大功率高速船用柴油机主要技术参数的发展.docx

柴油机第28卷(2006)第1期V0128(2006)No1Diesel Engine：；：；：=：；：二：舞|综述ii：I，：|：大功率高速船用柴油机主要技术参数的发展王锋(上海交通大学机械与动力工程学院，上海200030)摘要：根据国外大功率高速船用柴油机20多年发展状况，以柴油机强化指标、平均有效压力等主要技术参 数为主要对象，分析并提出大功率高速船用柴油机主要技术参数的发展趋势。 关键词：大功率高速船用柴油机；技术参数；发展趋势中图分类号：TK421文献标识码：A文章编号：1001-4357(2006)叭-0005一04Development of Major Technology Parameters of High Power High-speed Marine Diesel EngineWANG Feng(College ofMechanical and Power Engineering，Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200030)Abstract：According to development status of high power high-speed marine diesel engines abroad in recent over 20 yearsStrengthening index，mean effective pressure and other major technology parameters are discussed seriously and their development tendency is analyzed and proposedKeywords：high power high-speed marine diesel engine；technology parameters；development tendency1概述数，包括强化指标、平均有效压力、活塞平均速度、 缸径冲程比、转速和单缸功率等进行分析。随着新技术、新材料的不断发展，最近二十多年，大功率高速柴油机得到了快速的发展，主要体2 大功率高速船用柴油机发展的总 现在单缸功率不断提高，比重量和体积逐步减少，体概况 燃油消耗率进一步降低，Nq和烟度得到了进一步国外先进大功率高速柴油机生产厂家主要有9的控制。目前，国外先进柴油机研发机构开展的技家大的公司，主要机型共计30多种，详见表1。从术工作主要有以下四个方面： 总体上看，这些生产厂的大功率高速船用柴油机具 (1)在逐步提高柴油机强化指标的同时，更加有以下几项特征：注重提高柴油机可靠性和耐久性，提出了全寿命成(1)柴油机结构型式均为V型，以往的w型、本的设计概念并实旖；x型等结构型式均已停产；(2)将满足环保及排放法规要求作为舰船柴油(2)为适应功率需求，气缸数以12、16、18缸 机重点研究对象，积极寻求降低排放(NOx、HC、居多，也有少量的20缸和8缸机； CO和颗粒排放)的有效方法；(3)气缸直径在165230mm之间，分别为f3)追求更好的经济性，使燃油消耗率和滑油 165、170、185、190、200、205和230mm等七种， 消耗率逐步降低；但缸径在165200mm之间的较为密集；(4)以电子控制和智能化技术为主要手段，全(4)各机型燃油消耗率的差别较大。开发较早 面提高柴油机全工况性能，进而满足上述要求。的机型由于受结构参数、工作过程组织等的限制，根据一般定义，大功率高速船用柴油机的转速 燃油消耗率较高，而近年开发的先进机型，其燃油 范围为13002100rmin。本文通过统计国；t-十多 消耗率已降至200眺、以内，非常接近中速机的 年来的主要先进高速柴油机机型，对主要技术参 水平。收稿日期：20050922万方数据柴油机第28卷第1期产厂家对继续提高船用高速柴油机产品的强化指 3大功率高速船用柴油机主要技术标的研究进程有所趋缓，更多地将注意力集中在柴参数的发展趋势分析油机的全寿命成本和环保性能等方面。31强化指标的发展未来510年，这种趋势还会延续，高速大功强化指标p。Cm是表征柴油机技术水平的最为 率船用柴油机的各项技术指标将会得到进一步的 重要的指标之一。图1为国外高速柴油机强化指标提高，而强化指标预计将达到2835MPams， 发展历程，从中可以看出：在上世纪90年代之前，个别特殊用途的柴油机的强化指标可能突破36MParns。国外高速柴油机强化指标p。Cm基本维持在1624MPams之间。在采用了复杂的二级增压系统后，强化指标可达35 1VIPams，如MTU20Vl 163TB93：柴油机，但之后则进展不大。!r_一彳一巾“从上世纪90年代至今，尤其在上世纪90年代巧如巧绚：2一-后半期，柴油机的强化指标得到了快速增长，逐渐I目山=珊u。氐13001650 rmin增加到2430MPams，个别突破至31-16952100 rmin33MPams。而近几年来，变化不大，增幅逐渐趋m，o 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990、1995 2000 20175 2010缓。