N8210 雙增壓系列柴油機的設計開發

戚俊昺，肖永紅，王 雷，劉力軍，沈建華

(1.同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804；2.寧波中策動力機電集團有限公司，浙江寧波 315032)

在船用動力領域，渦輪增壓技術已經成為標準配置。由于增壓器的工作特性，在柴油機設計工作中往往針對特定的工況范圍進行增壓器匹配，增壓器的高效運行區間不能很好地兼顧柴油機的高、低工況。目前在拖網漁船中，普遍發現柴油機在低速大扭矩工況出現冒黑煙、排溫過高等現象，在8 缸機中尤為明顯。單增壓器形式的直列8 缸柴油機容易出現排氣干擾現象，低工況排氣脈沖能量不能很好地利用，導致出現惡化現象。為了解決直列8 缸柴油機的這一問題，結合市場需求和國內外成熟產品情況，擬開發雙增壓技術。而210 系列柴油機是寧波中策動力機電集團有限公司(以下中策公司)的成熟產品，投放市場以來，得到眾多客戶的認可，故中策公司將210 系列柴油機中的N8210 柴油機進行雙增壓技術的試驗和應用，使該款發動機既滿足額定工況運行，又滿足低速大扭矩工況運行需求[1]。

1 N8210 柴油機主要技術參數

N8210 雙增壓器系列柴油機主要技術參數見表1。

表1 N8210 雙增壓系列柴油機主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of N8210 dual turbocharged series diesel engine

2 總體方案設計

N8210 雙增壓柴油機的設計開發是基于原成熟產品N8210 單增壓柴油機的基礎上，為同時兼顧該系列柴油機高低工況的穩定運行能力、響應能力以及經濟性，采用8 缸雙增壓技術開發而成。采用該技術的設計思想：原該系列柴油機采用一個大增壓器，轉動慣量大，響應速度慢，采用2 個小增壓器后，轉動慣量減小，低速響應速度得到提升，在不影響高工況運行能力的情況下，低速大扭矩的相關性能會有明顯改善。在總體方案設計階段，由于改為雙增壓器的結構，相應的排氣系統、進氣系統、滑油系統、冷卻系統等進行了重新設計，并對相關的主要零部件進行重新校核計算，如曲軸計算、扭振計算、增壓器匹配計算等，大幅度提高設計效率以及設計質量。

3 主要系統設計

3.1 排氣系統

原N8210 單增壓柴油機采用脈沖轉換增壓系統。該系統的排氣管布置結構避免了各缸排氣之間的相互干擾，且脈沖轉換的方式能充分利用從各支管排出的氣體熱量和動能，在高工況的使用中性能較好，但在低工況，尤其是在低速大扭矩的工況下，由于低速時排氣能量不足，無法使轉動慣量大的大增壓器高效運轉，導致柴油機燃燒不充分，油耗、排溫高，性能較差。

為了改善高增壓柴油機的低工況下的性能指標，國內外研究人員通過各種途徑做了大量的工作，研發了多種增壓系統，主要采取了如下幾種措施：可變截面渦輪、可變氣門正時機構、二次進氣及掃氣旁通、進排氣旁通及高工況放氣；低壓縮比補燃、相繼增壓等[2]。

考慮到該系列柴油機主要面向的是漁船市場，尤其是拖網漁船上要求柴油機具備低速大扭矩的能力，且結構緊湊，改造成本低，動力性能優良，結合市場實際情況以及研究了多方面的資料，最終采用4 缸配1個小增壓器，2 個增壓器并聯的模式[3]。柴油機排氣管結構見圖1、圖2。

