船用二沖程低速機技術進展與船用發動機油評定

黃勝軍,趙璽,翟月奎

(中國石油大連潤滑油研究開發中心,遼寧大連 116032)

船用二沖程低速機技術進展與船用發動機油評定

黃勝軍,趙璽,翟月奎

(中國石油大連潤滑油研究開發中心,遼寧大連 116032)

介紹了國內外船用低速二沖程發動機的現狀、發展趨勢,Wartsila和MAN B&W公司船機的最新技術以及美孚、道達爾、殼牌石油等國外油公司評定船用發動機油的試驗臺架。強調船用發動機油的開發要與船用發動機技術的發展緊密結合,通過與船用發動機制造商(OEM)的合作取得相關油品認證對于油品公司具有重要意義。

低速機;二沖程;發動機;船用油;評定;臺架

Abstract:The present status and deve lopm ent trend of low speed tw o-stroke m arine engines in China and abroad are introduced.The latest technology of the W artsila and MAN B&W m arine engines and the test benches for evaluating m arine engine o il by overseas petroleum corpo rat ions,such as Exxon M obil,Total,Shell are described.It is emphasized that the developm ent ofm arine engine oil should be in close connection w ith the developm ent ofm arine engine technology.It is significant for o il company to cooperate w ith m arine engine m anufacturers(O EM)to obtain the oilp roducts certification.

Key words: low speed engine;two-stroke;engine;m arine engine oil;evaluation;test bench

0 引言

船用二沖程十字頭低速機具有單機功率大、發動機效率高及可燃燒劣質渣油等優點,擁有直接、可靠的動力輸出,運行和維護成本低,不論是現在還是將來,都是遠洋貨運船的最佳動力輸出機組。

近年來,船用發動機技術進入快速發展期,船舶發動機技術在向大缸徑、長沖程、大功率、低能耗和低排放等方向發展。由于氣缸行程缸徑比增大,注油量降低,潤滑油在高溫區的停留時間延長,要求潤滑油具有更好的熱氧化安定性和更高的酸中和能力、擴散速度及優異的抗磨性能;隨著現代煉油工藝的不斷發展,催化裂化技術廣泛應用可能使船用渣油中的催化劑殘留量提高,燃料油灰分和稠環芳烴含量增加,結果導致十字頭低速機必須使用高溫清凈性及抗磨性更好的船用氣缸油;現代船機應用了大量新材料及新工藝也要求有更加適用的潤滑油產品。船用潤滑油的研發要與發動機的技術進步緊密結合,加強與船用發動機制造商(OEM)的合作顯得尤為重要。

1 船用低速機的現狀及發展

全球船用低速機產品市場主要被MAN B&W公司、Wartsila公司以及日本三菱重工所壟斷。MAN B&W和 Wartsila公司的缸徑 260～1080 mm,功率1600～97300 kW的低速柴油機產品分別占世界份額的 57%和 33%,日本三菱重工的份額近 10%,主要裝備在本國船舶上[1]。

目前,船用低速機的發展趨勢是:

(1)單機、單缸功率越來越大。MAN B&W公司已推出缸徑為 1080 mm、單機最大功率可達 9.8× 104kW的柴油機,該公司 K98MC機的最大單缸功率為5719 kW。

(2)油耗、NOx排放和煙度不斷降低。

(3)產品性能不斷提高,平均有效壓力已達1.90～1.95 MPa(19.0～19.5 bar),最高燃燒壓力為15.0～15.59 MPa(150～155.9 bar)。

(4)采用先進的電子液壓控制系統、高壓共軌燃油噴射系統等,低速二沖程柴油發動機的可靠性和操作簡便性進一步提高。目前,MAN B&W公司、Wartsila公司分別推出了電子控制的ME型機以及RT-flex智能型機。

(5)燃料多樣化。為降低成本,增大動力,大功率的二沖程低速機正由燃用柴油轉向重油,燃用重油的主機需求量大幅增加。

MAN B&W公司和Wartsila公司均是采取技術外包方式,與世界許多國家和地區的發動機生產商簽訂技術許可證,生產MAN B&W和Wartsila發動機。目前,MAN B&W主機有80%在中國生產,Wartsila主機有 30%也在中國生產。大連船用柴油機廠(DMD)、滬東重機股份有限公司(HHM)和宜昌船舶柴油機廠(Y MD)承擔了大批MAN B&W和Wartsila發動機訂單,不僅滿足了我國國內造船廠的需求,還大量遠銷海外。

