新世纪我国大功率柴油机发展探讨

【摘要】大功率柴油机在新世纪中有着广阔的应用前景,但也面临着严峻的挑战,并有着充分的发展机遇。与国外同类型发动机相比还有一定的差距。本文在分析研究的基础上提出了树立自主创新观念、建立明确的目标和原则、突破关键技术,实现跨越式发展,适应我国国情的发展思路。并的前景进行了展望和探讨。

【关键词】新世纪 大功率柴油机 发展探讨

柴油机面临的挑战

柴油机经历了一百年的发展现已成为一种用途极为广泛的动力机械,在20世纪已逐步替代了蒸汽机,成为社会经济及文明发展的推动力。进入21世纪以后,柴油机的发展面临以下几个方面的严峻挑战。

(1)石油资源日趋枯竭,我国的石油资源并不丰富。根据统计,目前世界石油剩余可开采储量为1386亿吨,1999年底我国累计探明石油可开采储量为59.3 亿吨,占世界总量的4.3%。从1993年起,我国开始成为石油进口国,且进口量逐年增加,具体可见下表。

表1 我国石油产量、进库量及今后的预测

年份 1993 1996 1998 1999 2000 2005 2015 2020

产量(万吨) 14500 15700 16100 16000 16270 17200 19000 20000

进量(万吨) 1567 2262 2732 3661 7013 9000 14000 20000

依赖度% 10.8 14.8 15.8 19.6 35 36.7 41 50


(2)排放法规日益严格。在20世纪的发展过程中,人类在创造一个丰富的物质世界的同时,也付出了恶化生存空间环境条件的沉重代价。为保护环境,各国对柴油机的废气排放提出了严格的限制标准。

表2 我国车用柴油机排放标准

阶段 实施日期 CO HC NOx PM

01 1997.10.1 11.2 2.4 14.4 0.92

02 2000.10.1 4.5 1.1 8.0 0.36

03 2005.10.1 4.0 1.1 7.0 0.15


对于船用柴油机,国际海事组织于1998年12月提出了NOx的排放标准。

N < 130 r/min 17.0 g/kw.h

130< n < 2000 r/min 45*n-2 g/kw.h

2000< n r/min 9.8 g/k


(3)相关动力机械的竞争。在车用动力方面有电动汽车、电力机车的竞争,在舰船方面有燃气轮机、燃料电池、斯特林发动机等。燃气轮机在船舶上的累计使用功率到20世纪末达4000万千瓦,目前已有56个国家和地区约1000艘舰船上使用了燃气轮机,其经济性和可靠性已接近轻型大功率柴油机,而其NOx排放量仅为柴油机的一半。

据《环球时报》报道,2003年4月7日世界第一艘燃料电池驱动的潜艇“U31”号开始了首次试航。

(4)加入世界贸易组织后,面临市场全球化竞争的挑战。我国目前多数舰用大功率柴油机是引进国外公司生产许可证进行生产的,没有自主的知识产权,一旦被中止生产许可证将会造成严重的后果。在现有产品的出口销售上,贸易区域也受到了限制。在技术上,也只能跟在后面,拉开一段距离。所有这些对我国大功率柴油机的发展都是很不利的。

发展机遇

(1)市场需求.大功率柴油机具有广阔的用途,可用于军舰及民船上作为推进动力和电站的原动机;内燃机车的原动机;陆用电站的原动机;特种车辆及工程机械的发动机等.迄今为止,在这些领域中还没有别的动力机械可以替代.在新世纪中柴油机仍占有非常重要的地位.目前有相当数量的军民用船舶有待建造,需要大量性能先进的主机和辅机

(2)技术优势.柴油机经过百年发展,技术已相当成熟,具有优良的动力性、经济性和可靠性,能满足水面舰艇及常规潜艇作为推进动力及电站原动机的要求,并适用于多种推进方式(螺旋浆推进、喷水推进等),也便于组成多种推进组合形式(CODAD、CODOG、CODAG)。在大型远洋船舶上大功率低速柴油机已成为唯一的推进主机。

(3)发展潜力。柴油机面对发展中说遇到的挑战已经有现实有效的应对措施。新技术、新工艺、新材料,特别是电子控制技术、高压喷射技术、湿循环技术、排气后处理技术的应用,可以进一步降低燃油消耗率,并能满足排放指标的要求。

