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        WinGD船用低速發(fā)動機的技術(shù)發(fā)展

        2017-06-06 21:57:36鄧健星
        廣東造船 2017年2期

        鄧健星

        (玉柴船舶動力股份有限公司,珠海 519100)

        摘 要:在船舶、航運業(yè),WinGD(原瓦錫蘭)船用低速發(fā)動機一直引領(lǐng)著技術(shù)發(fā)展的方向。隨著航運市場的發(fā)展,WinGD對于現(xiàn)有的電控發(fā)動機進行了大量的設(shè)計改進。本文介紹了WinGD設(shè)計的最新進展,并對未來發(fā)展進行了展望。

        關(guān)鍵詞:WinGD;電控發(fā)動機;雙燃料

        中圖分類號:U664.12 文獻標(biāo)識碼:A

        1 引言

        船用發(fā)動機是船舶的心臟,船舶發(fā)展離不開船用發(fā)動機的技術(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,船東要求柴油機燃油經(jīng)濟性和可靠性越來越高。國際海事組織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)濟性、適應(yīng)新的排放要求、提高可靠性和操作的靈活性,實現(xiàn)適時調(diào)節(jié),船用低速發(fā)動機公司在電子技術(shù)、自動控制、后處理等方面不斷創(chuàng)新,以適應(yīng)船舶市場的需求。本文主要介紹WinGD(原瓦錫蘭)船用低速發(fā)動機的技術(shù)演變及最新的技術(shù)發(fā)展。

        2 WinGD柴油機機型及其技術(shù)演變

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

        2.1 傳統(tǒng)的RTA機械凸輪式發(fā)動機

        由調(diào)速器控制噴油量、凸輪控制進排氣正時,當(dāng)發(fā)動機的工況、外部環(huán)境等發(fā)生變化時,會導(dǎo)致參數(shù)偏離設(shè)計最佳值,從而影響其穩(wěn)定性與經(jīng)濟性。

        2.2 RT-flex電控發(fā)動機

        在RTA基礎(chǔ)上進行改進,取消凸輪軸設(shè)計,采用高壓共軌技術(shù)與智能控制系統(tǒng),能有效實現(xiàn)發(fā)動機在各種工況下的性能最優(yōu)化,提高經(jīng)濟性、可靠性,延長主機壽命。圖2為WinGD RTA和RT-flex發(fā)動機的簡要對比。

        WECS/UNIC系統(tǒng)采用實時監(jiān)控,分析實際運行狀況并給出指令,相比凸輪機械控制的發(fā)動機,能明顯降低油耗;再加上新型高效增壓器的應(yīng)用,主機的節(jié)能減排效果更加明顯。圖3為WinGD(缸徑為580 mm)的各種機型油耗對比。

        此外,主機采用四種不同的調(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)船舶運行工況選用最佳調(diào)校模式。

        各種不同調(diào)校下的油耗對比,如圖4所示。

        2.3 RTX3發(fā)動機

        (1)W-X電控發(fā)動機

        W-X電控發(fā)動機是在RT-flex機型基礎(chǔ)上研發(fā)的新一代低速發(fā)動機,其所需的船艙空間更小,轉(zhuǎn)速功率點范圍更大。W-X系列發(fā)動機的沖程特別長,采用更大直徑的螺旋槳以匹配較低轉(zhuǎn)速的發(fā)動機,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)動機升級燃油噴射控制系統(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)此決定何時噴油及何時開閉排氣閥。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,W-X機型取消了角度編碼器,方便軸帶發(fā)電機的安裝。船上失電導(dǎo)致曲軸角度丟失時,UNIC系統(tǒng)自動學(xué)習(xí)程序可確保主機起動時得到曲軸角度。

        (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,同時可以顯著降低碳氫化合物的排放。

        (3)智能燃燒控制

        在船舶實際運行中,由于環(huán)境/油品的改變,導(dǎo)致發(fā)動機運行工況偏離設(shè)計數(shù)據(jù)。智能燃燒控制系統(tǒng),通過對船舶運行參數(shù)和試車提交數(shù)據(jù)進行對比,自動調(diào)節(jié)主機燃燒工況,確保主機按照設(shè)計數(shù)據(jù)運行。此外,智能燃燒控制技術(shù)還能降低燃燒壓差值,確保主機運行穩(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,從而降低主機維保費。

        (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,由主機控制系統(tǒng)直接控制噴油正時,不僅杜絕了ICU的漏油問題,還簡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)器進行催化還原反應(yīng)。為保證CSR過程的正常進行,煙氣以及觸媒的溫度需保持在一定的范圍內(nèi)。對于低速二沖程發(fā)動機,SCR裝置可安裝在發(fā)動機的排煙集氣管和增壓器之間,以便煙氣溫度達到反應(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)動機燃燒高硫份燃油時硫酸銨的生成問題。經(jīng)實船驗證,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)

        作為一種單獨的措施,它具有足夠的潛能達到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前與新鮮空氣混合(低壓形式);另一種是在透平和壓氣機之后再循環(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,已在試驗機上驗證,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)域不斷擴大,發(fā)動機設(shè)計公司通過各種方法試圖降低主機的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)動機(如圖5),既可燃燒MDO和HFO,也可在整個負(fù)荷范圍內(nèi)燃燒低壓天然氣(LNG)。天然氣燃料存儲罐處于低溫常壓狀態(tài),燃料經(jīng)過處理系統(tǒng)氣化后進入主機。低壓(約8bar)氣體能降低整個管路系統(tǒng)產(chǎn)生氣體逃逸或者管路損壞的風(fēng)險。

        WinGD雙燃料發(fā)動機相比普通發(fā)動機,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1%油量的少量點火油,實現(xiàn)了極佳的點火穩(wěn)定性;氣缸套上增加燃氣噴射閥,通過控制燃氣噴射閥的開啟程度和時間控制進氣量。使用天然氣運行時,燃氣噴射閥向缸內(nèi)噴射燃氣,活塞上行壓縮至上止點前引燃噴油器噴油進預(yù)燃室,引燃油燃燒后再點燃缸套內(nèi)的燃氣。

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

        對于已投入運營的船舶發(fā)動機,可大概根據(jù)表2的方案進行改造,從而滿足嚴(yán)格的Tier Ⅲ排放要求,自由進出ECA排放控制區(qū)域。

        (4)動態(tài)燃燒控制技術(shù)(DCC)

        動態(tài)燃燒控制技術(shù)是雙燃料發(fā)動機特定的控制技術(shù),確保爆發(fā)壓力在安全范圍內(nèi),從而保證雙燃料發(fā)動機在燃氣低熱值和惡劣海況的情況下正常運行100%負(fù)荷。如圖7所示,雙燃料發(fā)動機在爆發(fā)壓力超過限制值時,自動激活 “動態(tài)燃燒控制技術(shù)”,也就是使用主噴油器噴射多點燃油和調(diào)整噴油定時,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)動機的技術(shù)創(chuàng)新,其在燃油消耗與運行穩(wěn)定性上的不斷改進,引領(lǐng)著未來船舶發(fā)動機電控技術(shù)的發(fā)展方向。雙燃料發(fā)動機的開發(fā),使得發(fā)動機可以應(yīng)對日益苛刻的排放要求,滿足市場對于綠色動力的需求。

        參考文獻

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        [4] W?RTSIL?二沖程集萃,2012.

        [5] W?RTSIL? Company. WINGD 2-STROKE GAS,2013.

        [6] WinGD Technical Circular 7423.

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