全新ACD320系列發動機研究與開發

徐先進,朱樹林,梅加化,高申德

(安慶中船柴油機有限公司,安徽 安慶 246000)

0 引言

由于天然氣燃料價格低廉、排放特性優良、開采和儲運設施建設日趨完善,因此天然氣燃料海上運輸業不斷發展,天然氣發動機技術不斷進步。然而,終端用戶選擇使用液體燃料或者氣體燃料仍然存在變數,發動機制造商應慎重考慮自己的發動機功率覆蓋、適應燃料類型和制造成本。

某公司自主開發的全新ACD320系列中速發動機包含了3種機型：ACD320G天然氣發動機、ACD320DF雙燃料發動機及ACD320D柴油機,創建了320 mm缸徑中速船用發動機設計開發全新平臺。ACD320G天然氣發動機采用預燃室火花塞點火,并且以該機型作為母型機。基于320 mm缸徑級機型的數據庫信息,該系列機型開發不包括單缸機,燃燒開發將基于L6缸開展,設計包括2種不同壓縮比的活塞、4種不同結構的預燃室和2種不同正時的凸輪軸,對于雙燃料發動機微噴噴油器設計了6種變型結構。在設計開發的過程中,從基本架構到發動機布置直至零部件的設計均考慮到3種機型之間零部件的通用化和機型間相互轉換的便利性,大幅降低了后期發動機變型設計的成本并適應瞬息多變的燃料價格。

目前,天然氣發動機已初步完成臺架性能與排放標定任務并取得了中國船級社(CCS)的型式認可和排放認可,雙燃料發動機亦已完成樣機裝配并開始臺架試運轉。鑒于最終的發動機性能和排放指標尚未定義,本文僅從設計分析的角度加以論述。

1 機型的主要技術規格

ACD320系列發動機具有低排放、熱效率高、可靠、耐久的特點,由于前瞻性地考慮了多機型零部件的通用化設計與保護,該型機具備較強的市場競爭力與生命力。基于船級社規范對船用主推進的冗余設計要求,天然氣發動機作為遠洋船用主推進應用需配置2臺及2臺以上聯合動力。詳細的機型指標見表1。

表1 發動機主要技術規格

對于天然氣和雙燃料發動機,當前的平均有效壓力已與同缸徑級的其他機型相當。由于在設計中考慮了下一步柴油機的設計保護,因此這兩款發動機的功率提升空間較大。當前設計允許最大爆壓達到22 MPa。

2 燃燒的概念

天然氣著火溫度較高,難以實現壓縮發火,一般情況下采取電火花點火或者微量燃油引燃2種方式。ACD320系列機型的天然氣、雙燃料發動機在燃料的類別和引燃方式上具有較大的差異性。

2.1 天然氣發動機

ACD320G天然氣發動機采用預燃室火花塞點火系統點燃,其預燃室設計布置在氣缸蓋的中心位置,火花塞安裝于預燃室內部,見圖1。

圖1 火花塞點火

主燃室的燃氣通過各缸獨立配置的電控燃氣噴射閥按照發火次序通過一段導流管依次噴入各缸進氣道,燃氣噴射閥安裝于氣缸蓋上。預燃室供氣系統與主燃氣供氣系統是相互獨立的,設計了單獨的供氣氣軌,燃氣通過安裝在氣缸蓋內部的供氣管接入再經由機械式單向閥進入預燃室。

預燃室結構型式的優點如下：

(1)具有較大的著火容積腔和點火能量,主燃室的發火、燃燒持續期及穩定性得到了提高,可以實現過量空氣系數≥2.0的稀薄燃燒水平。

(2)可以在較高的燃氣濃度下實現低電壓高能點火。

(3)高速的火焰傳播速度降低了爆震傾向。

(4)稀薄燃燒可以在較低的NOx水平下實現發動機平均有效壓力≥2.0 MPa。

(5)較高的點火能量降低了對主燃室混合氣的要求,允許適度的進氣渦流,以至于可以設計較為簡單的氣道型式及簡單的燃燒室結構。

(6)低電壓點火技術可延長火花塞使用壽命。

(7)適應于較大缸徑(D≥200 mm)的純天然氣發動機。

預燃室結構型式的缺點：

(1)氣缸蓋的設計與布置難度加大。

(2)預燃室供氣系統和預燃室本身結構設計技術難度較大。

2.2 雙燃料發動機

ACD320DF雙燃料發動機的燃燒系統設計了主燃油噴油器和微引燃噴油器,而且微引燃系統是一種開式結構(OCMP)布置于氣缸蓋上。主燃油系統設計可使用重油(HFO)的能力,微噴引燃系統僅支持使用輕柴油(MDO);發動機燃氣模式工作時,微量引燃油點燃燃燒室內的燃氣混合氣。

