W6X35型船用低速柴油機(jī)的研制

，，

(玉柴船舶動(dòng)力股份有限公司，廣東 珠海 519175)

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

1 開發(fā)思路和目標(biāo)

在瓦錫蘭經(jīng)實(shí)踐證明具有良好性能的傳統(tǒng)RTA型柴油機(jī)和新一代RT-flex電控共軌型柴油機(jī)的基礎(chǔ)上，根據(jù)柴油機(jī)燃燒理論，應(yīng)用電控技術(shù)，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(jī)控制系統(tǒng)“UNIC 控制系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)全電子智能控制燃油噴油定時(shí)、噴射時(shí)間、噴射速率、壓力以及排氣閥正時(shí)等;能夠有效地實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)在各種負(fù)荷下的性能最優(yōu)化，從而達(dá)到在滿足最新排放要求下，提高其經(jīng)濟(jì)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(jī)的主要技術(shù)規(guī)格和性能指標(biāo)

2 總體設(shè)計(jì)

W6X35柴油機(jī)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(jī)，其燃油噴射和排氣門驅(qū)動(dòng)的供油單元及其傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)采用電子控制共軌系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)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(jī)設(shè)計(jì)思想，大幅度減少了機(jī)械部件，由計(jì)算機(jī)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(dòng)、啟動(dòng)和氣缸潤滑都是電子控制液壓驅(qū)動(dòng)，無需凸輪軸及其傳動(dòng)輪系,具有良好的可靠性。圖1為W6X35柴油機(jī)外形示意。

圖1 W6X35柴油機(jī)機(jī)外形示意

3 新的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

W6X35智能柴油機(jī)除保留了RTA型和RT-flex型柴油機(jī)成熟的設(shè)計(jì)特點(diǎn)外，還具有新的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

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(yùn)行表面全程珩磨，氣缸套上有4個(gè)用于安裝氣缸滑油噴油器的孔，并采用油槽設(shè)計(jì)，使氣缸滑油達(dá)到更佳的分布效果，確?；钊麅?yōu)良的運(yùn)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(huì)產(chǎn)生明顯的低溫腐蝕。氣缸套上部還設(shè)計(jì)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(shè)抗磨環(huán)，內(nèi)有滑油冷卻腔?；钊捎?道活塞環(huán)設(shè)計(jì)，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(yùn)行壽命。氣缸套和活塞的基本結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 氣缸套和活塞基本結(jié)構(gòu)

3.2 曲軸角度傳感器

以往的柴油機(jī)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(shè)計(jì)不單增加了制造成本和維護(hù)成本，若船東想要在曲軸自由端配置軸帶發(fā)電機(jī)時(shí)，這種設(shè)計(jì)也會(huì)給軸帶發(fā)電機(jī)的布置帶來困難。W6X35智能電控柴油機(jī)采用全新的設(shè)計(jì)取代傳統(tǒng)的曲軸角度傳感器，這種設(shè)計(jì)是在中間齒輪上方安裝4個(gè)傳感器(見圖3)，在飛輪上安裝2個(gè)傳感器(見圖4)，通過中間齒輪上的4個(gè)傳感器來讀取曲軸的角度，通過飛輪上安裝的2個(gè)傳感器讀取曲軸的轉(zhuǎn)速和飛輪的上止點(diǎn)和下止點(diǎn)。這種新穎的設(shè)計(jì)，不但節(jié)約了制造成本和維護(hù)成本，同時(shí)也把曲軸的自由端解放出來，使軸帶發(fā)電機(jī)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(gè)燃油泵、兩個(gè)伺服油泵、傳動(dòng)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(dòng)齒輪室集成在機(jī)架上，布置十分緊湊。供油單元采用成熟的齒輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)，燃油泵和伺服油泵由曲軸齒輪通過中間齒輪驅(qū)動(dòng)，整個(gè)工作過程無需額外的電力驅(qū)動(dòng)，可以減少輔機(jī)電力的配備要求。燃油泵和伺服油泵分別互為備用設(shè)計(jì)，正常運(yùn)行時(shí)，2個(gè)泵同時(shí)工作并平分負(fù)荷，當(dāng)1個(gè)泵損壞時(shí)，另1個(gè)泵也可以完全滿足柴油機(jī)100%的負(fù)荷運(yùn)行，這個(gè)設(shè)計(jì)使船舶航行的安全性得到加強(qiáng)。燃油泵和伺服油泵均為高效泵，采用相同的齒輪設(shè)計(jì)，傳動(dòng)動(dòng)力來自于曲軸。為了保證燃油泵和伺服油泵卡死時(shí)齒輪不受損壞，2種油泵都設(shè)計(jì)有1個(gè)安全裝置，如果因油泵損壞轉(zhuǎn)子卡死時(shí)產(chǎn)生負(fù)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的反方向轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)的上層走臺(tái)上，主要包括燃油軌，伺服油軌和排氣閥液壓驅(qū)動(dòng)單元(VCU)和共軌箱。W6X35智能電控柴油機(jī)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(jī)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(shí)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(shè)計(jì)，孔的形狀為圓形，以往柴油機(jī)共軌管孔多為“8”字孔，采用圓孔設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)取消了燃油軌上的噴油控制單元，燃油軌上設(shè)有機(jī)械式的限流器，每個(gè)噴油器對(duì)應(yīng)一個(gè)限流器，通過UNIC控制系統(tǒng)直接控制噴油器實(shí)現(xiàn)燃油的智能噴射。

