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2008年瓦锡兰和三菱重工合作研发RT-X系列低速柴油机,2011年温特图尔发动机公司(WGD)推出X型船用低速二冲程柴油机,属于RT-flex机的优化改进型。其中:X62和X72两型低速X系列柴油机是专为海岬型散货船、巴拿马型散货船、苏伊士型油船和巴拿马型集装箱船设计的;其后推出的X92机型主要用于大型集装箱船。与RT-flex机相比,X型柴油机采用一些新技术,笔者进行简单介绍,供同人参考。 1 活塞及气缸传统的柴油机在活塞裙部装设承磨环,以保证磨合质量。X型柴油机的早期产品在活塞裙部设有具有相同作用的箍紧环(见图1),确保活塞与气缸磨合良好[1]。随着加工精度和装配精度的提高,加上节约成本的需求,新设计的机型已取消该环。气缸套上部创新性地设计有抗磨环(刮炭环),能防止活塞顶的外圆面上形成积炭,延长活塞的检修周期。目前暂未收集到航运界对该设计的详细效果评估资料。 X型柴油机活塞上只设置3道活塞环,3道活塞环均镀有铬陶瓷合金层,活塞环槽也进行镀铬处理。活塞环镀层厚度最小达到0.3 mm,在保证镀层强度的前提下越厚效果越好。活塞环槽的镀铬厚度为0.40～0.45 mm,铬陶瓷涂层能与活塞环外表面良好地结合,兼具金属的强度、韧性和陶瓷的硬度。同时,陶瓷材料导热性低,可降低活塞环的工作温度,铬成分可增加抗腐蚀性。这些措施综合起来,可有效提高活塞环的运行寿命,见表1。
活塞环类型
| 检修周期 |
活塞环镀有铬陶瓷合金层,缸套装有刮炭环
| 18 000～20 000 |
活塞环镀有铬陶瓷合金层,缸套不装刮炭环
| 12 000～14 000 |
活塞环采用磨合镀层,缸套不安装刮炭环
| 6 000～8 000 |
该设计的缺点是活塞环镀铬陶瓷合金,使得成本增加(活塞环镀层加工由国外厂家进行,国内还不具备加工能力);镀层一旦剥落,陶瓷颗粒会导致严重的磨粒磨损。对此,厂家要求船员一定要定期检查活塞。这种设计能否得到航运界认可,目前还有待进一步考证。X型柴油机缸套表面采用研磨工艺,加工较为麻烦,但满足铬陶瓷镀层活塞环只能与完全研磨的缸套配合使用的要求。对于已经磨合好的缸套,换新活塞环后的磨合需要十分小心,一般的处理方式有加大气缸油注油量、减小柴油机负荷运行或换环时不全部换掉等。这些措施的有效性和经济性有待实践总结。2 气缸润滑系统RTA、RT-flex机型上的气缸油注油器是由瓦锡兰和Vogel公司(2004年被SKF收购)联合开发的,有CLU1、CLU2、CLU3、CLU4等类型:CLU1、CLU2、CLU3注油系统使用的均是储能型气缸油注油器,注油量依据主机负荷进行调节,没有精确的定时控制功能;CLU4或CLU4-C为脉冲润滑系统PLS。根据注油方式,PLS分为脉冲注入式和脉冲喷射式2种,目前脉冲喷射式已经取代脉冲注入式。X型柴油机采用脉冲喷射式系统——CLU-5。W6X35气缸润滑系统示意见图2,W6X35柴油机在保持活塞运转特性的同时,气缸油注油率最低可达0.6 g/(kW·h),其使用的CLU-5系统油泵的工作动力来自于气缸油本身:气缸油压力被供油泵加压到约5 MPa,当柴油机UNIC控制系统给出相应信号时,气缸油就驱动CLU-5系统的油泵。W6X35气缸润滑系统采用供油总管,容量较大,可代替蓄压器。X型柴油机可以自动调整注油定时(见图3),气缸滑油既可以垂直喷射到活塞上部、活塞环中间、活塞下部,又可以径向喷射到气缸壁上。X型柴油机的气缸油注油率指导值为0.6 g/(kW·h),与RT-flex型柴油机相比降低气缸油成本。