WinGD船用低速發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展

鄧健星

（玉柴船舶動(dòng)力股份有限公司，珠海 519100）

摘 要：在船舶、航運(yùn)業(yè)，WinGD（原瓦錫蘭）船用低速發(fā)動(dòng)機(jī)一直引領(lǐng)著技術(shù)發(fā)展的方向。隨著航運(yùn)市場(chǎng)的發(fā)展，WinGD對(duì)于現(xiàn)有的電控發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了大量的設(shè)計(jì)改進(jìn)。本文介紹了WinGD設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展，并對(duì)未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：WinGD；電控發(fā)動(dòng)機(jī)；雙燃料

中圖分類號(hào)：U664.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

船用發(fā)動(dòng)機(jī)是船舶的心臟，船舶發(fā)展離不開船用發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新。近年來，全球溫室效應(yīng)越來越嚴(yán)重，而且石油資源越來越緊缺，船東要求柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和可靠性越來越高。國(guó)際海事組織IMO頒發(fā)越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)，IMO Tier Ⅱ已在2011年1月1日開始實(shí)施，要求NOx排放量要比Tier Ⅰ減少20%，更嚴(yán)格的Tier Ⅲ也在2016年ECA區(qū)域?qū)嵤?/p>

為了提高燃油經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)新的排放要求、提高可靠性和操作的靈活性，實(shí)現(xiàn)適時(shí)調(diào)節(jié)，船用低速發(fā)動(dòng)機(jī)公司在電子技術(shù)、自動(dòng)控制、后處理等方面不斷創(chuàng)新，以適應(yīng)船舶市場(chǎng)的需求。本文主要介紹WinGD（原瓦錫蘭）船用低速發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)演變及最新的技術(shù)發(fā)展。

2 WinGD柴油機(jī)機(jī)型及其技術(shù)演變

WinGD發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品發(fā)展，經(jīng)歷了傳統(tǒng)的RTA機(jī)械凸輪式發(fā)動(dòng)機(jī)/RT-flex電控發(fā)動(dòng)機(jī)/W-X型電控發(fā)動(dòng)機(jī)以及滿足Tier III排放要求的發(fā)動(dòng)機(jī)，包括新推出的雙燃料低速機(jī)，如圖1所示。其中：第一代電控發(fā)動(dòng)機(jī)RTX-1為電子控制噴油單元、機(jī)械控制排氣閥單元；第二代電控發(fā)動(dòng)機(jī)RTX-2為電子控制噴油單元和排氣閥單元；第三代電控發(fā)動(dòng)機(jī)RTX-3為全電子控制共軌技術(shù)，可獨(dú)立控制每個(gè)噴油器。

2.1 傳統(tǒng)的RTA機(jī)械凸輪式發(fā)動(dòng)機(jī)

由調(diào)速器控制噴油量、凸輪控制進(jìn)排氣正時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況、外部環(huán)境等發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致參數(shù)偏離設(shè)計(jì)最佳值，從而影響其穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性。

2.2 RT-flex電控發(fā)動(dòng)機(jī)

在RTA基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，取消凸輪軸設(shè)計(jì)，采用高壓共軌技術(shù)與智能控制系統(tǒng)，能有效實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下的性能最優(yōu)化，提高經(jīng)濟(jì)性、可靠性，延長(zhǎng)主機(jī)壽命。圖2為WinGD RTA和RT-flex發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)要對(duì)比。

WECS/UNIC系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)監(jiān)控，分析實(shí)際運(yùn)行狀況并給出指令，相比凸輪機(jī)械控制的發(fā)動(dòng)機(jī)，能明顯降低油耗；再加上新型高效增壓器的應(yīng)用，主機(jī)的節(jié)能減排效果更加明顯。圖3為WinGD（缸徑為580 mm）的各種機(jī)型油耗對(duì)比。

此外，主機(jī)采用四種不同的調(diào)校模式（表1），在各自功率范圍內(nèi)優(yōu)化燃油消耗率，船東可根據(jù)船舶運(yùn)行工況選用最佳調(diào)校模式。

各種不同調(diào)校下的油耗對(duì)比，如圖4所示。

2.3 RTX3發(fā)動(dòng)機(jī)

（1）W-X電控發(fā)動(dòng)機(jī)

