G8300柴油机的研制开发.doc

G8300 柴油机的研制开发吴杰( 宁波中策动力机电集团有限公司 , 宁波 315020)Devel opment of G8300 Diesel EngineWU Jie( Ning Bo C. S. L . Power & Machinery Gro up CO . ,L TD ,Ningbo 315020 ,China)Abstract :This article int ro duced t he p ro blems and t he measurement s of imp rovement during t he p rocess ofdesign , developing , testing and researching t he G8300 Series diesel engines. The main technologies of t he G8300Series diesel engines were t he t ype selectio n and perfo r mance matching fo r t he t urbocharger and af tercooler , includ2 ing t he imp rovement of camshaf t , crankshaf t , cooling , f uel and ot her systems. And t he G8300 Series diesel en2 gines also co ntain t he generalit y of t he G6300 Series diesel engines. So t hat t he G8300 Series diesel engines canmake t he design index meet t he requirement s of t he new diesel enginest ypes.摘要 :本文介绍 G8300 系列柴油机设计开发 、试验研究中发现的问题及改进提高的措施 。主要技术工作围绕增压器 、中冷器的选型和性能匹配 ,包括对凸轮轴 、曲轴 、冷却 、燃油等系统 的改进 ,并且兼顾 G6300 原机型主要部件的通用性 ,设计指标满足新机型的要求 。关键词 :内燃机 ; G8300 柴油机 ;设计研制 ;强度计算 ;性能匹配Key Words :I. C. Engine ; G8300 Diesel Engine ;Design and Develop ; Intensio n Calculating ; Perfo r mance Matching中图分类号 : T K422文献标识码 :A1概述5000t 至 10000t ,而 G300 系列原主导产品 G6300ZC6B柴油机已不能满足用户的需求 ,目前市场急需 15002600kW 功率范围的柴油机 。为了满足市场需求 ,尽快将新品投放市场 ,在原6 缸机的基础上自行研制 G8300 柴油机 , 功率范围1471 2000 k W 。G8300 ZC6B/ 7B 型柴油机 在 2002年底完成了各项性能试验 ,并通过了市级鉴定 。G300 系列柴油机是 70 年代中期由我国四部二院一所两厂联合设计开发 (一所 :上海船用柴油机研 究所 ;两厂 : 宁波动力机厂 、无锡柴油机厂) , 完全采用国产零部件开发的中速四冲程柴油机 。原设计指 标 G6300 一期低指标为 735 k W/ 400r ·min - 1 , pe 为1 . 42M Pa ; 二 期 高 指 标 为 1471 k W/ 600r ·min - 1 , pe 为 1 . 86M Pa ,经过 20 余年的产品改进提高 ,从低指 标机型发展到高指标机型 ,其中还开发了转速在 400 600r/ min , 功 率 为 735 k W 、882 k W 、1103 k W 、1323 k W 、1471 k W 多种机型 ,形成了船用 、陆用多品 种机型的覆盖 ,满足不同用户对功率 、转速的需求 。根据国家政策超龄船舶强制报废及市场需要 ,国 内 造 船 已 从 前 几 年 的 3 0 0 0 t 左 右 , 发 展 到 目 前2G8300 柴油机的主要技术参数按船标 GB3255 规定 ,确定技术参数的指标如表1 所示 。基准环境温度 45°C 、环境压力 100 k Pa 、相对 湿度 60°C 、中冷器进水温度 32°C 。柴油机带滑油抽出泵 、滑油压力泵 、海水泵 、淡水泵 、燃油输送泵 ( 带海 水 泵 时 增 加 燃 油 消 耗 率 1 % , 燃 油 低 热 值 为427000 kJ / kg) 的情况下测定 。