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。     

BMW双涡轮V8汽油机

BMW公司为其X6型车开发了双涡轮增压的V8汽油机。这款发动机排量4．4L，采用双涡轮增压和第二代汽油直喷技术（高精度喷射），在5500-6400r／min时输出功率为300kw，在1750-4500r／min时最大扭矩可达600N·m。将涡轮增压器和催化器布置在两列气缸之间的V型区域内是一项技术创新。这一布局可使结构紧凑，同时要求进、排气管重新定位。这导致管路缩短且截面增大，从而使进、排气侧的压力损失减小。BMWX6xDrive50i车百公里加速时间5.4s，最高车速通过发动机电控装置限定在250km／h。     

高几何压缩比活塞的燃烧室形状探讨

提高几何压缩比与延迟进气门关闭正时技术相结合的目的是为了在维持最高燃烧压力不超过机械限制的前提下改善燃油经济性。另外,利用数值模拟方法,分析燃烧过程的变化,以观察高几何压缩比条件下的排放性能恶化过程。根据研究结果,改进燃烧室形状,以改善发动机的排放性能。数值模拟和试验结果均证实,改进燃烧室形状,并与延迟进气门关闭正时的技术措施相结合,可以显著改善发动机的排放性能和燃油经济性。     

用极高喷油压力提高高速直喷式柴油机升功率的潜力

发动机缩缸强化是提高发动机效率的最佳途径之一,但因发动机排量较小,需要较高的升功率。研究以法国石油研究所的轿车用单缸样机试验为基础。该发动机升功率极高,且能承受高的热和机械应力。利用喷油压力高达250MPa的共轨喷油试验设备,在全负荷和部分负荷工况下进行了试验。结果表明．在全负荷工况下,提高喷油压力的措施比增大喷孔直径的措施更能提高燃油流量。这主要是因为较小的喷孔直径改善了空气卷入效果。将提高发动机的热和机械负荷限值与先进的涡轮增压系统相结合,会更有利于提高喷油压力。将高的喷油压力与高的增压压力和高的缸内最高燃烧压力相结合,能够得到极高的升功率（85～90kW）和高的燃空当量比（0．9）。     

Iveco公司能满足欧6排放标准的柴油机

Iveco公司推出了首款能满足欧6排放标准的柴油机。这款排量为11．1L的Cursor11车用柴油机将代替10．3L的Cursor10车用柴油机。排量的增大使发动机额定转速从2100r／min降至1900r／min。同时，最大额定功率从标定的343kw增大到了358kW，最大扭矩在1050r／min时就达到2250N·m。     

一种同时降低直喷式柴油机碳烟和氮氧化物的新喷油策略的研究

直喷式柴油机燃烧时碳烟生成的一个主要来源是液态燃油或很浓的空燃混合气与火焰的相互作用,这种现象在现代直喷式发动机中尤为明显。由于噪声原因,这种发动机通常将喷油分为预喷油和主喷油。预喷的燃油着火后,由于主喷燃油直接喷向已经燃烧的气缸区域,部分主喷燃油会与仍处于液相的火焰相互作用,这就导致大量碳烟的生成。采用空间分离喷油来克服这一问题,一方面能减少燃烧早期的碳烟生成,另一方面能增加燃烧后期的碳烟氧化。特别是采用了一种能按照所述方法自由改变喷油的结构。因此,在一台重型单缸试验发动机的气缸盖上安装了一个辅助共轨喷油器。用辅助喷油器将预喷燃油喷入燃烧室中央,而主喷燃油则采用7孔喷油器按传统方式进行。在第一阶段,采用三维计算流体动力学的KIVA-3V程序模拟空间分离的预喷燃油和主喷燃油混合气形成,以获得混合气形成的第一印象。然后,用该单缸发动机研究新喷油策略对燃烧过程本身的影响,采用气缸压力显示、排气分析以及双色法来观察燃烧过程中燃烧室内的碳烟生成和碳烟氧化,并与传统发动机的运行作了比较,以评定发动机的运行特性,评估其降低排放的潜力。     

具备相位可变功能的机械式连续可变气门机构的开发

已开发出可广泛应用于车用发动机的新型气门相位及升程／持续角连续可变机构。新机构可在发动机运行过程中同时、连续改变气门相位和升程,以及气门开启持续角。多体动力学模拟定向研究预测到在初始设计阶段没有预见的问题,在未经试验的情况下改善了该机构的性能。单缸机气缸盖上的原型机成功运转至发动机转速7000r／min,达到了目标发动机转速范围。介绍该新型机构的开发过程及设计方案。     

大型高速柴油机共轨式燃油喷射系统

为了满足日益严格的排放法规及对提高燃油经济性和在适当的价格范围内实现更大功率输出的更高要求，开发出一种用于高速柴油机的新型电控同喷射系统。它适用于单缸最大输出功率为120KW，最高转速为2300r/min的发动机，这种新型同系统采用模块化设计，在对柴油机作微小变动的情况下可取代直列泵燃油系统。     

V型柴油机采用定压和脉冲增压系统对性能影响的比较

在1台高速12缸柴油机提高转速、功率的改进设计过程中,应用性能分析软件AVL-BOOST对该机采用了不同的增压系统及其影响进行了分析计算比较.并以满足功率、油耗、排温及爆发压力等指标要求为目标,并对压缩比、增压压力、排气系统等进行优化,为提高柴油机性能提供综合依据与改进方向.     

