W6X35型船用低速柴油機的研制

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(玉柴船舶動力股份有限公司，廣東 珠海 519175)

為了提高燃油經(jīng)濟性、降低廢氣排放、提高可靠性和操作的靈活性，實現(xiàn)適時調(diào)節(jié)的柴油機已成為發(fā)展的必然趨勢[1]。近些年，隨著科學電子技術迅猛發(fā)展，微型計算機已越來越廣泛地應用在船舶動力控制和監(jiān)測中[2]。采用了共軌燃油噴射技術，取消傳統(tǒng)柴油機的凸輪軸及其傳動，實現(xiàn)全電子控制的所謂智能柴油機的出現(xiàn)無疑是一次革命。W6X35柴油機為瓦錫蘭最新一代“X”系列柴油機中缸徑最小的，同時也是世界上第一臺“X”系列的柴油機，其主要技術規(guī)格和性能指標見表1。

1 開發(fā)思路和目標

在瓦錫蘭經(jīng)實踐證明具有良好性能的傳統(tǒng)RTA型柴油機和新一代RT-flex電控共軌型柴油機的基礎上，根據(jù)柴油機燃燒理論，應用電控技術，優(yōu)化燃油系統(tǒng)，提高伺服油的工作壓力;采用新一代CLU5氣缸潤滑技和新一代柴油機控制系統(tǒng)“UNIC 控制系統(tǒng)”，實現(xiàn)全電子智能控制燃油噴油定時、噴射時間、噴射速率、壓力以及排氣閥正時等;能夠有效地實現(xiàn)柴油機在各種負荷下的性能最優(yōu)化，從而達到在滿足最新排放要求下，提高其經(jīng)濟性、可靠性、操縱靈活性和延長使用壽命。

表1 W6X35型船用低速柴油機的主要技術規(guī)格和性能指標

2 總體設計

W6X35柴油機是一種全電子控制，無凸輪軸，低速，可直接換向，單作用，十字頭式，直流掃氣二沖程船用低速大功率柴油主機，其燃油噴射和排氣門驅(qū)動的供油單元及其傳動裝置的設計采用電子控制共軌系統(tǒng)，可廣泛應用于中小型船舶，如雜貨船、散貨船、支線集裝箱船等。它在很多方面從根本上改變了傳統(tǒng)的柴油機設計思想，大幅度減少了機械部件，由計算機通過液-電伺服系統(tǒng)控制。所有功能,如燃油噴射、排氣門驅(qū)動、啟動和氣缸潤滑都是電子控制液壓驅(qū)動，無需凸輪軸及其傳動輪系,具有良好的可靠性。圖1為W6X35柴油機外形示意。

圖1 W6X35柴油機機外形示意

3 新的設計特點

W6X35智能柴油機除保留了RTA型和RT-flex型柴油機成熟的設計特點外，還具有新的設計特點。

3.1 氣缸套和活塞

氣缸套為非鉆孔冷卻氣缸套。氣缸套采用最佳金相成分的灰鑄鐵，運行表面全程珩磨，氣缸套上有4個用于安裝氣缸滑油噴油器的孔，并采用油槽設計，使氣缸滑油達到更佳的分布效果，確保活塞優(yōu)良的運行性能。氣缸套的表面溫度控制精確，即使使用高含硫量的燃油也不會產(chǎn)生明顯的低溫腐蝕。氣缸套上部還設計有抗磨環(huán)(刮炭環(huán))，可以很好地防止活塞頂上形成積炭。

活塞由鑄鋼活塞頂和很短的活塞裙部組成，活塞裙部不設抗磨環(huán)，內(nèi)有滑油冷卻腔。活塞采用3道活塞環(huán)設計，3道活塞環(huán)均鍍有陶瓷鉻合金層，活塞環(huán)槽也經(jīng)過鍍鉻處理，大大提高了活塞的運行壽命。氣缸套和活塞的基本結構見圖2。

