V280/285系列船用柴油機的研制

滕 超

(中國南車集團公司 資陽機車有限公司 發(fā)動機研發(fā)部,四川資陽641301)

隨著全球船運市場的興旺,世界新造船投資額激增,國內(nèi)造船業(yè)訂單的放量劇增。

據(jù)統(tǒng)計,我國近25年來引進的船用配套設(shè)備專利技術(shù)生產(chǎn)許可證項目共54項,其中船用柴油機制造占極大份額。但是國內(nèi)制造商在生產(chǎn)管理、技術(shù)管理、機電配套產(chǎn)品等方面,與國外同類行業(yè)還存在著明顯的差距。在諸多的柴油機許可證技術(shù)引進并開展國產(chǎn)化研制工作中,按許可證技術(shù)即使是全部通過國內(nèi)認可,按產(chǎn)值計算國產(chǎn)化部分的比例最多也只能達到整機的70%左右。部分關(guān)鍵配套件(占柴油機成本的30%)仍作為專利產(chǎn)品被技術(shù)轉(zhuǎn)讓方控制,需要整件進口。所以,推出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的品牌柴油機在船舶上應(yīng)用就顯得尤為重要了。特別是近年需要的、在2 000～5 000 kW中等功率范圍內(nèi)的船用柴油機,國外的柴油機要價太高,造成船舶成本飆升,不利于國內(nèi)船舶生產(chǎn)廠家與國外廠家的競爭。

同時,隨著科學技術(shù)的不斷進步和環(huán)保意識的日益加強,對船用柴油機的排放要求也日趨嚴格;另外,世界范圍內(nèi)的能源匱乏和石油價格的飚升要求使用具有良好經(jīng)濟性的牽引動力。因此,為了獲得最大的運用效益和社會效益,目前國內(nèi)外大功率中高速柴油機(特別是船舶和機車動力)均向著高強化、低油耗、低排放、高壽命、可使用多種燃料、維護簡易的方向發(fā)展。

鑒于此,我公司為填補我國此功率等級柴油機的空白和開辟船用柴油機市場,從2007年開始進行V280/285系列船用柴油機的研制工作。該系列船用柴油機主要用作船用主機和輔機。

V280/285船用柴油機系列是以我公司16V280ZJA型柴油機為基礎(chǔ)進行的設(shè)計。它包含12V280ZC、12V280ZD、16V280ZC、16V280ZD 4 種柴油機,功率覆蓋范圍2 400～3 800 kW。經(jīng)過近1年的努力,V280/285系列船用柴油機研制成功,并在柴油機性能臺位上通過了全面性能試驗、中國船級社(CCS)型式試驗及耐久性試驗等。對樣機進行的一系列嚴格的試驗表明,該機達到了設(shè)計要求,取得CCS型式認可證書和EIAPP排放證書。通過運用考核表明,該系列柴油機結(jié)構(gòu)布局合理,經(jīng)濟性、動力性、可靠性、耐久性、排放性能等指標優(yōu)良,達到了預(yù)期設(shè)計要求?，F(xiàn)該系列柴油機已批量裝船進行運用考核。

1 V280/285船用柴油機主要特點

V280/285型系列柴油機是在16V280ZJA柴油機的基礎(chǔ)上按CCS規(guī)范要求經(jīng)過強化設(shè)計而成,其功率覆蓋范圍2 400～3 800 kW。為了適應(yīng)船舶柴油機應(yīng)用的需要,對啟動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、輸出方式、支承方式等做了重新設(shè)計。

柴油機主要零部件均經(jīng)過了詳細計算。該機采用高效高壓比的VTC254型增壓器,高效高可靠性GEA的強化中冷器,MIXPC排氣系統(tǒng)及與之相配的新配氣相位和凸輪型面,與強化參數(shù)相適應(yīng)的冷卻系統(tǒng),強化后的受力部件(如氣門、連桿瓦),電子調(diào)控系統(tǒng)。另外啟動系統(tǒng)采用了英格索蘭空氣起動馬達,盤車機采用了電動加手動盤車機構(gòu)。

1.1 應(yīng)用AVL公司BOOST軟件優(yōu)化的燃燒系統(tǒng)

運用BOOST軟件對柴油機的配氣正時、供油提前角、增壓器性能參數(shù)進行優(yōu)化,使柴油機的經(jīng)濟性有較大的提高,降低了機械負荷、熱負荷,從而提高了柴油機的可靠性。

1.2 先進可靠的柴油機無人值守自動監(jiān)控系統(tǒng)

應(yīng)用PAC技術(shù)和獨特的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使該系統(tǒng)具有功能強、可靠性高、自動化程度高的特點。該系統(tǒng)通過了CCS的“鹽霧、高溫、振動、油水”等惡劣環(huán)境條件下的測試。