圖6 W6X35柴油機(jī)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(jī)的燃油噴射系統(tǒng)，高壓燃油泵通常由凸輪軸驅(qū)動(dòng)。由于凸輪軸結(jié)構(gòu)外形的特征，系統(tǒng)中高壓油管中的供油壓力會(huì)隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，這就很難保證柴油機(jī)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(huì)因轉(zhuǎn)速和負(fù)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(yùn)行時(shí)柴油機(jī)工作不可靠等缺點(diǎn)。而近年來出現(xiàn)的共軌燃油噴射技術(shù)是高壓油泵把油輸送到共軌管，通過柴油機(jī)智能控制系統(tǒng)對(duì)共軌管內(nèi)燃油壓力實(shí)現(xiàn)精確控制，使共軌管內(nèi)壓力的大小與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，燃油壓力在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)保持一個(gè)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(jī)轉(zhuǎn)速而變化的缺陷。

W6X35柴油機(jī)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(shè)有2個(gè)電磁控制、油冷式的噴油器，在燃油軌上為每個(gè)噴油器配備1個(gè)機(jī)械式的限流器，通過UNIC控制系統(tǒng)控制噴油器來實(shí)現(xiàn)智能噴油。

W6X35柴油機(jī)的燃油共軌系統(tǒng)是在RT-flex型柴油機(jī)燃油共軌系統(tǒng)上的進(jìn)一步優(yōu)化，兩種燃油系統(tǒng)的對(duì)比。RT-flex型柴油機(jī)燃油共軌系統(tǒng)，燃油泵由曲軸帶動(dòng)的復(fù)合凸輪軸驅(qū)動(dòng)，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(jī)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(dòng)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(jī)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(dòng)，具有更高的效率；燃油軌上取消了噴油控制單元，改配有機(jī)械式簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的限流器，由UNIC控制系統(tǒng)控制噴油器來實(shí)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(shí)間。W6X35柴油機(jī)的燃油共軌系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔高效，制造成本和維護(hù)成本更低。兩種燃油系統(tǒng)的對(duì)比示意見圖7。

3.6 靈活多變的噴油模式

W6X35柴油機(jī)在每個(gè)氣缸蓋上安裝了2只電控噴油器，它們是彼此獨(dú)立控制，可以根據(jù)需要制定噴油程序，使各自分別動(dòng)作或一致動(dòng)作。并且，各個(gè)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(dú)驅(qū)動(dòng)各個(gè)噴油嘴，使3只噴油嘴按各自不同的定時(shí)噴油。

圖7 兩種燃油系統(tǒng)的對(duì)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(jī)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(shí)現(xiàn)柴油機(jī)期望的性能優(yōu)化的目標(biāo)。

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(shù)。在RT-flex型柴油機(jī)上，采用CLU-4或CLU-4C的電子脈沖氣缸潤滑技術(shù)，摒棄了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了氣缸潤滑模塊化設(shè)計(jì)，利用脈沖功能，精確噴油定時(shí)和精確噴油量，改進(jìn)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(jī)上采用的新一代CLU-5氣缸潤滑技術(shù)，是對(duì)電子脈沖氣缸潤滑技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化。無論CLU-4還是CLU-4C，工作動(dòng)力都來自于伺服油，都帶有一個(gè)蓄壓器，用以避免伺服油管壓力油較大的波動(dòng)，保持伺服油壓力穩(wěn)定。蓄壓器充滿一定壓力的氮?dú)?，在起?dòng)蓄壓器后一周內(nèi)，至少檢查一次充氣壓力，3個(gè)月后再檢查一次，并建議每3個(gè)月檢查一次，同時(shí)要為蓄壓器配備一套專用的維護(hù)工具。而CLU-5潤滑油泵不是依靠伺服油來驅(qū)動(dòng)，供油泵將潤滑油加壓到大約5 MPa，當(dāng)柴油機(jī)控制系統(tǒng)UNIC 發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)時(shí)，潤滑油就會(huì)驅(qū)動(dòng)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(yù)緊，充當(dāng)外部的蓄壓器并向潤滑油泵提供驅(qū)動(dòng)需要的液壓，安全閥用于調(diào)節(jié)需要的運(yùn)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(gè)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔，省去了對(duì)蓄壓器定期檢查的維護(hù)工作，減少了蓄壓器配套的專用維護(hù)工具。新一代電子脈沖氣缸潤滑系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)機(jī)械式注油壓力低，以及注油量不能隨著柴油機(jī)工況變化等參數(shù)進(jìn)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(gè)獨(dú)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(gè)注油器的噴嘴頭部有多個(gè)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(shè)定氣缸滑油注射定時(shí)至需要的曲柄轉(zhuǎn)角，進(jìn)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(gè)工作行程中，使活塞在整個(gè)工作過程中都得到良好的潤滑作用。噴油時(shí)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(jī)的安裝

W6X35柴油機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到了船上安裝的方便性。安裝底座配有適當(dāng)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(gè)地腳螺栓上的推力套筒傳遞。所有的輔助設(shè)備及其布置均經(jīng)過優(yōu)化，以最大限度地降低安裝時(shí)間及費(fèi)用，而電氣方面的要求也是非常適度的。

4 性能試驗(yàn)

W6X35柴油機(jī)的試驗(yàn)完全滿足船級(jí)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(yàn)階段分別進(jìn)行了安全裝置試驗(yàn)、負(fù)荷試驗(yàn)、功能試驗(yàn)、緊急狀態(tài)下的運(yùn)行試驗(yàn)、燃油消耗測(cè)試、排放測(cè)試和試驗(yàn)后零部件的拆檢等。試驗(yàn)過程都是在船東和船級(jí)社驗(yàn)船師現(xiàn)場(chǎng)共同見證下，按照船級(jí)社審批的試驗(yàn)大綱進(jìn)行，整個(gè)試驗(yàn)過程十分順利，所有試驗(yàn)均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果得到船東和驗(yàn)船師的一致認(rèn)可，順利獲得船級(jí)社證書和排放證書。

5 結(jié)論

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

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

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