燃气发动机的发展现状和未来战略

文章描述了大型高速(额定转速为1200~1800 r/min)、中速(额定转速达1000 r/min)燃气发动机的发展现状及中、短期的发展战略。最近几十年来,用于发电和气体压缩机等固定用途的天然气发动机的数量显著增长。对CO2减排的持续关注以及未来更加严格的NOx排放标准使得燃气发动机在船舶和机车领域同样具有吸引力。为促进燃气发动机的长期发展,需要对功率密度和热效率进一步改进。目前,燃气发动机的平均有效压力(BMEP)已达到具有竞争力的水平,其热效率水平甚至比柴油机更高。燃气发动机能够取得上述改进效果得益于稀薄燃烧原理、米勒气门正时、燃烧系统的逐步开发(如燃烧室几何形状的优化)、压缩比提高等。燃气发动机的性能发展一直面临解决爆震燃烧的难题。为进一步提高平均有效压力和/或热效率,抗爆震性能仍有待改善。米勒循环以及增压空气冷却能够通过降低燃烧温度来抑制爆震的发生。然而这样则需要进气管内有更高的压力。由于单级涡轮增压器的压气机压比受到限制,因此需要应用两级增压以获得较目前更强的米勒定时。另一个重要的方面是发动机耐受峰值燃烧压力的能力。目前,市场上许多燃气发动机的平均有效压力已由10~12 bar提高到20~22 bar,因此它们或许已经接近其峰值燃烧压力的极限。要进一步提高平均有效压力,需要进行大量的设计改进,甚至开发全新的发动机。文章基于AVL公司专有的单缸发动机及仿真方法等燃气发动机的开发经验,阐述了燃气发动机的关键技术和发展现状,分析了其局限性、发展潜力以及对未来燃气发动机的要求。使燃气发动机能够进一步发展的最关键技术是,采用更强的米勒定时并结合两级涡轮增压,同时将峰值燃烧压力提高到250 bar以上。     

满足现代柴油机和气体燃料发动机的要求：TPL．．-C新一代涡轮增压器

今天,现代四冲程柴油机和气体燃料发动机的发展动力主要来自环境方面和增加输出功率的目标。发动机制造商和终端用户的要求成为开发TPL..-C新一代涡轮增压器的动力。以经过充分验证的TPL..-A和TPL..-B系列涡轮增压器为基础,进一步发展了TPL涡轮增压器的概念以便满足明天的中速四冲程柴油机和气体燃料发动机的要求。市场和排放法规要求在很大程度上影响了TPL..-C新一代涡轮增压器的开发。现代涡轮增压系统和苛刻的排放法规要求更高的效率、更高的压比和增加体积流量。此外,各种保证高水平的机械可靠性和良好的维修方便性的措施在设计一种新涡轮增压器时同样必须被考虑到。因此,最近的部件开发被引入新的涡轮增压器系列中。采用新的TPL..-C压气机级和涡轮级,用户可以得益于增大的涡轮增压器单位尺寸体积流量、宽广范围的体积流量、增加的增压压力和改善的效率。于是,TPL..-C涡轮增压器部件的特性将不仅有助于达到发动机的环境相容性要求,而且新的涡轮增压器系列亦将可以满足更高发动机功率输出和功率密度的需要。本文着重描述了发动机制造商及终端用户的要求对TPL..-C涡轮增压器设计的影响。除了性能特点外,主要的关键之点还有诸如耐久性、可靠性、就单位尺寸热力学潜力而言的紧凑性以及维修方便性。机械问题的的讨论包括涡轮增压器的高自然频率和封闭安全性。TPL..-C涡轮增压器已经过全面试验,但在其成功地投放市场之前仍必须经历一个苛刻和综合性的内部鉴定过程。     

CN公司开发出新的涡轮增压器性能模拟软件

今天正在生产或正在运用的许多柴油机都装有涡轮增压器，而且其他类型发动机（无论是天然气发动机，还是汽油发动机或生物柴油发动机）也都装有涡轮增压器。每个发动机制造商和涡轮增压器制造商均有自己的试验和检验其产品的方法。随着人们对效率的要求越来越高和对性能的研究越来越细致，在发动机设计中性能模拟显得更为重要。     

