新型高功率密度工业用柴油机的开发

工业用柴油机广泛用于许多领域,市场强烈要求其成本低、紧凑性好、功率输出和可靠性高。此外,工业用柴油机的排放法规正在不断强化,所有的发动机都必须遵守这些法规。因此,低排放是一个基本条件。介绍了利用计算流体动力学优化进气道和燃烧室形状以实现高功率输出和低排放的工作。此外,针对高功率输出引起的热负荷增大问题,以及为了提高可靠性和耐久性,开发了新的冷却水套结构。曲轴支承采用了高刚性梯子型框架,以实现低振动噪声。齿轮机构布置在飞轮侧,以降低齿轮噪声。开发出了具有高功率输出、结构紧凑和优良振动噪声特性的工业用直喷式柴油机。     

“石脑油发动机”高负荷压燃运行的研究——一种从油井到车轮低二氧化碳排放的燃烧策略

对一种使用低辛烷值汽油（或称为“石脑油”）运行的燃烧系统在高负荷时的效率和排放潜力进行了计算和试验研究。石脑油发动机在低负荷时采用火花点燃,中负荷时采用均质压燃,高负荷时采用压燃方式运行,重点讨论高负荷时的压燃运行。试验在1台压缩比为16、采用共轨喷射系统的单缸柴油机上进行。考查了3种燃料：轻质石脑油（研究法辛烷值（RON）≤59,十六烷值（CN）≤34）,重质石脑油（RON≤66,CN≤31）、添加十六烷改进剂的重质石脑油（CN≤40）。在上止点单次喷射燃料（类似柴油机燃烧）,随负荷的增长会产生很大的燃烧噪声。与计算流体动力学预测的一致,噪声限制了最大功率。单次预喷后,受噪声限制的最大功率略为增加。在与传统轻型柴油机功率水平差不多的峰值负荷下运行,要求采用一种“分段燃烧”方法,即采用间隔很大的预喷和主喷。试验结果表明,发动机在低速、中高负荷下具有很好的性能和效率。由于加入十六烷改进剂后石脑油的着火性仍不佳,发动机分段燃烧高速运行时的转速被限制在2700r／min以下的范围内。中低负荷下的大量预混燃烧使氮氧化物和颗粒排放降低,分段燃烧在高负荷下出现了很高的排放（类似柴油机）。因此,为了高效率运行,虽然这种方法能达到不错的峰值负荷水平,但是,转速和排放限制了这种方法的应用,需要进一步的研究。     

2．0L和2．2L欧5柴油机噪声-振动-平顺性的改善

用户对车辆的舒适性提出了更高的要求。此外,还必须提高汽车性能和降低排放,以适应新环保法规。为了满足用户的需求,GMDAT汽车公司最近开发了新型2．0I．和2．2L欧54缸增压柴油机。在提高功率、降低排放的同时,新型柴油机的噪声一振动一平顺性（NVH）性能在同类机型中达到了最好的水平。为了使该柴油机在NVH方面达到同类机型的最佳水平,进行了结构改进,通过目标设定和部署、方案确定和设计,以及借助于计算分析和燃烧试验研究及机械结构开发,对其NVH性能进行了改进。     

基于提高冷却温度的机车柴油机部件可靠性研究

基于提高柴油机高温冷却水、机油出口温度,可降低内燃机车冷却单节的体积及质量,利于机车的总体设计,对燃油经济性及热效率有一定改善。通过热平衡试验研究确定了冷却温度提高的范围,采用有限元法分析了气缸盖温度场分布及热应力水平;进行了滑动轴承NHD分析,明确了该型柴油机滑动轴承的使用温度范围;测试并对比了活塞温度场在温升前、后的变化,确保了承受热负荷部件的使用可靠性,为干线机车用柴油机的设计提供数据支撑。     

AVL公司开发的小型化柴油机

要使排量1．05L的3缸柴油机输出功率达到80kW,是AVL公司小型化柴油机开发的下一目标。为了降低二氧化碳（CO：）排放并达到欧6排放标准,新开发机型要满足的关键准则是符合用户对动力和驾驶性能的期望,并使3缸柴油机结构的噪声一振动一平顺性性能接近4缸柴油机的水平。其结构方案以19MPa的最高燃烧压力限值为依据,并按高比功率来确定冷却系统。为了满足用户进一步降低CO2排放法规的要求,一些小型化动力装置已被成功地引入市场。例如,Renault公司研发了用于驱动1460kg中级车型的1．5L80kW柴油机。扫气容积约为1L的3缸柴油机正是小型化策略的体现。     