W-X電控發(fā)動(dòng)機(jī)是在RT-flex機(jī)型基礎(chǔ)上研發(fā)的新一代低速發(fā)動(dòng)機(jī)，其所需的船艙空間更小，轉(zhuǎn)速功率點(diǎn)范圍更大。W-X系列發(fā)動(dòng)機(jī)的沖程特別長(zhǎng)，采用更大直徑的螺旋槳以匹配較低轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)，可以有效的降低燃油消耗率，優(yōu)化船舶EEDI指數(shù)。

W-X系列發(fā)動(dòng)機(jī)升級(jí)燃油噴射控制系統(tǒng)，由原來的ICU噴射控制單元+噴油器改為高集成的噴油器，通過燃油壓力和噴射時(shí)間控制噴油噴射量，控制系統(tǒng)由WECS-9520改為UNIC控制系統(tǒng)。曲軸轉(zhuǎn)角傳感器系統(tǒng)將曲軸位置及轉(zhuǎn)速信息輸送到UNIC控制系統(tǒng)，后者據(jù)此決定何時(shí)噴油及何時(shí)開閉排氣閥。UNIC控制系統(tǒng)可與船上的控制系統(tǒng)直接相連，并可完全集成到WinGD的成套推進(jìn)系統(tǒng)（PROPAC）中。

由于越來越多的船東傾向于采用軸帶發(fā)電機(jī)，W-X機(jī)型取消了角度編碼器，方便軸帶發(fā)電機(jī)的安裝。船上失電導(dǎo)致曲軸角度丟失時(shí)，UNIC系統(tǒng)自動(dòng)學(xué)習(xí)程序可確保主機(jī)起動(dòng)時(shí)得到曲軸角度。

（2）FAST油嘴技術(shù)

標(biāo)準(zhǔn)油嘴由于針閥與噴射口之間有一段距離，噴射結(jié)束后會(huì)有部分燃油殘留在空腔中，既影響燃油霧化效果也導(dǎo)致結(jié)垢與污染。

FAST油嘴延長(zhǎng)針閥至油嘴頂部，大大減少了空腔容積，霧化效果好，沒有剩余油滴，可減少油耗，也減少了燃燒腔室的污染和排氣系統(tǒng)的結(jié)垢，同時(shí)可以顯著降低碳?xì)浠衔锏呐欧拧?/p>

（3）智能燃燒控制

在船舶實(shí)際運(yùn)行中，由于環(huán)境/油品的改變，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況偏離設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。智能燃燒控制系統(tǒng)，通過對(duì)船舶運(yùn)行參數(shù)和試車提交數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)調(diào)節(jié)主機(jī)燃燒工況，確保主機(jī)按照設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)運(yùn)行。此外，智能燃燒控制技術(shù)還能降低燃燒壓差值，確保主機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。由于燃燒工況的穩(wěn)定，智能燃燒控制系統(tǒng)還可以有效改善燃燒室各部件的磨損和過載，從而降低主機(jī)維保費(fèi)。

（4）高集成的噴油器

噴油器由噴射控制單元（ICU）控制，而ICU的維保和拆檢比較麻煩，經(jīng)常會(huì)因密封圈的損壞導(dǎo)致漏油。新型的集成電磁閥控制噴油器，由主機(jī)控制系統(tǒng)直接控制噴油正時(shí)，不僅杜絕了ICU的漏油問題，還簡(jiǎn)化了安裝和維修保養(yǎng)。

3 滿足Tier Ⅲ排放要求的技術(shù)

（1）選擇性催化還原技術(shù)（SCR）

尿素溶液噴射到排煙的氣流中，與煙氣混合后經(jīng)過觸媒反應(yīng)器進(jìn)行催化還原反應(yīng)。為保證CSR過程的正常進(jìn)行，煙氣以及觸媒的溫度需保持在一定的范圍內(nèi)。對(duì)于低速二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，SCR裝置可安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的排煙集氣管和增壓器之間，以便煙氣溫度達(dá)到反應(yīng)所需的最低溫度，并避免副產(chǎn)品的生成堵塞反應(yīng)器，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒高硫份燃油時(shí)硫酸銨的生成問題。經(jīng)實(shí)船驗(yàn)證，裝有SCR的船舶，其NOx排放低于2g/kWh，滿足Tier Ⅲ排放要求。

