船用二冲程低速机技术进展与船用发动机油评定

黄胜军,赵玺,翟月奎

(中国石油大连润滑油研究开发中心,辽宁大连 116032)

船用二冲程低速机技术进展与船用发动机油评定

黄胜军,赵玺,翟月奎

(中国石油大连润滑油研究开发中心,辽宁大连 116032)

介绍了国内外船用低速二冲程发动机的现状、发展趋势,Wartsila和MAN B&W公司船机的最新技术以及美孚、道达尔、壳牌石油等国外油公司评定船用发动机油的试验台架。强调船用发动机油的开发要与船用发动机技术的发展紧密结合,通过与船用发动机制造商(OEM)的合作取得相关油品认证对于油品公司具有重要意义。

低速机;二冲程;发动机;船用油;评定;台架

Abstract:The present status and deve lopm ent trend of low speed tw o-stroke m arine engines in China and abroad are introduced.The latest technology of the W artsila and MAN B&W m arine engines and the test benches for evaluating m arine engine o il by overseas petroleum corpo rat ions,such as Exxon M obil,Total,Shell are described.It is emphasized that the developm ent ofm arine engine oil should be in close connection w ith the developm ent ofm arine engine technology.It is significant for o il company to cooperate w ith m arine engine m anufacturers(O EM)to obtain the oilp roducts certification.

Key words: low speed engine;two-stroke;engine;m arine engine oil;evaluation;test bench

0 引言

船用二冲程十字头低速机具有单机功率大、发动机效率高及可燃烧劣质渣油等优点,拥有直接、可靠的动力输出,运行和维护成本低,不论是现在还是将来,都是远洋货运船的最佳动力输出机组。

近年来,船用发动机技术进入快速发展期,船舶发动机技术在向大缸径、长冲程、大功率、低能耗和低排放等方向发展。由于气缸行程缸径比增大,注油量降低,润滑油在高温区的停留时间延长,要求润滑油具有更好的热氧化安定性和更高的酸中和能力、扩散速度及优异的抗磨性能;随着现代炼油工艺的不断发展,催化裂化技术广泛应用可能使船用渣油中的催化剂残留量提高,燃料油灰分和稠环芳烃含量增加,结果导致十字头低速机必须使用高温清净性及抗磨性更好的船用气缸油;现代船机应用了大量新材料及新工艺也要求有更加适用的润滑油产品。船用润滑油的研发要与发动机的技术进步紧密结合,加强与船用发动机制造商(OEM)的合作显得尤为重要。

1 船用低速机的现状及发展

全球船用低速机产品市场主要被MAN B&W公司、Wartsila公司以及日本三菱重工所垄断。MAN B&W和 Wartsila公司的缸径 260～1080 mm,功率1600～97300 kW的低速柴油机产品分别占世界份额的 57%和 33%,日本三菱重工的份额近 10%,主要装备在本国船舶上[1]。

目前,船用低速机的发展趋势是:

(1)单机、单缸功率越来越大。MAN B&W公司已推出缸径为 1080 mm、单机最大功率可达 9.8× 104kW的柴油机,该公司 K98MC机的最大单缸功率为5719 kW。

(2)油耗、NOx排放和烟度不断降低。

(3)产品性能不断提高,平均有效压力已达1.90～1.95 MPa(19.0～19.5 bar),最高燃烧压力为15.0～15.59 MPa(150～155.9 bar)。

(4)采用先进的电子液压控制系统、高压共轨燃油喷射系统等,低速二冲程柴油发动机的可靠性和操作简便性进一步提高。目前,MAN B&W公司、Wartsila公司分别推出了电子控制的ME型机以及RT-flex智能型机。

(5)燃料多样化。为降低成本,增大动力,大功率的二冲程低速机正由燃用柴油转向重油,燃用重油的主机需求量大幅增加。

MAN B&W公司和Wartsila公司均是采取技术外包方式,与世界许多国家和地区的发动机生产商签订技术许可证,生产MAN B&W和Wartsila发动机。目前,MAN B&W主机有80%在中国生产,Wartsila主机有 30%也在中国生产。大连船用柴油机厂(DMD)、沪东重机股份有限公司(HHM)和宜昌船舶柴油机厂(Y MD)承担了大批MAN B&W和Wartsila发动机订单,不仅满足了我国国内造船厂的需求,还大量远销海外。

