面向未来的双燃料发动机技术进展

当前双燃料发动机正在大缸径发动机市场逐步觉醒。长期以来双燃料技术仅应用于电站发电领域,然而近十年来,由于纯天然气发动机性能的大幅度提高,以及采用大型中速发动机实现功率等级的延伸,电站市场显著萎缩。除了先前大量的陆用外,移动式应用也为大缸径双燃料发动机提供了更广阔的市场。上述应用包括船用主推进（例如液化天然气运输船,豪华游轮）和辅机应用（例如集装箱船）以及铁路牵引（例如,长途机车）。促使业界关注双燃料发动机的主要动力是,与使用昂贵的重油或柴油相比较低的燃料成本,以及降低以NOx为主的排放污染物进而满足未来的排放法规。另外,对于大量的移动式发动机的应用,天然气将很快成为一种潜在的低硫燃料。除天然气之外的典型液态替代燃料通常不利于在电站双燃料发动机的应用,然而对于移动式应用却是一种可靠的备用燃料。对于船舶应用可以在ECA（排放控制区）区域内外通过天然气和柴油模式切换,从而使双燃料发动机更容易满足IMO（国际海事组织）的排放法规。移动式应用的难点在于,频繁的转速工况变化、快速的负荷响应要求、天然气品质变化和复杂工况下,对发动机运转可靠性的考验。由于双燃料发动机具有两种典型运转模式（天然气工况和柴油工况）,在发动机设计时必须进行折中考虑（例如压缩比、活塞碗形状、气门正时等）,这就导致了目前效率和功率密度方面的缺陷。关于上述问题,奥地利AVL公司通过单缸中速发动机测试研究了双燃料发动机相关技术问题。对大量参数进行了评估并对工况边界条件进行了研究。基于获得的数据,将给出当前双燃料发动机技术的短期预测。AVL公司关于双燃料发动机技术的展望也将促进中期开发需求。     

与曼恩动力设备公司执行总裁面对面

曼恩动力设备公司近期研发成功了两款新型发动机,一款新型双燃料发动机和一款输出功率可以达到5Mw的新型高速发动机。这款双燃料发动机具有燃料适应性好、输出功率大、排放标准高等优点,因此双燃料发动机将是未来的一个发展趋势;而另外一款新型高速发动机D7,由于其输出功率高,可以被广泛的应用在多个领域。     

天然气／柴油双燃料发动机燃烧过程二维数学模型的研究

随着液体燃料费用的上升，排放标准更加严格，需要采用更经济、更有效的燃烧方法。天然气／柴油双燃料发动机由于具于较好的排放特性，爱到研究人员的关门。为了改善双燃料发动机的燃烧过程。本文采用离散型液滴模型模拟喷雾，采用k-ε双方程模型模拟湍流运动，用多步快速反应模型模拟燃烧化学反应。建立了双燃料发动机二维燃烧模型，并采用任意拉格朗日－欧拉地得到的偏微分方程组进行离散求解。对一台单缸双燃料发动机进行了模拟计算，将计算结果与实验结果对比分析发现，计算结果与实验结果吻合较好，表明本文的数值计算正确地反映了缸内燃烧过程的实际规律，能够反映引燃油量、发动机转速与负荷等运行参数对发动机燃烧过程的影响。因而该模型对于进一步优化双燃料发动机的动力性、经济性和排放特性，揭示影响其燃烧的主要因素具有重要价值。     

天然气内燃机车

分析了内燃机车采用天然气作为代用燃料的优点及其可行性，较系统地介绍了俄罗斯及其国外的天然气内燃机车的发展研制情况及天然气内燃机车的结构特点，双燃料发动机的工作过程，指出按双燃料发动机循环工作的内燃机车可替代大量的柴油，同时研究分析了适合天然气内燃机车运行的区段及条件，最后从生态学，经济学等观点综合评估指出，在俄罗斯铁路上采用天然气内燃机车具有越来越大的意义。     