（2）廢氣再循環(huán)技術(shù)（ECR）

作為一種單獨(dú)的措施，它具有足夠的潛能達(dá)到IMO Tier Ⅲ排放要求。EGR有兩種形式：一種是少部分的廢氣在增壓器壓氣機(jī)前與新鮮空氣混合（低壓形式）；另一種是在透平和壓氣機(jī)之后再循環(huán)（高壓形式）。兩種情況下，再次循環(huán)的廢氣需要清潔、冷卻和壓縮，已在試驗(yàn)機(jī)上驗(yàn)證，可滿足IMO Tier Ⅲ排放要求。

（3）雙燃料技術(shù)（DF）

隨著IMO Tier III區(qū)域不斷擴(kuò)大，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)公司通過各種方法試圖降低主機(jī)的NOx/SOX排放值，如燃油乳化、排氣后處理、加濕技術(shù)、廢氣再循環(huán)等，目前看來，采用天然氣燃料是一種更有效的方法。

WinGD開發(fā)的RT-flex50DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)（如圖5），既可燃燒MDO和HFO，也可在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)燃燒低壓天然氣（LNG）。天然氣燃料存儲(chǔ)罐處于低溫常壓狀態(tài)，燃料經(jīng)過處理系統(tǒng)氣化后進(jìn)入主機(jī)。低壓（約8bar）氣體能降低整個(gè)管路系統(tǒng)產(chǎn)生氣體逃逸或者管路損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

WinGD雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)相比普通發(fā)動(dòng)機(jī)，在氣缸蓋上增加引燃噴油器和引燃室，采用“預(yù)燃室微引燃”技術(shù)，利用約為滿負(fù)荷時(shí)1%油量的少量點(diǎn)火油，實(shí)現(xiàn)了極佳的點(diǎn)火穩(wěn)定性；氣缸套上增加燃?xì)鈬娚溟y，通過控制燃?xì)鈬娚溟y的開啟程度和時(shí)間控制進(jìn)氣量。使用天然氣運(yùn)行時(shí)，燃?xì)鈬娚溟y向缸內(nèi)噴射燃?xì)?，活塞上行壓縮至上止點(diǎn)前引燃噴油器噴油進(jìn)預(yù)燃室，引燃油燃燒后再點(diǎn)燃缸套內(nèi)的燃?xì)狻?/p>

由于主機(jī)采用Otto循環(huán)，燃燒溫度較低，可大幅減少NOx排放。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用天然氣燃料的WinGD發(fā)動(dòng)機(jī)可降低約20%的二氧化碳排放量、約85%的NOx排放量、SOx和PM幾近為零，并且天然氣燃料價(jià)格相對(duì)便宜，更加容易被船東接受。圖6為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制原理圖。

對(duì)于已投入運(yùn)營(yíng)的船舶發(fā)動(dòng)機(jī)，可大概根據(jù)表2的方案進(jìn)行改造，從而滿足嚴(yán)格的Tier Ⅲ排放要求，自由進(jìn)出ECA排放控制區(qū)域。

（4）動(dòng)態(tài)燃燒控制技術(shù)（DCC）

動(dòng)態(tài)燃燒控制技術(shù)是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)特定的控制技術(shù)，確保爆發(fā)壓力在安全范圍內(nèi)，從而保證雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)獾蜔嶂岛蛺毫雍r的情況下正常運(yùn)行100%負(fù)荷。如圖7所示，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在爆發(fā)壓力超過限制值時(shí)，自動(dòng)激活 “動(dòng)態(tài)燃燒控制技術(shù)”，也就是使用主噴油器噴射多點(diǎn)燃油和調(diào)整噴油定時(shí)，提高廢氣溫度和增壓器效率，從而提高掃氣壓力及增加掃氣量，最終提高燃燒質(zhì)量，減少爆燃現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

隨著WinGD船用低速發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)創(chuàng)新，其在燃油消耗與運(yùn)行穩(wěn)定性上的不斷改進(jìn)，引領(lǐng)著未來船舶發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展方向。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)可以應(yīng)對(duì)日益苛刻的排放要求，滿足市場(chǎng)對(duì)于綠色動(dòng)力的需求。

參考文獻(xiàn)

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