(4)目前我国已引进生产及自主开发生产了一批性能优良、具有先进技术水平的大功率柴油机,在21世纪初,引进机的国产化工作已取得了很大的进展,为进一步的发展打下了良好的基础,如PA6-280STC柴油机、MTU956柴油机、MTU396柴油机的国产化率均已达到80%以上。自行研制的一批中高速及高速柴油机如16V280柴油机、240系列柴油机、190系列柴油机等,均已具有较高的技术水平。

(5) 我国已建立起具有一定规模和实力的大功率柴油机生产企业和科研机构。到20世纪末,从事大功率柴油机生产的企业有30个;企业职工约60000人,技术人员约7000人;总生产能力为9000台/年,共800万千瓦 /年。

现状和差距

在大功率柴油机领域中,低速大功率柴油机在世界范围内已被MAN-B&W公司的MC系列柴油机和Wartsilla-NS公司的RTA系列柴油机所垄断,已无自行开发和竞争的余地。本文讨论的重点是当前具有比较广阔发展空间、在军事和经济领域有广泛用途的高速及中高速大功率柴油机。

(1)国外高速和中高速大功率柴油机

高速大功率柴油机一般指缸径为150-200mm,转速为>1500r/min,中高速大功率柴油机一般是指缸径为200-300mm,转速为1000-1200r/min,单缸功率>180kw的柴油机。中高速柴油机兼具中速机及高速机的某些特点,其主要性能指标如功率、转速、燃油耗率、重量尺寸、大修期及寿命等,均能满足舰船、机车动力及的陆用电站原动机的要求。下表给出当代国外一些具有代表性的高速和中高速大功率柴油机的技术参数。

表3 国外大功率柴油机性能表

参数

机型 D

Mm S

Mm Ne/cyl

kw n

r/min Pmax

MPa Pe

MPa Cm

m/s Pe*Cm Ge

g/kwh

M470 180 200 82.5 1550 1.35 10.3 13.9 218

MTU4000 165 190 170 1500 20 2.3 9.5 21.85 193

Paxman185 185 196 219.6 1950 20 2.58 12.74 32.87 215

MTU595 190 210 268 1800 18 3.02 12.6 38.05 218

MTU1163TB92 230 280 370 1300 2.94 12.09 35.54 215

MAK20 200 280 180 1000 18.5 2.44 9.33 22.77 200

MAN21/31 210 310 200 1000 20 2.36 10.33 24.39

22HLX 220 300 232 1000 2.44 10 24.4

V26 260 275 400 1300 2.53 11.92 32.77

W26X 260 320 538.2 1000 20 2.82 10.67 30.08 194

MTU8000 265 315 450 1150 23 2.7 12.1 32.67 199

Cat3618FVTA 265 300 560 1050 3.45 10.5 36.23

PA6BSTC 280 330 405 1050 16 2.27 11.55 26.22 195

RK280 280 330 450 1000 18 2.65 11 29.15 190

Д42 300 380 272 750 1.65 9.5 15.67 241


(2)我国目前生产的高速和中高速柴油机,其主要技术指标见下表

表4 中国生产的大功率柴油机性能表

参数

机型 D

mm S

mm Ne/cyl

kw n

r/min Pmax

MPa Pe

MPa Cm

m/s Pe*Cm Ge

g/kwh

150ZC-2 150 180 46.3 1940 0.85 11.64 9.89 238

MTU396TE 165 185 85 1500 1.73 9.25 15.95 201

TBD604B 170 195 105 1800 1.581` 11.7 18.48 210

H190V 190 210 133.3 1500 2.05 10.5 21.52 209

MTU956-02 230 230 200 1500 1.68 11.5 19.42 230

PA6280STC 280 290 294 1000 14.5 1.98 9.67 19.32 210


240ZJE 240 275 230 1000 15.0 2.216 9.17 20.17 204

280ZJA 280 285 242 1000 1.65 9.3 15.35 208

G300ZC 300 380 276 600 12.75 2.055 7.6 15.5 204


从表中所列数据可见,国外高速柴油机的Pe值一般在2.3MPa以上,个别达到3.02MPa。我国生产的高速机Pe值一般在1.8MPa以下,个别达到2.05MPa。气缸最高压力,国外已达16-20MPa,我国则在16MPa以下。燃油消耗率国外在190-200g/kwh之间,我国则在200-210g/kwh之间。