以RT-flex机为例,1台持续功率为68 640 kW的12RT-flex 96C柴油机以85%的负荷运行7 000 h,假设气缸润滑油单价为1 700美元/t,蓄压器式润滑系统气缸润滑油的注油率为1.1 g/(kW·h),脉冲喷射式润滑系统的注油率为0.6 g/(kW·h),从蓄压器式润滑系统改变为脉冲喷射式润滑系统,全年将节省开支超过27万美元[3]。因此,从CLU4发展到CLU5的成本节约十分明显。此外,瓦锡兰公司还研究一种内部注油系统,可以从活塞裙处注油。在实船管理中,因这种技术较新,气缸油注油率的调整要根据缸套、活塞环的磨合情况谨慎进行。轮机员要勤检查缸套、活塞环的状况,仔细对比调整前后缸套的情况,防止因新技术造成问题。3 气缸冷却系统X型柴油机采用较高的冷却水温提高主机效率。温度提高后,为避免冷却水汽化,系统采用增压措施。冷却系统采用2路进水支管,根据冷却水温度不同,分别进入缸盖和缸套进行冷却。75 ℃的冷却水进入气缸盖进行冷却,90 ℃的冷却水进入气缸套进行冷却。在进入缸套的支管上设置调节孔,用于调节进入缸套的冷却水量,使得出口冷却水温保持在设定值。X92型柴油机气缸套冷却系统见图4。4 曲轴角度传感器RT-flex型柴油机采用装配在曲轴自由端的曲轴角度传感器,读取曲轴的角度和速度。X型柴油机运用新式设计,在中间齿轮上方安装4个传感器(见图5),在飞轮上安装2个传感器(见图6)。曲轴的角度通过中间齿轮上的4个传感器读取,曲轴的转速和飞轮上对应的各缸上止点、下止点通过飞轮上的2个传感器读取。这种设计成本低、可维修性好,并且将曲轴的自由端解放出来,便于将轴带发电机布置在曲轴自由端。因主机运转时会产生一定的振动,故在实际操作时曲轴的角度及飞轮上对应的各缸上止点、下止点不易确定。
5 供油单元和喷射系统供油单元采用机带泵,布置在输出端靠近曲轴一侧,便于供油单元的检查和维修。传动齿轮室被集成在机架上,布置紧凑。曲轴齿轮通过中间齿轮驱动燃油泵和伺服油泵。共轨燃油泵、伺服油泵的具体布置见图7。
在RT-flex型柴油机电喷控制系统中,当到达喷射初始角时,气缸控制模块使共轨电磁阀通电,约100 MPa的燃油进入喷油器喷入气缸,系统依据燃油量活塞的行程测定出实际的喷射量。当燃油量活塞到达终程时停止喷射[4],而不是关闭阀门实现喷油过程的终止。这种设计能避免燃油压力骤升导致系统故障或二次喷射等,缺点是系统复杂、故障点多。X型柴油机燃油轨上取消喷射控制单元,装配有机械式简单结构的限流器,燃油压力和伺服油压力有较大程度提升。依据UNIC控制系统操控的软件信号开启、关闭电磁阀,进而确定喷油时间和喷油量;系统通过控制阀件的开关动态过程以及简单的限流器,就能实现系统动态压力的优化控制。与容积式喷射控制技术相比,这种方案简洁高效、制造成本和维护成本更低。W6X35柴油机喷射系统见图8。
6 燃烧控制系统X型柴油机采用智能燃烧控制系统,安装有气缸压力传感器。系统以柴油机喷油正时和喷油量作为控制的输入量,同时考虑主机负载、扫气温度、大气压力和机器振动等参数,以气缸压力作为输出量,实现对缸内燃烧的智能控制。该系统能够自动平衡每个气缸的负载,优化燃烧过程,使得柴油机的振动、燃烧的经济性和环境友好性等得到优化。RT-flex型柴油机则无这么多的输入量需要考虑。7 结束语X型柴油机是在RT-flex机型上的一种发展,它既继承传统技术路线,又对柴油机进行较多的重新设计和优化。本文从制造和管理角度介绍这些新技术,为轮机管理人员提供参考。
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