MTU20V8000M71型高速柴油机研发介绍

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柴 油 机 第 31 卷第 2期
单元的硬件进行修改时 (如安装一个新活塞 ) , 另 一组动力单元仍在单缸机上试验 。也就是说 , 动 力单元是作为一个整体替换的 。单缸机试验时采 用动力单元的另一优势 , 是使单缸机上测出的值 保持高度一致 。因此 , 部分确定长期性能的测试 和测量可在单缸机上进行 , 而对部件强度的评估 在初期阶段就能完成 。
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柴 油 机 第 31 卷第 2期
通过对涡轮增压系统的持续开发来提高增压压力 , M 71 型柴油机增压压力的绝对值在额定功率时达到 0141 M Pa。最高燃烧压力允许达到 23 M Pa, 为高压 缩比提供了足够的可能性 , 从而确保 M71 型柴油 机的起动以及怠速特性与原机保持一致 。
2009 年 3月 黄锦星 : MTU20V8000M71型高速柴油机研发介绍
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文献 [ 3 ] 详细介绍了由 M TU 公司自行设计 , 经改进提高的 ZR265 系列废气涡轮增压器 。该压 缩机的设计参数为叶尖速度 ( 560 m / s) 和涡轮机 (510 m / s) , 对 8000系列的高功率柴油机也有效 。 从压缩机的特性图 (图 3) 可以看出 , 在发动机主 要运行范围 , 四台等熵压缩机的效率 ≥78% , 符合 拟定的热工技术条件 。 20V8000M71 柴油机所使用 的废气涡轮增压系统带有水冷压缩机壳 , 部分增压 空气已经在其中得到冷却 。因此 , 按照标准定义 , 等熵效率可达到非常高的 “计算值 ”。为了达到 ETC的平衡 , 可通过文献 [ 4 ] 的计算方法 , 计算 出冷却效率 。因此 , 根据涡轮机械结构的标准定 义 , 绝热等熵的效率如图 3所示 。
第 31 卷 (2009)第 2期
机 型
柴油机 D iesel Engine
Vol. 31 ( 2009) No. 2
M TU 20V8000M 71型高速柴油机研发介绍
黄锦星 (海军驻七一一研究所军事代表室 , 上海 201108)
摘 要 : 从热力设计、机械设计、单缸及整机试验几方面介绍了 MTU20V8000M70高速柴油机的改型 机 MTU20V8000M71的设计过程 , 可供柴油机设计人员参考。 关键词 : MTU20V8000M71柴油机 ; 热力设计 ; 机械设计 ; 单缸机 中图分类号 : TK42 文献标识码 : A 文章编号 : 100124357 (2009) 0220005208
312 燃烧的研究 为遵守更严格的废气排放法规 , 开发出一种氮
氧化物 - 燃油消耗率间达到很好折中的新的燃烧模 式 。燃烧开发的目标 :
(1) 提供所要求的功率输出 。 (2) 避免增加燃烧室周围部件 (尤其是气缸 盖和活塞 ) 的热应力 。 (3) 保持原机型出色的燃油消耗指标 。 (4) 除符合 IMO 排放法规外 , 在美国 , 必须 满足 EPA Tier2指标 。 (5) 整个性能图中烟度值 FSN < 015。 313 单缸柴油机的设计过程 用一台 8000系列的单缸柴油机 (图 7 ) 进行 燃烧 研 究 。其 动 力 单 元 ( PU ) 包 括 气 缸 盖 、缸 套 、活塞和连杆 , 同那些用于整机 的完 全相 同 , 这样就使得在该单缸机上能够测试已经在整机上 使用过的单个部件 。该动力单元包括在燃烧开发 期间被改变的全部部件 。因此 , 当要对一组动力
按原订计划 [ 2 ]引入市场的只有 20 缸柴油机系 列 , 持续功率达到 8 200 kW (M70 ) , 峰值功率达 到 9 000 kW (M90) 。但基于市场对更高功率商用 机的强烈需求 , MTU 又研发出 20V8000M71 柴油 机 (见图 1) , 功率增加到 9 100 kW。按应用进行分 类标定 , 该柴油机可以在超负荷 10%的工况下运 行 , 从而动力输出的功率指标达到 10 MW。
自 2007年起 , 美国要求 5～30 L / cyl柴油机的排 放应满足 EPA Tier2。因此 , 引入市场的 20V8000M71 柴油机非但是满足 IMO 油耗指标的改进版 , 也是 满足 EPA Tier2排放要求的发动机 。
图 1 M TU 20V8000M 71 型柴油机
本文介绍改型柴油机的技术参数以及涡轮增压 器的设计和燃烧技术的研发 ; 还介绍了柴油机的设 计和测试技术 , 并对 20V8000M71型柴油机整机的 测试结果展开了研讨 。
2 20V 8000M 71 柴油机简介
20V8000M70型柴油机升级到 20V8000M71 型 后 , 其主要尺寸如缸径 、冲程以及额定转速均保持 不变 。功率增长 11%是通过提高平均有效压力来 达到的 。和原型机相比 , 为了避免热负荷的增加 ,
收稿日期 : 2008206218
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具有三种运行范围即在 2TC、3TC及 4TC运行 模式下 , 相继增压系统要求压缩机有宽广的特性 。 而使用这些带有无扩散叶片的压缩机 (图 4) 其价 值已得到了证明 。
空气管路和增压空气冷却器的温度将大大超出规定 的 220 ℃的限值 。
为确保达到船级社要求 , 压气机壳体 、空气传 导部件和增压空气冷却器的进气道均由柴油机冷却 液冷却 。图 5的温度场计算表明 , M71型柴油机压 缩机组件的温度都大大低于 220 ℃的限值 。
8 000