减排——对涡轮增压的新挑战

在今天的发动机开发中人们关注的主要焦点是如何满足未来排放法规的要求。这在很大程度上取代了传统的发动机开发的推动因素,诸如功率密度、效率和成本,所有这些因素在整个上世纪90年代已取得重大改进。这个新的焦点自然也对涡轮增压器制造商的开发工作有很大的影响。因为有效压比的积极作用被进气门关闭提前所消化,所以在过去10年中的开发工作已经导致功率密度的提高稍有停滞。在已实施严格的低NOx排放法规的地区,众所周知的发动机效率和低排放之间的折衷,常常需要喷射定时的延迟,这样就会导致发动机效率的损失。预计在不久的将来还将存在进一步降低排放的压力。一个很重要的问题是:这将会阻碍功率密度的进一步提高或针对高增压比水平而开展的开发工作将会充当发动机新一轮发展浪潮的推动力吗?非常高的增压比水平打开了降低循环温度之门,在诸多降低缸内温度的方法中,有一种特别令人感兴趣的方法是采用Miller定时。较低的循环温度不仅可以减少发动机的NOx排放量,而且还可以改善发动机效率和功率密度。对增压空气进行明智的管理也是保证在每种发动机负荷下提供适量空气的需要,并有助于对烟度和颗粒物排放量实行有效控制。ABB涡轮增压器公司在该领域通过与发动机制造商、大学及其他研究机构进行合作,积极开展了各项课题研究。研究结果表明,伴随着Miller方法、废气再循环、共轨或可变喷射压力、长行程等诸多发动机新技术的应用,高压比涡轮增压(单级或多级)的潜力仍然是巨大的。通常,单靠涡轮增压不可能解决所有问题。因此,本文客观地介绍未来实现高压比的多种方案,以满足各种型式和用途发动机的需要。然而,用来评判某个解决方法的适用性的标准在每种情况下都是一样的:低的排放(NOx和颗粒物),增强的工作能力,负荷响应和可靠性。所有这些都会为环境、发动机制造商、终端用户以及涡轮增压器制造商本身带来巨大益处。     

乘用车柴油机用可变两级涡轮增压器的开发

为了满足以欧洲为首的逐年收紧的排放法规要求,配装可变截面涡轮增压器以替代传统涡轮增压器的车辆越来越多。最近,为了提高乘用车柴油机的低速扭矩,并同时加大输出功率,提高发动机瞬态响应性能的要求也越来越高。介绍一种三菱重工公司独立开发的可变两级涡轮增压器,其性能和耐久性优异,已开始被用于乘用车柴油机。     

天然气制油燃料对直喷式柴油机排放的影响

在1台安装先进排气后处理系统的柴油机上燃用天然气制油（GTL）燃料,进行了降低排放的试验研究。GTL燃料是一种更清洁的柴油机代用燃料,它几乎不含硫和芳香烃,且十六烷值高。采用几种专门制备的GTL燃料样品,研究了GTL燃料蒸馏特性对改进前发动机废气排放的影响。试验结果表明,GTL燃料的馏程对发动机的颗粒（PM）排放有重大影响。高十六烷值还能减少碳氢化合物和一氧化碳的排放,而这些燃料特性对氮氧化物（NOx）排放几乎没有影响。结果表明,低馏程和高十六烷值的GTL燃料有利于解决NOx与PM排放的折衷关系。为了改善柴油机的最终尾气排放,针对最有利的GTL燃料样品,对发动机进行了改进。为了在保持燃油耗不变的同时降低NOx排放,对废气再循环量、喷射定时和催化用排气管喷油进行了校正。车辆排放试验表明,发动机和GTL燃料的优化能进一步降低NOx和PM排放。此外,为便于今后柴油机使用GTL燃料,对发动机的压缩比、喷油嘴等技术规格进行了仔细研究。研究结果表明,低压缩比和大流量喷油嘴有利于进一步降低排放和提高输出功率。     

未来的涡轮增压器

发动机制造商所承受的要求降低发动机单位功率价格、提高整机总效率的压力自然而然地影响了涡轮增压器制造商。为降低成本，发动机制造商正在提高发动机的平均有效压力和活塞平均速度，因而促使涡轮增压器压比和效率也需提高。功－热联合循环装置（以下简称ＣＨＰ装置）给发动机和增压器制造商提出了一个更进一步的问题，那就是发动机／增压器系统效率的提高导致废气温度降低，因此废热利用度得更加困难。本文论述了涡轮增压器制造商     

高流量高压比新系列涡轮增压器

ABB公司开发了一种新的TPS．.—F33系列涡轮增压器，可以满足目前和未来功率范围为500—3500kW的小型中速柴油机和大型高速柴油机及气体燃料发动机的要求。其开发的目标是：提高高效率工况下的压比和流量，提高可靠性、寿命及可维修性。TPS.．—F33系列涡轮增压器与TPS．．D／E系列涡轮增压器的外形尺寸相同，包括4种涡轮增压器型号。这些增压器具有较高的功率密度，因而可以大大提高发动机的功率。本报告曾在200l年国际内燃机会议(CIMAC)上获奖。文中介绍了新系列涡轮增压器的结构、性能，新压气机叶轮开发的过程，新系列涡轮增压器的试验结果以及与柴油机和气体燃料发动机的匹配情况。     

高速发动机用新型A100-H系列单级涡轮增压器

作为开发单级高效、高压增压系统的一个里程碑,ABB增压器公司推出了高速发动机用新型A100-H系列涡轮增压器。这种新系列增压器,其压气机压比达5．8,采用铝质压气机叶轮,具有高的增压器效率,能满足未来柴油机和气体燃料发动机的运行要求及低排放的要求。     

增压柴油机加速过程炭烟排放的仿真研究

增压柴油机在加速过程中存在炭烟排放恶化的现象,采用可变截面涡轮增压器,通过改变增压器开度可以有效的改善炭烟排放,本文利用WAVE软件,在稳态计算结果的基础上,对柴油机定扭矩加速过程进行仿真,研究其炭烟排放规律并优化加速过程中VGT控制规律,以改善炭烟排放,降低燃油消耗率.     