圖1 排氣管實物圖Fig.1 Physical drawing of exhaust pipe

圖2 排氣管二維圖Fig.2 2D drawing of exhaust pipe

在排氣系統機構布置方面，按照原N8210 的設計思路放2 個增壓器難度較大，且增加了柴油機的外形尺寸，故結合結構簡單和緊湊的原則，并考慮發火次序1-5-7-3-8-4-2-6，避免排氣管中相鄰2 缸產生嚴重的排氣和掃氣干擾的現象，最終采用1、4 缸和2、3 缸一個增壓器，5、8 缸和6、7 缸一個增壓器，由于排氣管中相鄰的2 缸發火間隔是270°曲軸轉角，避免了排氣干擾的情況。排氣系統布置圖見圖3、圖4。

圖3 排氣管系統布置側視圖Fig.3 Side view of exhaust pipe system layout

圖4 排氣管系統布置主視圖Fig.4 Main view of exhaust pipe system layout

3.2 進氣系統

進氣系統包括中冷器進氣接管以及與增壓器相連的直管、彎管部分。考慮到排氣管氣道的流通性，在不影響安裝布置的前提下，盡可能使排氣管路以圓弧過渡，使其進氣流暢。進氣系統布置圖見圖5。

圖5 進氣管系統布置圖Fig.5 Layout of air inlet system

3.3 滑油系統

因為新的結構采用了2 個增壓器，且位置也發生了變化，故相應的增壓器滑油管路也進行了的更改。

3.4 冷卻系統

由于要布置2 個增壓器，且進排氣系統、滑油系統等位置發生了變化，為避免干涉，冷卻系統的位置也相應進行了調整。

4 主要零部件設計

4.1 曲軸

曲軸材料采用42CrMo,全平衡設計，可以帶前端輸出，且與原N8210 單增壓柴油機通用。

4.2 增壓器

根據N8210 系列柴油機的主要技術參數，增壓器公司通過匹配計算，選擇適用于此系列柴油機的增壓器，與原單個增壓器相比，此次選配的2 個小增壓器轉動慣量小，相應速度快。

5 臺架試驗

5.1 推進、負荷試驗

中策公司根據國標、船標以及中國船級社的相關規范對N8210 雙增壓柴油機進行了臺架試驗，見圖6。具體的試驗數據見圖7、圖8。

圖6 臺架試驗Fig.6 Bench test

圖7 N8210ZC24 (1 470 kW/1 000 r·min-1)雙增壓柴油機推進特性曲線Fig.7 N8210ZC24 (1 470 kW/1 000 r·min-1) propulsion characteristic curve of dual turbocharged series diesel engine

圖8 N8210ZC24 (1 470 kW/1 000 r·min-1)雙增壓柴油機負荷特性曲線Fig.8 N8210ZC24 (1 470 kW/1 000 r·min-1) load characteristic curve of dual turbocharged series diesel engine

從圖7、8 比較常規N8210 單增壓柴油機，分析可知，雙增壓柴油機的油耗、各缸平均排溫以及渦輪前排溫均有所下降，符合設計指標。

5.2 低速大扭矩試驗

為了考核N8210 雙增壓柴油機低速工況扭矩提升能力，試驗時按照80%功率，80%轉速進行試驗，并對比該系列推進特性下的性能，見圖9。

從圖9 分析可知，N8210 雙增壓柴油機相比該系列推進特性下的性能參數，低速扭矩有大幅提升，符合設計指標中低速大扭矩的要求。

圖9 對比試驗Fig.9 Comparative test

6 結論

通過本次N8210 雙增壓系列柴油機的設計開發，積累了豐富的設計及試驗經驗，具體結論如下：

(1) N8210 雙增壓系列柴油機各項性能指標均達到設計要求，且低速工況扭矩有所提升，今后能夠有效滿足拖網漁船等需要低速大扭矩的市場需求；

(2)與N8210 單增壓系列柴油機相比，雙增壓系列主要在進排氣系統等方面進行改造，對曲軸、連桿等主要零部件保持通用，有利于210 系列柴油機的標準化、系列化，降低成本；

(3) 8 缸雙增壓技術在N8210 系列柴油機的成功應用，為中策公司將來開發N8170、G8300 等其他8缸系列雙增壓柴油機積累了寶貴的經驗。