MAN公司游艇和工作船用新型6缸发动机

2017-06-28HunekeKleesattelserZundel

汽车与新动力 2017年1期

【德】 B.Huneke J.Kleesattel S.Löser M.Zundel

MAN公司游艇和工作船用新型6缸发动机

【德】 B.Huneke J.Kleesattel S.Löser M.Zundel

MAN公司在量产的D26商用车发动机的基础上开发了1款单位功率质量较小且省油的紧凑型船用发动机——新款D2676发动机。该发动机不仅符合当前的排放标准，也为满足未来排放法规做好了准备。MAN公司有针对性地采用车用发动机标准件和非标准件，以可接受的成本开发了经全面验证的船用发动机。

船用发动机燃烧排放冷却系统

1 目标设定

新型直列6缸船用发动机开发的主要目标是取代从上世纪90年代开始量产的D28发动机，同时也为以后船舶发动机在低功率范围的应用打下基础。项目目标是开发1个发动机系列，并满足2种应用领域的需求：一方面可搭载于专用和通用的工作船，适用于全负荷运转和全年运行；另一方面还推出了升功率较高的游艇解决方案。用于航运业的发动机在结构和设计上特别重视寿命周期成本，而为游艇开发的发动机则具有较强的动力性能。

2 发动机设计方案

D20和D26发动机分别在2003年和2006年批量用于TGA卡车，这为新发动机研发打下基础。自此，排量更大的D26发动机几乎覆盖了MAN公司的所有业务领域。不仅用于MAN公司自己生产的卡车和客车，而且还几乎涵盖功率范围在147～440kW 的所有的工业、铁路和农业用发动机领域，以及燃气和柴油发电机组领域。

MAN公司新型船用发动机涵盖小型、中型和大型等所有动力应用类型，满足从游艇(小型应用)到工作船(大型应用)的不同用户需求，D2676船用发动机机型技术参数见表1。

由于D26基础发动机应用领域广泛，因而大部分试验结果良好且已量产的部件可用于低功率船用发动机。为了提高功率，专门优化与燃烧相关的部件。通过试验台和现场试验，针对发动机最高功率进行耐久性试验。从下文介绍的标准件策略可知，这些研究结果同样适用于低功率船用发动机的专用部件。

表1 D2676船用发动机机型技术参数

3 标准件策略

由于上述优点及商业原因，所以采用标准件策略。为了在产量相对较少的情况下以实惠的价格提供高品质的产品，D26船用发动机同新一代V型发动机一样采用标准件,包括采用D26车用发动机系列的部件、D26工业用发动机的部件和现有船用发动机的部件。

车用发动机量产技术尤其有利于基础发动机开发。其中曲轴箱、曲轴、连杆、气缸盖、机油泵、冷却液泵、机油模块、飞轮壳和齿轮传动等部件都无需改进，而一些复杂的部件只需稍作修改便可使用。因此，功率较高的船用发动机只需改进高压喷油泵，便可使高压喷油泵用于整个船用发动机系列。而其余与燃烧相关的车用发动机部件(如活塞、喷油器)可直接用于功率较低的船用发动机。

不同于标准件策略，基础发动机采用不同的凸轮轴和专门开发的涡轮增压器。利用现有的半成品制成凸轮轴。为了提高发动机功率并降低燃油耗，采用改进的活塞、气门和喷油器(图1)。

图1 324kW小型发动机与588kW大型发动机对比

新发动机系列还采用其他已量产的船用发动机部件，并将其中一些部件进行了细微的改动。在发动机冷却方面，新发动机系列采用其他发动机的中冷器、海水泵、热交换器板片、冷却液管路接头及恒温器。除了整个发动机控制系统、各种带显示器的警报系统，以及其他众多电气与电子元器件之外，新发动机系列还采用其他现有的附件，如发动机支架、空气滤清器、飞轮，以及滤芯(图2)。

图2 工作船发动机标准件

4 燃烧

在热力学和燃烧方面，6个机型有2种不同的部件方案(A和B)。这2种方案的主要区别在于凸轮轴、涡轮增压器、活塞，以及喷油器。仅通过调节参数设置，就可满足美国环保署非道路用柴油机排放标准第4阶段(EPA Tier4)、欧盟运动船法规(氮氧化物(NOx)+碳氢(HC)： 5.8g/(kW·h) 或 5.6g/(kW·h))、国际海事组织第2阶段排放标准(IMO Tier Ⅱ)或欧盟内河运输法规(NOx+HC： 7.2g/(kW·h))等最严苛的排放值要求。同V型发动机一样，新发动机也通过仿真和发动机试验台进行后续的试验调节正时。