为达到欧3排放标准采用Taguchi技术优化重型柴油机的喷油参数

为了追求高功率密度、提高燃油经济性和达到排放标准,柴油机的性能在过去几十年中得到持续提高。燃烧技术、先进的电控喷油以及精确的发动机和喷油参数的开发帮助柴油机实现了环保方面的调整,同时降低了NOx和颗粒（PM）排放。了解发动机和喷油参数,以及它们对排放的影响对于生产更清洁的柴油机极其重要。研究的目的是优化一台重型直喷式柴油机的喷油参数,以尽可能降低法规限制的排放物,从而达到欧3排放标准。为了缩短开发周期,采用了仔细编制的试验设计和Taguchi技术。利用平均值分析、信一噪比分析和方差分析从L9正交排列的试验结果中筛选出最佳的参数。通过分析,保证这些参数能使各排放组分以确定的工程裕度达到欧3排放标准。对诸如凸轮转速、喷嘴流量、喷嘴头部在燃烧室中的凸出量和喷孔数等喷油参数的影响进行了试验研究。其中,凸轮转速会影响喷油速率,喷孔数会影响喷油压力和油束雾化,因而对降低NOx和PM排放起着直接作用。另外,喷嘴头部凸出量会影响到对油柬撞击燃烧室壁的位置,并对PM和HC排放产生中等的影响。就满足欧3排放标准而言,在已确定的试验工况范围内,喷嘴流量对柴油机排放的影响几乎可忽略不计。NOx、CO、HC和PM排放总体上能分别以11．5％、61．5％、76．5％和23％的裕度满足欧3排放标准的限值。此外,与原发动机性能相比,功率和扭矩提高了约30％,全负荷的燃油消耗率降低了10．6％,而且车辆的驾驶性和燃油经济性也得到了改善。     

内燃机车动力装置的发展前景

对内燃机车柴油机的要求经常是在变化的。初期很长一段时间是提高单缸功率、可靠性和效率，并同时降低燃油和机油消耗率。后来增加了一些要求——降低有害物质的排放和噪音程度。从20世纪90年代起，俄罗斯对新一代柴油机的要求首先考虑的是生态指标。文内指出了改进内燃机车动力装置的一些方向和具体措施。     

新一代MTU 4000系列柴油机

日益严格的废气排放标准和不断提高功率的要求是德国MTU公司进一步开发4000系列柴油机的动因。这种非公路车辆用高速柴油机特别适用于建筑机械、发电机组、铁路和船舶。文中介绍了MTU 4000系列柴油机的结构特点、技术参数及排放指标等。     

轿车柴油机用钢活塞

近几十年来,铝活塞已被成功应用于轿车柴油机。然而,不断升高的热负荷和机械负荷使得钢用作活塞材料更具吸引力。为满足负载能力和性能日益增长的需求,KS Kolbenschmidt公司为轿车柴油机开发了钢活塞。     

柴油机的发展现状

介绍了柴油机特别是机车柴油机转速和功率调节系统的发展过程及目前所达到的水平，其中包括英国Ｂｒｕｓｈ公司对６０型内燃机车柴油机功率调节系统的改进；指出机车柴油机目前已采用微型计算机进行转速和功率的调节和控制，即出现了所谓的发动机管理系统，这种管理系统不仅能根据实际运动要求对柴油机精确地进行转速和功率调节，还可以优化燃没吧及对柴油机的各种运动参数进行监控，其中包括对排放参数的控制。     

柴油机增压系统的改进

调车内燃机车由于工况不稳定，不仅使排放的有害物质比干线内燃机车多出好几倍，而且由于燃烧不完全，使气缸活塞组的动负荷和热负荷也大为增加。为了解决这一问题，提出一种向柴油机增压集流管中供送压缩空气的辅助供气系统，并在чмэ3型调车内燃机车上使用。结果表明：不仅有害物质减少了30％－40％，而且燃油消耗率也降低了9％。     

Deutz公司满足第4i阶段排放标准的新型柴油机（第1部分）——结构和耐久性

自2010年1月1日起,功率130kW以上移动式工程机械用的美国第4i阶段（Tier4i）和欧3B排放标准已分别在美国和欧洲正式生效。其颗粒排放限值比之前的法规降低了90％,氮氧化物排放限值降低了50％。Deutz公司对6～16L排量的柴油机应用了大量新技术理念,以满足Tier4i或欧3B排放标准的要求。介绍了该柴油机的结构和耐久性。     

