新世紀我國大功率柴油機發(fā)展探討
板鏈輸送機大功率柴油機在新世紀中有著廣闊的應用前景,但也面臨著嚴峻的挑戰(zhàn),并有著充分的發(fā)展機遇。與國外同類型發(fā)動機相比還有一定的差距。本文在分析研究的基礎上提出了樹立自主創(chuàng)新觀念、建立明確的目標和原則、突破關鍵技術,實現(xiàn)跨越式發(fā)展,適應我國國情的發(fā)展思路。并的前景進行了展望和探討。
【關鍵詞】新世紀 &nbs制砂生產(chǎn)線p; 大功率柴油機 發(fā)展探討
柴油機鱗板輸送機面臨的挑戰(zhàn)
柴油機經(jīng)歷了一百年的發(fā)展現(xiàn)已成為一種用途極為廣泛的動力機械,在20世紀已逐步替代了蒸汽機,成為社會經(jīng)濟及文明給料機發(fā)展的推動力。進入21世紀以后,柴油機的發(fā)展面臨以下幾個方面的嚴峻挑戰(zhàn)。
(1)石油資源日趨枯竭,我國的石油資源并不豐富。根據(jù)統(tǒng)計,目前世界石油剩余可開采儲量為1386億噸,1999年底我國累計探明石油可開采儲石料破碎生產(chǎn)線量為59.3 億噸,占世界總量的4.3%。從1993年起,我國開始成為石油進口國,且進口量逐年增加,具體可見下表。
表1 我國石油產(chǎn)量、進庫量及DZC系列垂直振動提升機今后的預測
年份 1993 1996 1998 1999 2000 2005 2015 PVC工業(yè)輸送帶2020
產(chǎn)量(萬噸) 14500 15700 16100 16000 16270 17反擊破200 19000 20000
進量(萬噸) 1567 2262 2732 3661 7013 9000 14000 20000細碎破碎機
依賴度% 10.8 14.8 15.8 19.6 35 36.7 41 5干粉砂漿設備0
(2)排放法規(guī)日益嚴格。在20世紀的發(fā)展過程中,人類在創(chuàng)造一個豐富的物質(zhì)世界的同時,也付出了惡化生存空間環(huán)境條件的沉重代價。為保護環(huán)境,各國對柴油機的廢氣排放礦篩網(wǎng)機提出了嚴格的限制標準。
表2 &nb輸送鏈板sp; 我國車用柴油機排放標準
階段 錘式反擊破碎機實施日期 CO HC NOx PM
01 1997.10.1 11.2 2.4 14.4 0.不銹鋼分樣篩92
02 2000.10.1 4.5 石頭粉碎機1.1 8.0 0.36
03 2005.10.1 4.0 1.1 7.0 0.15
對于船用柴油機,國際海事組織于1998年12月提出了NOx的排放標準。
N < 130 r/min 17.0 g/kw.h
130< n < 2000 r/min 45*n-2 g/kw.h
2000< n r/min 9.8 g/kw.h
(3)相關動力機械的競爭。在車用動力方面有電動汽車、電力機車的競爭,在艦船方面有燃氣輪機、燃料電池、斯特林發(fā)動機等。燃氣輪機在船舶上的累計使用功率到20世紀末達4000萬千瓦,目前已有56個國家和地區(qū)約1000艘艦船上使用了燃氣輪機,其經(jīng)濟性和可靠性已接近輕型大功率柴油機,而其NOx排放量僅為柴油機的一半。
據(jù)《環(huán)球時報》報道,2003年4月7日世界第一艘燃料電池驅動的潛艇“U31”號開始了首次試航。
(4)加入世界貿(mào)易組織后,面臨市場全球化競爭的挑戰(zhàn)。我國目前多數(shù)艦用大功率柴油機是引進國外公司生產(chǎn)許可證進行生產(chǎn)的,沒有自主的知識產(chǎn)權,一旦被中止生產(chǎn)許可證將會造成嚴重的后果。在現(xiàn)有產(chǎn)品的出口銷售上,貿(mào)易區(qū)域也受到了限制。在技術上,也只能跟在后面,拉開一段距離。所有這些對我國大功率柴油機的發(fā)展都是很不利的。
發(fā)展機遇
