主机选型中基于降低燃油消耗量的设计分析

李江波，熊 文，2，衣正尧

(1.大连中远川崎船舶工程有限公司，辽宁 大连116052;2.南通中远川崎船舶工程有限公司，江苏 南通226005)

1 降低主机燃油消耗量的主要方案

主机燃油耗量公式为

式中:B——燃油消耗量，t/h;

Pe——主机有效输出功率，kW;

be——主机燃油消耗率，kg/(kW·h)。

根据主机选型经验［1］，降低燃油消耗量可从以下几个方面考虑:①主机选型时减额输出;②降低燃油消耗率;③提高最高爆发压力与平均有效压力之比;④降低主机转速。

1.1 主机减额输出

MAN B＆W和Wärtsilä两个主要的船用柴油机公司的主机选型区域内容基本相同。图1为MAN B＆W公司的MC系列的主机选型区域。由两条等平均有效压力线L1L3与L2L4和两条等转速线L1L2与L3L4组成。在整个选型区内，主机的最高燃烧压力相同。

主机减额输出［2-3］是指，所选定工作点的功率(即约定最大持续功率)和转速，通常低于主机的标定功率和转速(L1点)。可以通过减额输出，使主机减功运行，从而降低燃油消耗量。

整台主机的有效功率为

图1 MC系列主机的选型区域

式中:pe——平均有效压力，Pa;

n——主机转速，r/min;

m——每转工作行程数，四冲程机m=1/2，二冲程机m=1;

i——气缸数;

Vs——气缸工作容积，m3

其中:D——气缸直径，mm;

S——活塞行程，mm。

由式(2)可知，在m、i、D、S一定的情况下，Pe主要取决于pe和n。降低平均有效压力pe，降低转速n，可使主机减额输出。但降低n、pe，实现减额输出的同时，会增加主机选型时的缸数。

1.2 降低燃油消耗率

根据文献［4］，MAN B＆W公司MC机型的油耗和功率、转速间的函数关系如下。

式中:be、Pe、ne——该机约定最大持续功率点的油耗率、功率、转速;

bn、Pn、nn——该机标定功率点的油耗率、功率、转速。

将式(2)代入(3)式中，得

在主机机型选定的情况下，式(4)中bn、Pn、nn、Vs、m、i都为定值，be的大小只取决于平均有效压力pe，pe越小，be越小。

1.3 提高最高爆发压力与平均有效压力之比

由主机的理论循环研究与实践证实，提高最高爆发压力与平均有效压力之比，可显著降低燃油消耗率。受到主机负荷的限制，大幅度提高最高爆发压力十分困难。保持最高爆发压力不变，降低平均有效压力，提高两者的比值，降低油耗率，是目前广泛采用的节能措施。

最高爆发压力是主机结构强度的设计标准，在设计时已决定。在整个主机选型区内，主机的最高燃烧压力是相同的，平均有效压力越小，即平均有效压力线越往下，所对应的各负荷的油耗率越小。

1.4 通过降低转速减少主机输出功率

通过降低主机转速，以提高螺旋桨效率，从而提高动力装置的总效率，减少主机的输出功率。

1.4.1 方案理由

根据船、机、桨匹配能量传递公式

式中:Pe——主机的输出功率，kW;

ηs——轴系的传动效率;

ηr——桨的相对旋转效率;

ηo——螺旋桨的敞水效率;

ηh——船身效率;

Pr——船舶保持一定航速所需的有效功率，kW。

而螺旋桨的敞水效率公式为

式中:T——船后螺旋桨的发出推力，其进速为V a;

Q——转矩。

从式(6)可知，在推力T，进速V，转矩Q为一定时，主机转速越低，螺旋桨的敞水效率越高。结合式(5)可知，当船舶航速一定，其所需的有效功率Pr一定时，只要使ηo提高，就可以减少主机输出功率Pe，降低燃油消耗量。

1.4.2 方案措施

1)增大行程缸径比。在保持活塞平均速度vm不变的情况下，通过增大行程缸径比，可降低主机转速。然而，增大行程缸径比使主机结构十分复杂，因而其增加有局限性。

2)降低活塞速度。根据转速公式

式中:vm——活塞平均速度，m/s;

