MTU2000/4000系列推進柴油機的輪機設計特點

陸威崙

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所 上海201108）

引 言

MTU2000/4000系列柴油機是德國MTU公司（現改名羅爾斯·羅伊斯動力系統公司，但產品仍用MTU品牌）于上世紀末設計上市的產品，由于其較高的功率密度和結構的緊湊性以及良好的可靠性，在世界范圍內被廣泛用于高速艦艇。此外，由于其較低的燃油消耗率及能滿足各種現行排放標準的優良性能，在民用領域（特別是在各種高性能船舶領域）也獲得了普遍應用。我國各船舶設計院所從本世紀初起，從邊防、海關等軍用、軍貿、政府公務船開始，繼而發展到各種民用用途大量采用了這兩種系列的機型。

這兩種系列的發動機目前仍然是世界上的先進機型。由于其結構和性能的特點，在船舶設計中采用這兩種機型作為推進主機時，技術上具有一些需要特別注意的特點。了解并掌握這些特點，對更好地發揮柴油機性能，正確地完成船舶設計工作大有益處。

1 輪機設計特點

1.1 機型選擇

機型選擇這是輪機工程師首先遇到的問題。MTU柴油機機型復雜、改型眾多，對具體用途應該選什么機型均有嚴格規定。MTU船用柴油機主機按照不同用途分成1A、1B、1D、1DS幾個組，各應用組的具體適用范圍見表1。

表1 MTU發動機的應用分組

不同船型因其用途不同，主機的工作要求、工作強度也不同，所以各應用組的機型實際上是同一基本機型根據不同用途做出的改型。

1A組的典型船型是各種用途的工作船，其主機運行特點是連續運行的時間很長，每年的工作小時數多，并且要經常在最大功率情況下工作。因此要求其以小時為單位的大修間隔時間較長，以保證在一個大修期內有足夠的工作年數。為此在同一機型的四種改型中1A組標定的最大功率最低。

定班渡輪是1B組的代表性船型，其運行特點是離碼頭時功率逐漸增大，進入航線后全功率運行，靠碼頭時由最大功率逐漸減小直至停機。因此它的主機最大功率運行時間很長，但在一天中通常只工作8～10 h，其他時間則處于停機狀態。

1D、1DS是巡邏艇、游艇應用組，其特點是最大功率使用時間短，大部分時間使用巡航功率，發動機的年工作時間也短，因此在四種改型中1DS用途的標定功率是最高的。這樣即使以總工作小時數衡量的大修期較短，也仍然可以使用好幾年才進行大修。

所以原則上應根據船舶用途在相應的應用組內選取機型，否則會引起發動機的早期損壞。例如，如果把1DS組的12V2000M94發動機用作客船主機，盡管功率能滿足要求，但發動機會因最大功率運行的時間比例過高，最終不堪重負而損壞。如果把1B組的機型用在巡邏艇上，由于負荷比客船輕，則是允許的。

MTU柴油機的改型非常復雜，基本上可以實現一種用途一種機型，慎重起見，在機型選取階段要通過咨詢進行澄清。

1.2 功率標定和使用

只有了解了功率標定的規定才能正確使用其功率。從二十世紀九十年代初起，MTU柴油機規定其所有主機一律以ISO 的ICFN功率，即ISO標準的可持續使用的燃油限制功率作為標定功率。因此這是發動機可以提供使用的最大功率，沒有超越的可能。當船舶要求必須具備超負荷功率時，只能把標定功率按要求打折作為設計功率。二十世紀，由于我國船檢的規定，該情況時有發生。所以，實際上，由于這種標定功率可持續使用，因此會造成發動機能力的浪費。當時的設計單位、中國船級社和MTU公司之間就常對個案進行協商，以獲得船級社對標定功率的認可。而后，在二十世紀九十年代船級社頒布的高速船規范中，便未再對110%超負荷功率作要求，從而在按此規范建造船舶時就免除了這種麻煩。當然，對于堅持要按照有超負荷功率要求的鋼質海船規范建造的船舶，當與標定功率發生矛盾時，仍可通過協商解決。

1.3 發動機特性曲線和螺旋槳設計點的選擇

由于發動機的噴油系統是電子控制的，每個轉速下的燃油噴射量是通過編程設定的。

MTU2000/4000發動機的特性曲線上有一個最大功率平臺，這是通過噴油量的調整形成的。作為例子，圖1給出了MTU20V4000M73L的特性曲線。可以看到，在1 840～2 050 r/min的轉速范圍內，發動機都可以給出3 600 kW的最大功率。

圖1 MTU20V4000M73L發動機的特性曲線

在這種情況下（如圖2所示），當螺旋槳設計點選取在平臺上A1點時，如果由于船舶污底或螺旋槳制造的誤差發生了工作點的偏移，那么發動機仍可提供最大功率值。特別當設計點選在A點時，由于其離開發動機特性曲線左側邊界最遠，能夠提供最好的船舶加速性。如果發動機功率有足夠富裕可以把設計點設置在低于最大功率的A2點，這時螺旋槳曲線的稍許偏移將不會影響船舶的航速［1］。