(1)市場需求.大功率柴油機具有廣闊的用途,可用于軍艦及民船上作為推進動力和電站的原動機;內(nèi)燃機車的原動機;陸用電站的原動機;特種車輛及工程機械的發(fā)動機等.迄今為止,在這些領域中還沒有別的動力機械可以替代.在新世紀中柴油機仍占有非常重要的地位.目前有相當數(shù)量的軍民用船舶有待建造,需要大量性能先進的主機和輔機
(2)技術優(yōu)勢.柴油機經(jīng)過百年發(fā)展,技術已相當成熟,具有優(yōu)良的動力性、經(jīng)濟性和可靠性,能滿足水面艦艇及常規(guī)潛艇作為推進動力及電站原動機的要求,并適用于多種推進方式(螺旋漿推進、噴水推進等),也便于組成多種推進組合形式(CODAD、CODOG、CODAG)。在大型遠洋船舶上大功率低速柴油機已成為唯一的推進主機。
(3)發(fā)展?jié)摿?。柴油機面對發(fā)展中說遇到的挑戰(zhàn)已經(jīng)有現(xiàn)實有效的應對措施。新技術、新工藝、新材料,特別是電子控制技術、高壓噴射技術、濕循環(huán)技術、排氣后處理技術的應用,可以進一步降低燃油消耗率,并能滿足排放指標的要求。
(4)目前我國已引進生產(chǎn)及自主開發(fā)生產(chǎn)了一批性能優(yōu)良、具有先進技術水平的大功率柴油機,在21世紀初,引進機的國產(chǎn)化工作已取得了很大的進展,為進一步的發(fā)展打下了良好的基礎,如PA6-280STC柴油機、MTU956柴油機、MTU396柴油機的國產(chǎn)化率均已達到80%以上。自行研制的一批中高速及高速柴油機如16V280柴油機、240系列柴油機、190系列柴油機等,均已具有較高的技術水平。
(5) 我國已建立起具有一定規(guī)模和實力的大功率柴油機生產(chǎn)企業(yè)和科研機構。到20世紀末,從事大功率柴油機生產(chǎn)的企業(yè)有30個;企業(yè)職工約60000人,技術人員約7000人;總生產(chǎn)能力為9000臺/年,共800萬千瓦 /年。
現(xiàn)狀和差距
在大功率柴油機領域中,低速大功率柴油機在世界范圍內(nèi)已被MAN-B&W公司的MC系列柴油機和Wartsilla-NS公司的RTA系列柴油機所壟斷,已無自行開發(fā)和競爭的余地。本文討論的重點是當前具有比較廣闊發(fā)展空間、在軍事和經(jīng)濟領域有廣泛用途的高速及中高速大功率柴油機。
(1)國外高速和中高速大功率柴油機
高速大功率柴油機一般指缸徑為150-200mm,轉速為>1500r/min,中高速大功率柴油機一般是指缸徑為200-300mm,轉速為1000-1200r/min,單缸功率>180kw的柴油機。中高速柴油機兼具中速機及高速機的某些特點,其主要性能指標如功率、轉速、燃油耗率、重量尺寸、大修期及壽命等,均能滿足艦船、機車動力及的陸用電站原動機的要求。下表給出當代國外一些具有代表性的高速和中高速大功率柴油機的技術參數(shù)。
表3 國外大功率柴油機性能表
參數(shù)
機型 D
Mm S
Mm Ne/cyl
kw n
r/min Pmax
MPa Pe
MPa Cm
m/s Pe*Cm Ge
g/kwh
M470 180 200 82.5 1550 1.35 10.3 13.9 218
MTU4000 165 190 170 1500 20 2.3 9.5 21.85 193
Paxman185 185 196 219.6 1950 20 2.58 12.74 32.87 215
MTU595 190 210 268 1800 18 3.02 12.6 38.05 218
MTU1163TB92 230 280 370 1300 2.94 12.09 35.54 215
MAK20 200 280 180 1000 18.5 2.44 9.33 22.77 200
MAN21/31 210 310 200 1000 20 2.36 10.33 24.39
22HLX 220 300 232 1000 2.44 10 24.4
V26 260 275 400 1300 2.53 11.92 32.77
W26X 260 320 538.2 1000 20 2.82 10.67 30.08 194
