8190船用柴油机的开发研究

Vol.32 Supplement2 2010 总第32卷，2010年增刊2

8190船用柴油机的开发研究

吕一丹1，张振胜2，李林科2

（1．山东商业职业技术学院，济南 250103；2．济南柴油机股份有限公司，济南 250306）

摘 要：文章论述了8190船用柴油机的总体设计；增压系统方案优化；曲轴轴系的分析及结构设计；总体结构、主要零部件及性能指标等研究.经过整机试验验证，各项性能指标均达到了设计要求.

关键词：船用柴油机；柴油机性能；柴油机结构

中图分类号：TK41, U664.121 文献标志码：A 文章编号：1000-6982 (2010) S2-0040-04

Study on the Development of 8190 Type of

Marine Diesel Engine

LV Yi-dan1, ZHANG Zhen-sheng2, LI Lin-ke2

(1. Shandong Institute of Commerce and Technology, Jinan 250103, China; 2. Jinan Diesel Engine Company, Ltd, Jinan 250306, china)

Abstract: The paper presents the general layout of series 8190 type of marine diesel engine, the selection of turbo-charging means and turbocharger system calculation, the crank train analysis, it also includes the engine test data, and the test results show that technical specifications can meet all target values according to the design requirement.

Key words: marine diesel engine; diesel performance; diesel structure

0 引言

8缸直列190柴油机是济南柴油机股份有限公司根据船舶业的发展需求，自行设计开发的船用柴油机.该机主要用于船舶主机、辅机及船用发电机组等.8190系列柴油机有左机、右机，转向分为右转、左转，功率范围500kW~720kW，具有多种标定转速1000r/min~1500r/min.为适应不同地区，满足多种船舶要求，针对该机的使用范围，对柴油机的总体结构、性能指标等进行研究，取得了良好的效果.

1 总体设计

8190船用柴油机为直列、四冲程、直喷式、强制水冷却、废气涡轮增压、空气中冷的中高速柴油机.总体布置见图1.

8190柴油机的总体设计原则：柴油机的经济性指标、动力性指标及可靠性指标先进，产品具有一定的创新和较强的竞争力. 收稿日期：2010-07-22；修回日期：2010-08-23

8190船用柴油机主要技术规格及性能指标见表1.

图1 8190柴油机外形图

作者简介：吕一丹（1961-），女，副教授，研究方向：内燃机振动控制、柴油机研制.

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表1 8190船用柴油机主要技术规格及性能指标 名称

单位

技术规格及性能指标

190×210

500

缸径×行程 mm 标定转速 r/min 1450/1500 1300 12001000标定功率 kW 720 650 600振动烈度 mm/s 15

扭振振幅 ° 0.25° 噪声

dB 117 （声功率）

烟度 FSU 起动时间 s 稳定调速率 % 燃油消耗率 g/kW·h <1.2 3 8 204

机油消耗率 g/kW·h 1.2 排气温度

℃ 520 （涡轮前）

2 研制的关键问题及解决措施 2.1 曲轴轴系的扭振

直列8缸柴油机的曲轴长度比6缸机及12V柴

振型 谐次 实测共振转速/r·min-1 单节 （I） 双节 （II）

实测振动频率/min-1

油机都要长出580mm，在受到同样大的扭转力矩的情况下，8缸柴油机产生的扭转应力要比6缸机和12V机大得多.同时由于8缸机单缸功率比12V机提高了20%，因此对曲轴轴系进行了改进设计研究. 2.1.1 曲轴轴系扭振分析及轴系设计

1）对曲轴轴系进行扭振计算及轴系设计，控制曲轴的扭振振幅优于允许值；

2）根据要求重新设计减振器，以减小曲轴的扭转振动；

3）通过分析计算，重新设计优化了飞轮的转动惯量，以改善曲轴的扭振情况；

4）经计算分析，重新设计了曲轴的平衡块，以保证曲轴的平稳运行；

5）对曲轴进行三维有限元分析，合理的评价曲轴强度及工作可靠性，以适应柴油机功率提高的要求.为增加曲轴强度，将主轴颈由原来的160mm增加为170mm，可满足在最高爆发压力为14MPa时对曲轴强度的要求. 2.1.2 扭转振动测量

平均振动频率/min-1

计算固有频率/min-1 误差%

表2 分析计算值和样机实测值的共振转速

1.0 1320 2.0 690 4.0 1110 5.5 810 6.5 690 1320 1380 4440 4455 4485 10 8

6or. 2.0or. 1.0 4 or. 1.5 or. 0.52 0 5 4 3

or. 3.5 2 or. 4.0or. 2.5or. 3.0 1

0 5 4 3

or. 5.0

2

or. 4.5 or. 6.0or. 5.5

1

05678910 11 12 131415

2

转速×10/r·min-1

4460 4656.4 －4.4

1350 1337.4 0.9

1）共振转速对比

由表2可见，实测振动频率与计算的固有频率误差小于5%，因此可根据实测扭振角振幅和自由振动计算来推算各轴段的应力和扭矩，推算的应力和扭矩均小于许用值，满足设计要求.根据分析计算值得出的扭振振幅曲线见图2，振幅变化比较平稳.