内燃机车烧液态甲烷燃料

若干年前发生的发动机燃料短缺促使人们对代用燃料的开发作出许多努力。伯灵顿北方铁路所作的一种探索性的努力就是使机车柴油机作为双燃料（柴油－气体燃料）燃用压缩天然气。考虑到机车使用压缩天然气会受到贮存容积大和其它的限制，所以着手了一项使机车燃用液化天然气燃料的计划。由于天然气的成分会因其来源和其制备工艺而异，所以将其成分控制到基本纯净的液态甲烷以用作发动机燃料亦是所希望的。本文描述了为提供车载式燃料供     

双燃料发动机研制与性能试验等方面的研究

基于美国Altronic,inc公司GTI双燃料系统、通过对16V165TE3柴油机安装各种传感器的部位及电控系统进行适应性技术改造而研制的一种双燃料发动机,并根据使用环境条件对产品性能、可燃气使用整定范围、双模式工作运行的性能对比、替代率的最大整定范围、与上层电控系统的联合控制等展开试验性技术研究,同时对双燃料运行时的燃烧、爆压、爆震、排放等性能指标也进行了实机检测,结果表明当发动机进入双模式全负荷运行时,柴油消耗率从208 g/kW.h降至72 g/kW.h,最大替代率为65.4％;输出满载功率完全可以达到全柴油模式工作运行时的满载功率值、无影响;排烟指标从0.91SZ降至0.18SZ,排烟指标减少80％;从而改善了发动机的燃烧,提高了经济性和排放等性能指标.为国产高速大马力柴油发动机的双燃料混合燃烧与应用开拓了新的途径.     

1996年发动机技术综述

综述了１９９６年世界上若干主要的发动机生产厂家的产品和技术进展。介绍的发动机产品包括柴油机、双燃料和气体燃料发动机，其中柴油机有的可燃用重油，发动机应用领域包括船舶推进、船用辅机、机车牵引以及陆用发电等。在发动机技术方面，介绍了发动机的控制管理系统、燃烧系统以及排放系统的改进和可靠性、耐久性方面的改进情况等。     

大功率双燃料发动机用宽泛喷油器

与柴油发动机相比,双燃料发动机具有废气排放低、易于在不同燃料间转换,以及可用低价气体燃料、实用性高等特点。近年来,双燃料发动机越来越受到重视。最先进的柴油-天然气发动机的缺点是系统复杂性高,因为它们配备了两个喷油器(一个主喷油器用于柴油运行和一个引燃喷油器用于双燃料运行)或双喷嘴喷油器。此外,双喷油器性能会受到其引燃喷油器偏心位置的不良影响。因此,在发动机整个运行范围内仅采用一个位于中央的喷油器是首选解决方案。然而,以微量柴油特别是1%柴油分量实现所需的喷射精度,喷油系统在设计上极具挑战性。在发动机整个运行范围内柴油分量高达100%时调整喷嘴几何形状以获得良好的喷雾性能,也仍是一个重要的课题。文章对L’Orange(以下称罗润)公司先进的宽泛(wide range)喷油器与最先进的引燃喷油器的喷射性能进行比较。在喷油率测量及喷雾箱光学调查的基础上,评估两种喷油器的喷射特点。采用高速纹影技术和高速米氏散射可视化技术来描述喷雾汽相和液相的特点。调查的重点是少量柴油(柴油全负荷运行柴油用量的1%~10%)用于高速双燃料发动机。利用选择的单缸发动机试验结果对两种不同的喷油器进行再次对比。为避免喷油器安装位置对评估产生影响,两种喷油器均被安装在气缸盖的中心。通过试验测定维持稳定燃烧所需的最小柴油分量。此外,在发动机的不同工况下,对新型喷油器和最先进的柴油引燃喷油器对发动机整体性能的影响进行比较。     

Hyundai—Kia公司新型1．0L3缸汽油机

新型Kappa（x）1．0L汽油机配装在Hyundaii10型轿车和KiaPicanto轿车上,Hyundai—Kia公司将1款3缸汽油机与现代技术相结合,首次在这一排量等级的汽油机上采用可变气门机构。新型汽油机采用了可变进气歧管,功率可达到60kw,最大扭矩达到了94N·m。除汽油机外,还介绍了一种燃用汽油和液化石油气的双燃料机型,而乙醇发动机目前正处于开发阶段。     