MTU8000 265 315 450 1150 23 2.7 12.1 32.67 199
Cat3618FVTA 265 300 560 1050 3.45 10.5 36.23
PA6BSTC 280 330 405 1050 16 2.27 11.55 26.22 195
RK280 280 330 450 1000 18 2.65 11 29.15 190
Д42 300 380 272 750 1.65 9.5 15.67 241
(2)我國目前生產(chǎn)的高速和中高速柴油機,其主要技術指標見下表
表4 中國生產(chǎn)的大功率柴油機性能表
參數(shù)
機型 D
mm S
mm Ne/cyl
kw n
r/min Pmax
MPa Pe
MPa Cm
m/s Pe*Cm Ge
g/kwh
150ZC-2 150 180 46.3 1940 0.85 11.64 9.89 238
MTU396TE 165 185 85 1500 1.73 9.25 15.95 201
TBD604B 170 195 105 1800 1.581` 11.7 18.48 210
H190V 190 210 133.3 1500 2.05 10.5 21.52 209
MTU956-02 230 230 200 1500 1.68 11.5 19.42 230
PA6280STC 280 290 294 1000 14.5 1.98 9.67 19.32 210
240ZJE 240 275 230 1000 15.0 2.216 9.17 20.17 204
280ZJA 280 285 242 1000 1.65 9.3 15.35 208
G300ZC 300 380 276 600 12.75 2.055 7.6 15.5 204
從表中所列數(shù)據(jù)可見,國外高速柴油機的Pe值一般在2.3MPa以上,個別達到3.02MPa。我國生產(chǎn)的高速機Pe值一般在1.8MPa以下,個別達到2.05MPa。氣缸最高壓力,國外已達16-20MPa,我國則在16MPa以下。燃油消耗率國外在190-200g/kwh之間,我國則在200-210g/kwh之間。
應當肯定,我國在最近20年來通過引進國外先進技術及生產(chǎn)設備,自主研制產(chǎn)品的不斷改進提高,大功率柴油機的生產(chǎn)及技術水平總體上有了很大提高。但是,從引進到生產(chǎn)出國產(chǎn)化產(chǎn)品其間有一段相當大的時差,即使是同系列的機型其性能也比當前最新產(chǎn)品落后很多。
發(fā)展思路
(1) 立自主創(chuàng)新觀念
在國際競爭日益激烈的時代,科技創(chuàng)新已經(jīng)成為市場競爭成敗的決定性因數(shù),在現(xiàn)代科學技術知識生產(chǎn)和應用的國際分工中,發(fā)展中國家基本上依附地位,面臨著日趨嚴峻的經(jīng)濟安全和軍事安全。我國大功率柴油機領域的科研和生產(chǎn)現(xiàn)狀也基本如此,應盡快加以改變。為此必須:
(a) 轉變觀念,樹立信心。我國已成功地自主開發(fā)了一些大功率柴油機。如240ZJ系列柴油機,從1966年自行設計,1978年B型機通過技術鑒定到1993年的15年間不斷進取已發(fā)展了C,D,E型機,平均4-5年推出一個新的機型,技術指標逐步提高,單缸功率由B型機152kw-C型機165kw-D型機184kw-E型機230kw;燃油消耗率由B型機210g/kwh-C型機208g/kwh -D型機207g/kwh -E型機205g/kwh;大修間隔期有B型機13000小時延長到E型機的20000小時。目前240系列柴油機已有8種機型,功率覆蓋范圍為110-3860kw,成為我國大功率柴油機中發(fā)展成熟,指標先進,產(chǎn)量最多的產(chǎn)品。此外如Z190型柴油機及6E390V型柴油機等也都是自主開發(fā)并達到較高水平的產(chǎn)品。