圖2 氣缸套和活塞基本結構

3.2 曲軸角度傳感器

以往的柴油機常常采用昂貴的、裝配在曲軸自由端的曲軸角度傳感器來讀取曲軸的角度和速度，這種設計不單增加了制造成本和維護成本，若船東想要在曲軸自由端配置軸帶發(fā)電機時，這種設計也會給軸帶發(fā)電機的布置帶來困難。W6X35智能電控柴油機采用全新的設計取代傳統(tǒng)的曲軸角度傳感器，這種設計是在中間齒輪上方安裝4個傳感器(見圖3)，在飛輪上安裝2個傳感器(見圖4)，通過中間齒輪上的4個傳感器來讀取曲軸的角度，通過飛輪上安裝的2個傳感器讀取曲軸的轉(zhuǎn)速和飛輪的上止點和下止點。這種新穎的設計，不但節(jié)約了制造成本和維護成本，同時也把曲軸的自由端解放出來，使軸帶發(fā)電機可以在曲軸自由端靈活布置。

圖3 中間齒輪上的傳感器

圖4 飛輪上的傳感器

3.3 供油單元

供油單元見圖5，主要由兩個燃油泵、兩個伺服油泵、傳動齒輪組和殼罩組成。供油單元在輸出端貼近曲軸布置，這種布置方便供油單元的檢查和維修。傳動齒輪室集成在機架上，布置十分緊湊。供油單元采用成熟的齒輪驅(qū)動技術，燃油泵和伺服油泵由曲軸齒輪通過中間齒輪驅(qū)動，整個工作過程無需額外的電力驅(qū)動，可以減少輔機電力的配備要求。燃油泵和伺服油泵分別互為備用設計，正常運行時，2個泵同時工作并平分負荷，當1個泵損壞時，另1個泵也可以完全滿足柴油機100%的負荷運行，這個設計使船舶航行的安全性得到加強。燃油泵和伺服油泵均為高效泵，采用相同的齒輪設計，傳動動力來自于曲軸。為了保證燃油泵和伺服油泵卡死時齒輪不受損壞，2種油泵都設計有1個安全裝置，如果因油泵損壞轉(zhuǎn)子卡死時產(chǎn)生負載超過額定值，摩擦力將克服螺栓的上緊力矩(20 N·m)，齒輪將與柴油機轉(zhuǎn)動的反方向轉(zhuǎn)動從而使齒輪分離。

圖5 供油單元

3.4 共軌單元

共軌單元見圖6，布置在柴油機的上層走臺上，主要包括燃油軌，伺服油軌和排氣閥液壓驅(qū)動單元(VCU)和共軌箱。W6X35智能電控柴油機的燃油軌的工作壓力為100 MPa，伺服油軌的工作壓力為30 MPa，RT-flex型柴油機的伺服油壓力是20 MPa，高的燃油壓力和伺服油壓力可以更好地實現(xiàn)燃油噴油器的噴射和排氣閥的開閉。2種油軌均采用單壁設計，孔的形狀為圓形，以往柴油機共軌管孔多為“8”字孔，采用圓孔設計大大減少了共軌管的加工難道。傳統(tǒng)的RT-flex型電控柴油機通過燃油軌上的噴油控制單元(ICU)來控制燃油的噴射，而W6X35柴油機取消了燃油軌上的噴油控制單元，燃油軌上設有機械式的限流器，每個噴油器對應一個限流器，通過UNIC控制系統(tǒng)直接控制噴油器實現(xiàn)燃油的智能噴射。

圖6 W6X35柴油機的燃油共軌系統(tǒng)

3.5 新一代燃油共軌系統(tǒng)

傳統(tǒng)船用柴油機的燃油噴射系統(tǒng)，高壓燃油泵通常由凸輪軸驅(qū)動。由于凸輪軸結構外形的特征，系統(tǒng)中高壓油管中的供油壓力會隨著柴油機轉(zhuǎn)速的變化而變化，這就很難保證柴油機在各種轉(zhuǎn)速下保持一種最佳穩(wěn)定的供油，從而使噴射系統(tǒng)會因轉(zhuǎn)速和負荷的變化而出現(xiàn)二次噴射、斷續(xù)噴射、不穩(wěn)定噴射和低速運行時柴油機工作不可靠等缺點。而近年來出現(xiàn)的共軌燃油噴射技術是高壓油泵把油輸送到共軌管，通過柴油機智能控制系統(tǒng)對共軌管內(nèi)燃油壓力實現(xiàn)精確控制，使共軌管內(nèi)壓力的大小與柴油機的轉(zhuǎn)速無關，燃油壓力在系統(tǒng)運行時保持一個基本恒定的數(shù)值，這樣就可以避免燃油供油壓力隨著柴油機轉(zhuǎn)速而變化的缺陷。