S——活塞行程，mm。

由式(7)可知，在S保持一定的情况下，vm降低，转速n也降低。

根据以上对降低燃油消耗量各相关措施的分析，认为影响燃油消耗量的主机选型主要参数为平均有效压力pe和转速n。

平均有效压力减小，可以减小燃油消耗率。转速n降低，可以提高推进效率，减小主机输出功率，降低燃油消耗量。在行程缸径比一定的情况下，可通过减小活塞速度来降低转速。

2 影响燃油消耗量的参数分析

2.1 降低转速

如给定了一艘船的航速，则所需推进功率随螺旋桨转速降低和螺旋桨直径增大，而相应减少(见图2)。以公式表示如下。

式中:P1、P2——所需推进功率;

n1、n2——相应的螺旋桨转速;

α——等航速系数，对于散货船和油船α=0.25～0.30，对于集装箱船α=0.15～0.25。

图2中所示的AB和CD线为两条假设的等航速曲线。在该线上的任一点表示了一个功率、转速组合，且需要匹配一个新的螺旋桨，但在同一条等航速线上各点的航速均相同。

从图2中可见，在相同航速条件下，主机转速越低，需要的主机功率越小。

图2 某航速时，主机选型区域内的功率与转速关系

但是，在保证一定输出功率下，螺旋桨转速越低，其直径越大。且受船艉结构空间影响，螺旋桨直径不能太大，因此，只能对主机机型和转速进行适当调整。同时，主机转速不应过低，过低也会引起转矩增加。

2.2 降低平均有效压力

对于选定的约定最大持续功率点，或等航速曲线上的某点，在同一选型区域内，其平均有效压力是一定的。

如图3可见，在通过两条等航速曲线AB和CD上，对于选定的功率点，其平均有效压力是一定的。在同一等航速曲线上，在转速和功率选定后，通过降低平均有效压力来降低主机的燃油消耗量，会导致主机缸数增加、机型变更。

图3中对应相同功率和转速点下，平均有效压力方面，7S70MCC7主机的小于6S70MMC7的主机。

图3 某航速备选主机的平均有效压力

4 案例分析

以降低油耗为目标的主机选型流程见图4。

图4 主机选型流程

按上述流程，对同船型的两艘大型散货船主机选型中的燃油消耗进行分析、对比，见表1。

表1 同船型的两艘散货船主机燃油消耗对比

其中船型相同的数据为主机型号:6S70MCC7，

船速:16.6 kn，日常航速:14.8 kn，

螺旋桨直径:8 400 mm，缸径:700 mm，

行程:2 800 mm，最高爆发压力:15 MPa，

标定最大功率点燃油消耗率169 g·(kW·h)-1，

标定最大持续输出点对应功率:18 660 kW、转速:91 r·min-1。

由表1可见，同船型的两艘大型散货船，在航速、主机机型一样的情况下，转速降低3 r/min，平均有效压力降低0.01 MPa，其每天的燃油消耗量可以节省约4%。

5 结论

主机选型中为降低燃油消耗量而采取的各方案，对主机运行的性能参数而言，都必须降低主机转速或平均有效压力;主机转速降低受螺旋桨直径限制，平均有效压力减低会影响主机缸数;主机选型中，转速是主机与螺旋桨匹配和联系的惟一考虑参数。

本文只对转速和平均有效压力这两个影响燃油消耗量的主要参数进行了初步分析，对这两参数具体如何选取，还需进一步的设计分析。

［1］李斌. 船舶柴油机［M］. 大连: 海事大学出版社，2008.

［2］顾宣炎.减额输出柴油机的主机选型［J］.武汉理工大学学报:交通科学与工程版，2001(3):82-86.

［3］陈宝忠，傅爱庆，孙永明.船舶减速航行与主机减额输出节能技术的分析研究［J］.中国航海，2005(1):82-86.

［4］于洪亮，黄连忠.船舶动力装置技术管理［M］.大连:海事大学出版社，2009.