2 國外船機主要產品及其技術

2.1 Wartsila-Sulzer低速機

Wartsila-Sulzer RTA系列低速柴油機已經經歷了 20多年的發展,成為一個能夠適應現代船舶設計的最可靠的發動機系列。RTA系列低速機可以適用于各種貨船的需求,功率覆蓋 5100～80080 kW (7000～109000 bhp)。

RTA發動機的設計理念是:簡單,可靠,緊湊,輕質。自從 1982年應用以來,此系列發動機不斷地進行更新升級。RTA系列發動機主要技術特點有:

(1)使用鎳鉻合金排氣門,提高壽命。

(2)閥控噴射泵精確控制噴射定時,并且穩定可靠。

(3)所有的缸套、燃燒室部件經受低溫、拉壓應力,以延長壽命。

(4)使用可變噴射定時以達到部分負荷下優越的燃料消耗。

(5)凸輪軸由齒輪傳動保證定時的長期穩定。

(6)采用多級氣缸潤滑以達到最佳的機油分布。

Wartsila引進了“TriboPack”技術,它將使 RTA發動機大修間隔時間大大延長,以及較低的氣缸油供給率。“TriboPack”的主要特點有(見圖 1):

(1)深度研磨出理想的氣缸套跑合面。

(2)在缸套頂部加裝抗拋光環,以清除頂環臺積炭。

(3)缸套表面保證適當的溫度分布。

(4)最佳的氣缸潤滑油供給和分配。

(5)頂環采用陶瓷鍍鉻預處理。

(6)有效的去除掃氣冷卻器中攜帶的水分。

圖 1 Wartsila-Sulzer低速柴油機氣缸技術

Wartsila-Sulzer目前在進行向 RTA系列發動機引入共軌技術,即 RT-flex系列。它使得排放大大降低,部分負載時燃料消耗下降,采用全電子控制使得操作更加簡單,采用了液壓驅動的排氣閥等等。這些改變使 RT-flex系列發動機具備了頂級性能。Wartsila低速機采用了新的氣缸潤滑系統——脈沖潤滑系統,該系統可以在不影響活塞運行可靠性的情況下,改善氣缸油在缸套上的分布,減少潤滑油耗,降低發動機運行成本。這一目的是通過使用非常靈活、精確的供油正時來實現。

Wartsila RT-flex燃油共軌技術的主要特點有:

(1)能夠精確控制噴油量。

(2)可變的噴油速率以及自由的噴油壓力調節。

(3)可獨立控制噴射閥的開閉。

(4)通過對燃油量的精確控制使每個氣缸達到完美的平衡,通過精確的噴射定時控制,使每個氣缸的熱負荷相同。

2.2 MAN B&W低速機

2.2.1 MC/MC-C系列

MAN B&W MC系列柴油機自 1982年研制成功并投入運行,至今有 20余年。低速大功率柴油機通過不斷提高爆發壓力、平均有效壓力和提高行程缸徑比以增加功率的輸出是其設計發展的主要趨勢,見圖2。

圖2 MAN B&W低速機參數的發展變化

MC系列發動機功率覆蓋 2000～87220 kW,轉速覆蓋 97～250 r/min,缸徑從 260～980 mm。經過持續地改進與完善,MAN B&W的MC船用低速柴油機在市場上已占有相當重要的地位。為滿足功率提高后各零部件的可靠性,MAN B&W低速柴油機設計上主要有以下特點,見圖 3。

(1)氣缸套壁厚有所增加,以提高承受機械負荷的能力。

(2)氣缸套增加了鉆孔冷卻且支承凸緣高度比原來的短,相應的氣缸蓋加深,將暴露于燃燒室表面的較大部分包含在鋼制氣缸蓋內,因而可避免以往因過熱而導致鑄鐵件缸套產生裂紋的現象。

(3)采用新型OROS活塞,該活塞將活塞環向下移動,降低活塞環的熱負荷,以減少高溫下環臺和環槽內生成積炭的傾向。

(4)在缸蓋和缸套間加裝活塞清凈環,可刮去活塞頂環臺的積炭。

(5)排氣閥殼進行了設計改進,壁厚增加,冷卻水量減少。目的是為了消除閥殼腐蝕的危險。此外,為了避免排氣閥液壓啟閉系統在泄漏時導致的排氣閥面與閥座之間的撞擊,采用了阻尼關閉機構。