2）实测柴油机的扭振和振动

通过对样机的扭振和振动测试，其测试结果为在持续工况下曲轴扭振振幅小于4.01mrad，柴油机振动小，振动烈度VS为17mm/s，属良好工作状态.由此说明曲轴轴系的改进设计是成功的，解决了8缸柴油机由于曲轴较长以及动力指标较高而带来的扭转振动问题.

2.2 降低柴油机燃油消耗率

为了使柴油机具有良好经济性，主要针对增压系统和燃油系统进行方案优化，取得了良好的效果. 2.2.1 增压排气系统计算分析及设计

经过各种进排气系统方案计算及设计，优选出

扭转振幅/mrad扭转振幅/ mrad扭转振幅/mrad图2 1450 r/min, 720kW曲轴自由端扭振振幅曲线

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最佳方案，采用了MIXPC涡轮增压系统（此项工作与上海交大合作进行）.

MIXPC系统是混合式增压系统，又具有定压及变压系统的特点，具有排气温度低、气缸泵气功损失小、燃油消耗低等特点.应用于8190柴油机上取得了理想效果，使燃油消耗率比脉冲增压降低了10g/kw·h，排气烟度仅为0.9FSU，排气温度小于480℃. 2.2.2 燃油系统设计

通过计算分析，燃油系统中优选采用P9型整体式喷油泵.该喷油泵具有较高的泵端压力，比原Z型泵提高了20%，采用φ15mm柱塞直径使供油速率提高，并配用新型喷油器，使柴油机油耗率明显下降，排气烟度明显减小. 2.3 控制热负荷与机械负荷

直列8缸柴油机的单缸功率为90kW，比12V机的75kW提高了20%，为有效控制热负荷与机械负荷的增加，对冷却系统及润滑系统进行了优化设计.主要采取如下措施：

1）活塞：应用Glide模拟计算软件，设计了新型高强度活塞.该活塞头部设有润滑油冷却腔，用安装在机体上的喷嘴对活塞进行强制喷油冷却，以降低热负荷.在活塞第一道环槽处采用镶奥氏体的铸铁镶圈，提高其耐磨性.

2）机体：为提高机体的刚度，将机体的龙门高度从140mm增加到300mm.机体两侧采用横拉螺栓结构，使机体整体强度、刚度得到加强.

3）冷却系统：（1）由于增压器压比的提高，相应增加了空气冷却器的冷却面积，该空冷器采用德国GEA技术，冷却效率可达90%以上；（2）增加机油冷却器的冷却面积和淡水泵、海水泵的流量.由淡水、海水泵构成的海水－淡水双循环冷却系统

涡轮前平均排温/℃功率/kW590 370 150

Ne tT 480340R

中，淡水泵和淡水冷却器冷却机体水道和气缸盖水道，海水泵和海水冷却器冷却增压空气和机油.

4）润滑系统：根据柴油机热平衡计算及柴油机摩擦付所需润滑油量，对机油泵、机油滤清器、机油冷却器等进行合理选型及设计.加大了机油泵的流量及机油过滤面积，以满足柴油机功率提高及油冷活塞的要求，使柴油机各摩擦付能够得到充分的润滑、建立相应的油膜厚度，并及时得到冷却.另外采用离心滤清器和纸质滤芯滤清器双重过滤机油的结构，确保了滤清效果.

3 性能试验 3.1 经济性指标

通过对供油提前角、喷油器、增压器的对比试验，调整出最佳参数匹配.8190柴油机推进特性及外特性试验结果见图3、图4.试验中标定功率达到720kW，额定点燃油消耗率为204g/kW·h，涡轮前排温为463℃，烟度为0.9FSU，均能满足设计要求. 3.2 振动指标

通过测量，柴油机在整个使用范围内振动烈度VS为8.9mm/s~17.0mm/s，根据CB 3256-85《船用柴油机振动评级》，相应振级为A~B级，属优良和良好工作状态.