2 国外船机主要产品及其技术

2.1 Wartsila-Sulzer低速机

Wartsila-Sulzer RTA系列低速柴油机已经经历了 20多年的发展,成为一个能够适应现代船舶设计的最可靠的发动机系列。RTA系列低速机可以适用于各种货船的需求,功率覆盖 5100～80080 kW (7000～109000 bhp)。

RTA发动机的设计理念是:简单,可靠,紧凑,轻质。自从 1982年应用以来,此系列发动机不断地进行更新升级。RTA系列发动机主要技术特点有:

(1)使用镍铬合金排气门,提高寿命。

(2)阀控喷射泵精确控制喷射定时,并且稳定可靠。

(3)所有的缸套、燃烧室部件经受低温、拉压应力,以延长寿命。

(4)使用可变喷射定时以达到部分负荷下优越的燃料消耗。

(5)凸轮轴由齿轮传动保证定时的长期稳定。

(6)采用多级气缸润滑以达到最佳的机油分布。

Wartsila引进了“TriboPack”技术,它将使 RTA发动机大修间隔时间大大延长,以及较低的气缸油供给率。“TriboPack”的主要特点有(见图 1):

(1)深度研磨出理想的气缸套跑合面。

(2)在缸套顶部加装抗抛光环,以清除顶环台积炭。

(3)缸套表面保证适当的温度分布。

(4)最佳的气缸润滑油供给和分配。

(5)顶环采用陶瓷镀铬预处理。

(6)有效的去除扫气冷却器中携带的水分。

图 1 Wartsila-Sulzer低速柴油机气缸技术

Wartsila-Sulzer目前在进行向 RTA系列发动机引入共轨技术,即 RT-flex系列。它使得排放大大降低,部分负载时燃料消耗下降,采用全电子控制使得操作更加简单,采用了液压驱动的排气阀等等。这些改变使 RT-flex系列发动机具备了顶级性能。Wartsila低速机采用了新的气缸润滑系统——脉冲润滑系统,该系统可以在不影响活塞运行可靠性的情况下,改善气缸油在缸套上的分布,减少润滑油耗,降低发动机运行成本。这一目的是通过使用非常灵活、精确的供油正时来实现。

Wartsila RT-flex燃油共轨技术的主要特点有:

(1)能够精确控制喷油量。

(2)可变的喷油速率以及自由的喷油压力调节。

(3)可独立控制喷射阀的开闭。

(4)通过对燃油量的精确控制使每个气缸达到完美的平衡,通过精确的喷射定时控制,使每个气缸的热负荷相同。

2.2 MAN B&W低速机

2.2.1 MC/MC-C系列

MAN B&W MC系列柴油机自 1982年研制成功并投入运行,至今有 20余年。低速大功率柴油机通过不断提高爆发压力、平均有效压力和提高行程缸径比以增加功率的输出是其设计发展的主要趋势,见图2。

图2 MAN B&W低速机参数的发展变化

MC系列发动机功率覆盖 2000～87220 kW,转速覆盖 97～250 r/min,缸径从 260～980 mm。经过持续地改进与完善,MAN B&W的MC船用低速柴油机在市场上已占有相当重要的地位。为满足功率提高后各零部件的可靠性,MAN B&W低速柴油机设计上主要有以下特点,见图 3。

(1)气缸套壁厚有所增加,以提高承受机械负荷的能力。

(2)气缸套增加了钻孔冷却且支承凸缘高度比原来的短,相应的气缸盖加深,将暴露于燃烧室表面的较大部分包含在钢制气缸盖内,因而可避免以往因过热而导致铸铁件缸套产生裂纹的现象。