米勒循环船用低速柴油机燃烧与排放试验研究

选择米勒热力循环和传统热力循环低速柴油机,根据实测气缸压力,对比分析不同热力循环柴油机气缸内燃烧过程,揭示其对柴油机性能参数和有害排放物生成的影响规律,为低排放柴油机开发提供支持.     

柴油发动机及车辆排放法规的发展动态

介绍了现行排放法规主要实施执行的欧盟、美国和日本3大体系,分析了柴油发动机排放法规的最新动态,详细论述了新颁布法规或法规新修订内容对柴油发动机限值要求、限制对象、测试方法等方面的要求.在此基础上,介绍了我国柴油发动机及车辆排放现状及法规执行情况,分析了改善柴油发动机及车辆对环境排放可采取的措施.此外,介绍了用于认证的全球统一测试循环.     

解决气缸套穴蚀问题的实例分析

穴蚀是柴油机工作中的疑难杂症,主要发生在气缸套与机体的水腔面,主导因素为气缸套的高频振动产生空泡,在压差下空泡爆炸产生破坏力击损气缸套表面,降低气缸套使用寿命.穴蚀问题发生和解决的周期很长,又发生在柴油机内部,很难直观发现穴蚀,宁波中策动力机电集团多年来根据用户气缸套实际穴蚀情况一直做着不同的改进并跟踪,从穴蚀原理和外部因素等不同方案着手逐步解决穴蚀这一问题,并取得良好效果.     

铁路柴油机润滑油的流变学衰变研究

使用中的铁路机车柴油机润滑油报废的主要原因是运动粘度超限。使用剪率控制型流变仪对使用中的铁路机车柴油机润滑油的流变学变化进行研究,测量不同剪率下润滑油剪应力,计算动力粘度。研究结果表明,柴油机润滑油在运用过程中由牛顿流体衰变为非牛顿流体,而且运动粘度值增加愈大,愈加偏离牛顿流体的特性。分析认为,运动粘度值不能真实的描述柴油机润滑油实际工作中的流变学特性。     

两级增压柴油机增压器匹配方法与压比分配规律的研究

进行了柴油机普通两级增压系统匹配方法的研究,建立了设计工况点匹配和其他工况点评价的计算模型.采用GT-POWER软件建立了某柴油机两级增压系统的仿真模型,采用实测结果校核了模拟计算,在此基础上,利用模拟计算结果进行了匹配模型的考核,进一步开展了不同高低压级压比分配对两级增压柴油机性能的影响规律分析,通过压气机和涡轮运行特性的研究确定了最优压比分配的选择.     

用8098单片机实现的内燃机车恒功率控制系统

介绍了一种用８０９８单片机实现的内燃机车恒功率控制系统，系统以柴油机供油量恒定为控制目标，采用双闭结构，对各种因素引起的柴油机供油量变化均有调节作用，为了满足机车高运用要求，系统设置了柴油要功率自动修正功能，试验结果表明系统结构合理，硬件软件设计正确，具有较高的控制精度和动态稳定性。     

TBD620V16柴油机曲轴动平衡分析

根据TBD620V16柴油机曲轴的结构特点,对发动机曲轴动平衡力学原理及动平衡机的选择进行剖析.进行了TBD620V16柴油机曲轴不平衡量的计算,提供了一个有助于抑制柴油机振动的工程实例.     

引进消化吸收产品调喷器加工工艺技术研究

调喷器是引进消化吸收的某型号大功率柴油机的关键件,前期研制过程中一直采用进口调喷器装配,订货周期长,制造成本高.通过针对引进产品的消化与吸收,研究了适宜性工装,优化和改进了工艺方案,并针对试验台进行了适宜性改造,在工艺试验的基础上,解决了引进产品国产化制造的关键技术,为某型号柴油机的国产化改进提高提供了可靠的技术保障.     

TPR56-F33-VTG增压器在R12V280ZJ柴油机上的配套研究

通过对TPR56-F33-VTG增压器与R12V280ZJ柴油机的配套,研究了可变涡轮增压柴油机对环境条件变化的适应性以及对部分负荷柴油机性能的影响.结果表明,通过调节可变涡轮可大幅度提高柴油机的部分负荷性能和大范围减少环境条件对柴油机性能的影响.     

某柴油机呼吸器冒油改进研究

针对某柴油机装车后出现的呼吸器冒油问题,进行了分析,并进行了模拟整车的台架试验研究.经过多方案试验对比分析表明:整车机油箱的通气效果不好、机油箱内废气压力高是造成呼吸器冒油的真正原因.通过对机油箱结构进行改进,柴油机装车后呼吸器冒油现象消失,证明所采取改进措施合理可行.