G8300柴油機(jī)的研制開發(fā)

1、g8300 柴油機(jī)的研制開發(fā)吳杰( 寧波中策動力機(jī)電集團(tuán)有限公司 , 寧波 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 ,

2、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 sy

3、stems. 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 :本文介紹 g8300 系列柴油機(jī)設(shè)計開發(fā) 、試驗研究中發(fā)現(xiàn)的問題及改進(jìn)提高的措施 。主要技術(shù)工作圍繞增壓器 、中冷

4、器的選型和性能匹配 ,包括對凸輪軸 、曲軸 、冷卻 、燃油等系統(tǒng) 的改進(jìn) ,并且兼顧 g6300 原機(jī)型主要部件的通用性 ,設(shè)計指標(biāo)滿足新機(jī)型的要求 。關(guān)鍵詞 :內(nèi)燃機(jī) ; g8300 柴油機(jī) ;設(shè)計研制 ;強(qiáng)度計算 ;性能匹配key words :i. c. engine ; g8300 diesel engine ;design and develop ; intensio n calculating ; perfo r mance matching中圖分類號 : t k422文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :a1概述5000t 至 10000t ,而 g300 系列原主導(dǎo)產(chǎn)品 g6300zc6b柴油機(jī)已不能

5、滿足用戶的需求 ,目前市場急需 15002600kw 功率范圍的柴油機(jī) 。為了滿足市場需求 ,盡快將新品投放市場 ,在原6 缸機(jī)的基礎(chǔ)上自行研制 g8300 柴油機(jī) , 功率范圍1471 2000 k w 。g8300 zc6b/ 7b 型柴油機(jī) 在 2002年底完成了各項性能試驗 ,并通過了市級鑒定 。g300 系列柴油機(jī)是 70 年代中期由我國四部二院一所兩廠聯(lián)合設(shè)計開發(fā) (一所 :上海船用柴油機(jī)研 究所 ;兩廠 : 寧波動力機(jī)廠 、無錫柴油機(jī)廠) , 完全采用國產(chǎn)零部件開發(fā)的中速四沖程柴油機(jī) 。原設(shè)計指 標(biāo) g6300 一期低指標(biāo)為 735 k w/ 400r min - 1 , pe

6、為1 . 42m pa ; 二 期 高 指 標(biāo) 為 1471 k w/ 600r min - 1 , pe 為 1 . 86m pa ,經(jīng)過 20 余年的產(chǎn)品改進(jìn)提高 ,從低指 標(biāo)機(jī)型發(fā)展到高指標(biāo)機(jī)型 ,其中還開發(fā)了轉(zhuǎn)速在 400 600r/ min , 功 率 為 735 k w 、882 k w 、1103 k w 、1323 k w 、1471 k w 多種機(jī)型 ,形成了船用 、陸用多品 種機(jī)型的覆蓋 ,滿足不同用戶對功率 、轉(zhuǎn)速的需求 。根據(jù)國家政策超齡船舶強(qiáng)制報廢及市場需要 ,國 內(nèi) 造 船 已 從 前 幾 年 的 3 0 0 0 t 左 右 , 發(fā) 展 到 目 前2g8300 柴油

7、機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)按船標(biāo) gb3255 規(guī)定 ,確定技術(shù)參數(shù)的指標(biāo)如表1 所示 ?；鶞?zhǔn)環(huán)境溫度 45c 、環(huán)境壓力 100 k pa 、相對 濕度 60c 、中冷器進(jìn)水溫度 32c 。柴油機(jī)帶滑油抽出泵 、滑油壓力泵 、海水泵 、淡水泵 、燃油輸送泵 ( 帶海 水 泵 時 增 加 燃 油 消 耗 率 1 % , 燃 油 低 熱 值 為427000 kj / kg) 的情況下測定 。表 1 g8300 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)3g8300 與國內(nèi)同類中速柴油機(jī)的主要參數(shù)比較表 2中速柴油機(jī)主要參數(shù)比較4總體設(shè)計減振器的安裝部位 ,曲軸兩端油封采用密封裝置 ,結(jié)構(gòu)簡單 ,使用可靠 。高強(qiáng)化柴油機(jī)則采用鋼軸