表 1 G8300 柴油机主要技术参数3G8300 与国内同类中速柴油机的主要参数比较表 2中速柴油机主要参数比较4总体设计减振器的安装部位 ,曲轴两端油封采用密封装置 ,结构简单 ,使用可靠 。高强化柴油机则采用钢轴结构 。4 . 4油泵喷油泵采用等压出油阀结构 , 具有较好的喷油 特性 ,喷油器采用多孔结构 ,既可燃用轻柴油 , 也可燃用重油 。对高压油管的孔径 、长度进行不同方案的试验 ,选定最佳喷油压力 。4 . 1 总体布置G8300 型柴油机采用机体2机座受力系统的正 置式主轴承干式机座结构 ,为了便于船用双机 ,所以采用左右机结构形式 。从飞轮端看 (右机) 左侧布置有进排气顶杆 、凸轮轴 、喷油泵 、进气管 ,右侧布置排 气管 ,飞轮端布置中冷器 ,增压器自由端布置水泵 、 燃油输送泵 、滑油抽出泵和压入泵 、仪表板 、接线盒 、柴油机精滤器 ,曲轴自由端有一辅助输出法兰以满足前端功率输出的要求 。4 . 2 机体和机座本机的机体和机座均采用整体铸造结构 , 机体 和机座之间除了两侧连接螺栓外 ,还用贯穿螺栓锁 紧 ,每档主轴承两侧均有观察门盖 ,结构紧凑 、检修方便 ,机体和机座通过选择适当的壁厚和布置合理的加强筋 ,提高了机体和机座的强度和刚度 。 机体在每缸上有 8 个气缸盖螺栓 , 并旋入至机体面板内较深处 ,改善了上面板的受力状态 。每个 气缸的冷却水从机体侧面的冷却水腔切向导入 , 有 较好的冷却效果 。气缸套下方有三道密封环 。4 . 3 曲轴曲轴采用高强度球墨铸 铁 整 体 制 成 经 氮 化 处 理 ,每缸平衡块用螺栓组成 。曲轴的轴颈较粗 ,以满 足该机高指标的要求 。经计算均能符合船标要求 。5试验研究与性能改进5 . 1增压器选型由于 G8300 功率范围 14712600kW 比较宽 ,空 气流量和增压压力均不同 ,通过优化匹配计算 ,采用V TR 系列增压器 ,并选用不同通流元件来满足性能要 求 。2000kW 以下的机型选用 V TR251 或 V TR254 增压器 ,考虑到经济成本 ,首配 V TR251 ,2000kW 以上则考虑选用 V TR321 增压器 ,但保证匹配运行线在增压 器 高 效 区 内 。 G8300ZC20B/ 21B ( 1765kW ·500r/min - 1) 增压器匹配运行线如图 1 所示 。5 . 2燃油系统增加了喷油咀孔数 ,调整孔径提高了喷油器喷 射压力 ,缩短了高压油管长度 ,采用等压出油阀替代等容出油阀 ,在油泵升程和预行程不变的情况下 ,加大柱塞直径 ,提高了供油速率和压力 ,从而改善了燃 烧性能 。生产公司及型号缸径 ,mm行程 ,mm转速 ,r/ min功率 ,k W平均有效压力 ,M Pa燃油消耗率 ,g/ ( k W·h)机油消耗率 ,g/ ( k W·h)宁波中策 G8300 ZC6B/ 7B30038050017651 . 971981 . 6无锡柴油机厂 G8300 ZC6B/ 7B30038050015001 . 68204 . 62 . 18广州柴油机厂 G320 ZCd R24/ L2532044050013241 . 502101 . 1陕西柴油机厂 6M28B T28048039010291 . 79193右机G8300 ZC6BG8300 ZC18BG8300 ZC20BG8300 ZC16BG8300 ZC30B左机G8300 ZC7BG8300 ZC19BG8300 ZC21BG8300 ZC17BG8300 ZC31B型式四冲程 、水冷 、直列式 、直接喷射 、增压中冷 、不可逆转机气缸数8气缸直径 ,mm300活塞行程 ,mm380活塞总排量 ,L215活塞平均速度 ,m/ s6 . 336 . 976 . 337 . 607 . 60标定转速 ,r/ min500550500600600标定功率持续功率 ,k W ( PS)1471 ( 2000)1765 ( 2400)1765 ( 2400)2000 ( 2720)2200超负荷功率 ,k W ( PS) / r·min - 11618 ( 2200) / 5151942 ( 2640) / 5681942 ( 2640) / 5152200 ( 2992) / 6192420 ( 3300) / 619压缩比13通过对作用在曲轴上的载荷分布 ,可以看到曲轴受力变形 (图 3) ,也可以看到每个节点的最大应力max 、最 小应力min 、应力幅a 及平均应力m ,见表 3 。图 3 载荷模型图表 3 整体曲轴模型中危险节点应力值图 1 V TR251 性能曲线由此可见 ,主轴颈的危险部位发生在第 32 号节点处 ,即第 8 档主轴颈与第 8 曲柄左侧过渡圆角处 ; 连杆轴颈的危险部位发生在第 15 号节点处 ,即第 4 档连杆轴颈与其左侧曲臂的过渡圆角处 ,参见图 3 。