全新ACD320系列發(fā)動(dòng)機(jī)研究與開發(fā)

徐先進(jìn),朱樹林,梅加化,高申德

(安慶中船柴油機(jī)有限公司,安徽 安慶 246000)

0 引言

由于天然氣燃料價(jià)格低廉、排放特性優(yōu)良、開采和儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施建設(shè)日趨完善,因此天然氣燃料海上運(yùn)輸業(yè)不斷發(fā)展,天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步。然而,終端用戶選擇使用液體燃料或者氣體燃料仍然存在變數(shù),發(fā)動(dòng)機(jī)制造商應(yīng)慎重考慮自己的發(fā)動(dòng)機(jī)功率覆蓋、適應(yīng)燃料類型和制造成本。

某公司自主開發(fā)的全新ACD320系列中速發(fā)動(dòng)機(jī)包含了3種機(jī)型：ACD320G天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、ACD320DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)及ACD320D柴油機(jī),創(chuàng)建了320 mm缸徑中速船用發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)全新平臺(tái)。ACD320G天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用預(yù)燃室火花塞點(diǎn)火,并且以該機(jī)型作為母型機(jī)。基于320 mm缸徑級(jí)機(jī)型的數(shù)據(jù)庫(kù)信息,該系列機(jī)型開發(fā)不包括單缸機(jī),燃燒開發(fā)將基于L6缸開展,設(shè)計(jì)包括2種不同壓縮比的活塞、4種不同結(jié)構(gòu)的預(yù)燃室和2種不同正時(shí)的凸輪軸,對(duì)于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)微噴噴油器設(shè)計(jì)了6種變型結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)開發(fā)的過程中,從基本架構(gòu)到發(fā)動(dòng)機(jī)布置直至零部件的設(shè)計(jì)均考慮到3種機(jī)型之間零部件的通用化和機(jī)型間相互轉(zhuǎn)換的便利性,大幅降低了后期發(fā)動(dòng)機(jī)變型設(shè)計(jì)的成本并適應(yīng)瞬息多變的燃料價(jià)格。

目前,天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)已初步完成臺(tái)架性能與排放標(biāo)定任務(wù)并取得了中國(guó)船級(jí)社(CCS)的型式認(rèn)可和排放認(rèn)可,雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)亦已完成樣機(jī)裝配并開始臺(tái)架試運(yùn)轉(zhuǎn)。鑒于最終的發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放指標(biāo)尚未定義,本文僅從設(shè)計(jì)分析的角度加以論述。

1 機(jī)型的主要技術(shù)規(guī)格

ACD320系列發(fā)動(dòng)機(jī)具有低排放、熱效率高、可靠、耐久的特點(diǎn),由于前瞻性地考慮了多機(jī)型零部件的通用化設(shè)計(jì)與保護(hù),該型機(jī)具備較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力與生命力?；诖?jí)社規(guī)范對(duì)船用主推進(jìn)的冗余設(shè)計(jì)要求,天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)作為遠(yuǎn)洋船用主推進(jìn)應(yīng)用需配置2臺(tái)及2臺(tái)以上聯(lián)合動(dòng)力。詳細(xì)的機(jī)型指標(biāo)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

對(duì)于天然氣和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī),當(dāng)前的平均有效壓力已與同缸徑級(jí)的其他機(jī)型相當(dāng)。由于在設(shè)計(jì)中考慮了下一步柴油機(jī)的設(shè)計(jì)保護(hù),因此這兩款發(fā)動(dòng)機(jī)的功率提升空間較大。當(dāng)前設(shè)計(jì)允許最大爆壓達(dá)到22 MPa。

2 燃燒的概念

天然氣著火溫度較高,難以實(shí)現(xiàn)壓縮發(fā)火,一般情況下采取電火花點(diǎn)火或者微量燃油引燃2種方式。ACD320系列機(jī)型的天然氣、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在燃料的類別和引燃方式上具有較大的差異性。

2.1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)

ACD320G天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用預(yù)燃室火花塞點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)燃,其預(yù)燃室設(shè)計(jì)布置在氣缸蓋的中心位置,火花塞安裝于預(yù)燃室內(nèi)部,見圖1。