用于北美铁路牵引的低排放发动机

简述了美国机车制造商及铁路运用部门为了满足日益严格的排放规要求而进行的铁路机车低排放发动机的研究开发活动。这些活动主要包括：对传统柴油机进行个性或优化设计，如加长行程，提高压缩比，采用电子燃料喷射等；开发气体燃料发动机，其中包括采用柴油引燃的双燃料发动机和纯烧天然气的发动机；开发能满足下一代高速铁路计划需要的燃气轮机车发动机。     

HCCI技术应用于大型天然气发动机的潜力

在性能、燃料消耗和排放方面对大型天然气发动机提出了更高的要求。未来的排放限制将需要开发新的、在不降低发动机效率和功率的前提下显著降低排放的技术。达到此目的的一条途径就是使用催化剂（氧化催化剂、SCR催化剂）。这种方法的缺点是催化剂和为了减少氮化物的排放而使用的添加剂的成本较高。另一途径是采用新的燃烧技术达到减少排放的目的,例如均质充量压燃（HCCI）技术。本文将介绍采用天然气达到均质自燃目的的各种方法。采用非常高的压缩比、高废气再循环率以及很高的进气管温度,实现了纯天然气的HCCI技术。此外,亦研究了双燃料系统。采用了柴油作为第二种燃料用于内部混合以及采用了正庚烷、汽油、柴油用于外部混合等方式。所有的实验均是在一台排量约为6·2L的单缸试验机上进行的。研究结果显示出在采用HCCI技术的条件下不同参数（压缩比、进气管温度、废气再循环率）对燃烧过程的影响,以及发动机所能达到的效率和对排放性能的影响。     

Nissan公司车用汽油机的废气净化技术

为了改善大气环境,从20世纪60年代起,汽车废气排放法规日益严格。目前,废气污染物的浓度被要求降至大气中含量的水平。降低汽车废气排放的要点如下：（1）在冷态下降低发动机机外排放;（2）利用发动机起动阶段的高温排气预热催化器;（3）改进催化器性能;（4）改进发动机控制技术。介绍了上述四个方面的相关技术。     

机车和船舶发动机未来的排放要求（上）——面临的挑战、技术方案以及来自其他重型发动机应用领域的经验借鉴

未来世界范围内的船舶和机车废气排放法规要求大幅减少废气中的有害物（尤其是氮氧化物）的排放量。大幅减少尾气排放,同时保持低的燃油消耗也是目前重型发动机和工业用发动机的开发重点。根据从这些开发工作中获得的经验,可以得出结论：严格的排放限值标准不能仅通过一个技术阶段（发动机机内措施／安装排气后处理净化系统）来实现,而必须开发一整套经济有效的手段,其中包括降低发动机本身输出的排放值,辅之以满足要求的高效排气后处理措施。 关于氮氧化物的减排,在重型发动机和工业用发动机领域,当前主要是研究和采用SCR（选择性催化还原）技术。虽然船舶和机车发动机与公路用重型发动机和较小的工业用发动机在具体要求和边界条件方面有显著不同,但是已经取得的经验（尤其是在公路应用领域）仍可用于未来船舶和机车低排放方案开发。 在本文第一部分,将对船舶和机车发动机在排放法规和典型运用边界条件方面与公路用重型发动机和小型工业用发动机进行比较。进一步指出公路用重型和工业用小型发动机应用领域的新技术和发展趋势,包括基本发动机减排方案（EGR、增压、喷油系统等）、后处理技术（柴油机氧化催化器、SCR、主动／被动式柴油机颗粒过滤器、颗粒物氧化催化器等）以及传感器和控制技术。在此基础上,提出适用于船舶和机车应用的技术方案,对于这类应用场合,将考虑具体的边界条件（例如：法规要求、燃油品质及具体运行模式）。 将来把基本发动机与后处理措施结合起来,将会明显增大系统布置和校准方面的难度和工作量。尤其是大型船舶和机车发动机,在最终应用之前对大量金属部件变体进行试验将会受到很大的限制。在这方面,高效开发工具（诸如后处理系统的详细一维模拟,在综合气体试验台上确定催化剂的特性,根据模拟对控制方案和传感器方案进行评估）以及针对公路应用开发的高效标准程序,都可以用来提供可靠的系统布置和校准,同时又可保持短的开发周期和发动机试验时间。     