多方面的原因导致柴油机的强化指标增幅逐渐年份趋缓。市场需求重心的转移使得国外先进柴油机生图1强化指标的发展历程表1 国外先进大功率高速柴油机主要技术参数公司型号缸数缸径冲程单缸功率持续功率转速仇cmsD盛岛。 舷 油耗mmmmkWkWrnlla 口ams胡【wh日期Caterpillar3516-TA，16170190751194180011511401121315198lCaterpillar3516TA161701909314921800144114011216431986Caterpillar3516TA16170190103l“l18001591140112180721l1988Caterpillar3516TA1617019013l20881925189121911223OO2ll1993Caterpillar3516B HIPER1617019014022371925202121911224641522061995Caterpillar3516BTA1617019013l20881880193119l11223002ll1996Caterpillar3516B16170190140223719252021219112246421l1996Caterpillar3516BHlDlSD1617021511718651600179114712620542ll1998DeutzTBD620V16161701951272032180019111701152238171981993DeutzTBD620V16161701951402240186020412091152467171981998IsottaFrasehiniID3616170170981570190016l10771oo17291988IsottaFrmhinjV1716T21617017014723502loo218119010025881994IsottaFrehiniV1716T21617017016326002100241119010028642002MANBW12VPl85121851961551860195018l127410623071994MANBW18VPl8518185196222400t?195026012741063307202151997MitsubishiS16RTK16170180lll17701800 18l10。801061950152151991MTU16V396TB941616518516025602loo 23l129511229931452181987MTU16V4000M701616519014523202000 214126711527131761951996姗I12V4000M901216519017020402100 239133011531802091997MTU20V4000M702016521013627221800 202126012725462002002MTU16V595TE90161902102704320180030212601113809182281990姗720V956TB92202302302454901)1500205115010023591452241980MTU20Vl 163TB9320230280370740t)1300294121312235621452251984Niigata12V16FX12165185129154519502。oo1203112240914，72091993Niigata12V16FX1216518513916702000211123311226031472000Niigata12V20FX1220522025030001650 25012101073030182ll2000Niigata12V20FX1220522027l3250169526412431073282200lSEMT16PA42001620021012920601500156105010516-391325 2221970SEMT16PA4 200VG16200210135216015001641050105171913251984SEMT16PA4 200VGDS162002lO184294015002231050105234013251984SEMT16PA4V200VGA162002101662650150020l105010521091325199lWartsilaCWl2V170A12171)2001301560180019112OO1182291202001997Wartsila18V200182002402003600150021212oo1202546201981999万方数据2006年1月王锋：大功率高速船用柴油机主要技术参数的发展32平均有效压力的提高DxS=109x107mm)的活塞平均速度达到了1515ms。 提高平均有效压力是提高柴油机功率最直接、1350最有效的手段。图2为国外高速柴油机平均有效压13001650 rmin1300 116952100 rminI一 。-。力发展历程，从中可以看出：国外高速柴油机平均1250：有效压力风上世纪七八十年代基本在1520MPa左之1200一。