同样 ,原机型的危险部位也应该是发生在同一位置 。采用可调凸轮选择排气开关最佳位置 , 增大气门重叠角 ,提高进排气效率 。5 . 4 曲轴强度校核G8300 柴油机曲轴是研制过程中改动较大的部 件 ,采用高强度球铁并经氧化处理 ,采用带平衡块曲轴结构 ,降低了轴承负荷 ,采用盖斯林格扭振减振器 和硅油扭振减振器 ,使 G8300 系列柴油机扭振性能 在 40 %103 %标定转速范围内均安全可靠 ,并符合 钢质海船入级与建造规范要求 。采用三维有限元强度计算与船规验算相结合的方法 ,对曲轴进行疲劳强度校核 ,通过对曲轴三维实 体造型 ,得到有限元计算的模型 ,如图 2 所示 ,整体曲 轴共生成 807513 个单元 , 157065 个节点 ,分别对 16 种工况取出 32 个最大主应力节点进行计算 。表 4 两种机型危险点的应力值比较主轴颈与连杆轴颈静强度安全系数计算结果见表 5 、表 6 。表 5 强化机型强度安全系数计算结果表 6原机型静强度安全系数计算结果由表 5 、表 6 可见 , 安全系数 n 均大于施用值 ,在安全范围内 。主轴颈与连杆轴颈的疲劳强度安全图 2 单拐曲轴计算模型节点号工况 ,M Pab ,M Pan n 主轴颈28285 . 279824 . 09 . 8722. 55 . 0连杆轴颈15596 . 547824 . 08 . 7212. 55 . 0节点号工况,MPab ,M Pan n 主轴颈243107 . 323824 . 07 . 8452. 55 . 0连杆轴颈155115 . 707824 . 07 . 2772. 55 . 0节点号max ,M Pamin ,M Paa ,M Pam ,M Pa数值相应工况数值相应工况强化机15140 . 2965- 108 . 594124 . 44315 . 8533243 . 9745- 120 . 50182 . 237- 38 . 263原机型15115 . 6765- 107 . 694111 . 6833 . 9933235 . 1095- 93 . 544164 . 327- 29 . 218节点号max ,M Pamax ,M Paa ,M Pam ,M Pa数值相应工况数值相应工况15140 . 35- 108 . 64124 . 4415 . 853243 . 975- 120 . 5182 . 24- 38 . 27表 7 强化机型疲劳强度安全系数计算结果表 9G8300 ZC 主要性能参数比较7 320表 8 原机型疲劳强度安全系数计算结果由表 7 、表 8 可见 ,强化机型的最小安全系数为1 . 856 ,大于允许的安全系数 。但考虑到曲轴的安全 强度 ,该柴油机功率提高到 2000 k W 时 ,选用钢质曲 轴为宜 。5 . 5 其他改进为了提高柴油机传动齿轮性能 ,降低传动噪音 , 传动齿轮均采用硬齿面磨齿工艺 ,提高了齿轮的传 动精度和接触精度 。由于加大了喷油泵柱塞 ,提高了喷油压力 ,相应提高了泵端压力 ( 80100M Pa) ,使油泵支座上的滚轮 组件的拉毛故障频发 。这影响了使用可靠性 , 又影 响产品出产进度 ,通过分析研究 ,多方案比较得到一 个适应性比较好的高强度铸铁材料 ,较好地解决了 滚轮组件的故障问题 。随着功率的提高 ,原与测功器相联的柱销联轴 器不能满足试验需要 ,也影响台架试验的扭振性能 , 经计算采用伏尔康公司 EZR2012 高弹性联轴器 ,大 大改善了试验条件和可靠性 。自 2002 年 以 来 先 后 开 发 了 G8300 ZC6/ 7B 、G8300 ZC18/ 19B 、G8300 ZC20/ 21B , G8300 ZC16/ 17B 功率 分 别 为 1471 k W/ 500r ·min - 1 、1765 k W/ 550r · min - 1 、1765 k W/ 500r ·min - 1 、2000 k W/ 600r ·min - 1 , 并根据 CB3254 - 1994 及 CCS 钢质海船入级规范要 求 ,完成了其他机型的性能试验 。其中 6B/ 7B 、16B/17B 机型的主要技术参数设计值与实测值的比较见 表 9 。G8300ZC6B 柴油机负荷特性曲线 (1471kW/ 500r·min - 1 )图 46G8300 柴油机的主要技术特点6 . 1燃油消耗率低G8300 型柴油机系增压中冷柴油机 。在改进中 针对柴油机性能的设计予以足够的重视 ,以得到较 低的燃油消耗率指标 ,详见图 4 图 7 。