圖1 火花塞點(diǎn)火

主燃室的燃?xì)馔ㄟ^各缸獨(dú)立配置的電控燃?xì)鈬娚溟y按照發(fā)火次序通過一段導(dǎo)流管依次噴入各缸進(jìn)氣道,燃?xì)鈬娚溟y安裝于氣缸蓋上。預(yù)燃室供氣系統(tǒng)與主燃?xì)夤庀到y(tǒng)是相互獨(dú)立的,設(shè)計(jì)了單獨(dú)的供氣氣軌,燃?xì)馔ㄟ^安裝在氣缸蓋內(nèi)部的供氣管接入再經(jīng)由機(jī)械式單向閥進(jìn)入預(yù)燃室。

預(yù)燃室結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)具有較大的著火容積腔和點(diǎn)火能量,主燃室的發(fā)火、燃燒持續(xù)期及穩(wěn)定性得到了提高,可以實(shí)現(xiàn)過量空氣系數(shù)≥2.0的稀薄燃燒水平。

(2)可以在較高的燃?xì)鉂舛认聦?shí)現(xiàn)低電壓高能點(diǎn)火。

(3)高速的火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档土吮饍A向。

(4)稀薄燃燒可以在較低的NOx水平下實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力≥2.0 MPa。

(5)較高的點(diǎn)火能量降低了對(duì)主燃室混合氣的要求,允許適度的進(jìn)氣渦流,以至于可以設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單的氣道型式及簡(jiǎn)單的燃燒室結(jié)構(gòu)。

(6)低電壓點(diǎn)火技術(shù)可延長(zhǎng)火花塞使用壽命。

(7)適應(yīng)于較大缸徑(D≥200 mm)的純天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

預(yù)燃室結(jié)構(gòu)型式的缺點(diǎn)：

(1)氣缸蓋的設(shè)計(jì)與布置難度加大。

(2)預(yù)燃室供氣系統(tǒng)和預(yù)燃室本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)難度較大。

2.2 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

ACD320DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)了主燃油噴油器和微引燃噴油器,而且微引燃系統(tǒng)是一種開式結(jié)構(gòu)(OCMP)布置于氣缸蓋上。主燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)可使用重油(HFO)的能力,微噴引燃系統(tǒng)僅支持使用輕柴油(MDO);發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饽Ｊ焦ぷ鲿r(shí),微量引燃油點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)的燃?xì)饣旌蠚狻?/p>

微噴引燃點(diǎn)火系統(tǒng)也可以設(shè)計(jì)成帶預(yù)燃室的結(jié)構(gòu),見圖2,與純天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)燃室效果類似。但是,這種結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致氣道的結(jié)構(gòu)形式和氣口尺寸的變化,因此,ACD320DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)微噴引燃系統(tǒng)在氣缸內(nèi)設(shè)計(jì)成開式燃燒室結(jié)構(gòu)。主燃油噴油器垂直安裝,但是稍偏離于氣缸蓋中心,這樣設(shè)計(jì)是由于微引燃噴油器的布置較為困難。微噴引燃噴油器傾斜布置于氣缸蓋上,其中心偏離于氣缸蓋中心,但是在該噴油器的噴孔數(shù)量和角度設(shè)計(jì)上充分考慮了火核的傳播路徑和主燃室火焰?zhèn)鞑ヒ恢滦缘葪l件。燃?xì)獾墓┙o系統(tǒng)設(shè)計(jì)與純天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主燃?xì)夤庀到y(tǒng)保持一致。

圖2 微噴燃?xì)恻c(diǎn)火燃燒概念

3 通用化設(shè)計(jì)與保護(hù)

ACD320系列中速發(fā)動(dòng)機(jī)變型設(shè)計(jì)類別較多,涉及到氣缸數(shù)的變化和不同燃料種類的變化。因此,在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中要盡可能地提高零部件通用化系數(shù)[1]。ACD320系列機(jī)型零部件的通用化設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)要梳理見表2。

4 1D熱力學(xué)

1D熱力學(xué)計(jì)算可以評(píng)估和優(yōu)化天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。對(duì)于ACD320系列發(fā)動(dòng)機(jī),由于設(shè)計(jì)考慮柴油機(jī)的變型及保護(hù),熱力學(xué)的計(jì)算工作在一定程度上還可以對(duì)柴油機(jī)的相關(guān)零部件結(jié)構(gòu)和型式進(jìn)行潛在的分析與評(píng)估,如：增壓器選型匹配、進(jìn)排氣系統(tǒng)流量計(jì)算等,以防止在柴油機(jī)設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)布置的難題。熱力學(xué)計(jì)算使用BOOST軟件完成。該項(xiàng)工作貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)過程,包括預(yù)概念設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)各階段。然而,主要的目標(biāo)和任務(wù)還是評(píng)估天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的變型設(shè)計(jì)。以下是對(duì)熱力學(xué)計(jì)算工作范圍的基本定義：