柴油机活塞材料的选择理念

Federal Mogul公司针对升功率93kW的3．0L高增压柴油机用新型铝活塞的研究表明,铝活塞具有广阔的前景,不过,最高燃烧压力超过22MPa及升功率大于100kW的轿车柴油机必须使用钢活塞,在极其苛刻的条件下,钢活塞的热管理得到高度的关注。介绍了开发铝活塞和钢活塞的不同理念。     

通过进气增氧燃烧降低机车柴油机NOx和颗粒排放

介绍一台供试验研究的机车柴油机(EMD 567B双缸机)通过进气增氧燃烧获得的运行和排放结果。在对进气氧浓度、供油量和喷射定时进行优化的情况下,颗粒和NOx排放量可同时降低。采用外源供氧,优化运行,颗粒和NOx排放量分别降低约60％和15％～20％。增氧燃烧还可提高总功率、降低最大爆发压力以及降低燃油消耗率。在标准峰值爆发压力下,总功率增大约15％～20％,而总燃油消耗率降低2％～10％(因负荷而异)。     

机车柴油机现代技术与发展

介绍了机车柴油机行程缸径比、平均有效压力、活塞平均速度、燃油喷射技术及增压技术等的现状,并论述了国外在降低燃油消耗率、降低废气排放、提高耐疲劳寿命、开发代用燃料等方面的发展趋势,同时找出我国机车柴油机在燃油喷射系统、增压系统等与国外的差距.     

中速柴油机活塞疲劳强度仿真分析及试验验证

在某中速柴油机活塞的研发过程中,为保证活塞的疲劳强度符合设计要求,采用阶段验证法验证校核活塞的疲劳强度,最大限度地降低活塞开发和运行风险。     

Daimler公司满足欧6和第4阶段排放标准的10．7L商用车柴油机

OM470型10．7L柴油机是Daimler公司15．6L以下排量的新型重栽商用车柴油机系列的代表机型,已被投放市场。该机型通过了载货车和公交车用欧6柴油机的认证,能用作欧4和第4阶段（Tier4）排放标准等级的工业用柴油机,而且适用于全球市场。鉴于未来柴油机小型化,以及降低二氧化碳排放和燃油耗的要求,这种机型在Daimler公司重载商用车柴油机系列中起着越来越重要的作用。详细介绍了OM470型柴油机为达到欧6排放标准的热力学开发,以及为达到欧4和Tier4排放标准的配套情况。     

V8柴油机加入Scania公司欧6发动机系列型谱

为完善欧6发动机型谱,Scania公司开发了1款能满足欧6排放标准要求的V8柴油机,其功率为730hp（537kw）。 2013年初,功率为520hp和580hp的机型上市销售。基于2010年上市的16．4L发动机,开发了上述3款V8柴油机。新欧6机型通过将水冷废气再循环、选择性催化还原,以及可变涡轮截面技术相结合,达到排放法规的要求。据Scania公司称,V8柴油机采用的消声器装置相比安装于欧6直列式发动机上的略大,但仍为燃油箱和AdBlue尿素箱留下了足够的空间。     

1500kW复合式沿线调车机车的燃油消耗和废气排放

北美传统的调车机车通常装用一台有8个不同的功率挡位和一个空转位、柴油机转速范围为250～900r/min、标定功率为1125～1500kW的EMD12或16缸645E型柴油机。各功率设定值(挡位)按一确立的负荷循环加权以得出总的燃油消耗率和废气排放率。目前推出的机车动力系统采用多台排量较小的非公路柴油机配成独立的发电机组,以使机车排放更加清洁,效率更高。本文将一台采用单台较大排量柴油机的传统调车机车的废气排放和燃油消耗与一台换装了动力装置(装用3套345kW柴油发电机组)RP20BD型的机车以及一台使用二套345kW发电机组和一组蓄电池的复合式RP20BH型机车进行了对比。     

Renault柴油机氮氧化物后处理系统的开发

柴油机为达到未来的废气排放标准限值，要求在机内优化的基础上应用排气后处理系统。Renault公司开发的降氮氧化物（NOx）催化器系统使得质量较重的商务车能达到未来的排放标准，并仍保持柴油机二氧化碳排放低的优势，从而降低了Espace dCi 175型轿车的NOx排放，并达到了欧5排放标准，为未来的欧6排放标准作好了准备。