2ТЭ10Г型燃气内燃机车动力装置的选用

介绍了为2ТЭ10Г型燃气内燃机车设计的两种10Д100型柴油机的变型机——预燃室火花点火的10ГД100А型燃气发动机和空气-燃气混合气体点火的10ГД100Б型燃气柴油机。通过比较两种发动机的工作过程及技术特性来分析2ТЭ10Г型燃气内燃机车的适用性。但由于前苏联解体导致相关工作暂时搁浅,两种方案的最终选择尚有待研...     

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。     

气体燃料大型船用主机燃烧系统分析

对当前主要船用主机厂商的几种典型的大型气体燃料船用主机技术进行了总结.以此为依据,探讨了气体燃料船用主机的燃烧系统策略.由于大功率船用主机转速低、缸径大的特点,其燃烧系统的设计准则与工作特性与小型高速点燃机的情况截然不同.因此,大型气体燃料发动机燃烧系统的设计与开发要结合大型机的基本特征,采用湍流激扰方式提高火焰传播速度,拓展稀燃极限,避免爆燃,从而达到高效低排放的目的.     

控制颗粒物排放的燃烧室设计

本文概述中速柴油机制造商所面对的满足排放法规要求的可能性(主要考虑采用缸内技术),重点论述在保持低的NOx排放水平的前提下颗粒物减排的潜力。具体介绍里卡多(Ricardo)公司借助于3DCFD分析对一种缸径为170～230mm的发动机燃烧进行的开发,开发过程中采用了基于Ricardo发动机的CFD软件——VECTIS。所开发的这种低碳烟燃烧系统除了能够减少发动机的颗粒物(PM)排放外,还有助于降低发动机初始成本、整个寿命期成本以及提高发动机和后处理装置的耐久性和可靠性。     

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。     

“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。     

小型非道路用共轨直喷式柴油机的技术理念

近年来,由于对工业用发动机运行平顺性和低燃油耗方面的要求日益提高,因此,要求农业、园林及工程机械等非道路用发动机具有高功率、低燃油耗和低噪声的特点。此外,即使是小型发动机,其电子控制装置的发展趋势也需保持一致。基于这些背景,开发了采用共轨燃油喷射系统的新型非道路用直喷式柴油机,以满足上述要求。评述了在小排量非道路用柴油机上采用共轨燃油喷射系统,以及优化燃烧系统和喷油特性的技术。     

Bosch公司轿车用200MPa喷射压力共轨喷油系统

为了满足现在和未来的排放法规限值,先进的燃烧过程对喷油系统提出了更高的要求。Bosch公司开发出一种具有压电直接控制式喷油器和CP4高压泵的200MPa喷射压力共轨喷油系统,为柴油机开发新型燃烧过程提供了前提条件,也为发动机制造商提供了达到排放法规限值并进一步降低燃油耗和二氧化碳排放的机遇。     

柴油预喷着火增压燃气发动机中生物燃料的燃烧和排放特性

描述了柴油预喷着火的增压燃气发动机中生物燃料的燃烧和排放特性。认为，通过调整柴．油预喷的喷射量，即便使用生物燃料产生的热解气体，也能实现稳定的燃烧。     

Mercedes-Benz公司新型直列式4缸轿车柴油机

Mercedes-Benz公司对迄今生产的直列4缸柴油机进行多年卓有成效的优化之后,已成功开发出一种全新的OM651轿车柴油机,该机的基本尺寸仍以1983年开始生产的OM601自然吸气预燃室柴油机为基础。通过对现有技术的不断开发和发动机创新技术的应用,该机在燃油耗、排放和行驶性能等方面的潜力被充分挖掘。     

Kistler仪器公司新型车载燃烧分析系统

瑞士Kistler仪器公司开发出一种便携式燃烧分析系统“KiBox”,它专门针对车载发动机气缸压力分析而设计。除了创新的数据采集理念,以及简便的、与INCA标定应用系统集成的设计理念之外,KiBox采用了许多先进技术,使其具有实时燃烧分析和将其他控制参数和调节量进行同步显示和分析的功能。     

提高各种发动机热效率的技术

论述了改善发动机热效率的燃烧技术,并概述了汽车、船舶、发电等用途发动机的燃烧技术。汽油机通常采用的技术手段是提高压缩比,以及包括直喷、预混合压缩着火在内的稀燃技术和优化进、排气门正时及升程的技术。而柴油机的关键技术是增加喷油速率、多次喷射等喷油系统控制及高增压技术。进一步缩小发动机排量、增加燃烧控制系统柔性、回收废气热能将是未来改善系统效率的主要手段。     

240火花塞式燃气机预燃燃烧技术研究

针对目前国内外气缸直径200 mm,单缸排量10 L以上火花塞式4冲程燃气机热效率低、热负荷高、可靠性低等问题,以南车资阳机车有限公司240系列火花塞式燃气机(燃气主要成分为CH4)为例,简要介绍对解决这些问题进行的预燃燃烧技术研究.     