(b) 自主開發(fā)并不是閉關自守。為了提高我國大功率柴油機的技術水平,加快發(fā)展步伐,必須加強協(xié)作和交流,積極學習和引進先進產(chǎn)品和技術,加以消化,為我所用。如大連機車廠于1982、1984、1988年先后三次與英國里卡多公司合作開發(fā)出240ZJ系列的C、D、E型柴油機。濟南柴油機廠于1996年與奧地利AVL公司合作開發(fā)了H12V190型柴油機使其傳統(tǒng)產(chǎn)品的平均有效壓力從1.11MPa一躍提高到1.96MPa。引進先進機型仿制生產(chǎn),是滿足急需,提高產(chǎn)品水平的有效途徑。通過國產(chǎn)化可以加快國內(nèi)零部件的配套能力,有利于制造及工藝水平的提高。通過消化改進使產(chǎn)品性能不斷提高,則更為重要。如從原蘇聯(lián)引進的150型柴油機,從20世紀60年代后的20年間,單機功率由原來的382kw逐步提高到426kw,517kw,目前已達到883kw。但是,如只依靠引進而不思進取,則會落入“引進-落后-再引進”的怪圈,最終仍然受制于人。
(2) 建立明確的目標和原則
自主開發(fā)的大功率柴油機不僅要在動力性、經(jīng)濟性、可靠性、排放性等方面具有先進的技術指標,而且應具有廣泛的適用性和發(fā)展?jié)摿?。因此,提出以下原則:
(a)全面通用的原則。 大功率柴油機是一種用途極廣的動力機械,同一機型既可用于艦船推進也可作為電站原動機、機車動力等。這就要求其技術指標具有較大的彈性,發(fā)展各種變形,形成系列。不應冠以“艦船用”、“船用”、“機車用”等行業(yè)性限制詞,而應以技術指標要求來界定。
(b) 全方位指標優(yōu)化原則。 柴油機的一些主要技術指標(如燃油消耗率和NOx 排放量)之間,在改善措施方面存在矛盾,應能根據(jù)具體用途加以綜合權衡。例如,MTU4000系列柴油機,用于艦船推進時,在滿足IMO的排放標準條件下,其單缸功率為145kw,油耗為205g/kwh;用于機車動力時,在滿足UIC排放標準條件下,其單缸功率為125kw,油耗為196g/kwh ;用于電站原動機時,其排放標準更為嚴格(NOx的排放量為4.4g/kwh ,低于車用柴油機歐Ⅲ標準),這時其單缸功率為90kw油耗為220g/kwh。
(c) 全工況性能優(yōu)化原則。 柴油機不僅在標定工況時而且在部分工況時均具有優(yōu)良的性能,這對于高增壓大功率柴油機更為突出。目前多采用相繼增壓系統(tǒng)來改善低負荷性能。
(d) 全壽命優(yōu)化原則。 柴油機在整個使用壽命期中,其費用包括購置費和運行費(含燃油消耗及維修費用等),而后者往往大于前者,因此在經(jīng)濟性、可靠性、可維修性等方面應綜合權衡。
(e) 全系統(tǒng)優(yōu)化匹配原則。 柴油機是動力系統(tǒng)中的一個主要的子系統(tǒng),它應能與其它的子系統(tǒng)(如傳動裝置),及負荷(如發(fā)電機、螺旋槳)的工作范圍及運行特性相匹配。
(3) 突破關鍵技術,實現(xiàn)跨越式發(fā)展
(a) 應用信息技術改變傳統(tǒng)的研發(fā)模式,提高產(chǎn)品性能,加快研發(fā)進度。20世紀90年代后,隨著以計算機為核心的信息技術的發(fā)展及應用,柴油機的研發(fā)模式發(fā)生了根本性變化,從“粗放型”、“經(jīng)驗型”設計逐步轉變?yōu)椤熬_型”、“預測型”設計。將網(wǎng)絡技術、虛擬技術用于柴油機設計、制造、裝配、運行、維修的全壽命過程?!邦A測設計”可以使柴油機的研發(fā)周期縮短,成本降低。這主要得益于可以利用先進的計算機體系,柴油機性能軟件,零部件強度分析軟件及經(jīng)過長期積累并經(jīng)實驗驗證的數(shù)據(jù)庫和知識庫。例如,德國MTU公司595系列柴油機的研制周期為9年,而MTU8000系列柴油機采用“預測設計”后時期研制周期縮短到3年半。