(1)全負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)估,包括雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)柴油和天然氣2種模式運(yùn)行、機(jī)器在熱態(tài)環(huán)境工況運(yùn)行。

表2 通用化設(shè)計(jì)歸類

(2)進(jìn)排氣流量的要求(容積、直徑、長(zhǎng)度)。

(3)增壓系統(tǒng)的基本要求,廢氣旁通裝置的開度和過量空氣系數(shù)的控制。

(4)活塞壓縮比的推薦,以指導(dǎo)試運(yùn)轉(zhuǎn)和發(fā)動(dòng)機(jī)P&E開發(fā)所需活塞的變型設(shè)計(jì)。

(5)氣閥正時(shí)、氣閥升程曲線并評(píng)估氣閥與活塞的相對(duì)運(yùn)動(dòng)間隙。

(6)燃?xì)鈬娚湔龝r(shí)評(píng)估,以防止不恰當(dāng)?shù)膰娚渌斐傻臍怏w逃逸。

通過熱力學(xué)計(jì)算預(yù)評(píng)估得到以下關(guān)鍵性結(jié)論：

(1)通過對(duì)進(jìn)排氣管及燃?xì)夤苈返膸缀纬叽缭u(píng)估、增壓與中冷設(shè)備的匹配等,使L6整機(jī)的幾何尺寸得到有效控制,滿足了設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求。

(2)進(jìn)氣道渦流系數(shù)小于預(yù)期[2]。

(3)天然氣和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何壓縮比是相同的,并且推薦的2種設(shè)計(jì)變型及柴油機(jī)的壓縮比設(shè)計(jì)成天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的1.02倍。建議發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架試驗(yàn)期間,首選較低壓縮比的活塞用于初始的性能和排放標(biāo)定,以確保較高的爆震裕度。

(4)基于發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)性能和允許的排氣溫度確定最終的氣閥正時(shí),對(duì)于純天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)保持了較小的氣門重疊角。

5 氣缸蓋結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)特征

5.1 氣缸蓋和氣道設(shè)計(jì)

氣缸蓋包括氣道在設(shè)計(jì)時(shí)考慮各種機(jī)型的通用化,氣缸蓋只需在加工過程中作極小的變化即可適用于母型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、變型設(shè)計(jì)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和后續(xù)設(shè)計(jì)保護(hù)的320柴油機(jī)。

氣門的尺寸與布置、預(yù)燃室(天然氣發(fā)動(dòng)機(jī))位置、主微噴噴油器的布置及氣缸壓力傳感器和示功閥等結(jié)構(gòu)的定位都經(jīng)過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、冷卻、性能等一系列的分析與評(píng)估而最終確定。

缸蓋裝配和氣道模型見圖3。根據(jù)圖3,氣缸蓋設(shè)計(jì)的主要特征如下：

(1)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)通用的氣缸蓋型芯。

(2)斜置式的4氣門結(jié)構(gòu)。

(3)進(jìn)排氣道異側(cè)布置,橫流掃氣。

(4)低渦流比的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)[3]。

(5)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)通用的氣道型芯。

圖3 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋裝配和氣道模型

為了達(dá)到高度通用化的設(shè)計(jì)目標(biāo),基于發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和既定的排放目標(biāo),在設(shè)計(jì)過程中對(duì)氣道進(jìn)行了反復(fù)設(shè)計(jì)與修改。這種高度通用化的設(shè)計(jì)往往使得氣缸蓋局部結(jié)構(gòu)的壁厚很薄,因而對(duì)鑄造的工藝性提出了較高的要求。

對(duì)于進(jìn)、排氣道的設(shè)計(jì),初始模型是參照以往的設(shè)計(jì)與開發(fā)經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)建,在開發(fā)過程中按照2∶1的比例制作了氣道模型并進(jìn)行了氣道穩(wěn)態(tài)流量試驗(yàn),完成了局部的設(shè)計(jì)優(yōu)化。將測(cè)試的結(jié)果與以往的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)而對(duì)其性能進(jìn)行綜合評(píng)估。