微噴引燃點火系統也可以設計成帶預燃室的結構,見圖2,與純天然氣發動機的預燃室效果類似。但是,這種結構會導致氣道的結構形式和氣口尺寸的變化,因此,ACD320DF雙燃料發動機微噴引燃系統在氣缸內設計成開式燃燒室結構。主燃油噴油器垂直安裝,但是稍偏離于氣缸蓋中心,這樣設計是由于微引燃噴油器的布置較為困難。微噴引燃噴油器傾斜布置于氣缸蓋上,其中心偏離于氣缸蓋中心,但是在該噴油器的噴孔數量和角度設計上充分考慮了火核的傳播路徑和主燃室火焰傳播一致性等條件。燃氣的供給系統設計與純天然氣發動機主燃氣供氣系統保持一致。

圖2 微噴燃氣點火燃燒概念

3 通用化設計與保護

ACD320系列中速發動機變型設計類別較多,涉及到氣缸數的變化和不同燃料種類的變化。因此,在設計開發過程中要盡可能地提高零部件通用化系數[1]。ACD320系列機型零部件的通用化設計的簡要梳理見表2。

4 1D熱力學

1D熱力學計算可以評估和優化天然氣發動機、雙燃料發動機的性能。對于ACD320系列發動機,由于設計考慮柴油機的變型及保護,熱力學的計算工作在一定程度上還可以對柴油機的相關零部件結構和型式進行潛在的分析與評估,如：增壓器選型匹配、進排氣系統流量計算等,以防止在柴油機設計過程中出現結構和系統布置的難題。熱力學計算使用BOOST軟件完成。該項工作貫穿于整個設計過程,包括預概念設計、概念設計和詳細設計各階段。然而,主要的目標和任務還是評估天然氣發動機和雙燃料發動機的變型設計。以下是對熱力學計算工作范圍的基本定義：

(1)全負荷發動機性能評估,包括雙燃料發動機柴油和天然氣2種模式運行、機器在熱態環境工況運行。

表2 通用化設計歸類

(2)進排氣流量的要求(容積、直徑、長度)。

(3)增壓系統的基本要求,廢氣旁通裝置的開度和過量空氣系數的控制。

(4)活塞壓縮比的推薦,以指導試運轉和發動機P&E開發所需活塞的變型設計。

(5)氣閥正時、氣閥升程曲線并評估氣閥與活塞的相對運動間隙。

(6)燃氣噴射正時評估,以防止不恰當的噴射所造成的氣體逃逸。

通過熱力學計算預評估得到以下關鍵性結論：

(1)通過對進排氣管及燃氣管路的幾何尺寸評估、增壓與中冷設備的匹配等,使L6整機的幾何尺寸得到有效控制,滿足了設計任務書的要求。

(2)進氣道渦流系數小于預期[2]。

(3)天然氣和雙燃料發動機的幾何壓縮比是相同的,并且推薦的2種設計變型及柴油機的壓縮比設計成天然氣發動機的1.02倍。建議發動機在臺架試驗期間,首選較低壓縮比的活塞用于初始的性能和排放標定,以確保較高的爆震裕度。

(4)基于發動機的目標性能和允許的排氣溫度確定最終的氣閥正時,對于純天然氣發動機保持了較小的氣門重疊角。

5 氣缸蓋結構與設計特征

5.1 氣缸蓋和氣道設計

氣缸蓋包括氣道在設計時考慮各種機型的通用化,氣缸蓋只需在加工過程中作極小的變化即可適用于母型天然氣發動機、變型設計的雙燃料發動機和后續設計保護的320柴油機。

氣門的尺寸與布置、預燃室(天然氣發動機)位置、主微噴噴油器的布置及氣缸壓力傳感器和示功閥等結構的定位都經過結構強度、冷卻、性能等一系列的分析與評估而最終確定。

缸蓋裝配和氣道模型見圖3。根據圖3,氣缸蓋設計的主要特征如下：

(1)天然氣發動機、雙燃料發動機、柴油機通用的氣缸蓋型芯。

(2)斜置式的4氣門結構。

(3)進排氣道異側布置,橫流掃氣。

(4)低渦流比的進氣道設計[3]。

(5)天然氣發動機、雙燃料發動機、柴油機通用的氣道型芯。

圖3 天然氣發動機氣缸蓋裝配和氣道模型

為了達到高度通用化的設計目標,基于發動機的性能和既定的排放目標,在設計過程中對氣道進行了反復設計與修改。這種高度通用化的設計往往使得氣缸蓋局部結構的壁厚很薄,因而對鑄造的工藝性提出了較高的要求。