W6X35柴油機的燃油共軌系統(tǒng)見圖6，是瓦錫蘭最新一代的燃油共軌系統(tǒng)，每缸設有2個電磁控制、油冷式的噴油器，在燃油軌上為每個噴油器配備1個機械式的限流器，通過UNIC控制系統(tǒng)控制噴油器來實現(xiàn)智能噴油。

W6X35柴油機的燃油共軌系統(tǒng)是在RT-flex型柴油機燃油共軌系統(tǒng)上的進一步優(yōu)化，兩種燃油系統(tǒng)的對比。RT-flex型柴油機燃油共軌系統(tǒng)，燃油泵由曲軸帶動的復合凸輪軸驅(qū)動，把燃油加壓后輸送到高壓燃油軌。燃油軌的壓力基本恒定在100 MPa左右，再由WECS柴油機控制系統(tǒng)控制燃油軌上的噴油控制單元的電磁閥，由電磁閥控制20 MPa的伺服油來驅(qū)動燃油的噴射，噴油控制單元可以精確每次噴射所需的燃油量。而W6X35柴油機的燃油共軌系統(tǒng)的燃油泵由曲軸通過中間齒輪來驅(qū)動，具有更高的效率；燃油軌上取消了噴油控制單元，改配有機械式簡單結構的限流器，由UNIC控制系統(tǒng)控制噴油器來實現(xiàn)燃油的智能噴射，UNIC控制系統(tǒng)可以控制燃油噴射持續(xù)的時間。W6X35柴油機的燃油共軌系統(tǒng)更加簡潔高效，制造成本和維護成本更低。兩種燃油系統(tǒng)的對比示意見圖7。

3.6 靈活多變的噴油模式

W6X35柴油機在每個氣缸蓋上安裝了2只電控噴油器，它們是彼此獨立控制，可以根據(jù)需要制定噴油程序，使各自分別動作或一致動作。并且，各個噴油器都可以很容易地在各種不同的噴油模式間置換，見圖8。

1)提前噴射。使一小部分燃油在主要部分燃油噴射之前提前噴入氣缸。

2)分3次噴射。使燃油量分3次，以互相分離的，短促的噴射方式依次噴入。

3)按順序噴射。單獨驅(qū)動各個噴油嘴，使3只噴油嘴按各自不同的定時噴油。

圖7 兩種燃油系統(tǒng)的對比示意

圖8 多種噴射模式

噴油模式以及共軌壓力自由選擇，可以用來影響燃燒，并在柴油機工作循環(huán)過程中形成各種不同形狀的氣缸壓力曲線。這樣，選擇理想的噴油模式，即可實現(xiàn)柴油機期望的性能優(yōu)化的目標。

3.7 新一代電子氣缸脈沖潤滑系統(tǒng)

圖9 W6X35的氣缸潤滑系統(tǒng)