G8300ZC6B 柴油机推进特性曲线 (1471kW/ 500r·min - 1 )图 5aM PamM Pa- 1M PaKn n 主轴颈64. 327- 29. 2183201 . 00 . 541 . 40 . 494 . 522> 1 . 8连杆轴颈111 . 683 . 9933201 . 00 . 541 . 40 . 492 . 138> 1 . 8性能参数设计值或标准规定值实测值6B/ 7B16B/ 17B6B/ 7B16/ 17B标定工况燃油消耗率 ,g/ (kW·h)205205196 . 8204 . 3机油消耗率 ,g/ ( k W·h)2 . 181 . 71 . 21 . 58最大燃烧压力 ,M Pa12 . 512 . 7511 . 812 . 6烟度 ,BSU3 . 13 . 11 . 831 . 8涡轮进气温度 ,°C550570553570排气温度 ,°C450470429468机械效率 , %8891 . 392稳定调速率 , %880 . 63 . 5转速波动率 ( 空载) , %±2±20 . 20 . 2起动时间 ,s10104 . 83噪声 ,dB ( A)124124118 . 2119 . 0NO X ,g/ ( k W·h)10 . 810 . 89 . 96aM PamM Pa- 1M PaKn n 主轴颈82 . 24- 38 . 21 . 00 . 541 . 40 . 493 . 554> 1 . 8连杆轴颈124 . 443 . 9933201 . 00 . 541 . 40 . 491 . 856> 1 . 8(7) 合理选择附件泵结构容量 ,以尽量减少辅助泵类的功率消耗 。经样机的实际试验结果表明 , 采取的上述多项 措施达到了预期效果 。6 . 2结构可靠 ,运行安全该系列机型的强化指标略高于 G6300 , 一些重 要受力零件的结构型式 、结构参数 、加工精度都与 G6300 相同 。根据受力分析 、计算结果具有足够的 安全系数 。该机采用综合多功能保护装置 ,具有超速 ,高水温 、油温 、低油压燃油管漏油等保护功能 , 符合现行 安全标准要求 ,确保柴油机的安全运行 。6 . 3平衡性好 、噪声低8 缸柴油机对运动件均有相应的平衡要求 ,设计 时仔细分析了曲轴的平衡性和轴承负荷 ,对加工尺寸严格控制 ,各种工况运行时比较柔和 。6 . 4充分注意拆装的方便性在设计时 ,充分考虑到主要件与 G6300 的通用 性 ,使得拆装方便 ,随机工具也与 G6300 通用 。6 . 5标准化程度高该机的全部图样和技术文件均贯彻国标 、船标 和企业标准 ,零部件全部国产化 。系列机中变型产 品的主要零部件都能通用 ,并且对进一步功率提高 留有余地 ,为进一步扩大该机的生产和降低成本创 造了条件 。G8300ZC16B 柴油机推进特性曲线 (2000kW/ 600r·min - 1 )图 67结论G8300 系列柴油机在 G6300 柴油机基础上 , 采取了各种改进措施 ,新机型的燃油经济性 、安全可靠 性 、功率提升等都达到了预期效果 ,并具有良好的工 艺继承性 。已投产的 2000 k W 填补了我国中速船用 柴油机的空缺 ,扩大了工厂的产品市场 ,创造了一定 的经济效益和社会效益 。G8300ZC16B 柴油机负荷特性曲线 (2000kW/ 600r·min - 1 )图 7采取的主要技术措施 :(1) 选用高效轴流增压器 ,使其发挥良好的作用 ,柴油机与增压器的运行线均落在高效区内 ,见图 1 。(2) 优化进排气凸轮型线和配气相位 ,提高进排 气效率 。(3) 选用优质中冷器 ,降低空气阻力和空气进气 温度 ,增加空气密度 。(4) 选用新型单体泵 ,提高喷油压力 , 减少二次 喷射 。(5) 选用合适的燃烧室形状和与之相匹配的喷 油雾束 ,提高燃烧品质 。(6) 适当提高机油和冷却水的进出口温度 ,提高 热效率 。参考文献 :1吴兆汉 ,蔡 坪 ,陈深龙. 内燃机可靠性设计 M .理工大学出版社 ,1998 .北京 : 北京丁培杰 ,吴昌华. 柴油机曲轴计算方法发展的回顾 、现状与展望J . 内燃机工程 , 2003 ,24 ( 3) :7479 .徐 灏. 废劳强度设计M . 北京 :机械工业出版社 ,1981 . 柴油机设计手册编辑委员会. 柴油机设计手册 M . 北京 : 中 国农业机械出版社 ,1984 .234(编辑 :云渊)file:/D|/新建 Microsoft Word 文档.txtdf机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldffile:/D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56