(3)采用新型OROS活塞,该活塞将活塞环向下移动,降低活塞环的热负荷,以减少高温下环台和环槽内生成积炭的倾向。

(4)在缸盖和缸套间加装活塞清净环,可刮去活塞顶环台的积炭。

(5)排气阀壳进行了设计改进,壁厚增加,冷却水量减少。目的是为了消除阀壳腐蚀的危险。此外,为了避免排气阀液压启闭系统在泄漏时导致的排气阀面与阀座之间的撞击,采用了阻尼关闭机构。

(6)对第一道环进行了加厚设计且采用了 CPR (Controlled Pressure Relief)设计概念,具有一定气密性,它能改善缸套和第二道环的热负荷,延长了检修间隔,使活塞环运行在最佳压力下,这样可以获得最佳的油膜载荷。

图3 MAN B&W低速机气缸主要技术

2.2.2 ME/ME-C系列

现代化的微机电子控制技术早已应用到汽车发动机中,使用重油的大型船用柴油机也开始采用这种技术。与MC型柴油机相比,ME型柴油机由于采用了电子控制系统,机械零部件减少了大约 7 t左右。ME系列发动机功率覆盖 4350～97300 kW,转速覆盖 94～167 r/min,缸径从 350～1080 mm。

这种柴油机的燃油喷射和排气阀等重要参数都是电子控制的,改变了传统柴油机由凸轮轴控制的方式。燃料喷射是由增压器完成的,相比传统MC发动机的燃油泵更为简单。ME发动机上的燃油柱塞是由高压油控制的,可控制燃油喷射定时、压力分布和喷射的燃油量。

在液压回路中,润滑油被作为媒介 (如图 4),它经由精滤器过滤后,由液压动力供应单元增高压力后,经过防护管进入液压气缸单元。每个气缸都有一个液压气缸单元 (HCU),它由燃油增压器和排气门执行器组成。此外,HCU上还装有 F IVA(燃油喷射和气门执行控制阀)和阿尔法(Alpha)注油器等设备。阿尔法注油器是一个计算机控制的间歇式气缸润滑器系统,能够减少润滑油用量。

图4 M E发动机液压回路

宜昌船柴厂生产的小缸径低速机 S35MEB[2],是由MAN公司开发的新一代船用节能环保型低速大功率柴油机。ME-B设计概念:采用电控燃油喷射技术、电控气缸润滑油注入技术,而排气阀控制仍为机械式。即采用了一种全新的综合控制模式,一方面实现了燃油喷射的灵活控制,另一方面降低了小缸径低速柴油机的制造成本 (对于小缸径低速柴油机而言,电控元件所占成本相对较高),具有广阔的市场前景。同传统的MC系列柴油机相比,ME-B柴油机主要增加了下列控制部件:

(1)控制单元。

(2)液压伺服油供液压单元(HPU)。

(3)液压气缸单元 (HCU),包含电控燃油喷射。

(4)电子阿尔法气缸注油器。

(5)气缸压力监控系统(PM I)。

宜昌船柴厂生产的Y MD-MAN B&W S35MEB船用电控低速柴油机结构具有下述特点:

(1)缸套:轻型强化结构,带清洁环。

(2)活塞:带冷却油孔、镀铝活塞环、高顶部结构。

(3)十字头:导滑块采用低摩擦力结构 (导滑块高度与宽度比降低,摩擦损失减少 24%)。

(4)连杆:轻型结构。相比MC机型,质量减少约20%。

(5)曲轴:锻钢半组合式。

(6)液压气缸单元(HCU):每两缸配一只 HCU,包括一个分配器、两个蓄压器、两只燃油升压泵、两个 ELFI比例阀、两个阿尔法电子注油器。燃油喷射由气缸控制单元(CCU)控制 ELFI比例阀执行动作。阿尔法电子气缸注油器整合在 HCU上,改进了气缸油喷油定时、改善了气缸内油膜分布、注油量控制更灵活、恒压注油。

3 船用油及评定技术发展

3.1 船用油现状

国外船用油的研发紧跟船舶发动机技术的发展,力求满足在新型发动机苛刻工况下对润滑油的要求。国外主要船用发动机油提供商如 ExxonMobil、Shell、BP、Chevron及 Total等公司船用发动机油产品一般要通过MAN B&W和Wartsila等船舶发动机的OEM认证,方可推荐用于其生产的发动机上。船用低速发动机油具有完整的碱值系列,可以为不同硫含量的船用燃料提供相应碱值的润滑油。

