9G32型船用中速柴油機的設計開發

摘要：在6G32型、8G32型柴油機成功應用的基礎上，以高強化度柴油機的設計理念和產品系列化的原則，設計開發了新產品9缸9G32型（4 400 kW）船用中速柴油機，填補了我國自主品牌高性能、中速、功率大于4 000 kW柴油機產品的空白，并形成了G32直列機型產品的系列化。

關鍵詞：柴油機；設計；驗證

Development and Design of Medium-Speed Marine Diesel9G32

HUO Rongkang， LI Ning， SUN Liangyan， HE Zhiqiang， WU Yanjun， CHEN Qinghui， HU Sheng

(Guangzhou Diesel Engine Factory Co.， LtdGuangzhou510371)

Abstract: Medium-speed marine diesel 9G32(9-cylinder， 4 400 kW) is a new product developed and designed based on the successful application of engines 6G32 and 8G32 with design philosophy of high strength diesel and product serialization， which supply a gap of independent brand of high performance medium-speed diesel of larger power in china and form series of in-line diesel G32.

Keywords: Diesel， Design， Verification

1前言

2007年，廣州柴油機廠與中國船舶重工集團公司711研究所聯合開發了6G32型（2 665 kW）船用中速柴油機。2008年，廣州柴油機廠開發了8G32型（3 552 kW）柴油機。至今，投入使用的6缸和8缸燃用重油的G32柴油機已有100多臺，廣泛應用于客滾船、油船、集裝箱船、散貨船、渡車船、火車渡輪等。

安裝首批6G32柴油機作主動力的集裝箱船和散貨船，主機運行時間已超過20 000小時，用戶評價G32柴油機功率充足、經濟性好、性能穩定、可靠性高。

G32柴油機通過技術鑒定，認為G32系列柴油機是我國自行開發、具有完全自主知識產權的產品機型；其技術水平在國內自主品牌產品中處于領先地位，達到本世紀初國際同類先進產品的水平。

2010年5月，廣州柴油機廠股份有限公司開發了9G32型柴油機，填補了我國自主品牌高性能、中速、功率大于4 000 kW柴油機產品的空白，形成了G326、8、9缸五種功率產品的系列化（見表1），適應了船舶市場對中速大功率柴油機的需求。

2主要技術參數

9G32型柴油機設計指標及主要技術參數見表2。

3總體設計原則

G32系列柴油機依照高效、節能、環保的理念，可靠性第一的設計原則，力求結構簡單，注重維護保養方便。9G32的總體布置、結構形式與8G32基本相同，單缸輸出功率和平均有效壓力提升了10%，9G32柴油機橫剖面如圖1。

圖19G32柴油機橫剖面圖

4技術設計

技術設計階段，對總體設計方案中的曲軸部件、柴油機發火次序、排放性能、渦輪增壓系統和軸系扭轉振動特性等關鍵技術問題進行了充分的論證，以期獲得9G32柴油機良好的綜合性能，并且盡可能地降低技術風險。

4.1全平衡的曲軸

9G32曲軸材料為優質合金鋼，整體連續纖維鍛造。曲軸采用全平衡方式，每一曲柄上都設置了一對大尺寸的平衡塊以平衡每一曲柄的不平衡離心力，改善曲軸應力和軸承負荷的分布，并獲得合適的油膜厚度，保證曲軸的安全運行。

按照中國船級社《鋼質海船入級規范》中柴油機曲軸強度評定的相關規定，進行9G32柴油機曲軸直徑校核，結果表明主軸頸和曲柄銷均為安全而且留有足夠大的裕度；采用三維有限元應力計算分析，并以此為基礎進行曲軸的疲勞強度校核，合格系數滿足中國及外國主要船級社規范的要求。

9G32型柴油機曲軸見圖2。

圖2 9G32柴油機曲軸

4.2 發火次序

四沖程單列9缸發動機的發火次序常見的有六種。在滿足各方面性能的前提下，擬優先考慮平衡特性系數較小的曲柄布置方案和相應的1-2-4-6-8-9-7-5-3發火次序。

按擬定的曲柄布置方案和發火次序，通過動力計算、軸承負荷計算、平衡分析、最小油膜厚度計算、軸系扭轉振動計算、軸心軌跡計算，MMPC渦輪增壓系統的模擬計算，各方面性能良好，確定9G32柴油機采用1-2-4-6-8-9-7-5-3發火次序。

4.3 排放性能

隨著船舶市場的快速發展以及排放法規的日趨嚴格，對船用柴油機設計提出了更具挑戰性的要求。9G32柴油機為滿足國際海事組織（IMO）對NOx排放的要求并實現在整個運行轉速范圍內無可見煙色的目標，采取了以下的技術措施：

4.3.1 提高柴油機的壓縮比

提高壓縮比，使壓縮沖程終點的壓力升高。額定工況下壓力升高比λ＝Pmax/Pc＝19/17＝1.1，較小的λ值表明燃燒壓力增長梯度緩和，實現了近似等壓循環的缸內燃燒過程，燃燒室溫度的尖峰值較低，在提高發動機熱效率的同時，將導致較低的NOx排放。

4.3.2 應用miller循環

通過進氣閥在進氣沖程中提前關閉，增壓空氣在氣缸內經歷了一個膨脹過程后再開始壓縮，使壓縮始點的溫度降低，壓縮終點的溫度也隨之降低。這個缸內的冷卻過程有效地降低最高燃燒溫度，減少了發動機NOx的生成量。

