WinGD船用低速发动机的技术发展

邓健星

（玉柴船舶动力股份有限公司，珠海 519100）

摘 要：在船舶、航运业，WinGD（原瓦锡兰）船用低速发动机一直引领着技术发展的方向。随着航运市场的发展，WinGD对于现有的电控发动机进行了大量的设计改进。本文介绍了WinGD设计的最新进展，并对未来发展进行了展望。

关键词：WinGD；电控发动机；双燃料

中图分类号：U664.12 文献标识码：A

1 引言

船用发动机是船舶的心脏，船舶发展离不开船用发动机的技术发展和创新。近年来，全球温室效应越来越严重，而且石油資源越来越紧缺，船东要求柴油机燃油经济性和可靠性越来越高。国际海事组织IMO颁发越来越严格的排放法规，IMO Tier Ⅱ已在2011年1月1日开始实施，要求NOx排放量要比Tier Ⅰ减少20%，更严格的Tier Ⅲ也在2016年ECA区域实施。

为了提高燃油经济性、适应新的排放要求、提高可靠性和操作的灵活性，实现适时调节，船用低速发动机公司在电子技术、自动控制、后处理等方面不断创新，以适应船舶市场的需求。本文主要介绍WinGD（原瓦锡兰）船用低速发动机的技术演变及最新的技术发展。

2 WinGD柴油机机型及其技术演变

WinGD发动机产品发展，经历了传统的RTA机械凸轮式发动机/RT-flex电控发动机/W-X型电控发动机以及满足Tier III排放要求的发动机，包括新推出的双燃料低速机，如图1所示。其中：第一代电控发动机RTX-1为电子控制喷油单元、机械控制排气阀单元；第二代电控发动机RTX-2为电子控制喷油单元和排气阀单元；第三代电控发动机RTX-3为全电子控制共轨技术，可独立控制每个喷油器。

2.1 传统的RTA机械凸轮式发动机

由调速器控制喷油量、凸轮控制进排气正时，当发动机的工况、外部环境等发生变化时，会导致参数偏离设计最佳值，从而影响其稳定性与经济性。

2.2 RT-flex电控发动机

在RTA基础上进行改进，取消凸轮轴设计，采用高压共轨技术与智能控制系统，能有效实现发动机在各种工况下的性能最优化，提高经济性、可靠性，延长主机寿命。图2为WinGD RTA和RT-flex发动机的简要对比。

WECS/UNIC系统采用实时监控，分析实际运行状况并给出指令，相比凸轮机械控制的发动机，能明显降低油耗；再加上新型高效增压器的应用，主机的节能减排效果更加明显。图3为WinGD（缸径为580 mm）的各种机型油耗对比。

此外，主机采用四种不同的调校模式（表1），在各自功率范围内优化燃油消耗率，船东可根据船舶运行工况选用最佳调校模式。

各种不同调校下的油耗对比，如图4所示。

2.3 RTX3发动机

（1）W-X电控发动机

W-X电控发动机是在RT-flex机型基础上研发的新一代低速发动机，其所需的船舱空间更小，转速功率点范围更大。W-X系列发动机的冲程特别长，采用更大直径的螺旋桨以匹配较低转速的发动机，可以有效的降低燃油消耗率，优化船舶EEDI指数。

W-X系列发动机升级燃油喷射控制系统，由原来的ICU喷射控制单元+喷油器改为高集成的喷油器，通过燃油压力和喷射时间控制喷油喷射量，控制系统由WECS-9520改为UNIC控制系统。曲轴转角传感器系统将曲轴位置及转速信息输送到UNIC控制系统，后者据此决定何时喷油及何时开闭排气阀。UNIC控制系统可与船上的控制系统直接相连，并可完全集成到WinGD的成套推进系统（PROPAC）中。

由于越来越多的船东倾向于采用轴带发电机，W-X机型取消了角度编码器，方便轴带发电机的安装。船上失电导致曲轴角度丢失时，UNIC系统自动学习程序可确保主机起动时得到曲轴角度。

（2）FAST油嘴技术

标准油嘴由于针阀与喷射口之间有一段距离，喷射结束后会有部分燃油残留在空腔中，既影响燃油雾化效果也导致结垢与污染。

FAST油嘴延长针阀至油嘴顶部，大大减少了空腔容积，雾化效果好，没有剩余油滴，可减少油耗，也减少了燃烧腔室的污染和排气系统的结垢，同时可以显著降低碳氢化合物的排放。