船用油没有类似车用油的通用规格,最终验证产品的手段就是行船试验。目前船用油海外市场基本由 Shell、ExxonMobil等几大油品公司占据。据统计,目前全球船用润滑油的需求量大约是 250万 t/a左右,而船用低速发动机油大概占整个船用润滑油的 60%以上。2001～2007年,全球船用油年需求增长率为 3%,远洋船用润滑油的增长率为 11%。随着船运事业的发展,更多新型油轮、散货船和大型集装箱船将进入市场,对高品质低速发动机油的需求将随之逐年增加。

2007年底,中国石油润滑油公司船用油销量达到 4万 t,成为国内最大的船用油供应商,占国内船舶用油量 35%,昆仑船用润滑油成为中远集团(COSCO)唯一指定使用的中国品牌船用润滑油。2008年,昆仑船用气缸油和系统油获得Wartsila认证,可推荐用于Wartsila各大型低速二冲程机上,同时中国石油润滑油公司与国外大型船运公司马士基建立了良好的合作关系[3]。马士基航运公司年使用润滑油约 11万 t左右,其全球润滑油的采购只选择了 3家供应商,中国石油润滑油公司是其选择的唯一中国供应商,要求润滑油公司提供全船润滑油配套产品。

3.2 船用油技术发展

目前国外发表的文献和专利关于船用气缸油的研制文献报道很多。其中主要提到了添加剂公司(如:Infineum)和润滑油公司 (如:Exxon、Texaco等)气缸油的清净剂、分散剂和抗磨添加剂等成分在分子结构和性质方面的研究成果,并且提出了针对不同燃料油合理使用碱值的理论[4]。由于环保法规的日益严格,世界上不少国家或组织都对船用燃料油中的硫含量进行了限制,单一碱值船用低速机使用的气缸油已难以适应燃料油中硫含量的大幅波动。如果对低硫燃料长期使用高碱值的气缸油,则会带来活塞沉积物增加、磨损加剧等严重问题。反之,如果对高硫燃料使用过低碱值的气缸油,则会造成气缸、活塞等部件腐蚀。针对这一问题,马士基公司开发了气缸油的在线调合系统 (Blend on Board-BOB工艺),即根据燃料油中硫含量的变化,用系统油在线补加气缸油添加剂的方式以调合适当碱值的气缸油产品,达到节能降耗和延长发动机使用寿命的效果。国外润滑油公司已经紧跟这项技术开始相关的研究工作。国内中国石油润滑油公司针对 BOB工艺,成功开发出加剂量远低于原有气缸油配方的BOB系统专用气缸油复合剂,并于 2009年通过马士基 4000 h行船使用试验,获得了MAN B&W的认证。

国内船用油技术发展相比国外先进水平还有一定差距,主要体现在润滑油技术和生产配方相对陈旧,并且产品系列不完善。国内的船用润滑油通过世界主要OEM技术认证的产品种类也相对较少,可以说船用油评定技术发展缓慢某种程度制约了船用油的研发。

3.3 船用低速机试验评定台架

1998年美孚建立了一台全尺寸十字头发动机台架,专门用于推动船用油技术的发展。埃克森美孚声称,它仍然是石油工业中唯一使用的全尺寸二冲程发动机评定台架。该测试发动机 -Sulzer 6RTA38安装在法国 Gravenchon的欧洲技术中心,被命名为 Explorer,其主要目的是促进润滑油技术的发展。台架也可以作为当地炼油厂的大功率发电机。该发动机的总输出功率为 4080 kW(5550 hp),配置先进的电子设备和 SIPWA活塞环磨损监视器,以及安装有减低NOx排放的装置,并且具有六缸分段气缸油供给系统。