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。     

GE公司GEVO柴油机的开发

美国GE公司运输分部开发了一种新型柴油机以满足下一阶段的排放和燃油经济性要求。该型发动机的开发始于1998年,其包括GE公司现有发动机的最佳特性以及新发动机技术的最新发展。它将首先应用于自2005年起新造的符合美国环保局2级排放标准的内燃机车。GEVO12缸发动机在1050r／min下的标定功率达到3360kW,这相当于原来的一台7FDL16缸发动机所达到的功率水平。发动机的缸径为250mm,行程为320mm。这导致了采用约2．0MPa的较保守的平均有效压力。美国机车的2级排放标准较之0级和1级排放标准在降低NOx和颗粒物质排放方面具有特殊要求。为了达到NOx排放标准而对现有发动机作进一步调整势必造成燃油经济性的巨大损失。为此,GE公司运输分部正通过开发一种新型发动机来满足2级排放标准要求,新型发动机将不仅能满足排放要求,而且在燃油经济性方面较之现有发动机亦将有较大改进。发动机的性能开发包括燃烧模拟、系统模拟和优化。应用统计学方法对燃油喷射系统进行了优化设计以保证高效和可靠的运行。涡轮增压器设计采用了先进的空气动力学和结构模拟以获得高的效率和安全性。单缸机和多缸机的性能试验进一步改进了燃烧系统。采用一个严格的可靠性设计(DFR)程序对每个系统和部件的可靠性进行了评估。通过将尺寸和强度变量与整个环境范围内的工作应力进行比较,保证了关键零部件的可靠性。通过在高加速条件下进行广泛的耐久性试验,验证了发动机的可靠性。在2005年投入大规模生产之前,50台针对2级排放标准的机车将进行广泛的现场试验以进一步考察和改进发动机的可靠性。     

燃料的混合特性对天然气发动机性能的影响

评价了各种供油条件下单缸火花点燃式发动机燃用天然气时的性能和燃烧特性。在同一台发动机上,采用激光诱导荧光法测定进气行程缸内燃油的分布,并分析了燃气状态。通过调整喷嘴在进气道的位置,控制混合气形成及其对发动机性能、尤其是热效率和氮氧化物排放的影响。     

低温氧化反应对均质压燃中着火控制的应用

着火定时是采用均质压燃方式发动机实现理想燃烧的一个重要因素，应对其加以准确控制。研究中应用了以低温氧化反应特性来控制着火定时的方法。在一台带可变容积副燃烧室的单缸发动机上燃用不同组分的燃料，在不同的发动机转速下进行了试验，测得的着火定时结果显示出不同的趋势。这些趋势揭示了低温氧化反应的范围。应用该特性所做的发动机试验表明，可以进一步改善不同发动机转速下着火定时的稳定性。     

电热塞辅助点火的直喷式天然气发动机的设计和研制

由于受爆燃的限制和需要在接近理论空燃比的条件下运行，常规（奥托循环）的天然气发动机与柴油机相比，功率和热效率都较低。现正在开发在直接喷嘴的狄塞尔循环中燃烧天然气的技术，这种燃烧方式不易产生爆燃也不易受空燃比控制的限制。采用直接喷射天然气（ＤＩＧ）技术能使天然气发动机达到与同型柴油机相同的功率和热效率水平。现在正在进行的实验的研究目标是对铁路调车机车用的、功率为１５００ｋＷ的ＤＩＧ３５１６型发动机进     

全新的高效发动机燃烧原理

日本早稻田大学理工学院的内藤健教授针对汽车、飞机及发电设施等采用的发动机压缩、燃烧原理提出了全新的理念,可将影响性能的热效率提高到现在的2倍水平。应用新原理的发动机压缩和燃烧过程不在整个燃烧室范围内进行,而是集中在燃烧室中央的某一点,这样,除了能提高混合气的压缩比外,而且由于燃烧后的高温气体不接触燃烧室周围壁面,热能难以泄漏到外部,因而可以取消冷却装置。并且,可以有效利用原本会逸人冷却液等处的热能。     

新一代清洁型乘用车柴油机

相比汽油机,柴油机在热效率方面更具优势。近年来．在采用共轨喷油技术和柴油颗粒捕集器的基础上,通过应用稀氮氧化物捕集器及选择性催化还原系统等后处理装置,柴油机已经变得更加清洁。另一方面,由于在全球范围内对发动机燃油经济性的要求不断提高,所以也希望能进一步降低柴油机的燃油耗。在这一背景下,马自达汽车公司开发了新一代的清洁型柴油机,将其用于日本国内市场销售的运动型多功能车。新型柴油机采用串联式顺序两级涡轮增压系统,并结合低压缩比技术,获得了理想的燃烧。配装新型柴油机的车辆具有良好的驾驶乐趣和较高的燃油效率．并且能在不采用氮氧化物后处理装置的情况下满足现行排放法规的要求。