20 265 ×315
1714
48
M 70 100%
110% 3
M71 100%
110% 3
8 200
9 020
9 100
ຫໍສະໝຸດ Baidu
10 010
2146
2171
2173
3101
1 150
23
0137
0141
189
193
189
185
185
180
IMO、 EPA - 1
IMO、 EPA - 1、 EPA - 2
带集成泵蓄压器的共轨系统 , 最高轨压 180 M Pa
单级相继增压
分离式循环增压空气冷却 (CAC中无海水 ) 电控发动机管理 , 带 M TU 柴油机控制 (MDEC) 系统 7300 ×2000 ×3400
45
3 热力设计
311 增压系统 对柴油机工作过程来说 , 一个关键的环境条件
就是涡轮增压系统和由此产生可供使用的增压压 力 。该相继增压系统 (图 2) 已经在文献 [ 2 ] 中 给予了描述 。从图中可看到 , 柴油机配备了四个废 气涡轮增压器 ( ETC) , 靠近柴油机的两台主涡轮 增压器始终运行 , 而另外两台二级涡轮增压器 A1 和 B1则根据需要开动 。由于这种灵活的增压系 统 , 8000系列柴油机即使在低转速也可以传送相 当高的输出扭矩 , 从而使柴油机有高度的机动性并 适用于多种推进方案 。在功率方面的任何增量 , 将 导致需要更高的空气流量 , 涡轮增压器须依此修改 设计 。出于维修方面的考虑 , 在 ETC 的设计中 , 必须采用 4台结构相同的涡轮增压器 。
为了实现低燃料消耗并符合排放要求 , 燃烧过 程按新标定的功率进行了优化 。自 2002 年以来 ,
8000系列柴油机的共轨燃油系统已在使用中得以 验证 , 其单独的蓄压器和 180 M Pa的最高轨压 , 在 所有的性能范围和环境条件下 , 为喷射压力和喷油 定时提供了非常优秀的灵活性 , 因此 , 可确保柴油 机可靠运行并符合排放法规 。
1 引 言
自 2001年 M TU 8000 系列四冲程大功率柴油 机在市 场推 出后 [ 1 ] , 该 机已 配套 用于 高速 渡 轮 、 私人游艇和军用舰船 。其卓越的经济性源于出色的 油耗指标以及易维修性 , 并已得到证实 , 截止到 2006年 10 月 , 该 型 柴 油 机 在 航 时 间 共 计 达 到 67 000 h。
In troduction of R&D of M TU20V8000M 71 H igh - speed D iesel Eng ine
Huang J inx ing (Naval Deputy Office of Shanghai Marine D iesel Engine Research Institute, Shanghai 201108) Abstrac t: Development p rocess of MTU20V8000M71 high speed diesel engine, the imp roved model from MTU20V8000M70, is introduced from aspects of thermal and mechanical design as well as its single cylinder engine test and multi - cylinder engine test. It p rovides reference for enigne desingers. Keywo rds: MTU20V8000M71 diesel engine; thermal design; mechanical design; single - cylinder engine
据 IMO SOLAS ( Safety of L ife at Sea) 的指导 要求 , 船舶柴油机管路和设备其表面温度不得超过 220 ℃, 以防止点燃泄漏的燃油或机油 。在船级社 船检时 , 这 是 一 个 必 测 指 标 。当 进 气 温 度 达 到 45 ℃时 , 且为持续运转状态时 , 按照设计要求 , 20V8000柴油机功率不减小 。由于高增压压力的结 果 , 这些环境条件导致压气机出口温度升高 , 在额 定功率时 , 可达到 250 ℃, 在 10%超负荷时 , 达到 270 ℃。如果不采取相应措施 , 压缩机壳体 、增压
表 1为 20V8000柴油机的主要技术数据 。
表 1 20V8000 系列柴油机技术参数
系列 气缸数 缸径 ×行程 /mm ×mm 每缸排量 /L V 型夹角 / ( °) 发动机型号 功率百分比 额定功率 / kW 平均有效压力 /M Pa 额定转速 / ( r/m in) 最高燃烧压力 /M Pa 额定功率时增压压力 /M Pa 燃油消耗率 (额定功率时 ) / ( g / kW h) 33 最佳燃油消耗率 / ( g/ kW h) 33 排放 燃油喷射 增压 冷却系统 控制和监控 长 ×宽 ×高 /mm 重量 (干 ) / t 3 系 IMO 数据 ; 33 为船舶制定的超负荷功率 。
图 2 相继增压系统的示意图
压缩机性能图的设计指标由发动机性能图和对 相继增压的要求决定 。高的 ETC 效率要求源自具 有挑战性的油耗指标 , 因此柴油机需要一个优化的 充气循环 。由于功率增加是通过提高增压压力来实 现的 , 提高增压压力是一个必要的条件 。
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图 5 计算得出的压缩机壳体的温度场
增压空气冷却器的进气道壳体是双层壁 、水冷 式 (图 6) 。这种增压空气冷却器的效应 , 是进气 道冷却基体的负荷下降了约 20 K, 这对冷却器的使 用寿命来讲是有益的 。
图 3 压缩机特性和运行范围图
图 6 水冷式增压空气冷却器进气道的壳体
图 4 新型 ZR265 废气涡轮增压器