目前每年进行大约 2～3次测试,每阶段持续大约 3个月,该试验发动机一天24 h在90%至95%的负载下运转。正常的试验运转时,气缸油补给量为0.95 g/kW·h(0.7 g/bhp),同时还可研究更高和更低的供给量对发动机的影响,这有助于了解在较宽供给率范围下气缸油的使用效果。采用该低速机台架可用于评价油品配方以达到最佳性能,也可用于对不同添加剂和基础油进行选择,还可用于发动机部件试验和不同硫含量燃料的试验。试验过程中可至少在两个气缸内试验参考油,其余四个气缸内进行试验油的考察。在低速机台架上进行气缸油和系统油评价较实船试验大幅度降低了成本。

石油巨头 Total Fina Elf在里昂研发中心(CRES)安装了一个发动机台架— Innovator(改革者)-4 C。该发动机是根据 MAN B&W 5L16/24 (160 mm缸径,240 mm行程)重新设计的。它的 5个气缸被改造成 3个分隔的润滑回路,其中两个用于配方油试验,一个用于参比油。并且安装有多种传感器和综合电子控制和信息管理系统。装备了废气处理系统,以待更严格的环境排放控制。Innovator-4C特殊的气缸结构可以在同一时间及同样的温度、压力工况下比较两种配方油性能。该台架被用来验证二冲程和四冲程发动机油的性能。它也同样被用于新型添加剂、可生物降解润滑油的基础研究。

壳牌石油于 1968年在船用润滑油性能试验方面建立了一个全尺寸低速机台架——Sulzer 2RNF68M机组。但在 1993年这个台架被废弃,同时引进了新型船用发动机台架,以四个发动机台架涵盖各领域船用发动机润滑油试验。壳牌当前使用的评价船用油品试验发动机有:

(1)单缸四冲程Deutz发动机,使用柴油。(2)Bolnes二冲程发动机,使用重质燃油。(3)卡特皮勒发动机,使用重质燃油。

(4)Wartsila 4L20B中速机,使用重质燃油。2002年升级为 4L20D型[5]。定技术具有迫切的需求。

国外油品公司,在台架评价方面手段较多,一般采用Wartsila、MAN B&W等公司技术先进的小缸径船机进行台架试验,并且辅助单缸机台架进行条件强化模拟试验,这可供国内船用油发动机评定方法的建立所借鉴。

随着行业国际化的发展,中国石油润滑油公司已经与马士基等国际物流公司建立了合作关系,并开始提供船用油产品。结合船机技术发展,尽快建立船用油的评价方法,开展船用油系列产品的研究与认证,将极大地促进国内船用油水平的提高。

[1]金冬寒.船用大功率柴油机价格走势分析及预测[J].柴油机,2007,29(1):1-4.

[2]宜昌船舶柴油机有限公司产品介绍[EB/OL].[2009-09-01]http://www.ymd.com.cn/ymdcpzs/91934.htm.

[3]杨俊杰,翟月奎.大功率内燃机润滑油 30年[J].内燃机学报,2008,26(增刊):47-52.

[4]J Hengeveld.现代中速柴油机机油苛刻度模型及其在Wartsila 4L20试验机上的验证[J].国外内燃机车,2000 (2):16-22.

[5]Thijs Schasfoort.ShellUses theWartsila 4L20 for Lube Oil Development[J].EnergyNews,2005,22(4):32-35.

4 结束语

船用发动机技术发展较快,为了满足船用柴油机的发展要求,船用润滑油的开发也受到油公司的高度重视。国外船用油研发紧跟船舶发动机技术的发展,已率先推出新型高性能气缸油产品以满足现代发动机技术进步、燃料油质量变化及环保法规的需要,满足新型发动机在苛刻工况下对润滑油的要求。国内船用油技术的发展对于船用油的发动机评

Techn ica l P rogress of Tw o-S troke L ow Sp eed M a rine Engine and M a rine Engine O il Eva lua tion

HUANG Sheng-jun,ZHAO X i,ZHA I Yue-ku i
(PetroChina Dalian Lubricating O ilR&D Institute,Dalian 116032,China)

TE626.3

A

2010-09-09。

黄胜军(1979-),男,工程师,2005年毕业于上海同济大学机械电子工程专业,主要从事润滑油台架评定工作,已公开发表论文数篇。

1002-3119(2010)05-0031-06