从以上测试结果可看出，对8190柴油机的轴系扭振计算准确，设计的减振器减振效果较好，消除了因曲轴加长和功率提高而带来扭振振幅高问题. 3.3 扭振特性

测量工况分为：空车特性（600r/min~1500r/min之间每隔50r/min为一个工况点）和推进特性.空车特性测量结果，其扭振振幅在1.4mrad~2.79mrad之间，按推进特性测量的振幅在2.27mrad~4.01mrad

转矩/N·m5100

Ne 700 500

0.80.4

tT

206202198

be

660 460 R

涡轮前平均排温/℃功率/kW4700

Me

排气烟度/FUS1.0 0.2

油耗率/g·(kWh)-1230220be

210200

91011121314 15 9 10 1112 13 14 15

2-1

转速×102/r·min-1 转速×10/r·min

图3 1450r/min,720kW推进特性曲线 图4 1450r/min,720kW外特性曲线

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油耗率/g·(kWh)-1排气烟度/FUS

之间.柴油机在空车特性和推进特性工况下扭振振幅变化均不大，优于许用值(5.24mrad). 3.4 可靠性

为考核柴油机的性能稳定性、运行可靠性和耐久性，对8190柴油机进行了800h耐久试验.

柴油机耐久循环程序为前400h按推进特性进行，后400h按负荷特性进行，共800h.试验时通过监测燃油消耗率、排气温度和曲轴箱漏气量等参数对柴油机的运行状态进行监控，耐久前后进行了性能对比试验，其中包括负荷特性试验、推进特性试验.在整个试验过程中，柴油机各项参数稳定，燃油消耗率、排气温度、烟度等均无异常变化，性能指标进一步改善.经拆缸检查，柴油机主要运动件配合面磨损轻微，特别是曲轴、轴瓦、缸套等主重要零件未发现异常磨损现象.各零部件工作可靠，符合船用柴油机耐久试验要求与评定标准.

4 结论

1）通过型式试验及耐久试验，证明了对8190

（上接第35页）

柴油机进行的各项研究及设计是成功的.

2）柴油机的标定功率达到720kW，额定点燃油消耗率为204g/kW·h，涡轮前排温为520℃，最大扭矩为5200N·m，扭转振幅最大幅值小于0.246°，各项性能指标均能满足设计要求.

3）通过试验验证了柴油机经济性、动力性及可靠性能先进，满足了当前船舶动力对功率、使用条件及安全保护方面的要求.

参考文献：

[1] 任自中, 王新权. 国外中高速高ρme船用柴油机的研

发趋势[J]. 柴油机, 2003(6): 3-7.

[2] 罗述健. D683系列船用柴油机的研制开发[J]. 柴油

机设计与制造, 2002(1): 5-11.

[3] 滕超. V280/285系列船用柴油机的研制[J]. 铁道机车

车辆, 2010(1): 73-75.

[4] 田静. 4L18E型柴油机的研制[J]. 内燃机与动力装置,

2010(1):39-42.

4 与实际船模的比对

使用GAMBIT建立的全附体船模与实际船模比对情况如图10~图12.

图10 船尾部侧视图比对

图11 船尾部后视图比对

图12 舭龙骨与减摇鳍比较图

（CFD）技术也从理论探讨阶段逐步发展到可应用于工程实践，因此复杂几何体建模技术将越来越受到学者们的关注.GAMBIT作为一种被国内CFD学者广泛采用的几何建模与网格划分软件，凭借其强大的建模功能、简易的操作，大大简化了CFD的前期工作流程.本文作者通过对该软件的学习、理解和掌握，形成以一套行之有效的舰船全附体建模方法.通过与实际船模的比对，可见使用GAMBIT对舰船进行全附体建模简便易行，完全可以满足工程需要.

对具有复杂几何模型的全附体舰船进行合理高效的高质量网格划分将是本文作者的下一步工作，以期为高精度舰船水动力导数的求取打下良好基础.

参考文献：

[1] 王骁, 万林, 杨波, 等. 基于Pro/ENGINEER曲面建

模技术的三维船体造型设计[J]. 舰船科学技术, 2007, 29(220): 12-14.

[2] 王瑞金, 张凯, 王刚. FLUENT技术基础与应用实例

[M]. 北京: 清华大学出版社, 2007.

[3] US Navy Combatant, DTMB 5415[EB/OL]. http://

www. simman2008.dk/5415/5415_geometry.htm, 2008. [4] 鲁谦, 李连有, 李来成, 编译. 船舶原理手册[M]. 北

京: 国防工业出版社, 1988.

5 结论

随着计算机技术的飞速发展，计算流体力学

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