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 發動機研發部,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,國內造船業訂單的放量劇增。

據統計,我國近25年來引進的船用配套設備專利技術生產許可證項目共54項,其中船用柴油機制造占極大份額。但是國內制造商在生產管理、技術管理、機電配套產品等方面,與國外同類行業還存在著明顯的差距。在諸多的柴油機許可證技術引進并開展國產化研制工作中,按許可證技術即使是全部通過國內認可,按產值計算國產化部分的比例最多也只能達到整機的70%左右。部分關鍵配套件(占柴油機成本的30%)仍作為專利產品被技術轉讓方控制,需要整件進口。所以,推出具有我國自主知識產權的品牌柴油機在船舶上應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,不利于國內船舶生產廠家與國外廠家的競爭。

同時,隨著科學技術的不斷進步和環保意識的日益加強,對船用柴油機的排放要求也日趨嚴格;另外,世界范圍內的能源匱乏和石油價格的飚升要求使用具有良好經濟性的牽引動力。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型柴油機為基礎進行的設計。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,該系列柴油機結構布局合理,經濟性、動力性、可靠性、耐久性、排放性能等指標優良,達到了預期設計要求。現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柴油機的基礎上按CCS規范要求經過強化設計而成,其功率覆蓋范圍2 400～3 800 kW。為了適應船舶柴油機應用的需要,對啟動系統、冷卻系統、潤滑油系統、控制系統、安全系統、輸出方式、支承方式等做了重新設計。

柴油機主要零部件均經過了詳細計算。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排氣系統及與之相配的新配氣相位和凸輪型面,與強化參數相適應的冷卻系統,強化后的受力部件(如氣門、連桿瓦),電子調控系統。另外啟動系統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。

1.1 應用AVL公司BOOST軟件優化的燃燒系統

運用BOOST軟件對柴油機的配氣正時、供油提前角、增壓器性能參數進行優化,使柴油機的經濟性有較大的提高,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控系統

應用PAC技術和獨特的系統結構使該系統具有功能強、可靠性高、自動化程度高的特點。該系統通過了CCS的“鹽霧、高溫、振動、油水”等惡劣環境條件下的測試。

1.3 采用非線性高次方函數凸輪

該凸輪具有加速度幅值小、豐滿系數大的優點;較寬的勻減速運動、最小曲率半徑小、接觸應力低。

1.4 采用XINPC增壓系統

該系統具有各氣缸掃氣系數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、排氣系統結構簡單等優點。

1.5 與原生產成熟產品的繼承性

該機是在我廠批量生產的16V280ZJA型柴油機的基礎上,使用先進的設計手段和國內外成熟的計算程序,借鑒同類機型的結構與經驗,進行強化設計而成,屬280型柴油機的系列機,與原產品有很大的繼承性和互換性。這樣極大地方便了老產品的改造,給鐵路牽引的更新換代帶來巨大的經濟效益,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

該機整體設計指標屬國內先進水平,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、降低柴油機制造成本

該機采用國內外先進設計、工藝制造技術,其主要零部件的制造均來自國內著名專業廠家和本廠,國產化率高,這樣在保證產品質量的前提下具有較低的產品價格,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參數及性能指標

主要參數見表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數據

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,燃油消耗率和熱負荷均較低,機械負荷在允許范圍內,達到設計要求。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于16V280ZJA柴油機,從表2中所列主要參數的對比可清楚的看到這一點。這一結果說明V280/285系列船用柴油機的增壓和配氣系統的設計是合理的。

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規則》中的要求,見表3。

表2 性能參數比較表

表3 排放特性

裝用電子調速器后,較大的改善了V280/285系列柴油機的整機性能。調速性能良好。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速游車等問題;柴油機能在350 r/min的轉速下穩定運行。可使柴油機在各種特定條件下工作時有更好的適應性。

4 結束語

試驗表明V280/285系列柴油機各參數良好,指標屬國內先進水平,各主要性能達到了設計要求,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系列柴油機的設計是成功的,尤其是ABB增壓器、海茵茨曼電子調速器、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、輔助發電、泥泵主機、液壓泵站、電軸系統等,同時,也可以運用于陸用發電機組。該系列柴油機比國外同類產品性價比高,交貨周期短、服務及時、配件價格低廉,維護保養成本低。預期在船舶及陸用發電市場具有良好的推廣運用前景。