(b) 提高強化度。高速機中高速柴油機是以高強化度為特征的,柴油機的強化度可表示為Pe*Cm。其中,提高平均有效壓力是提高柴油機功率密度的主要措施,也是我國柴油機技術差距之所在。提高柴油機的平均有效壓力涉及方方面面,是一個總體綜合優(yōu)化工程。而主要的關鍵技術為:提高增壓度,采用高壓噴射、優(yōu)化燃燒過程等,形成高增壓壓力(0.5MPa)、高噴射壓力(180MPa)、高燃燒爆發(fā)壓力(20MPa)為特征的的“三高”發(fā)動機。Cm=s*n/30,一般控制在12.5m/s以下,目前,新研發(fā)的機型為了改善可靠性,增大功率,采取適當增大行程,降低轉速的措施。例如,MTU1163柴油機與MTU956柴油機相比,其行程從230mm增加到280mm,轉速從1500r/min降到1300r/min,大修期為12000小時,燃油消耗率從230g/kwh降低到215g/kwh。PA6B-280柴油機與PA6280柴油機相比,行程從290mm增加到330mm,轉速仍保持1050r/min,功率增加了25%,(324kw/cyl提高到405kw/cyl), 平均有效壓力Pe提高了11%,活塞平均速度Cm提高了14%燃油消耗率保持不變。
(c) 總體設計技術。在柴油機總體設計中引入可靠性設計技術,在保證結構強度及剛度的基礎上采用結構簡化、可靠性高、維修性好的模塊化設計技術,以適應強化度提高后的新要求。如在一些機型上采用了“動力單元”的結構形式把氣缸蓋,冷卻水套,氣缸套,活塞連桿等組成模塊式部件,以適應燃燒爆發(fā)壓力增大后對于密封性及軸承負荷承載能力的要求,并解決了曲柄銷直徑增大后的拆裝問題(例如,MTU8000柴油機的曲柄銷與氣缸直徑之比達到0.94)。此外,還采用了無管路設計技術,對柴油機各系統(tǒng)進行模塊化設計,使之更易于維修保養(yǎng)
(d) 電子控制高壓燃油噴射系統(tǒng)。為了達到日益嚴格的排放標準及進一步減低燃油消耗率,必須采用燃油高壓噴射技術,并在此基礎上對噴油量、噴油定時、噴油壓力、噴射率等根據(jù)運行工況的要求實現(xiàn)優(yōu)化匹配,即將傳統(tǒng)的機械剛性控制改變?yōu)殡娮尤嵝钥刂?。MTU公司在MTU4000系列柴油機上開發(fā)使用了電控高壓共軌噴油系統(tǒng),在MTU8000系列柴油機的油路中加裝了蓄壓器,可以減少噴油過程中在燃油系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的油壓波動。該機在很大的運行功率范圍內(nèi)的燃油消耗率均低于195g/kwh ,在最經(jīng)濟的運轉電時則小于190g/kwh。 同時,NOx的排放值也在IMO規(guī)定的標準之內(nèi)。
(e) 電子控制發(fā)動機管理系統(tǒng)。電子控制管理系統(tǒng)是實現(xiàn)智能化的重要技術措施,它一方面可以對燃油噴射系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)的有關參數(shù)進行協(xié)調(diào),實現(xiàn)在各種工況時的優(yōu)化運行;另一方面可以對柴油機各系統(tǒng)及主要零部件的工作狀態(tài)進行檢測、對故障進行診斷及趨勢分析。通過電子管理系統(tǒng)形成一個閉環(huán)反饋系統(tǒng),使柴油機始終處于安全、優(yōu)化的工作狀態(tài)。例如,在MTU8000系列柴油機采用了MDEC電子管理系統(tǒng),它具有對發(fā)動機所有功能和參數(shù)進行精細的檢測、控制及故障診斷、趨勢分析等基本功能以外,還可以通過接口納入到動力裝置的聯(lián)合控制系統(tǒng)之中。
展望