应当肯定,我国在最近20年来通过引进国外先进技术及生产设备,自主研制产品的不断改进提高,大功率柴油机的生产及技术水平总体上有了很大提高。但是,从引进到生产出国产化产品其间有一段相当大的时差,即使是同系列的机型其性能也比当前最新产品落后很多。

发展思路

(1) 立自主创新观念

在国际竞争日益激烈的时代,科技创新已经成为市场竞争成败的决定性因数,在现代科学技术知识生产和应用的国际分工中,发展中国家基本上依附地位,面临着日趋严峻的经济安全和军事安全。我国大功率柴油机领域的科研和生产现状也基本如此,应尽快加以改变。为此必须:

(a) 转变观念,树立信心。我国已成功地自主开发了一些大功率柴油机。如240ZJ系列柴油机,从1966年自行设计,1978年B型机通过技术鉴定到1993年的15年间不断进取已发展了C,D,E型机,平均4-5年推出一个新的机型,技术指标逐步提高,单缸功率由B型机152kw-C型机165kw-D型机184kw-E型机230kw;燃油消耗率由B型机210g/kwh-C型机208g/kwh -D型机207g/kwh -E型机205g/kwh;大修间隔期有B型机13000小时延长到E型机的20000小时。目前240系列柴油机已有8种机型,功率覆盖范围为110-3860kw,成为我国大功率柴油机中发展成熟,指标先进,产量最多的产品。此外如Z190型柴油机及6E390V型柴油机等也都是自主开发并达到较高水平的产品。

(b) 自主开发并不是闭关自守。为了提高我国大功率柴油机的技术水平,加快发展步伐,必须加强协作和交流,积极学习和引进先进产品和技术,加以消化,为我所用。如大连机车厂于1982、1984、1988年先后三次与英国里卡多公司合作开发出240ZJ系列的C、D、E型柴油机。济南柴油机厂于1996年与奥地利AVL公司合作开发了H12V190型柴油机使其传统产品的平均有效压力从1.11MPa一跃提高到1.96MPa。引进先进机型仿制生产,是满足急需,提高产品水平的有效途径。通过国产化可以加快国内零部件的配套能力,有利于制造及工艺水平的提高。通过消化改进使产品性能不断提高,则更为重要。如从原苏联引进的150型柴油机,从20世纪60年代后的20年间,单机功率由原来的382kw逐步提高到426kw,517kw,目前已达到883kw。但是,如只依靠引进而不思进取,则会落入“引进-落后-再引进”的怪圈,最终仍然受制于人。

(2) 建立明确的目标和原则

自主开发的大功率柴油机不仅要在动力性、经济性、可靠性、排放性等方面具有先进的技术指标,而且应具有广泛的适用性和发展潜力。因此,提出以下原则:

(a)全面通用的原则。 大功率柴油机是一种用途极广的动力机械,同一机型既可用于舰船推进也可作为电站原动机、机车动力等。这就要求其技术指标具有较大的弹性,发展各种变形,形成系列。不应冠以“舰船用”、“船用”、“机车用”等行业性限制词,而应以技术指标要求来界定。



(b) 全方位指标优化原则。 柴油机的一些主要技术指标(如燃油消耗率和NOx 排放量)之间,在改善措施方面存在矛盾,应能根据具体用途加以综合权衡。例如,MTU4000系列柴油机,用于舰船推进时,在满足IMO的排放标准条件下,其单缸功率为145kw,油耗为205g/kwh;用于机车动力时,在满足UIC排放标准条件下,其单缸功率为125kw,油耗为196g/kwh ;用于电站原动机时,其排放标准更为严格(NOx的排放量为4.4g/kwh ,低于车用柴油机欧Ⅲ标准),这时其单缸功率为90kw油耗为220g/kwh。

(c) 全工况性能优化原则。 柴油机不仅在标定工况时而且在部分工况时均具有优良的性能,这对于高增压大功率柴油机更为突出。目前多采用相继增压系统来改善低负荷性能。

(d) 全寿命优化原则。 柴油机在整个使用寿命期中,其费用包括购置费和运行费(含燃油消耗及维修费用等),而后者往往大于前者,因此在经济性、可靠性、可维修性等方面应综合权衡。