對于進、排氣道的設計,初始模型是參照以往的設計與開發經驗創建,在開發過程中按照2∶1的比例制作了氣道模型并進行了氣道穩態流量試驗,完成了局部的設計優化。將測試的結果與以往的數據進行對比,進而對其性能進行綜合評估。

對于斜置式氣門,進氣道平均流量系數處于一個相對標準的范圍值。與1D熱力學計算預估的流量系數相比,此次測試結果具有輕微的改善。在保證氣缸蓋設計通用化的前提下,兼顧預燃室、主噴和微噴噴油器的復雜布置,這是一個比較滿意的結果。

排氣道的穩態流量測試表明,排氣道平均流量系數處于一個較高的水平。

使用FIRE軟件對發動機進行了缸內燃燒CFD計算以評估缸內熱負荷。計算考慮了天然氣、雙燃料發動機110%超負荷(445 kW/缸),柴油機110%超負荷(550 kW/缸)的惡劣工況,以上的熱負荷結果則用于氣缸蓋的FEA分析。火焰溫度傳播仿真見圖4。

圖4 火焰溫度傳播仿真

由圖4可直觀地總結以下結論：

(1)天然氣發動機：火焰傳播速度較快,可以實現較高的發動機效率;火焰傳播路徑一致,有利于抑制天然氣發動機的爆震。當前預燃室設計滿足發動機性能要求。

(2)雙燃料發動機：氣體模式下,盡管微噴噴油器偏離了氣缸中心,但其火焰傳播還是保持了相對一致性,火核仍然處于氣缸中心位置。

(3)柴油機：仿真結果顯示,柴油機只有較少的熱量傳遞至氣缸蓋火力面。由于要考慮到柴油機較高的平均有效壓力和更高的爆發壓力,對氣缸蓋火力面的結構強度和冷卻要求則十分苛刻。

5.2 氣缸蓋-機體熱固耦合計算

天然氣、雙燃料發動機、柴油機均進行了一系列的結構強度分析,載荷邊界包括裝配載荷、熱負荷、缸內氣體載荷。熱分析邊界考慮冷卻液側來自冷卻CFD計算,缸內氣體載荷的熱邊界源于缸內燃燒CFD計算。

分析評估的對象包括氣缸蓋總成、氣缸套、機體及組件。評估內容涉及各部件的溫度場分布、氣缸套的變形(徑向和垂向)、機體和氣缸蓋的應力與變形分析、氣缸蓋、曲軸箱、缸套的高周疲勞分析、氣缸蓋的熱結構分析。

5.3 氣缸蓋冷卻CFD分析

氣缸蓋總成冷卻性能評估是借助FIRE軟件進行模擬的,計算結果則作為氣缸蓋-機體一體化分析的熱分析邊界,見圖5。

圖5 火力面熱傳遞系數分布

氣缸蓋的冷卻水道由3層構成,冷卻介質自下而上流動。底部火力面的水道采用鉆孔與鑄造相結合的結構型式,在不降低冷卻水流速的同時具備較好的結構強度。排氣閥座的冷卻水道流向在角度上還有足夠的優化和改良空間。

6 結論

(1)全新開發的ACD320系列是一款標準的船用推進機型,包括了純天然氣發動機、雙燃料發動機和柴油機,系列化覆蓋了L6至L9的變缸數設計。設計開發階段充分考慮了諸多變型設計與設計保護,高度通用化的設計理念對后續發動機開發具有一定參考意義。

(2)新的ACD320系列能達到更為嚴格的IMO Tier Ⅲ的排放水平,亦可以在使用劣質重油(HFO)的環境下滿足IMO Tier Ⅱ的排放指標,能夠為用戶提供更為靈便的選擇。

(3)使用最新的仿真技術加以細致的設計能大幅提高發動機變型設計保護的可靠性,能夠縮短新機型的開發周期并在一定程度上節約開發成本。