化。