V280/285系列船用柴油机的研制

滕 超

(中国南车集团公司 资阳机车有限公司 发动机研发部,四川资阳641301)

随着全球船运市场的兴旺,世界新造船投资额激增,国内造船业订单的放量剧增。

据统计,我国近25年来引进的船用配套设备专利技术生产许可证项目共54项,其中船用柴油机制造占极大份额。但是国内制造商在生产管理、技术管理、机电配套产品等方面,与国外同类行业还存在着明显的差距。在诸多的柴油机许可证技术引进并开展国产化研制工作中,按许可证技术即使是全部通过国内认可,按产值计算国产化部分的比例最多也只能达到整机的70%左右。部分关键配套件(占柴油机成本的30%)仍作为专利产品被技术转让方控制,需要整件进口。所以,推出具有我国自主知识产权的品牌柴油机在船舶上应用就显得尤为重要了。特别是近年需要的、在2 000～5 000 kW中等功率范围内的船用柴油机,国外的柴油机要价太高,造成船舶成本飙升,不利于国内船舶生产厂家与国外厂家的竞争。

同时,随着科学技术的不断进步和环保意识的日益加强,对船用柴油机的排放要求也日趋严格;另外,世界范围内的能源匮乏和石油价格的飚升要求使用具有良好经济性的牵引动力。因此,为了获得最大的运用效益和社会效益,目前国内外大功率中高速柴油机(特别是船舶和机车动力)均向着高强化、低油耗、低排放、高寿命、可使用多种燃料、维护简易的方向发展。

鉴于此,我公司为填补我国此功率等级柴油机的空白和开辟船用柴油机市场,从2007年开始进行V280/285系列船用柴油机的研制工作。该系列船用柴油机主要用作船用主机和辅机。

V280/285船用柴油机系列是以我公司16V280ZJA型柴油机为基础进行的设计。它包含12V280ZC、12V280ZD、16V280ZC、16V280ZD 4 种柴油机,功率覆盖范围2 400～3 800 kW。经过近1年的努力,V280/285系列船用柴油机研制成功,并在柴油机性能台位上通过了全面性能试验、中国船级社(CCS)型式试验及耐久性试验等。对样机进行的一系列严格的试验表明,该机达到了设计要求,取得CCS型式认可证书和EIAPP排放证书。通过运用考核表明,该系列柴油机结构布局合理,经济性、动力性、可靠性、耐久性、排放性能等指标优良,达到了预期设计要求。现该系列柴油机已批量装船进行运用考核。

1 V280/285船用柴油机主要特点

V280/285型系列柴油机是在16V280ZJA柴油机的基础上按CCS规范要求经过强化设计而成,其功率覆盖范围2 400～3 800 kW。为了适应船舶柴油机应用的需要,对启动系统、冷却系统、润滑油系统、控制系统、安全系统、输出方式、支承方式等做了重新设计。

柴油机主要零部件均经过了详细计算。该机采用高效高压比的VTC254型增压器,高效高可靠性GEA的强化中冷器,MIXPC排气系统及与之相配的新配气相位和凸轮型面,与强化参数相适应的冷却系统,强化后的受力部件(如气门、连杆瓦),电子调控系统。另外启动系统采用了英格索兰空气起动马达,盘车机采用了电动加手动盘车机构。