对于功率不高于412kW的机型，采用涡轮增压器调节与凸轮轴调节，大型发动机采用阿特金森循环，中型发动机采用米勒循环，2种循环方式都降低了气缸中的有效压缩比。气缸充气的时间间隔随着气流速度的提高而大大缩短，而压缩时的气流速度保持相对稳定。在考虑到气体动力学的情况下，通过延迟进气门关闭时间实现最大有效压缩比，从而使燃烧空气进一步流动。因此，高转速时米勒循环和阿特金森循环的效果相反。阿特金森正时在低转速下的有效压缩比下降幅度明显大于高转速，米勒正时则完全相反(图3)。采用极端米勒正时，会因为气门升程较短而加剧流动损失。

图3 米勒循环和阿特金森循环的有效压缩比示意图

如果中冷器尺寸合适且能冷却升高的最终压缩温度，则可通过减小有效压缩比和向涡轮增压器做压缩功来降低燃烧温度。即使采用米勒循环和阿特金森循环，为588kW机型设计的标准中冷器可在海水温度32℃时使增压空气温度达到38℃左右。燃烧室温度降低又使得热形成的NO减少。结合智能的喷油策略，可大幅度降低油耗值。

如上所述，这些机型采用与车用发动机相同的喷油器和钢活塞。喷油器喷嘴的几何形状经过了验证与调节。耐用的钢活塞完全满足大型船用发动机对较长运行时间和较高负荷的要求。

对于功率不低于478kW的机型采用优化进气填充的凸轮轴，结合采用涡轮增压器确保实现较高的空气流量。为了避免喷油持续时间过长及排气温度过高，高功率范围的喷油器标准流量提高了约30%。从活塞显微图和凹坑几何形状可看出，活塞可满足更高的热要求(图1)。为了优化燃烧，D26船用发动机重新设计了2种涡轮增压器设计方案并进行全面验证。

5 船用特征

根据国际海上人命安全公约(SOLAS)的要求，所有发动机部件的表面最高温度不超过220℃，从而避免燃油泄漏引发燃烧。因此，有必要做好向外排出废气的发动机零部件的防护。为了向用户提供1个耐用的解决方案，D26船用发动机的排气管路完全封装在流动着冷却介质的壳体内。除了起到隔热作用，冷却壳体还以流量优化的方式向发动机热交换器输送所有冷却介质。安装在气缸盖排气管上的涡轮与冷却壳体之间的气隙隔热使得排气系统的热损失极低，因而几乎所有废气能量都可用于涡轮增压器。此外，新系统的温度梯度小于直接冷却系统，避免部件出现应力裂纹。

工作船需要专用发动机，特别是满足各种船级社(例如DNV-GL)规定的发动机才能用于专用船。专用发动机除了采用冗余设计的电气/电子系统及传感器之外，还采用可切换式燃油和机油滤清装置、双层壁油管及高压油轨，而接触燃油的区域尤其不能采用塑料或铝质材料。在设计之初就应将这些要求考虑在内，以确保零部件差异最小化，并且只需安装少许新部件在发动机上(图4)。

某些类型的船内有集成在船体内的冷却系统，也可用于发动机冷却。这种冷却方式被称为“龙骨冷却”，无需在发动机上安装热交换器，并且适用于各个功率级。在此方案中，通过船的冷却系统进行闭环的增压空气冷却，采用的海水泵通常为开环运行模式。

动力输出采用独立的液压泵接头(例如用于推进器)和曲轴延长轴(例如用于消防泵)。此外还为用户提供其他专用设备，包括控制杆及相应的控制系统、各种显示器、辅助发电机、抽油泵和供油泵。为了更好地满足不同船舶的安装高度和气缸排列要求，开发出2种油底壳方案。

所有部件之间的相互作用实际上已在早期阶段搭载在不同类型的船舶上进行了全球试验，以便验证不同运行条件下(例如气候、燃油质量和负荷曲线)的各种影响，并将用户体验融入研发之中。

6 发动机设计

根据功能要求设计发动机。由于游艇的发动机舱极为有限，因而发动机的设计尽可能紧凑。同时，设计重点放在维护保养的接近性上，发动机中的滤清器、注入口和维修口都既可从上方也可从侧面处理。由于排气口和海水入口采用量产的铰接式歧管，因而新发动机能很好地集成在现有的发动机舱内。基础发动机的设计可以满足不同的安装宽度，从而有利于发动机更换。在早期阶段已将所有电气与电子元器件引入设计中，因此能更好地将电缆束集成和安装到发动机上。

MAN公司可为游艇用户提供典型的发动机设计，同时也非常重视用户提出的功能性要求。通过直接拆除采用快速接头的连接区域，很容易接近所有的维护保养区域。