(e) 全系统优化匹配原则。 柴油机是动力系统中的一个主要的子系统,它应能与其它的子系统(如传动装置),及负荷(如发电机、螺旋桨)的工作范围及运行特性相匹配。

(3) 突破关键技术,实现跨越式发展

(a) 应用信息技术改变传统的研发模式,提高产品性能,加快研发进度。20世纪90年代后,随着以计算机为核心的信息技术的发展及应用,柴油机的研发模式发生了根本性变化,从“粗放型”、“经验型”设计逐步转变为“精确型”、“预测型”设计。将网络技术、虚拟技术用于柴油机设计、制造、装配、运行、维修的全寿命过程。“预测设计”可以使柴油机的研发周期缩短,成本降低。这主要得益于可以利用先进的计算机体系,柴油机性能软件,零部件强度分析软件及经过长期积累并经实验验证的数据库和知识库。例如,德国MTU公司595系列柴油机的研制周期为9年,而MTU8000系列柴油机采用“预测设计”后时期研制周期缩短到3年半。

(b) 提高强化度。高速机中高速柴油机是以高强化度为特征的,柴油机的强化度可表示为Pe*Cm。其中,提高平均有效压力是提高柴油机功率密度的主要措施,也是我国柴油机技术差距之所在。提高柴油机的平均有效压力涉及方方面面,是一个总体综合优化工程。而主要的关键技术为:提高增压度,采用高压喷射、优化燃烧过程等,形成高增压压力(0.5MPa)、高喷射压力(180MPa)、高燃烧爆发压力(20MPa)为特征的的“三高”发动机。Cm=s*n/30,一般控制在12.5m/s以下,目前,新研发的机型为了改善可靠性,增大功率,采取适当增大行程,降低转速的措施。例如,MTU1163柴油机与MTU956柴油机相比,其行程从230mm增加到280mm,转速从1500r/min降到1300r/min,大修期为12000小时,燃油消耗率从230g/kwh降低到215g/kwh。PA6B-280柴油机与PA6280柴油机相比,行程从290mm增加到330mm,转速仍保持1050r/min,功率增加了25%,(324kw/cyl提高到405kw/cyl), 平均有效压力Pe提高了11%,活塞平均速度Cm提高了14%燃油消耗率保持不变。

(c) 总体设计技术。在柴油机总体设计中引入可靠性设计技术,在保证结构强度及刚度的基础上采用结构简化、可靠性高、维修性好的模块化设计技术,以适应强化度提高后的新要求。如在一些机型上采用了“动力单元”的结构形式把气缸盖,冷却水套,气缸套,活塞连杆等组成模块式部件,以适应燃烧爆发压力增大后对于密封性及轴承负荷承载能力的要求,并解决了曲柄销直径增大后的拆装问题(例如,MTU8000柴油机的曲柄销与气缸直径之比达到0.94)。此外,还采用了无管路设计技术,对柴油机各系统进行模块化设计,使之更易于维修保养。

(d) 电子控制高压燃油喷射系统。为了达到日益严格的排放标准及进一步减低燃油消耗率,必须采用燃油高压喷射技术,并在此基础上对喷油量、喷油定时、喷油压力、喷射率等根据运行工况的要求实现优化匹配,即将传统的机械刚性控制改变为电子柔性控制。MTU公司在MTU4000系列柴油机上开发使用了电控高压共轨喷油系统,在MTU8000系列柴油机的油路中加装了蓄压器,可以减少喷油过程中在燃油系统内产生的油压波动。该机在很大的运行功率范围内的燃油消耗率均低于195g/kwh ,在最经济的运转电时则小于190g/kwh。 同时,NOx的排放值也在IMO规定的标准之内。

(e) 电子控制发动机管理系统。电子控制管理系统是实现智能化的重要技术措施,它一方面可以对燃油喷射系统、增压系统、进排气系统的有关参数进行协调,实现在各种工况时的优化运行;另一方面可以对柴油机各系统及主要零部件的工作状态进行检测、对故障进行诊断及趋势分析。通过电子管理系统形成一个闭环反馈系统,使柴油机始终处于安全、优化的工作状态。例如,在MTU8000系列柴油机采用了MDEC电子管理系统,它具有对发动机所有功能和参数进行精细的检测、控制及故障诊断、趋势分析等基本功能以外,还可以通过接口纳入到动力装置的联合控制系统之中。