1.1 应用AVL公司BOOST软件优化的燃烧系统

运用BOOST软件对柴油机的配气正时、供油提前角、增压器性能参数进行优化,使柴油机的经济性有较大的提高,降低了机械负荷、热负荷,从而提高了柴油机的可靠性。

1.2 先进可靠的柴油机无人值守自动监控系统

应用PAC技术和独特的系统结构使该系统具有功能强、可靠性高、自动化程度高的特点。该系统通过了CCS的“盐雾、高温、振动、油水”等恶劣环境条件下的测试。

1.3 采用非线性高次方函数凸轮

该凸轮具有加速度幅值小、丰满系数大的优点;较宽的匀减速运动、最小曲率半径小、接触应力低。

1.4 采用XINPC增压系统

该系统具有各气缸扫气系数和各气缸排气温度均匀,避免了大的扫气干扰、排气温度低、气缸泵气功损失少、油耗率低、排气系统结构简单等优点。

1.5 与原生产成熟产品的继承性

该机是在我厂批量生产的16V280ZJA型柴油机的基础上,使用先进的设计手段和国内外成熟的计算程序,借鉴同类机型的结构与经验,进行强化设计而成,属280型柴油机的系列机,与原产品有很大的继承性和互换性。这样极大地方便了老产品的改造,给铁路牵引的更新换代带来巨大的经济效益,同时也将大大缩短研制周期。

1.6 强化程度符合我国工艺和运用水平

该机整体设计指标属国内先进水平,同时考虑了我国工艺和运用水平,强化程度适中,便于在我国广大铁路运用部门和船运部门使用。

1.7 立足国内、降低柴油机制造成本

该机采用国内外先进设计、工艺制造技术,其主要零部件的制造均来自国内著名专业厂家和本厂,国产化率高,这样在保证产品质量的前提下具有较低的产品价格,同时也降低了维修成本,并可保证备件的及时供给。

2 V280/285系列船用柴油机主要技术参数及性能指标

主要参数见表1。

3 V280/285系列船用柴油机的试验

样机进行了运用特性试验、外特性试验、负荷特性试验、空载燃油消耗量试验、热平衡试验、启动特性试验、恒扭矩特性试验、振动和噪声声压级测量、各种保护功能试验和排放等测试。

表1 V280/285系列柴油机主要技术数据

试验表明V280/285系列船用柴油机整机性能良好,在整个运用范围内,燃油消耗率和热负荷均较低,机械负荷在允许范围内,达到设计要求。在额定工况n=1 000 r/min、Ne=237.5 kW/缸时,燃油消耗率 ge=201.5 g/(kW◦h),气缸盖出口平均排温 Tr=406℃,涡轮进口温度 Tt=522℃,平均爆发压力 Pz=13 MPa;在超负荷功率261 kW/缸时,ge=201 g/(kW◦h),Tr=427 ℃,Tt=535 ℃,Pz=14.2 MPa;在75%负荷工况n=910 r/min、Ne=178 kW/缸时,ge=203.1 g/(kW◦h),Tr=369℃,Tt=510℃。

V280/285系列船用柴油机整机性能优于16V280ZJA柴油机,从表2中所列主要参数的对比可清楚的看到这一点。这一结果说明V280/285系列船用柴油机的增压和配气系统的设计是合理的。

对柴油机的排放进行检测表明V280/285系列船用柴油机的排放指标达到《船用柴油机氮氧化物排放控制技术规则》中的要求,见表3。

表2 性能参数比较表

表3 排放特性

装用电子调速器后,较大的改善了V280/285系列柴油机的整机性能。调速性能良好。各项指标均达到或超过铁标一级精度要求,还可以有效地解决柴油机低转速游车等问题;柴油机能在350 r/min的转速下稳定运行。可使柴油机在各种特定条件下工作时有更好的适应性。

4 结束语

试验表明V280/285系列柴油机各参数良好,指标属国内先进水平,各主要性能达到了设计要求,且通过了CCS船级社型式认证和排放认证,说明该机的研制是成功的,达到了预期的目标。

从V280/285系列柴油机的运用考核情况看,V280/285系列柴油机的设计是成功的,尤其是ABB增压器、海茵茨曼电子调速器、Ingersoll Rand启动空气马达、GEA空冷器、油雾探测器等部件的采用大大提高了柴油机整机的工作可靠性。

该系列柴油机主要运用于船舶主推进、辅助发电、泥泵主机、液压泵站、电轴系统等,同时,也可以运用于陆用发电机组。该系列柴油机比国外同类产品性价比高,交货周期短、服务及时、配件价格低廉,维护保养成本低。预期在船舶及陆用发电市场具有良好的推广运用前景。