对机车柴油机采用富氧进气燃烧的研究

采用热动力模拟就富氧进气对机车柴油机性能和氮氧化物 (NO)排放的影响进行了研究 ,并就提供富氧进气所需空气分离膜片的附加功率进行了评定。在限定了气缸峰值压力的情况下 ,对在不同富氧水平下工作的发动机与采用高涡轮增压的发动机就所获总输出功率和净输出功率方面进行了比较。当使用的进气氧含量为 2 8% (按体积计 )且喷油定时推迟 4°时 ,气缸峰值压力每提高 4 % ,发动机净功率可提高约 10 %。如果对发动机进行高涡轮增压而使进气压力进一步增高 ,提高同样大小的气缸峰值压力 ,所增加的发动机净功率却只达到 4 %。如果能将一部分因富氧产生的相当高的废气焓加以回收利用 ,就可以满足空气分离膜片的功率要求 ,使净功率得到显著提高。伴随产生的高燃烧温度 ,还使富氧燃烧减少了颗粒和可见烟的排放 ,但却增加了氮氧化物的排放 (是氧含量为 2 6 %时的 3倍 )。所以 ,若想在提高机车柴油机性能的同时充分发挥富氧的潜力 ,就需要进行废气后处理和热量回收。     

BMW公司新型直列6缸汽油机

BMW M3大型轿车和M4双座小轿车配装新型直列6缸汽油机。该直接喷射汽油机采用BMW双涡轮增压技术及高转速方案,输出功率达到316kW。据BMW公司称,新型汽油机的最大扭矩远高于500N·m,并采用高扭力的锻制曲轴,发动机转速可高达7500r／min以上。新汽油机曲轴箱采用封闭式结构,刚性极佳,能承受极高的气缸压力。     

通过高压直接喷射实现高效率和低氮氧化物排放的氢燃烧方式

氢可以从各种再生能源中产生,因此预计,氢将会在社会长期能源需求中起到重要作用。传统氢发动机存在的一些缺点是：冷却损失较高导致热效率较低,以及不正常燃烧（回火、早燃、燃烧速度较快）限制了大负荷运行。氢燃料直接喷射是克服这些缺点的一种有效办法,但是要实现高效率和低氮氧化物（NO。）排放的燃烧方法还需要进行更详细的研究。采用一种试验性氢高压喷射器（最大喷射压力30MPa）对高效率和低NOx排放的氢燃烧进行了研究。采用1台2．2L4缸涡流形燃烧室柴油机进行试验,氢喷射器安装在气缸中心,火花塞安装在预热塞位置。为了能向1个气缸提供氢气,对这台发动机进行了改装。通过控制喷油定时和点火定时研究了氢气的均相和分层燃烧。另外,还研究了联合使用火花点火的扩散燃烧（即火花点燃辅助扩散燃烧）。结果显示,采用高压直喷的分层扩散燃烧与传统的均相燃烧相比,指示热效率提高了约39／6。热效率提高的原因是：（1）分层扩散燃烧改善了冷却损失与等容度之间的折衷关系;（2）接近上止点喷射的压力恢复效应十分有利于热效率的提高;（3）在废气再循环（EGR）与扩散燃烧相结合的情况下,能使EGR更为有效。通过抑制喷束的贯穿度以减少较多的冷却损失,使这台小型发动机达到了52％的优良指示热效率,并通过计算流体动力学和可视化缸内燃烧研究得到了证实。另外,还获得了一些有价值的认识：EGR除湿能增加工作气体的比热比,并能在降低NOx的同时提高热效率。     

瑞士对矿用机车进行改造

康明斯公司联合瑞士铁路技术部门（STT）将对内燃机车开展大范围的改造，并为瑞士LKAB矿业公司改造3台T46 Co-CO重型调车机车。改造过程中，STT将秉持绿色能源理念，实现动力传动系统的现代化，以满足欧洲发动机排放的最新标准。动力系统由内燃发动机、交流发电机、冷却系统等组成，将机车原来的二冲程式内燃发动机替换成康明斯QSK50L内燃发动机，其功率为1491kW，转速为1800r／min。     