8、結(jié)構(gòu) 。4 . 4油泵噴油泵采用等壓出油閥結(jié)構(gòu) , 具有較好的噴油 特性 ,噴油器采用多孔結(jié)構(gòu) ,既可燃用輕柴油 , 也可燃用重油 。對高壓油管的孔徑 、長度進(jìn)行不同方案的試驗 ,選定最佳噴油壓力 。4 . 1 總體布置g8300 型柴油機(jī)采用機(jī)體2機(jī)座受力系統(tǒng)的正 置式主軸承干式機(jī)座結(jié)構(gòu) ,為了便于船用雙機(jī) ,所以采用左右機(jī)結(jié)構(gòu)形式 。從飛輪端看 (右機(jī)) 左側(cè)布置有進(jìn)排氣頂桿 、凸輪軸 、噴油泵 、進(jìn)氣管 ,右側(cè)布置排 氣管 ,飛輪端布置中冷器 ,增壓器自由端布置水泵 、 燃油輸送泵 、滑油抽出泵和壓入泵 、儀表板 、接線盒 、柴油機(jī)精濾器 ,曲軸自由端有一輔助輸出法蘭以滿足前端功率輸出的

9、要求 。4 . 2 機(jī)體和機(jī)座本機(jī)的機(jī)體和機(jī)座均采用整體鑄造結(jié)構(gòu) , 機(jī)體 和機(jī)座之間除了兩側(cè)連接螺栓外 ,還用貫穿螺栓鎖 緊 ,每檔主軸承兩側(cè)均有觀察門蓋 ,結(jié)構(gòu)緊湊 、檢修方便 ,機(jī)體和機(jī)座通過選擇適當(dāng)?shù)谋诤窈筒贾煤侠淼募訌?qiáng)筋 ,提高了機(jī)體和機(jī)座的強(qiáng)度和剛度 。 機(jī)體在每缸上有 8 個氣缸蓋螺栓 , 并旋入至機(jī)體面板內(nèi)較深處 ,改善了上面板的受力狀態(tài) 。每個 氣缸的冷卻水從機(jī)體側(cè)面的冷卻水腔切向?qū)?, 有 較好的冷卻效果 。氣缸套下方有三道密封環(huán) 。4 . 3 曲軸曲軸采用高強(qiáng)度球墨鑄 鐵 整 體 制 成 經(jīng) 氮 化 處 理 ,每缸平衡塊用螺栓組成 。曲軸的軸頸較粗 ,以滿 足該機(jī)高指標(biāo)

10、的要求 。經(jīng)計算均能符合船標(biāo)要求 。5試驗研究與性能改進(jìn)5 . 1增壓器選型由于 g8300 功率范圍 14712600kw 比較寬 ,空 氣流量和增壓壓力均不同 ,通過優(yōu)化匹配計算 ,采用v tr 系列增壓器 ,并選用不同通流元件來滿足性能要 求 。2000kw 以下的機(jī)型選用 v tr251 或 v tr254 增壓器 ,考慮到經(jīng)濟(jì)成本 ,首配 v tr251 ,2000kw 以上則考慮選用 v tr321 增壓器 ,但保證匹配運(yùn)行線在增壓 器 高 效 區(qū) 內(nèi) 。 g8300zc20b/ 21b ( 1765kw 500r/min - 1) 增壓器匹配運(yùn)行線如圖 1 所示 。5 . 2燃油