1.3 采用非線性高次方函數(shù)凸輪

該凸輪具有加速度幅值小、豐滿系數(shù)大的優(yōu)點;較寬的勻減速運動、最小曲率半徑小、接觸應(yīng)力低。

1.4 采用XINPC增壓系統(tǒng)

該系統(tǒng)具有各氣缸掃氣系數(shù)和各氣缸排氣溫度均勻,避免了大的掃氣干擾、排氣溫度低、氣缸泵氣功損失少、油耗率低、排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。

1.5 與原生產(chǎn)成熟產(chǎn)品的繼承性

該機是在我廠批量生產(chǎn)的16V280ZJA型柴油機的基礎(chǔ)上,使用先進的設(shè)計手段和國內(nèi)外成熟的計算程序,借鑒同類機型的結(jié)構(gòu)與經(jīng)驗,進行強化設(shè)計而成,屬280型柴油機的系列機,與原產(chǎn)品有很大的繼承性和互換性。這樣極大地方便了老產(chǎn)品的改造,給鐵路牽引的更新?lián)Q代帶來巨大的經(jīng)濟效益,同時也將大大縮短研制周期。

1.6 強化程度符合我國工藝和運用水平

該機整體設(shè)計指標屬國內(nèi)先進水平,同時考慮了我國工藝和運用水平,強化程度適中,便于在我國廣大鐵路運用部門和船運部門使用。

1.7 立足國內(nèi)、降低柴油機制造成本

該機采用國內(nèi)外先進設(shè)計、工藝制造技術(shù),其主要零部件的制造均來自國內(nèi)著名專業(yè)廠家和本廠,國產(chǎn)化率高,這樣在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下具有較低的產(chǎn)品價格,同時也降低了維修成本,并可保證備件的及時供給。

2 V280/285系列船用柴油機主要技術(shù)參數(shù)及性能指標

主要參數(shù)見表1。

3 V280/285系列船用柴油機的試驗

樣機進行了運用特性試驗、外特性試驗、負荷特性試驗、空載燃油消耗量試驗、熱平衡試驗、啟動特性試驗、恒扭矩特性試驗、振動和噪聲聲壓級測量、各種保護功能試驗和排放等測試。

表1 V280/285系列柴油機主要技術(shù)數(shù)據(jù)

試驗表明V280/285系列船用柴油機整機性能良好,在整個運用范圍內(nèi),燃油消耗率和熱負荷均較低,機械負荷在允許范圍內(nèi),達到設(shè)計要求。在額定工況n=1 000 r/min、Ne=237.5 kW/缸時,燃油消耗率 ge=201.5 g/(kW?h),氣缸蓋出口平均排溫 Tr=406℃,渦輪進口溫度 Tt=522℃,平均爆發(fā)壓力 Pz=13 MPa;在超負荷功率261 kW/缸時,ge=201 g/(kW?h),Tr=427 ℃,Tt=535 ℃,Pz=14.2 MPa;在75%負荷工況n=910 r/min、Ne=178 kW/缸時,ge=203.1 g/(kW?h),Tr=369℃,Tt=510℃。

V280/285系列船用柴油機整機性能優(yōu)于16V280ZJA柴油機,從表2中所列主要參數(shù)的對比可清楚的看到這一點。這一結(jié)果說明V280/285系列船用柴油機的增壓和配氣系統(tǒng)的設(shè)計是合理的。

對柴油機的排放進行檢測表明V280/285系列船用柴油機的排放指標達到《船用柴油機氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則》中的要求,見表3。

表2 性能參數(shù)比較表

表3 排放特性

裝用電子調(diào)速器后,較大的改善了V280/285系列柴油機的整機性能。調(diào)速性能良好。各項指標均達到或超過鐵標一級精度要求,還可以有效地解決柴油機低轉(zhuǎn)速游車等問題;柴油機能在350 r/min的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行。可使柴油機在各種特定條件下工作時有更好的適應(yīng)性。

4 結(jié)束語

試驗表明V280/285系列柴油機各參數(shù)良好,指標屬國內(nèi)先進水平,各主要性能達到了設(shè)計要求,且通過了CCS船級社型式認證和排放認證,說明該機的研制是成功的,達到了預(yù)期的目標。

從V280/285系列柴油機的運用考核情況看,V280/285系列柴油機的設(shè)計是成功的,尤其是ABB增壓器、海茵茨曼電子調(diào)速器、Ingersoll Rand啟動空氣馬達、GEA空冷器、油霧探測器等部件的采用大大提高了柴油機整機的工作可靠性。

該系列柴油機主要運用于船舶主推進、輔助發(fā)電、泥泵主機、液壓泵站、電軸系統(tǒng)等,同時,也可以運用于陸用發(fā)電機組。該系列柴油機比國外同類產(chǎn)品性價比高,交貨周期短、服務(wù)及時、配件價格低廉,維護保養(yǎng)成本低。預(yù)期在船舶及陸用發(fā)電市場具有良好的推廣運用前景。