汽油直接喷射点燃式发动机起动过程的研究

要降低汽油机的碳氢化合物（Hc）排放,了解有关冷起动期间燃油喷射、蒸发及燃烧的过程非常重要。为了了解更多关于冷态发动机起动过程的情况,在1台4．2L8缸直接喷射汽油机上进行了研究。改变喷油定时、点火定时和喷油量等参数,以了解它们对燃烧过程和转速上升的影响。特别是在发动机加速运行期间,对每个后续的燃烧进行研究非常有必要,因此,在发动机各缸中安装了高压示功装置。发动机的瞬态压力和瞬时曲轴转速借助于l套显示系统进行记录。此外,还采用快速响应的氢火焰离子化分析仪来测量发动机初始几次循环期间的瞬态HC排放。各缸的压力用最高压力和平均指示压力评定。并且,转速信号用每次点火的增加量进行分析。为了获得关于燃烧品质的额外信息,对未燃HC的排放进行了分析。基于这些测量结果,得出了发动机起动期间每次后续点火的最优参数设置。     

轨道除沙车集沙铲功耗分析与形状优化

基于离散元法,利用EDEM软件中的Hertz-Mindlin接触模型,研究沙子物理特性和集沙铲几何特点,建立基于EDEM软件单叶集沙仿真模型。分析了集沙铲转速为90 r/min,100r/min,120 r/min时,沙堆沙粒能量的数值规律,计算出在额定工况下3种转速下所需功率分别4.24 kW,5.29 kW,7.46 kW。同时对定转速120 r/min下集沙铲叶片形状进行优化,通过仿真得到平板集沙铲以及集沙铲末端弧度半径分别为700 mm,500 mm,300 mm时的受力情况,分析后得到集沙铲末端弧度半径为500 mm时受力峰值最小,作用过程中受力较为均匀,所受冲量较小。     

用切断气缸法提高内燃机车用16ЧH26／26型柴油机的经济性

发动机在空 工况下，通过停止供油和供气来切断１／２气。可提高工作气缸内的循环温度，降低１小时耗油量２０－３０％，改善发动机的经济性。介绍了供气切断机构的结构件及其作用，提供了该机构的进怕和排气液力杆的动作时间与油湿关系的数据以及在机油温度和空载工况下转速改变时发动机一些数值的变化情况。     

MAN B＆W RK280型柴油机从方案设计到投产广泛应用工程预测方法

为了设计出世界上最大功率的1000r／min柴油机，广泛应用了工程预测工具。设计功率为10MW的RK280型柴油机在零部件的热负荷和机械负荷两方面均达到了新的技术水平。其安全性、可靠性、排放、整机尺寸／重量目标以及输出功率和燃油消耗率指标的实现，均离不开可靠的工程预测工具的广泛应用。MAN B＆W柴油机公司经过市场调查，并吸取了RK270型柴油机10多年的经验，确定了RK280型柴油机总的设计目标。其后再经过周密严谨的概念分析程序，其中包括公司内的性能预测程序、计算流体力学分析以及有限元分析，很快就确立了诸如缸径和行程、V形夹角、转速和功率范围等主要参数。在RK270型柴油机上取得的紧凑的排气管系统经验帮助设计师们设计出从气缸出口到高效涡轮增压器的高效排气传递系统。高喷射压力和短喷射持续期的燃油喷射系统是其早期分析过程的另一特点。 随着过程的进一步扩展，进行了单个部件和系统的更为详细的热力学、结构和动力学的分析。在进行详细设计的同时，对关键部件进行超负荷条件下的加速疲劳试验，这使得关键部件的结构在开发过程的较早时期就固定下来。燃烧过程的3维模拟对设计进行了验证，并进一步减少了在权衡燃油经济性和排放性能方面所需付出的工作量。 发动机开发和制造工程师在设计中广泛应用工程预测方法以保证所完成的设计能以最有效的优化方式进行制造和组装以及使用和维修。 本文将介绍在预测发动机热力学、气体动力学特性过程中所采用的方法和程序，并介绍在获取发动机可靠的安全系数和发动机的完善性的过程中所采用的有限元方法。     

“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。     

Bergen C25：33型柴油机的开发

挪威Rolls-Royce公司与韩国现代重工公司（HHI）合作开发的缸径×行程＝250×330mm的Bergen C25:33型柴油机，有直列6缸、8缸和9缸3种机型，在900／1000r/min转速下的最大持续功率分别为1740／1800、2320／2400和2610／2700kW。该型柴油机最大的结构特点是将气缸套、活塞组件、水套和气缸盖组成气缸组件，并采用三件式连杆，维修时可将整个气缸组件拔出更换。     

Deutz公司采用螺旋滑动珩磨技术降低柴油机的磨损和机油耗

Deutz发动机公司进一步开发2012型4L和6L柴油机,在满足美国第3阶段排放标准要求的同时,提出了在2100r／min时最大功率达到178kW,以及采用冷却的废气再循环（EGR）达到更高EGR率的新任务。在不改变结构设计的情况下,这些边界条件将会导致气缸组件较严重的磨损。Nagel公司与Deutz公司共同合作,在现有基础上为气缸组件提出了一种解决方案,不仅能解决气缸组件的磨损问题,而且还有望获得降低机油耗并延长维修周期的经济效果。