新开发的三菱可变气门正时V6汽油机

介绍了一款三菱公司为北美市场开发的新型运动型多功能车（SUV）OUTLANDER用的新型V6汽油机。自2004年以来,该公司在全球共同关注高性能、低燃油耗、低排放、轻量小型的背景下,不断开展车用汽油机的研究,2004年5月开始销售用于欧洲版COLT车的4A9型4缸发动机（1．3L、1．5L）;2005年10月开始销售面向日本国内市场OUTLANDER车的4BI型4缸发动机（2．4L）;2006年1月销售用于“i”（三菱公司的紧凑型车）的382型3缸发动机（0．66L）,随后,由6B3型V6发动机（3L）完成了新一代发动机的型谱图。6B3型V6发动机与其他新发动机系列一样,采用了可变气门正时机构、铝制机体及树脂可变进气系统等技术,实现了顶级水平的最高功率和最大扭矩性能,同时与以往三菱公司推出的6G7型3LV6发动机相比,质量约减轻25kg,并使燃油耗改善约5％。还采用了高性能催化器,满足了“加利福尼亚低排放车辆法”中规定的特超低排放车限值。与应对零蒸发排放法规的技术相结合,在紧凑型SUV车中,首次获得了3L级发动机的准零排放车认证。     

Voith公司将进入机车市场

为了改进二冲程柴油机的性能和降低排放以满足各种排放法规的要求，GM公司的电气动力部（EMD）在过去10年中加速了它的发动机开发计划。目前它生产的发动机符合美国环保局（EPA）Tier2标准、国际海运组织（IMD）标准和EPATier1和Tier2船舶排放标准。     

Cummins公司推出新型铁路柴油机

新的Cummins QSK50型机车柴油机在成功获得其排放达标证书之后,将于2010年初投入运用。该型发动机最近获得美国环保局（U．S．EPA）40CFR Part 1033 Tier 2排放标准和欧盟（EU）Stage 3a排放标准达标证书,并且被美国加利福尼亚州大气资源局认可为一种超低排放的机车（ULEL）发动机。     

MTU发动机系列产品

在2013年4月15日至21日的Bauma专业展上，Tognum集团展出了其MTU发动机系列。新型发动机系列的功率范围为100～3000kW，满足欧4排放标准和美国环境保护署（EPA）第4阶段（Tier4）末期排放标准的要求。     

Perkins无锡再开生产线

7月27日，英国Perkins（珀金斯）发动机有限公司无锡发动机工业园举行了隆重的1106系列生产线启动典礼。作为全球领先的发动机制造商，Perkins是4～2000kW功率非公路用柴油及天然气发动机市场的翘楚。Perkins公司擅长为客户量身定做发动机，完全满足客户的特定需求，因而备受设备生产商信赖。     

使用火花点燃式CNG的EMD GP38-2型调车机车的NMHC与NMNEHC排放测试

2016年10月,美国EPA修订了道路、非道路、船舶及机车用重载气体燃料发动机的排放测试方法,这意味着过去一直用于控制非甲烷碳氢(NMHC)的排放限值从此将仅用于控制非甲烷-非乙烷碳氢(NMNEHC)。文章检验了EPA所给出的多种可用的天然气发动机及双燃料发动机的碳氢化合物(HC)排放物测试及报告方法,对一台试验用压缩天然气(CNG)燃料调车机车的NMHC和NMNEHC排放测试结果进行研究。其中的NMHC测试根据EPA在2016年修订前的规定,采用了基于传统的离子火焰探测器(FID)的差值法;NMNEHC测试采用了傅里叶变换红外(FTIR)光谱添加法和FID-FTIR差值法,二者均符合当下的EPA测试规程。     

Caterpillar发动机打入德国机车市场

随着原民主德国铁路内燃机车的老龄化，美国卡特匹勒公司（Caterpillar Inc）的3400系列和3600系列发动机正越来越多地被选用来替换这些旧机车的原装发动机。文中简要介绍了这两种发动机的主要结构、技术参数及装车情况。