圖2 螺旋槳設計點的選擇

MTU2000/4000系列柴油機特性曲線的另一個特點是在低轉速區域仍有較高的功率值，性能曲線顯得較豐滿，這是由于采用了順序增壓的緣故。低轉速時排氣量少，僅需推動一個增壓器工作，使其效率提高；而高速時兩個增壓器才一起工作，以獲得大的功率。關于這種增壓系統詳細的結構和原理國內已有多種文獻介紹［2］，在此不再贅述。這種特點可使船舶獲得良好的加速性，同時還能很好滿足對較低轉速功率有較高要求的某些高性能船舶的需要。

而在低負荷運行時由于燃燒的改善，仍能獲得良好的性能。這兩種機型都可以在15%的低負荷下連續運行長達100 h。

1.4 高燃燒空氣量和低機艙散熱量

MTU2000/4000發動機是高度增壓的發動機，但又有極高的結構緊湊性，因此單位發動機排量發出的功率比一般發動機要高得多，所需的燃燒空氣量也特別大。表2給出幾種機型的燃燒空氣量，在輪機設計（特別對于發動機燃燒空氣從機艙內吸入的設計）時，尤需注意。

表2 幾種機型的燃燒空氣量和散熱量

然而，功率如此高度強化的發動機對機艙的散熱量卻很低（見表2），這主要得益于其獨特的排氣管三層壁設計。如圖3所示，在排氣管內通道和外壁之間有一個空腔，使管內燃氣不與外壁接觸，隔絕了熱量的傳遞。管外壁有較低的溫度，滿足了船檢要求，同時減少了向機艙散失的熱量，因此用于機艙冷卻的通氣量可以大大減少。

圖3 MTU發動機的三層壁排氣管結構

1.5 機組安裝

MTU2000/4000發動機是高速機，為減小機組的振動，必須采用彈性支承，這種彈性支承配裝了具有適當剛度的橡膠彈性元件。這時，齒輪箱和發動機的連接以及在機座上的安裝通常有以下兩種方式［3］，見圖 4。

圖4 發動機和齒輪箱的連接和在機座上的安裝

圖4 （a） 所示是發動機和齒輪箱分立的布置方式。發動機用4個彈性支承安裝在機座上，而齒輪箱則剛性地固定在機座上。發動機和齒輪箱通過彈性聯軸器連接，發動機工作時因跳動產生的和齒輪箱的相對位移由此聯軸器吸收。螺旋槳產生的推力通過齒輪箱的推力軸承傳遞到機座上，發動機不會受到這種推力的作用。這是一種最常規的安裝方式。

對于12缸以下較小機型還可以采用圖4 （b）所示的安裝方式，即齒輪箱和發動機可以直接通過外殼上的連接法蘭相連，整體成為一個機組。這時，分別在發動機前端和齒輪箱兩側安裝彈性支承。發動機工作時整個機組可以有垂向和橫向的跳動，齒輪箱受到螺旋槳的推力時整個機組會在縱向產生位移。這些跳動和位移的量可以通過選擇彈性支承中橡膠元件的剛度而加以限制，如果有特殊要求也可以采取其他結構措施來限制。對于尺度不大的船艇，常推薦把螺旋槳傳動軸直接和齒輪箱輸出法蘭連接的結構，這種方式可以獲得最緊湊的結構和最低的成本［4］。但這時對傳動軸有一定的柔度要求，這是通過控制傳動軸第一軸承到齒輪箱連接法蘭的長度和該軸段直徑的比例來控制的（見圖5），必須按照指導資料的具體要求進行設計。

圖5 螺旋槳傳動軸和機組的直接連接

1.6 電子控制系統特點

這兩個系列的發動機作為船舶主機時，都需采用MTU專門的電子系統進行控制。除機旁控制外，還可根據需要配置集控室和駕駛室的電子控制系統。為獲得最合理的成本，對有無船檢要求提供的系統是不同的，不可用添加項目的方法把無船檢要求的系統轉換成符合船檢的系統，反之亦然。此外，在各個控制部位顯示、報警和控制的項目除了標準配置外，還可以有若干選項，對此在技術討論階段必須予以明確。

1.7 產品升級與新老產品兼容

羅爾斯·羅伊斯動力系統公司秉承MTU公司的做法特別重視產品的升級，至今MTU2000系列發動機已經有了第七代產品，4000系列也已經有了五代產品。新一代產品的出現不僅是為了提高功率、降低燃油消耗。而且近年的新產品在很大程度上是為了滿足不斷提高的排放法規的需要，在降低排放物和燃油消耗率之間尋求更好的折衷；另一方面也是為了滿足新的應用領域的需要。由于不同的應用對排放有不同的要求，所以新一代機型的出現并不一定會淘汰老機型，也即存在著各代產品同時銷售的情況，設計單位在選擇機型時需注意這一點，才能確保采用最經濟適用的機型。升級產品應特別注意與老產品的兼容，安裝尺寸和對外接口要盡量保持一致，從而便于用戶更新換代。

2 結 語

MTU2000/4000船用型發動機以高速船領域作為其主要市場，在世界各國已得到廣泛的應用。在我國，自二十世紀九十年代至今，這兩系列柴油機的使用數量正在大幅度增加。我國各船舶設計院所在實際使用中，也逐漸對這兩種機型的輪機設計工程積累了不少經驗。本文對這兩種機型的有關特點集中作了總結，希望對相關的輪機設計有所幫助，從而更好地發揮發動機的性能和優點。