W6X35的氣缸潤滑系統(tǒng)見圖9，采用了新一代CLU-5氣缸潤滑技術。在RT-flex型柴油機上，采用CLU-4或CLU-4C的電子脈沖氣缸潤滑技術，摒棄了傳統(tǒng)的設計思想，實現(xiàn)了氣缸潤滑模塊化設計，利用脈沖功能，精確噴油定時和精確噴油量，改進了氣缸壁表面潤滑油的分布狀態(tài)和氣缸潤滑特性。W6X35柴油機上采用的新一代CLU-5氣缸潤滑技術，是對電子脈沖氣缸潤滑技術的進一步優(yōu)化。無論CLU-4還是CLU-4C，工作動力都來自于伺服油，都帶有一個蓄壓器，用以避免伺服油管壓力油較大的波動，保持伺服油壓力穩(wěn)定。蓄壓器充滿一定壓力的氮氣，在起動蓄壓器后一周內(nèi)，至少檢查一次充氣壓力，3個月后再檢查一次，并建議每3個月檢查一次，同時要為蓄壓器配備一套專用的維護工具。而CLU-5潤滑油泵不是依靠伺服油來驅(qū)動，供油泵將潤滑油加壓到大約5 MPa，當柴油機控制系統(tǒng)UNIC 發(fā)出相應的信號時，潤滑油就會驅(qū)動CLU-5潤滑油泵。所有潤滑油泵都被連接到供油管，供油管不斷地預緊，充當外部的蓄壓器并向潤滑油泵提供驅(qū)動需要的液壓，安全閥用于調(diào)節(jié)需要的運行壓力。因此，CLU-5不需要蓄壓器，也不需要連接伺服油管，整個結構更加簡潔，省去了對蓄壓器定期檢查的維護工作，減少了蓄壓器配套的專用維護工具。新一代電子脈沖氣缸潤滑系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)機械式注油壓力低，以及注油量不能隨著柴油機工況變化等參數(shù)進行調(diào)節(jié)的問題。

新一代電子脈沖氣缸潤滑系統(tǒng)是一個獨立的系統(tǒng)，它通過嵌置在環(huán)繞氣缸壁四周方向上多的注油器向氣缸壁表面定向噴射加壓的潤滑油。每個注油器的噴嘴頭部有多個噴油孔，以多頭射流的脈沖方式從噴油孔各自定向向氣缸壁表面噴射潤滑油。新一代電子脈沖潤滑系統(tǒng)可以靈活設定氣缸滑油注射定時至需要的曲柄轉(zhuǎn)角，進而控制氣缸滑油分配。氣缸滑油可以垂直注射到活塞上部、下部和活塞環(huán)中間，也可徑向注射到氣缸壁上，這樣可以確保潤滑油更好地分布在活塞的整個工作行程中，使活塞在整個工作過程中都得到良好的潤滑作用。噴油時間取決于潤滑油的垂直分布，潤滑油注油器噴嘴上的噴射孔取決于滑油的徑向分布，見圖10。

圖10 潤滑油垂直噴射和潤滑油徑向噴射示意

3.8 柴油機的安裝

W6X35柴油機設計時充分考慮到了船上安裝的方便性。安裝底座配有適當數(shù)量的地腳螺栓和旁側(cè)止推塊。在底座端部無需配備縱向止推塊、推力支架或緊配螺釘。螺旋槳的推力完全由數(shù)個地腳螺栓上的推力套筒傳遞。所有的輔助設備及其布置均經(jīng)過優(yōu)化，以最大限度地降低安裝時間及費用，而電氣方面的要求也是非常適度的。

4 性能試驗

W6X35柴油機的試驗完全滿足船級社規(guī)范的要求和國際海事組織(IMO)排放規(guī)范的要求。試驗階段分別進行了安全裝置試驗、負荷試驗、功能試驗、緊急狀態(tài)下的運行試驗、燃油消耗測試、排放測試和試驗后零部件的拆檢等。試驗過程都是在船東和船級社驗船師現(xiàn)場共同見證下，按照船級社審批的試驗大綱進行，整個試驗過程十分順利，所有試驗均達到預期目標，試驗結果得到船東和驗船師的一致認可，順利獲得船級社證書和排放證書。

5 結論

W6X35智能低速柴油機的所有的功能，如調(diào)速、起動、換向、燃油噴射、排氣閥的開閉、氣缸潤滑油的注油等，全面實現(xiàn)電子控制。采用集成設計，減少零件的數(shù)量，降低制造成本。其良好的燃油經(jīng)濟性、低氣缸滑油消耗率、優(yōu)越可靠的運行性能和全程無煙運行的排放技術均達到國際領先水平。

[1] 高勇軍，黃連忠.船用智能柴油機的最新技術特點和管理[J].世界海運，2007 (4)：39-40.

[2] 冼偉倫，余天明.船用電控共軌型柴油機的最新技術特點和管理[J].船舶，2006 (6)：38-40.

[3] 瓦錫蘭最新型船用低速電控柴油機RT-flex35(W-X35)的性能與應用[J].船海工程，2013，42(5)：105-108.