WinGD船用低速發動機的技術發展

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，WinGD（原瓦錫蘭）船用低速發動機一直引領著技術發展的方向。隨著航運市場的發展，WinGD對于現有的電控發動機進行了大量的設計改進。本文介紹了WinGD設計的最新進展，并對未來發展進行了展望。

關鍵詞：WinGD；電控發動機；雙燃料

中圖分類號：U664.12 文獻標識碼：A

1 引言

船用發動機是船舶的心臟，船舶發展離不開船用發動機的技術發展和創新。近年來，全球溫室效應越來越嚴重，而且石油資源越來越緊缺，船東要求柴油機燃油經濟性和可靠性越來越高。國際海事組織IMO頒發越來越嚴格的排放法規，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%，更嚴格的Tier Ⅲ也在2016年ECA區域實施。

為了提高燃油經濟性、適應新的排放要求、提高可靠性和操作的靈活性，實現適時調節，船用低速發動機公司在電子技術、自動控制、后處理等方面不斷創新，以適應船舶市場的需求。本文主要介紹WinGD（原瓦錫蘭）船用低速發動機的技術演變及最新的技術發展。

2 WinGD柴油機機型及其技術演變

WinGD發動機產品發展，經歷了傳統的RTA機械凸輪式發動機/RT-flex電控發動機/W-X型電控發動機以及滿足Tier III排放要求的發動機，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；第三代電控發動機RTX-3為全電子控制共軌技術，可獨立控制每個噴油器。

2.1 傳統的RTA機械凸輪式發動機

由調速器控制噴油量、凸輪控制進排氣正時，當發動機的工況、外部環境等發生變化時，會導致參數偏離設計最佳值，從而影響其穩定性與經濟性。

2.2 RT-flex電控發動機

在RTA基礎上進行改進，取消凸輪軸設計，采用高壓共軌技術與智能控制系統，能有效實現發動機在各種工況下的性能最優化，提高經濟性、可靠性，延長主機壽命。圖2為WinGD RTA和RT-flex發動機的簡要對比。

WECS/UNIC系統采用實時監控，分析實際運行狀況并給出指令，相比凸輪機械控制的發動機，能明顯降低油耗；再加上新型高效增壓器的應用，主機的節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校模式（表1），在各自功率范圍內優化燃油消耗率，船東可根據船舶運行工況選用最佳調校模式。

各種不同調校下的油耗對比，如圖4所示。

2.3 RTX3發動機

（1）W-X電控發動機

W-X電控發動機是在RT-flex機型基礎上研發的新一代低速發動機，其所需的船艙空間更小，轉速功率點范圍更大。W-X系列發動機的沖程特別長，采用更大直徑的螺旋槳以匹配較低轉速的發動機，可以有效的降低燃油消耗率，優化船舶EEDI指數。

W-X系列發動機升級燃油噴射控制系統，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，控制系統由WECS-9520改為UNIC控制系統。曲軸轉角傳感器系統將曲軸位置及轉速信息輸送到UNIC控制系統，后者據此決定何時噴油及何時開閉排氣閥。UNIC控制系統可與船上的控制系統直接相連，并可完全集成到WinGD的成套推進系統（PROPAC）中。

由于越來越多的船東傾向于采用軸帶發電機，W-X機型取消了角度編碼器，方便軸帶發電機的安裝。船上失電導致曲軸角度丟失時，UNIC系統自動學習程序可確保主機起動時得到曲軸角度。

（2）FAST油嘴技術

標準油嘴由于針閥與噴射口之間有一段距離，噴射結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致結垢與污染。

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的結垢，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，由于環境/油品的改變，導致發動機運行工況偏離設計數據。智能燃燒控制系統，通過對船舶運行參數和試車提交數據進行對比，自動調節主機燃燒工況，確保主機按照設計數據運行。此外，智能燃燒控制技術還能降低燃燒壓差值，確保主機運行穩定。由于燃燒工況的穩定，智能燃燒控制系統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，經常會因密封圈的損壞導致漏油。新型的集成電磁閥控制噴油器，由主機控制系統直接控制噴油正時，不僅杜絕了ICU的漏油問題，還簡化了安裝和維修保養。

3 滿足Tier Ⅲ排放要求的技術

（1）選擇性催化還原技術（SCR）

尿素溶液噴射到排煙的氣流中，與煙氣混合后經過觸媒反應器進行催化還原反應。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。對于低速二沖程發動機，SCR裝置可安裝在發動機的排煙集氣管和增壓器之間，以便煙氣溫度達到反應所需的最低溫度，并避免副產品的生成堵塞反應器，特別是在發動機燃燒高硫份燃油時硫酸銨的生成問題。經實船驗證，裝有SCR的船舶，其NOx排放低于2g/kWh，滿足Tier Ⅲ排放要求。

（2）廢氣再循環技術（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（高壓形式）。兩種情況下，再次循環的廢氣需要清潔、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（DF）

隨著IMO Tier III區域不斷擴大，發動機設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、廢氣再循環等，目前看來，采用天然氣燃料是一種更有效的方法。

WinGD開發的RT-flex50DF雙燃料發動機（如圖5），既可燃燒MDO和HFO，也可在整個負荷范圍內燃燒低壓天然氣（LNG）。天然氣燃料存儲罐處于低溫常壓狀態，燃料經過處理系統氣化后進入主機。低壓（約8bar）氣體能降低整個管路系統產生氣體逃逸或者管路損壞的風險。

WinGD雙燃料發動機相比普通發動機，在氣缸蓋上增加引燃噴油器和引燃室，采用“預燃室微引燃”技術，利用約為滿負荷時1%油量的少量點火油，實現了極佳的點火穩定性；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，燃氣噴射閥向缸內噴射燃氣，活塞上行壓縮至上止點前引燃噴油器噴油進預燃室，引燃油燃燒后再點燃缸套內的燃氣。

由于主機采用Otto循環，燃燒溫度較低，可大幅減少NOx排放。據統計，采用天然氣燃料的WinGD發動機可降低約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為雙燃料發動機控制原理圖。

對于已投入運營的船舶發動機，可大概根據表2的方案進行改造，從而滿足嚴格的Tier Ⅲ排放要求，自由進出ECA排放控制區域。

（4）動態燃燒控制技術（DCC）

動態燃燒控制技術是雙燃料發動機特定的控制技術，確保爆發壓力在安全范圍內，從而保證雙燃料發動機在燃氣低熱值和惡劣海況的情況下正常運行100%負荷。如圖7所示，雙燃料發動機在爆發壓力超過限制值時，自動激活 “動態燃燒控制技術”，也就是使用主噴油器噴射多點燃油和調整噴油定時，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，最終提高燃燒質量，減少爆燃現象。

4 結束語

隨著WinGD船用低速發動機的技術創新，其在燃油消耗與運行穩定性上的不斷改進，引領著未來船舶發動機電控技術的發展方向。雙燃料發動機的開發，使得發動機可以應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

[1] 國際海事組織. 73/78防污公約MARPOL 73/78綜合文本2006[S]. 人民交通出版社，2007.

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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.