（3）智能燃烧控制

在船舶实际运行中，由于环境/油品的改变，导致发动机运行工况偏离设计数据。智能燃烧控制系统，通过对船舶运行参数和试车提交数据进行对比，自动调节主机燃烧工况，确保主机按照设计数据运行。此外，智能燃烧控制技术还能降低燃烧压差值，确保主机运行稳定。由于燃烧工况的稳定，智能燃烧控制系统还可以有效改善燃烧室各部件的磨损和过载，从而降低主机维保费。

（4）高集成的喷油器

喷油器由喷射控制单元（ICU）控制，而ICU的维保和拆检比较麻烦，经常会因密封圈的损坏导致漏油。新型的集成电磁阀控制喷油器，由主机控制系统直接控制喷油正时，不仅杜绝了ICU的漏油问题，还简化了安装和维修保养。

3 满足Tier Ⅲ排放要求的技术

（1）选择性催化还原技术（SCR）

尿素溶液喷射到排烟的气流中，与烟气混合后经过触媒反应器进行催化还原反应。为保证CSR过程的正常进行，烟气以及触媒的温度需保持在一定的范围内。对于低速二冲程发动机，SCR装置可安装在发动机的排烟集气管和增压器之间，以便烟气温度达到反应所需的最低温度，并避免副产品的生成堵塞反应器，特别是在发动机燃烧高硫份燃油时硫酸铵的生成问题。经实船验证，装有SCR的船舶，其NOx排放低于2g/kWh，满足Tier Ⅲ排放要求。

（2）废气再循环技术（ECR）

作为一种单独的措施，它具有足够的潜能达到IMO Tier Ⅲ排放要求。EGR有两种形式：一种是少部分的废气在增压器压气机前与新鲜空气混合（低压形式）；另一种是在透平和压气机之后再循环（高压形式）。两种情况下，再次循环的废气需要清洁、冷却和压缩，已在试验机上验证，可满足IMO Tier Ⅲ排放要求。

（3）双燃料技术（DF）

随着IMO Tier III区域不断扩大，发动机设计公司通过各种方法试图降低主机的NOx/SOX排放值，如燃油乳化、排气后处理、加湿技术、废气再循环等，目前看来，采用天然气燃料是一种更有效的方法。

WinGD开发的RT-flex50DF双燃料发动机（如图5），既可燃烧MDO和HFO，也可在整个负荷范围内燃烧低压天然气（LNG）。天然气燃料存储罐处于低温常压状态，燃料经过处理系统气化后进入主机。低压（约8bar）气体能降低整个管路系统产生气体逃逸或者管路损坏的风险。

WinGD双燃料发动机相比普通发动机，在气缸盖上增加引燃喷油器和引燃室，采用“预燃室微引燃”技术，利用约为满负荷时1%油量的少量点火油，实现了极佳的点火稳定性；气缸套上增加燃氣喷射阀，通过控制燃气喷射阀的开启程度和时间控制进气量。使用天然气运行时，燃气喷射阀向缸内喷射燃气，活塞上行压缩至上止点前引燃喷油器喷油进预燃室，引燃油燃烧后再点燃缸套内的燃气。

由于主机采用Otto循环，燃烧温度较低，可大幅减少NOx排放。据统计，采用天然气燃料的WinGD发动机可降低约20%的二氧化碳排放量、约85%的NOx排放量、SOx和PM几近为零，并且天然气燃料价格相对便宜，更加容易被船东接受。图6为双燃料发动机控制原理图。

对于已投入运营的船舶发动机，可大概根据表2的方案进行改造，从而满足严格的Tier Ⅲ排放要求，自由进出ECA排放控制区域。

（4）动态燃烧控制技术（DCC）

动态燃烧控制技术是双燃料发动机特定的控制技术，确保爆发压力在安全范围内，从而保证双燃料发动机在燃气低热值和恶劣海况的情况下正常运行100%负荷。如图7所示，双燃料发动机在爆发压力超过限制值时，自动激活 “动态燃烧控制技术”，也就是使用主喷油器喷射多点燃油和调整喷油定时，提高废气温度和增压器效率，从而提高扫气压力及增加扫气量，最终提高燃烧质量，减少爆燃现象。

4 结束语

随着WinGD船用低速发动机的技术创新，其在燃油消耗与运行稳定性上的不断改进，引领着未来船舶发动机电控技术的发展方向。双燃料发动机的开发，使得发动机可以应对日益苛刻的排放要求，满足市场对于绿色动力的需求。

参考文献

[1] 国际海事组织. 73/78防污公约MARPOL 73/78综合文本2006[S]. 人民交通出版社，2007.

[2] W?RTSIL? Company. Marine Installation Manual， 2012.

[3] W?RTSIL? Company. Information Release， 2013.

[4] W?RTSIL?二冲程集萃，2012.

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

[6] WinGD Technical Circular 7423.