昌1150 1右，个别机型发展较快，达到22MPa左右。采用二一G 1100级增压的机型的p。较高，如MTUll63TB93柴油机lO50。一的p。已达294MPa。1000196019701980199020002010增压技术和增压器设计制造技术也在不断发年份展。近年来，尤其是上世纪90年代后的发展较为图3活塞平均速度的发展历程迅速。这有效地促使高速柴油机平均有效压力增长到23-一26MPa，增长率为20-30。目前，大预计在未来510年内，随着摩擦磨损等技术的 多数新开发的舰船高速柴油机平均有效压力p。基本发展，高速柴油机的活塞平均速度会缓慢发展至 在2-326MPa。 135ms左右。如果在新材料、表面处理技术、纳米 图2所例举的MTU595TE90和MTUl 163TB93材料技术等方面得到进一步突破，则高速柴油机的柴油机由于采取了两级增压技术，平均有效压力较 活塞平均速度可能会得到进一步的提高。 高，在上世纪80年代就已达到30MPa左右。但两3。4行程缸径比的发展 级增压系统的结构复杂，主要用于特殊用途，最近对高速柴油机来说，功率重量比和功率体积比十多年来，两级增压型的大功率高速船用柴油机并是极其重要的技术参数，SD值将直接影响这两个参无更多的发展。数。同时，活塞平均速度也会对雠有较大影响。预计在未来510年，随着增压技术和高压比高一般而言，当柴油机的活塞平均速度一定时， 效率增压器技术的进一步发展，高速柴油机平均有 转速较高的柴油机必然要求采用较低的SD值；反 效压力将会得到进一步发展，可望达到25之，转速较低时，则可适当提高SID值。而当柴油 30MPa。机的活塞平均速度一定时，气缸直径较小的柴油机可以采用较大的SD值，气缸直径较大的柴油机只13001650 rminI-16952100 rminl能取较小的SD值。图4为国外高速柴油机行程缸径比发展历程，。一：从中可以看出SD的变化趋势：30多年来，高速柴彳一“油机行程缸径比总的趋势是增大，但幅度变化不大，除少数机型的行程缸径L匕SD大于12以外，大部分高速机的S缈值在10512之间。预计总的趋势年份不会有明显的变化。图2平均有效压力的发展历程14033活塞平均速度的发展130120活塞平均速度是表征高速柴油机技术参数的110重要指标，国外高速柴油机活塞平均速度发展历程鐾100O90如图3所示。从中可以看出：大部分的高速柴油机080活塞平均速度在上世纪七八十年代基本保持在070l13001650 rmin L1 16952100 rminO60105115ms。在90年代中后期得到快速的发展，1960197019801990200020lO达到了118128ms，个别达到了13Oms以上(如年份 图4行程缸径比的发展历程MTUl2V4000M90)。但在最近几年，考虑到可靠性和耐久性的综合要求，大缸径机型的活塞平均速 35单缸功率和转速的发展 度增长不大，基本保持在12125ms之间。个别柴油机转速也是极其重要的技术参数。一般而 小缸径战车用高速大功率柴油机(如MTU6V890，言，转速和缸径均由用户确定，与柴油机使用场合万方数据柴油机第28卷第1期以及重量、尺寸要求有密切的关系。表2高速柴油机单缸功率、缸径与转速的关系对于发电用途，柴油机的转速有较大的限制。单缸功率缸径范围转速范围kWI啪rmin50Hz用电频率，高速柴油机的额定转速应在370230 13001500rmin；60Hz用电频率，高速柴油机的额定转245270230205150016952701901800速则应在1800rmin。对于主推进动力而言，由于采22018519501701652100用了减速齿轮箱，对柴油机转速没有太大的限制，为获得最大的功率和功率重量比，往往选择更高的、鲁柴油机转速。l、由表l可以看出，国外船用高速柴油机的转速槲雷分别集中在1450、1500、1650、1800、2100 rmin曩 。l-瓣 1等，以16952100ffmin范围内居多。l +13001650 r=inl。4_1 -16952100 rminI+3-1163905021610050；mmii：l3转速，rmin22图6单缸功率与转速的关系l妻槲督塔井-。：-从图6和表2中可以看出：随着额定转速的提1高，高速柴油机缸径和单缸功率一般逐步呈下降趋如如O196019701980199020002010势；转速在1500-1800rmin的柴油机单缸功率在年份200270kW，而这几个机型也正是最近几年刚剐图5单缸功率的发展历程开发的，缸径在185205mm左右。这些机型代表与转速一样，柴油机功率也是一个用户提出的了目前最为先进的技术在柴油机上的运用。 参数，主要由柴油机用途以及功率需求决定。图5 为国外高速柴油机单缸功率发展状况。从中可以看4结论出：高速柴油机单缸功率大部分集中在140170kW本文根据国*b-十多年来大功率高速船用柴 范围内，而技术先进、功率更大的高速柴油机单缸 油机的发展历程，对强化指标、平均有效压力、 功率在200270kW之间。目前，单缸功率最大的活塞平均速度、缸径行程比、转速和单缸功率等 高速柴油机(如MTU20V1 163TB9