(6)對第一道環進行了加厚設計且采用了 CPR (Controlled Pressure Relief)設計概念,具有一定氣密性,它能改善缸套和第二道環的熱負荷,延長了檢修間隔,使活塞環運行在最佳壓力下,這樣可以獲得最佳的油膜載荷。

圖3 MAN B&W低速機氣缸主要技術

2.2.2 ME/ME-C系列

現代化的微機電子控制技術早已應用到汽車發動機中,使用重油的大型船用柴油機也開始采用這種技術。與MC型柴油機相比,ME型柴油機由于采用了電子控制系統,機械零部件減少了大約 7 t左右。ME系列發動機功率覆蓋 4350～97300 kW,轉速覆蓋 94～167 r/min,缸徑從 350～1080 mm。

這種柴油機的燃油噴射和排氣閥等重要參數都是電子控制的,改變了傳統柴油機由凸輪軸控制的方式。燃料噴射是由增壓器完成的,相比傳統MC發動機的燃油泵更為簡單。ME發動機上的燃油柱塞是由高壓油控制的,可控制燃油噴射定時、壓力分布和噴射的燃油量。

在液壓回路中,潤滑油被作為媒介 (如圖 4),它經由精濾器過濾后,由液壓動力供應單元增高壓力后,經過防護管進入液壓氣缸單元。每個氣缸都有一個液壓氣缸單元 (HCU),它由燃油增壓器和排氣門執行器組成。此外,HCU上還裝有 F IVA(燃油噴射和氣門執行控制閥)和阿爾法(Alpha)注油器等設備。阿爾法注油器是一個計算機控制的間歇式氣缸潤滑器系統,能夠減少潤滑油用量。

圖4 M E發動機液壓回路

宜昌船柴廠生產的小缸徑低速機 S35MEB[2],是由MAN公司開發的新一代船用節能環保型低速大功率柴油機。ME-B設計概念:采用電控燃油噴射技術、電控氣缸潤滑油注入技術,而排氣閥控制仍為機械式。即采用了一種全新的綜合控制模式,一方面實現了燃油噴射的靈活控制,另一方面降低了小缸徑低速柴油機的制造成本 (對于小缸徑低速柴油機而言,電控元件所占成本相對較高),具有廣闊的市場前景。同傳統的MC系列柴油機相比,ME-B柴油機主要增加了下列控制部件:

(1)控制單元。

(2)液壓伺服油供液壓單元(HPU)。

(3)液壓氣缸單元 (HCU),包含電控燃油噴射。

(4)電子阿爾法氣缸注油器。

(5)氣缸壓力監控系統(PM I)。

宜昌船柴廠生產的Y MD-MAN B&W S35MEB船用電控低速柴油機結構具有下述特點:

(1)缸套:輕型強化結構,帶清潔環。

(2)活塞:帶冷卻油孔、鍍鋁活塞環、高頂部結構。

(3)十字頭:導滑塊采用低摩擦力結構 (導滑塊高度與寬度比降低,摩擦損失減少 24%)。

(4)連桿:輕型結構。相比MC機型,質量減少約20%。

(5)曲軸:鍛鋼半組合式。

(6)液壓氣缸單元(HCU):每兩缸配一只 HCU,包括一個分配器、兩個蓄壓器、兩只燃油升壓泵、兩個 ELFI比例閥、兩個阿爾法電子注油器。燃油噴射由氣缸控制單元(CCU)控制 ELFI比例閥執行動作。阿爾法電子氣缸注油器整合在 HCU上,改進了氣缸油噴油定時、改善了氣缸內油膜分布、注油量控制更靈活、恒壓注油。

3 船用油及評定技術發展

3.1 船用油現狀

國外船用油的研發緊跟船舶發動機技術的發展,力求滿足在新型發動機苛刻工況下對潤滑油的要求。國外主要船用發動機油提供商如 ExxonMobil、Shell、BP、Chevron及 Total等公司船用發動機油產品一般要通過MAN B&W和Wartsila等船舶發動機的OEM認證,方可推薦用于其生產的發動機上。船用低速發動機油具有完整的堿值系列,可以為不同硫含量的船用燃料提供相應堿值的潤滑油。