對(duì)于斜置式氣門,進(jìn)氣道平均流量系數(shù)處于一個(gè)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的范圍值。與1D熱力學(xué)計(jì)算預(yù)估的流量系數(shù)相比,此次測(cè)試結(jié)果具有輕微的改善。在保證氣缸蓋設(shè)計(jì)通用化的前提下,兼顧預(yù)燃室、主噴和微噴噴油器的復(fù)雜布置,這是一個(gè)比較滿意的結(jié)果。

排氣道的穩(wěn)態(tài)流量測(cè)試表明,排氣道平均流量系數(shù)處于一個(gè)較高的水平。

使用FIRE軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了缸內(nèi)燃燒CFD計(jì)算以評(píng)估缸內(nèi)熱負(fù)荷。計(jì)算考慮了天然氣、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)110%超負(fù)荷(445 kW/缸),柴油機(jī)110%超負(fù)荷(550 kW/缸)的惡劣工況,以上的熱負(fù)荷結(jié)果則用于氣缸蓋的FEA分析?；鹧鏈囟葌鞑シ抡嬉妶D4。

圖4 火焰溫度傳播仿真

由圖4可直觀地總結(jié)以下結(jié)論：

(1)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)：火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快,可以實(shí)現(xiàn)較高的發(fā)動(dòng)機(jī)效率;火焰?zhèn)鞑ヂ窂揭恢?有利于抑制天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震。當(dāng)前預(yù)燃室設(shè)計(jì)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求。

(2)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)：氣體模式下,盡管微噴噴油器偏離了氣缸中心,但其火焰?zhèn)鞑ミ€是保持了相對(duì)一致性,火核仍然處于氣缸中心位置。

(3)柴油機(jī)：仿真結(jié)果顯示,柴油機(jī)只有較少的熱量傳遞至氣缸蓋火力面。由于要考慮到柴油機(jī)較高的平均有效壓力和更高的爆發(fā)壓力,對(duì)氣缸蓋火力面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和冷卻要求則十分苛刻。

5.2 氣缸蓋-機(jī)體熱固耦合計(jì)算

天然氣、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)均進(jìn)行了一系列的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析,載荷邊界包括裝配載荷、熱負(fù)荷、缸內(nèi)氣體載荷。熱分析邊界考慮冷卻液側(cè)來自冷卻CFD計(jì)算,缸內(nèi)氣體載荷的熱邊界源于缸內(nèi)燃燒CFD計(jì)算。

分析評(píng)估的對(duì)象包括氣缸蓋總成、氣缸套、機(jī)體及組件。評(píng)估內(nèi)容涉及各部件的溫度場(chǎng)分布、氣缸套的變形(徑向和垂向)、機(jī)體和氣缸蓋的應(yīng)力與變形分析、氣缸蓋、曲軸箱、缸套的高周疲勞分析、氣缸蓋的熱結(jié)構(gòu)分析。

5.3 氣缸蓋冷卻CFD分析

氣缸蓋總成冷卻性能評(píng)估是借助FIRE軟件進(jìn)行模擬的,計(jì)算結(jié)果則作為氣缸蓋-機(jī)體一體化分析的熱分析邊界,見圖5。

圖5 火力面熱傳遞系數(shù)分布

氣缸蓋的冷卻水道由3層構(gòu)成,冷卻介質(zhì)自下而上流動(dòng)。底部火力面的水道采用鉆孔與鑄造相結(jié)合的結(jié)構(gòu)型式,在不降低冷卻水流速的同時(shí)具備較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。排氣閥座的冷卻水道流向在角度上還有足夠的優(yōu)化和改良空間。

6 結(jié)論

(1)全新開發(fā)的ACD320系列是一款標(biāo)準(zhǔn)的船用推進(jìn)機(jī)型,包括了純天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī),系列化覆蓋了L6至L9的變缸數(shù)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)開發(fā)階段充分考慮了諸多變型設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)保護(hù),高度通用化的設(shè)計(jì)理念對(duì)后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)具有一定參考意義。

(2)新的ACD320系列能達(dá)到更為嚴(yán)格的IMO Tier Ⅲ的排放水平,亦可以在使用劣質(zhì)重油(HFO)的環(huán)境下滿足IMO Tier Ⅱ的排放指標(biāo),能夠?yàn)橛脩籼峁└鼮殪`便的選擇。

(3)使用最新的仿真技術(shù)加以細(xì)致的設(shè)計(jì)能大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)變型設(shè)計(jì)保護(hù)的可靠性,能夠縮短新機(jī)型的開發(fā)周期并在一定程度上節(jié)約開發(fā)成本。