4.3.3 高壓比的增壓器

9G32柴油機應用miller循環，進氣閥提前關閉會造成進氣充量的減少，需要選配高效率、高壓比的增壓器，通過提高增壓壓力來補償miller循環工作過程造成新鮮空氣量的不足。ABB公司推薦內置滑動軸承結構、無水冷卻、采用外部潤滑系統的TPL67型軸流式渦輪增壓器，額定工況下壓比πb＝4.8，提供了發動機所需要的進氣充量，有利于抑制NOx的排放，并滿足發動機綜合性能的要求。

4.3.4 碳煙排放的控制

miller循環條件下運行，進氣閥提前關閉使氣閥重疊角減小，對發動機的最低負荷運行區域有著積極的作用。

例如：發動機按推進特性在最低穩定轉速工況（40%額定轉速，6.4%額定功率）運行，增壓系統不能提供增壓空氣，掃氣倒流因氣閥重疊期的變小而減少了，提高了該工況下的過量空氣系數，與寬敞的燃燒室、高的壓縮比、高的燃油噴射壓力、雙層噴孔的油嘴相配合實現燃油良好的霧化和充分的燃燒，從而降低碳煙的排放。

4.4多功能脈沖轉換（MMPC）渦輪增壓系統

如所周知，四沖程9缸柴油機采用三脈沖增壓系統時，渦輪為三進口形式，如圖3所示。排氣管分三層，結構復雜，包扎隔熱材料困難，排氣管罩蓋體積很大，裝拆十分耗時，而且細長管段在柴油機工作過程容易振裂。

圖3國外某9缸柴油機（缸徑320mm）三脈沖增壓系統

2008年1月，我廠在一臺8G32柴油機上，分別采用脈沖轉換器和MMPC渦輪增壓系統進行了對比試驗，結果表明MMPC系統具有如下特點：

①抗掃氣干擾能力較強；

②燃油消耗率較低；

③各缸排氣溫度均勻并略有下降；

④ 排氣管系結構簡單；

⑤ 管段可采用模塊化生產。

基于MMPC系統顯示的綜合優勢，廣州柴油機廠委托上海交通大學顧宏中教授為9G32柴油機MMPC增壓系統進行方案設計，并與三脈沖、MIXPC、定壓系統、MPC等四種渦輪增壓系統，通過模擬計算對過量空氣系數、掃氣系數、排氣溫度、燃油消耗率等多項技術參數進行分析比較，認為MMPC系統在燃油經濟性、掃氣性能、特別是結構簡單（一根排氣總管與單進口的渦輪增壓器連接），是綜合效果較好的方案。

MMPC增壓系統見圖4。

圖4 9G32MMPC增壓系統

系統中的單缸排氣管段結構如圖5。

圖5MMPC排氣管單缸模塊

MMPC系統模塊結構其形狀和關鍵尺寸對性能的影響：

① 排氣總管通徑Dm＝φ220 mm，總管面積縮口率Dms＝80％。由于排氣總管出口處的縮口，使上游來的廢氣壓力波流經縮口后波峰降低，減小對下游氣缸的掃氣干擾。

② 支管面積縮口率drs＝77.4％。由于支管出口處的縮口，使支管與總管交匯喉口處的壓力波動減小，在支管出口處其上方是速度較大的氣流，使支管出口處形成低壓區，有利于掃氣并減小各氣缸之間排氣的相互干擾。

③ 支管與總管之間的夾角為13.5°，較小的交匯角可減小氣流損失。

根據以上分析，預測9G32柴油機配置MMPC渦輪增壓系統不僅能適應高、低工況，而且在突變載荷時動態性能也會較優。

4.5 扭振減振器選型

扭振減振器的匹配是柴油機優化軸系扭轉振動特性的關鍵環節，對于保證曲軸及相關零部件的可靠性以及柴油機的平穩運行起著至關重要的作用。

從國內、外平均有效壓力Pme＞2.0 MPa的高性能中速大功率柴油機看，大多采用卷簧式或簧片式扭振減振器。9G32柴油機Pme＝2.53 MPa，也把這兩種形式的扭振減振器（結構見圖6）進行比較，選擇其中的一種，綜合對比見表3。

綜合評述：鑒于簧片減振器所顯示剛度值的精確性、阻尼值的可調性、轉動慣量的可優化性、制造成本較低等綜合優勢，并考慮國內、外新型主機普遍采用簧片式減振器的發展趨勢，最終選擇了無錫伏爾康科技有限公司為9G32型柴油機進行個性化最佳性能匹配設計的簧片式扭振減振器。

5設計驗證

首臺9G32型柴油機通過性能調試之后，進行了全面的性能測試。結果表明：各項性能參數均達到或優于設計指標。振動、噪聲、排放的測試結果見表4 。

6總結

1）9G32型船用中速柴油機的各項性能指標達到了設計要求，獲得中國船級社型式認可證書，并巳投放市場。外形圖見圖7。

圖79G32型柴油機外形圖

2）氮氧化物排放滿足國際海事組織IMO Tier-II（NOx ≤44·n－0.23 ≤10.1g/kW·h）的排放指標，并獲得中國船級社頒發的《柴油機國際控制空氣污染證書》 ，同時通過了BV、NK、GL等外國船級社的檢驗；所有工況排氣煙度RB <0.1Bosch，實現了無煙排放的優異性能。

3）簡潔、節能、可靠、低排放的G32系列產品適應了國內、外船舶市場對高性能中速大功率柴油機的需求。

參考文獻

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[3]霍榮康， 孫良艷.G32系列中速柴油機的設計特點.中國造船工程學會 優秀學術論文集[D]. 2008.1

[4]霍榮康等. 8G32型船用中速柴油機的設計開發[J]. 柴油機， 2008 (3)