船用油沒有類似車用油的通用規格,最終驗證產品的手段就是行船試驗。目前船用油海外市場基本由 Shell、ExxonMobil等幾大油品公司占據。據統計,目前全球船用潤滑油的需求量大約是 250萬 t/a左右,而船用低速發動機油大概占整個船用潤滑油的 60%以上。2001～2007年,全球船用油年需求增長率為 3%,遠洋船用潤滑油的增長率為 11%。隨著船運事業的發展,更多新型油輪、散貨船和大型集裝箱船將進入市場,對高品質低速發動機油的需求將隨之逐年增加。

2007年底,中國石油潤滑油公司船用油銷量達到 4萬 t,成為國內最大的船用油供應商,占國內船舶用油量 35%,昆侖船用潤滑油成為中遠集團(COSCO)唯一指定使用的中國品牌船用潤滑油。2008年,昆侖船用氣缸油和系統油獲得Wartsila認證,可推薦用于Wartsila各大型低速二沖程機上,同時中國石油潤滑油公司與國外大型船運公司馬士基建立了良好的合作關系[3]。馬士基航運公司年使用潤滑油約 11萬 t左右,其全球潤滑油的采購只選擇了 3家供應商,中國石油潤滑油公司是其選擇的唯一中國供應商,要求潤滑油公司提供全船潤滑油配套產品。

3.2 船用油技術發展

目前國外發表的文獻和專利關于船用氣缸油的研制文獻報道很多。其中主要提到了添加劑公司(如:Infineum)和潤滑油公司 (如:Exxon、Texaco等)氣缸油的清凈劑、分散劑和抗磨添加劑等成分在分子結構和性質方面的研究成果,并且提出了針對不同燃料油合理使用堿值的理論[4]。由于環保法規的日益嚴格,世界上不少國家或組織都對船用燃料油中的硫含量進行了限制,單一堿值船用低速機使用的氣缸油已難以適應燃料油中硫含量的大幅波動。如果對低硫燃料長期使用高堿值的氣缸油,則會帶來活塞沉積物增加、磨損加劇等嚴重問題。反之,如果對高硫燃料使用過低堿值的氣缸油,則會造成氣缸、活塞等部件腐蝕。針對這一問題,馬士基公司開發了氣缸油的在線調合系統 (Blend on Board-BOB工藝),即根據燃料油中硫含量的變化,用系統油在線補加氣缸油添加劑的方式以調合適當堿值的氣缸油產品,達到節能降耗和延長發動機使用壽命的效果。國外潤滑油公司已經緊跟這項技術開始相關的研究工作。國內中國石油潤滑油公司針對 BOB工藝,成功開發出加劑量遠低于原有氣缸油配方的BOB系統專用氣缸油復合劑,并于 2009年通過馬士基 4000 h行船使用試驗,獲得了MAN B&W的認證。

國內船用油技術發展相比國外先進水平還有一定差距,主要體現在潤滑油技術和生產配方相對陳舊,并且產品系列不完善。國內的船用潤滑油通過世界主要OEM技術認證的產品種類也相對較少,可以說船用油評定技術發展緩慢某種程度制約了船用油的研發。

3.3 船用低速機試驗評定臺架

1998年美孚建立了一臺全尺寸十字頭發動機臺架,專門用于推動船用油技術的發展。埃克森美孚聲稱,它仍然是石油工業中唯一使用的全尺寸二沖程發動機評定臺架。該測試發動機 -Sulzer 6RTA38安裝在法國 Gravenchon的歐洲技術中心,被命名為 Explorer,其主要目的是促進潤滑油技術的發展。臺架也可以作為當地煉油廠的大功率發電機。該發動機的總輸出功率為 4080 kW(5550 hp),配置先進的電子設備和 SIPWA活塞環磨損監視器,以及安裝有減低NOx排放的裝置,并且具有六缸分段氣缸油供給系統。