11、系統(tǒng)增加了噴油咀孔數(shù) ,調(diào)整孔徑提高了噴油器噴 射壓力 ,縮短了高壓油管長度 ,采用等壓出油閥替代等容出油閥 ,在油泵升程和預(yù)行程不變的情況下 ,加大柱塞直徑 ,提高了供油速率和壓力 ,從而改善了燃 燒性能 。生產(chǎn)公司及型號缸徑 ,mm行程 ,mm轉(zhuǎn)速 ,r/ min功率 ,k w平均有效壓力 ,m pa燃油消耗率 ,g/ ( k wh)機(jī)油消耗率 ,g/ ( k wh)寧波中策 g8300 zc6b/ 7b30038050017651 . 971981 . 6無錫柴油機(jī)廠 g8300 zc6b/ 7b30038050015001 . 68204 . 62 . 18廣州柴油機(jī)廠 g320 zc

12、d r24/ l2532044050013241 . 502101 . 1陜西柴油機(jī)廠 6m28b t28048039010291 . 79193右機(jī)g8300 zc6bg8300 zc18bg8300 zc20bg8300 zc16bg8300 zc30b左機(jī)g8300 zc7bg8300 zc19bg8300 zc21bg8300 zc17bg8300 zc31b型式四沖程 、水冷 、直列式 、直接噴射 、增壓中冷 、不可逆轉(zhuǎn)機(jī)氣缸數(shù)8氣缸直徑 ,mm300活塞行程 ,mm380活塞總排量 ,l215活塞平均速度 ,m/ s6 . 336 . 976 . 337 . 607 . 60標(biāo)定轉(zhuǎn)

13、速 ,r/ min500550500600600標(biāo)定功率持續(xù)功率 ,k w ( ps)1471 ( 2000)1765 ( 2400)1765 ( 2400)2000 ( 2720)2200超負(fù)荷功率 ,k w ( ps) / rmin - 11618 ( 2200) / 5151942 ( 2640) / 5681942 ( 2640) / 5152200 ( 2992) / 6192420 ( 3300) / 619壓縮比13通過對作用在曲軸上的載荷分布 ,可以看到曲軸受力變形 (圖 3) ,也可以看到每個節(jié)點的最大應(yīng)力max 、最 小應(yīng)力min 、應(yīng)力幅a 及平均應(yīng)力m ,見表 3 。圖

14、 3 載荷模型圖表 3 整體曲軸模型中危險節(jié)點應(yīng)力值圖 1 v tr251 性能曲線由此可見 ,主軸頸的危險部位發(fā)生在第 32 號節(jié)點處 ,即第 8 檔主軸頸與第 8 曲柄左側(cè)過渡圓角處 ; 連桿軸頸的危險部位發(fā)生在第 15 號節(jié)點處 ,即第 4 檔連桿軸頸與其左側(cè)曲臂的過渡圓角處 ,參見圖 3 。同樣 ,原機(jī)型的危險部位也應(yīng)該是發(fā)生在同一位置 。采用可調(diào)凸輪選擇排氣開關(guān)最佳位置 , 增大氣門重疊角 ,提高進(jìn)排氣效率 。5 . 4 曲軸強(qiáng)度校核g8300 柴油機(jī)曲軸是研制過程中改動較大的部 件 ,采用高強(qiáng)度球鐵并經(jīng)氧化處理 ,采用帶平衡塊曲軸結(jié)構(gòu) ,降低了軸承負(fù)荷 ,采用蓋斯林格扭振減振器 和

15、硅油扭振減振器 ,使 g8300 系列柴油機(jī)扭振性能 在 40 %103 %標(biāo)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均安全可靠 ,并符合 鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范要求 。采用三維有限元強(qiáng)度計算與船規(guī)驗算相結(jié)合的方法 ,對曲軸進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核 ,通過對曲軸三維實 體造型 ,得到有限元計算的模型 ,如圖 2 所示 ,整體曲 軸共生成 807513 個單元 , 157065 個節(jié)點 ,分別對 16 種工況取出 32 個最大主應(yīng)力節(jié)點進(jìn)行計算 。表 4 兩種機(jī)型危險點的應(yīng)力值比較主軸頸與連桿軸頸靜強(qiáng)度安全系數(shù)計算結(jié)果見表 5 、表 6 。表 5 強(qiáng)化機(jī)型強(qiáng)度安全系數(shù)計算結(jié)果表 6原機(jī)型靜強(qiáng)度安全系數(shù)計算結(jié)果由表 5 、表 6 可