展望

(1) 重大的创新更多地出现在学科交叉领域,新的成果常表现为技术上的融合及边界的模糊。大功率柴油机的发展与创新在很大程度上依赖于相关学科的支持和促进,如热力学、燃烧学、流体力学、材料学、计算机仿真技术、自动控制技术、人工智能技术等。内燃机通过在气缸内燃油与空气的混合燃烧而产生动力,但同时也产生了有害排放物,因此,燃烧理论和燃烧过程的控制技术的研究成为内燃机发展的核心问题。当前燃烧理论方面的初步研究成果表明,如果采用缸内直接喷射(GDI)方式,均匀充气压缩点火(HCCI)方式,将使传统的汽油机与柴油机燃烧方式之间的区别变得更为模糊,但这些成果一旦付诸实施,将可能解决燃烧效率与产生有害排放之间的固有矛盾。而实现这些新的燃烧方式还有赖于有关学科的支持。

(2) 高新技术的应用使一些传统技术得到改造成为促进柴油机发展的重要工具。例如,蓄压式燃油喷射系统早在20世纪40年代已经用在了柴油机上,其优点为喷射压力可以调节,并不受柴油机转速变化的影响,但由于其喷射压力低而被淘汰。时至今日,采用电子控制以后发展成为高压共轨燃油喷射系统,一跃成为当今最先进的供油系统。由此可以想象,当电子管理系统得到普遍应用以后,将可能会有更多的在理论上先进,但受到技术限制的传统技术将发挥出新的活力。例如:柴燃复合发动机;二级串联相继增压高功率密度发动机;可变压缩比、可变气阀定时、可变涡轮喷嘴截面联合控制,同时具有自检测、自诊断功能的高智能发动机等。

结论

(1)高速、中高速大功率柴油机是一种“技术资金密集型”产品,在新世纪中具有良好的发展环境和前景,故应在当前基础上打破行业界限,集中力量突破关键技术,开发出具有自主知识产权、技术先进、具有高度竞争力水平的产品。当前是挑战与机遇并存,但挑战是现实的,而机遇则是潜在的,需要通过努力工作创造条件使之成为现实。大功率柴油机的研发,时间紧迫,空间日益紧缩,故应尽快决断,制定规划、组织力量,争取在1-2个五年计划内取得成果。

(2)综合国外的发展水平及我国的现实情况,可采取以下两条技术途径:(a)加快引进机的消化和国产化的步伐,尤其是关键性零部件(燃油喷射系统,轴瓦等)的自主配套能力,并不断跟踪加快更新换代,追赶世界先进水平;(b)根据国防及经济建设的需要,开发具有自主知识产权、技术先进的柴油机,它的基本结构形式应是由涡轮增压、高压共轨燃油喷射系统、电子管理系统等所组成。

它的主要技术参数为:高速大功率柴油机,D=180mm-200mm,S=190mm-210mm,n=1500rpm-1800rpm,P=1000kw-4000kw;中高速大功率柴油机,D=260mm-280m,S=280mm-330mm,n=1000rpm-1200rpm,P=4000kw-8000kw。并能满足相应的排放法规的要求。

(3)作为舰船、机车等大型运载工具的发动机,在液体石油燃料的供应方面及排放规范的限制方面都比城市车用发动机有更为宽松的环境。随着科学技术的发展,石油储量的勘探及开采还会有新的进展。新能源的开发,尤其是天然气及煤为原料经过重整制成的液态燃料也已取得了进展。因此,高速及中高速柴油机在新世纪中的发展前景是令人乐观的。

参考文献

(1)中国大功率柴油机发展研究 中国内燃机学会大功率柴油机分会课题组 1999.

(2)何兵,平涛 大功率柴油机的研究发展 《柴油机》 2003.1

(3)庄保怡等 当代船用中高速柴油机的发展和对策 《柴油机》 2002.5

(4)Withelm Muller 16V4000R41 The new rail diesel engine MTU 4000 Trans.23thCIMAC


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