目前每年進行大約 2～3次測試,每階段持續大約 3個月,該試驗發動機一天24 h在90%至95%的負載下運轉。正常的試驗運轉時,氣缸油補給量為0.95 g/kW·h(0.7 g/bhp),同時還可研究更高和更低的供給量對發動機的影響,這有助于了解在較寬供給率范圍下氣缸油的使用效果。采用該低速機臺架可用于評價油品配方以達到最佳性能,也可用于對不同添加劑和基礎油進行選擇,還可用于發動機部件試驗和不同硫含量燃料的試驗。試驗過程中可至少在兩個氣缸內試驗參考油,其余四個氣缸內進行試驗油的考察。在低速機臺架上進行氣缸油和系統油評價較實船試驗大幅度降低了成本。

石油巨頭 Total Fina Elf在里昂研發中心(CRES)安裝了一個發動機臺架— Innovator(改革者)-4 C。該發動機是根據 MAN B&W 5L16/24 (160 mm缸徑,240 mm行程)重新設計的。它的 5個氣缸被改造成 3個分隔的潤滑回路,其中兩個用于配方油試驗,一個用于參比油。并且安裝有多種傳感器和綜合電子控制和信息管理系統。裝備了廢氣處理系統,以待更嚴格的環境排放控制。Innovator-4C特殊的氣缸結構可以在同一時間及同樣的溫度、壓力工況下比較兩種配方油性能。該臺架被用來驗證二沖程和四沖程發動機油的性能。它也同樣被用于新型添加劑、可生物降解潤滑油的基礎研究。

殼牌石油于 1968年在船用潤滑油性能試驗方面建立了一個全尺寸低速機臺架——Sulzer 2RNF68M機組。但在 1993年這個臺架被廢棄,同時引進了新型船用發動機臺架,以四個發動機臺架涵蓋各領域船用發動機潤滑油試驗。殼牌當前使用的評價船用油品試驗發動機有:

(1)單缸四沖程Deutz發動機,使用柴油。(2)Bolnes二沖程發動機,使用重質燃油。(3)卡特皮勒發動機,使用重質燃油。

(4)Wartsila 4L20B中速機,使用重質燃油。2002年升級為 4L20D型[5]。定技術具有迫切的需求。

國外油品公司,在臺架評價方面手段較多,一般采用Wartsila、MAN B&W等公司技術先進的小缸徑船機進行臺架試驗,并且輔助單缸機臺架進行條件強化模擬試驗,這可供國內船用油發動機評定方法的建立所借鑒。

隨著行業國際化的發展,中國石油潤滑油公司已經與馬士基等國際物流公司建立了合作關系,并開始提供船用油產品。結合船機技術發展,盡快建立船用油的評價方法,開展船用油系列產品的研究與認證,將極大地促進國內船用油水平的提高。

[1]金冬寒.船用大功率柴油機價格走勢分析及預測[J].柴油機,2007,29(1):1-4.

[2]宜昌船舶柴油機有限公司產品介紹[EB/OL].[2009-09-01]http://www.ymd.com.cn/ymdcpzs/91934.htm.

[3]楊俊杰,翟月奎.大功率內燃機潤滑油 30年[J].內燃機學報,2008,26(增刊):47-52.

[4]J Hengeveld.現代中速柴油機機油苛刻度模型及其在Wartsila 4L20試驗機上的驗證[J].國外內燃機車,2000 (2):16-22.

[5]Thijs Schasfoort.ShellUses theWartsila 4L20 for Lube Oil Development[J].EnergyNews,2005,22(4):32-35.

4 結束語

船用發動機技術發展較快,為了滿足船用柴油機的發展要求,船用潤滑油的開發也受到油公司的高度重視。國外船用油研發緊跟船舶發動機技術的發展,已率先推出新型高性能氣缸油產品以滿足現代發動機技術進步、燃料油質量變化及環保法規的需要,滿足新型發動機在苛刻工況下對潤滑油的要求。國內船用油技術的發展對于船用油的發動機評

Techn ica l P rogress of Tw o-S troke L ow Sp eed M a rine Engine and M a rine Engine O il Eva lua tion

HUANG Sheng-jun,ZHAO X i,ZHA I Yue-ku i
(PetroChina Dalian Lubricating O ilR&D Institute,Dalian 116032,China)

TE626.3

A

2010-09-09。

黃勝軍(1979-),男,工程師,2005年畢業于上海同濟大學機械電子工程專業,主要從事潤滑油臺架評定工作,已公開發表論文數篇。

1002-3119(2010)05-0031-06