16、見 , 安全系數(shù) n 均大于施用值 ,在安全范圍內(nèi) 。主軸頸與連桿軸頸的疲勞強(qiáng)度安全圖 2 單拐曲軸計算模型節(jié)點號工況 ,m pab ,m pan n 主軸頸28285 . 279824 . 09 . 8722. 55 . 0連桿軸頸15596 . 547824 . 08 . 7212. 55 . 0節(jié)點號工況,mpab ,m pan n 主軸頸243107 . 323824 . 07 . 8452. 55 . 0連桿軸頸155115 . 707824 . 07 . 2772. 55 . 0節(jié)點號max ,m pamin ,m paa ,m pam ,m pa數(shù)值相應(yīng)工況數(shù)值相應(yīng)工況強(qiáng)化機(jī)15

17、140 . 2965- 108 . 594124 . 44315 . 8533243 . 9745- 120 . 50182 . 237- 38 . 263原機(jī)型15115 . 6765- 107 . 694111 . 6833 . 9933235 . 1095- 93 . 544164 . 327- 29 . 218節(jié)點號max ,m pamax ,m paa ,m pam ,m pa數(shù)值相應(yīng)工況數(shù)值相應(yīng)工況15140 . 35- 108 . 64124 . 4415 . 853243 . 975- 120 . 5182 . 24- 38 . 27表 7 強(qiáng)化機(jī)型疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)計算結(jié)果表

18、9g8300 zc 主要性能參數(shù)比較7 320表 8 原機(jī)型疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)計算結(jié)果由表 7 、表 8 可見 ,強(qiáng)化機(jī)型的最小安全系數(shù)為1 . 856 ,大于允許的安全系數(shù) 。但考慮到曲軸的安全 強(qiáng)度 ,該柴油機(jī)功率提高到 2000 k w 時 ,選用鋼質(zhì)曲 軸為宜 。5 . 5 其他改進(jìn)為了提高柴油機(jī)傳動齒輪性能 ,降低傳動噪音 , 傳動齒輪均采用硬齒面磨齒工藝 ,提高了齒輪的傳 動精度和接觸精度 。由于加大了噴油泵柱塞 ,提高了噴油壓力 ,相應(yīng)提高了泵端壓力 ( 80100m pa) ,使油泵支座上的滾輪 組件的拉毛故障頻發(fā) 。這影響了使用可靠性 , 又影 響產(chǎn)品出產(chǎn)進(jìn)度 ,通過分析研究

19、,多方案比較得到一 個適應(yīng)性比較好的高強(qiáng)度鑄鐵材料 ,較好地解決了 滾輪組件的故障問題 。隨著功率的提高 ,原與測功器相聯(lián)的柱銷聯(lián)軸 器不能滿足試驗需要 ,也影響臺架試驗的扭振性能 , 經(jīng)計算采用伏爾康公司 ezr2012 高彈性聯(lián)軸器 ,大 大改善了試驗條件和可靠性 。自 2002 年 以 來 先 后 開 發(fā) 了 g8300 zc6/ 7b 、g8300 zc18/ 19b 、g8300 zc20/ 21b , g8300 zc16/ 17b 功率 分 別 為 1471 k w/ 500r min - 1 、1765 k w/ 550r min - 1 、1765 k w/ 500r min

20、 - 1 、2000 k w/ 600r min - 1 , 并根據(jù) cb3254 - 1994 及 ccs 鋼質(zhì)海船入級規(guī)范要 求 ,完成了其他機(jī)型的性能試驗 。其中 6b/ 7b 、16b/17b 機(jī)型的主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計值與實測值的比較見 表 9 。g8300zc6b 柴油機(jī)負(fù)荷特性曲線 (1471kw/ 500rmin - 1 )圖 46g8300 柴油機(jī)的主要技術(shù)特點6 . 1燃油消耗率低g8300 型柴油機(jī)系增壓中冷柴油機(jī) 。在改進(jìn)中 針對柴油機(jī)性能的設(shè)計予以足夠的重視 ,以得到較 低的燃油消耗率指標(biāo) ,詳見圖 4 圖 7 。g8300zc6b 柴油機(jī)推進(jìn)特性曲線 (1471kw/