(1) 重大的創(chuàng)新更多地出現(xiàn)在學科交叉領域,新的成果常表現(xiàn)為技術上的融合及邊界的模糊。大功率柴油機的發(fā)展與創(chuàng)新在很大程度上依賴于相關學科的支持和促進,如熱力學、燃燒學、流體力學、材料學、計算機仿真技術、自動控制技術、人工智能技術等。內(nèi)燃機通過在氣缸內(nèi)燃油與空氣的混合燃燒而產(chǎn)生動力,但同時也產(chǎn)生了有害排放物,因此,燃燒理論和燃燒過程的控制技術的研究成為內(nèi)燃機發(fā)展的核心問題。當前燃燒理論方面的初步研究成果表明,如果采用缸內(nèi)直接噴射(GDI)方式,均勻充氣壓縮點火(HCCI)方式,將使傳統(tǒng)的汽油機與柴油機燃燒方式之間的區(qū)別變得更為模糊,但這些成果一旦付諸實施,將可能解決燃燒效率與產(chǎn)生有害排放之間的固有矛盾。而實現(xiàn)這些新的燃燒方式還有賴于有關學科的支持。
(2) 高新技術的應用使一些傳統(tǒng)技術得到改造成為促進柴油機發(fā)展的重要工具。例如,蓄壓式燃油噴射系統(tǒng)早在20世紀40年代已經(jīng)用在了柴油機上,其優(yōu)點為噴射壓力可以調(diào)節(jié),并不受柴油機轉速變化的影響,但由于其噴射壓力低而被淘汰。時至今日,采用電子控制以后發(fā)展成為高壓共軌燃油噴射系統(tǒng),一躍成為當今最先進的供油系統(tǒng)。由此可以想象,當電子管理系統(tǒng)得到普遍應用以后,將可能會有更多的在理論上先進,但受到技術限制的傳統(tǒng)技術將發(fā)揮出新的活力。例如:柴燃復合發(fā)動機;二級串聯(lián)相繼增壓高功率密度發(fā)動機;可變壓縮比、可變氣閥定時、可變渦輪噴嘴截面聯(lián)合控制,同時具有自檢測、自診斷功能的高智能發(fā)動機等。
結論
(1)高速、中高速大功率柴油機是一種“技術資金密集型”產(chǎn)品,在新世紀中具有良好的發(fā)展環(huán)境和前景,故應在當前基礎上打破行業(yè)界限,集中力量突破關鍵技術,開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權、技術先進、具有高度競爭力水平的產(chǎn)品。當前是挑戰(zhàn)與機遇并存,但挑戰(zhàn)是現(xiàn)實的,而機遇則是潛在的,需要通過努力工作創(chuàng)造條件使之成為現(xiàn)實。大功率柴油機的研發(fā),時間緊迫,空間日益緊縮,故應盡快決斷,制定規(guī)劃、組織力量,爭取在1-2個五年計劃內(nèi)取得成果。
(2)綜合國外的發(fā)展水平及我國的現(xiàn)實情況,可采取以下兩條技術途徑:(a)加快引進機的消化和國產(chǎn)化的步伐,尤其是關鍵性零部件(燃油噴射系統(tǒng),軸瓦等)的自主配套能力,并不斷跟蹤加快更新?lián)Q代,追趕世界先進水平;(b)根據(jù)國防及經(jīng)濟建設的需要,開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權、技術先進的柴油機,它的基本結構形式應是由渦輪增壓、高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)、電子管理系統(tǒng)等所組成。
它的主要技術參數(shù)為:高速大功率柴油機,D=180mm-200mm,S=190mm-210mm,n=1500rpm-1800rpm,P=1000kw-4000kw;中高速大功率柴油機,D=260mm-280m,S=280mm-330mm,n=1000rpm-1200rpm,P=4000kw-8000kw。并能滿足相應的排放法規(guī)的要求。
(3)作為艦船、機車等大型運載工具的發(fā)動機,在液體石油燃料的供應方面及排放規(guī)范的限制方面都比城市車用發(fā)動機有更為寬松的環(huán)境。隨著科學技術的發(fā)展,石油儲量的勘探及開采還會有新的進展。新能源的開發(fā),尤其是天然氣及煤為原料經(jīng)過重整制成的液態(tài)燃料也已取得了進展。因此,高速及中高速柴油機在新世紀中的發(fā)展前景是令人樂觀的。
參考文獻
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