21、500rmin - 1 )圖 5am pamm pa- 1m pakn n 主軸頸64. 327- 29. 2183201 . 00 . 541 . 40 . 494 . 522 1 . 8連桿軸頸111 . 683 . 9933201 . 00 . 541 . 40 . 492 . 138 1 . 8性能參數(shù)設(shè)計值或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值實測值6b/ 7b16b/ 17b6b/ 7b16/ 17b標(biāo)定工況燃油消耗率 ,g/ (kwh)205205196 . 8204 . 3機(jī)油消耗率 ,g/ ( k wh)2 . 181 . 71 . 21 . 58最大燃燒壓力 ,m pa12 . 512 . 7511

22、 . 812 . 6煙度 ,bsu3 . 13 . 11 . 831 . 8渦輪進(jìn)氣溫度 ,c550570553570排氣溫度 ,c450470429468機(jī)械效率 , %8891 . 392穩(wěn)定調(diào)速率 , %880 . 63 . 5轉(zhuǎn)速波動率 ( 空載) , %220 . 20 . 2起動時間 ,s10104 . 83噪聲 ,db ( a)124124118 . 2119 . 0no x ,g/ ( k wh)10 . 810 . 89 . 96am pamm pa- 1m pakn n 主軸頸82 . 24- 38 . 21 . 00 . 541 . 40 . 493 . 554 1 .

23、8連桿軸頸124 . 443 . 9933201 . 00 . 541 . 40 . 491 . 856 1 . 8(7) 合理選擇附件泵結(jié)構(gòu)容量 ,以盡量減少輔助泵類的功率消耗 。經(jīng)樣機(jī)的實際試驗結(jié)果表明 , 采取的上述多項 措施達(dá)到了預(yù)期效果 。6 . 2結(jié)構(gòu)可靠 ,運(yùn)行安全該系列機(jī)型的強(qiáng)化指標(biāo)略高于 g6300 , 一些重 要受力零件的結(jié)構(gòu)型式 、結(jié)構(gòu)參數(shù) 、加工精度都與 g6300 相同 。根據(jù)受力分析 、計算結(jié)果具有足夠的 安全系數(shù) 。該機(jī)采用綜合多功能保護(hù)裝置 ,具有超速 ,高水溫 、油溫 、低油壓燃油管漏油等保護(hù)功能 , 符合現(xiàn)行 安全標(biāo)準(zhǔn)要求 ,確保柴油機(jī)的安全運(yùn)行 。6 . 3平衡性好 、噪聲低8 缸柴油機(jī)對運(yùn)動件均有相應(yīng)的平衡要求 ,設(shè)計 時仔細(xì)分析了曲軸的平衡性和軸承負(fù)荷 ,對加工尺寸嚴(yán)格控制 ,各種工況運(yùn)行時比較柔和 。6 . 4充分注意拆裝的方便性在設(shè)計時 ,充分考慮到主要件與 g6300 的通用 性 ,使得拆裝方便 ,隨機(jī)工具也與 g6300 通用 。6 . 5標(biāo)準(zhǔn)化程度高該機(jī)的全部圖樣和技術(shù)文件均貫徹國標(biāo) 、船標(biāo) 和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ,零部件全部國產(chǎn)化 。系列機(jī)中變型產(chǎn) 品的主要零部件都能通用 ,并且對進(jìn)一步功率提高 留有余地 ,為進(jìn)一步擴(kuò)大該機(jī)的生產(chǎn)和降低成本創(chuàng) 造了條件 。g8300zc16b 柴油機(jī)推進(jìn)特性曲線 (2000kw/ 600rmin