极限值中速试验机的设计与应用

本文介绍的极限值发动机(EVE)是一种独特的缸径为200mm、专门用于试验研究的中速试验机,其基本结构设计成可满足高负荷和易于接近燃烧室的需要。电空系统的采用扩展了发动机的能力,使之可以实时修改若干参数,能够快速改变气门定时、增压空气参数、排气背压以及燃油喷射参数。在2001年CIMAC会议上首次介绍了该单缸试验机,在2004年CIMAC会议上介绍了其首次运行试验情况。其后,在赫尔辛基理工大学的内燃机实验室完成了几种不同的发动机试验。这些试验导致了发动机和辅助系统的某些修改,使其实用性、运行可靠性和安全性得到提高。在首台样机试验和经验基础上推出了一种全新的第二代气门系统。该系统是与坦佩雷理工大学液力与自动化研究所合作研制的。新的气门装置有两个致动器(原先的系统采用4个),而且发动机机油用作液压流体。高速控制系统重新编程,以充分发挥气门系统可控性的优势。为了产生与产品发动机相似的燃烧室条件,更换了气缸盖和喷射系统。在本文中将介绍该发动机目前的运行状态,其中着重介绍试验发动机的试验结果和运行结果。特别令人感兴趣的是电子-液压气门系统、发动机控制系统和辅助系统。文中将对气门运行数据(诸如开/关点和速度、气门升程、可调气门重叠角和各种运行模式)、增压空气压力和温度限值、燃料喷射系统性能、冷却系统参数以及测量系统与测试仪器逐一进行介绍。另外,还将介绍一维模型的结构,该模型用于许多方面,本文介绍其在支持实验室试验或在设计、评估未来发动机研究工作中具备的优势。     

2008年柴油机排放控制回顾

扼要回顾了2008年柴油机排放法规、发动机技术,以及氮氧化物（NOx）、颗粒和碳氢化合物（HC）控制方面的典型进展。欧洲有意在技术上与美国协调一致,决定于2013年实施欧6重型车排放法规。一项新的颗粒数标准将被采纳。加利福尼亚州正在考虑将轻型车队平均排放值收紧到美国第2阶段（Tier2）第2级（Bin2）的排放水平;欧洲,以及美国拟分别针对轻型车和所有车辆出台二氧化碳（CO2）排放强制性标准。为了能通过增压和废气再循环来实现更低的CO2排放,轻型车发动机的技术重点是缩缸强化。发动机的技术目标是要达到美国Tier2Bin2排放水平。重型车发动机将能任意配装各种降Nox装置,以达到最严格的Nox排放标准,但这些降NOx装置必须达到更低的燃油耗水平才能被采用。NOx控制技术的侧重点是要使选择性催化还原技术适用于各种应用对象,重点是冷态运行、系统优化和催化器的耐久性。稀燃Nox捕集器的性能正在逐渐提高,责金属的用量不断降低,脱硫功能有所加强,提出了几种以氧化铝和二氧化铈为基础的材料成分。稀燃NOx催化器和HC选择性催化还原技术有所更新。柴油颗粒过滤器（DPF）技术处于优化和成本降低状态。介绍了几种DPF再生策略,以及有关碳烟／催化荆相互作用和DPF孔穴结构影响基本原理的新知识。提供了有关柴油氧化催化器方面的最新资料,着重介绍了几种先进的燃烧策略方案。     

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。     

先进的重载高速柴油机的设计和开发

本文介绍最高转速为1800r/min、涵盖从直列式6缸到V型12缸的全新重载柴油机和双燃料发动机系列在研制过程中所采用的技术和方法。文中讨论了为使发动机燃油消耗率降低到同类产品的最低值而采用的电子控制高压共轨喷射系统、高效涡轮增压器、带有独立气口的横流式气缸盖和其他发动机的设计策略。发动机性能模型的开发展示了设计组和分析组在组件设计几何和模拟模型创建中的协调配合,实现了性能和可制造性之间最佳的折衷。工程师之间的交流是理解整个发动机性能、提高现有技术、超越以往发动机设计的关键因素。文中还介绍了就该机与用户达成一致的设计方针,包括可靠性、成本、重量、尺寸、可再利用性和性能。文中将以实际的低成本设计方案为例,说明这些方针对诸如曲轴箱和梯形机架等部件的影响。设计发动机采用的方法也在文中加以介绍,特别是同步工程的采用,可以集聚公司所有发动机运行技术,并在初期阶段就应用到设计中,在尽可能短的工期内确保设计一次成功。文中还概述了同步工程法等对项目的影响和在设计改进过程中所起的作用。工程所取得的成果是开发了一种完整系列的高速重载发动机,其拥有同类产品中最佳的燃油消耗率、良好的比功率水平,显示了Technomots公司与发动机制造商密切合作推出新产品的能力。     

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。     

Kistler公司的车载发动机燃烧分析仪

Kistler公司研发出一种新的车载发动机燃烧分析系统,被命名为“KiBox To Go”。用这套系统获得的重要燃烧分析参数具有很高的精度,能与实际工况条件下的实时状态相一致。通过“CankSmart”技术,车辆传感器的曲轴转角信号也可以用于准确地测量示功图,这样可以省去传统的光学曲轴转角传感器,从而大大节省了安装和维护费用。该系统简洁明了的工作界面、传感器     

柴油机排放控制综述

概述了2006年以来柴油机排放法规、燃烧和氮氧化物（NOx）以及颗粒整治的发展情况。目前，法规的发展主要集中在欧洲，已提议分别将于2009年和2014年实施轻型车欧5和欧6法规。虽然这些法规没有美国的那么严格，但有助于欧洲车辆适应美国市场。欧洲开始关注2012年及未来的重型车法规。发动机正在取得巨大的进步，如主要针对美国轻型车采取积极开发清洁燃烧的策略。重型车发动机研究更多地集中在传统方法上，并将提供多种发动机及其后处理方案，以满足严格的美国2010年法规。现今的NOx控制研发工作主要集中在用于不同车型的选择性催化还原（SCR）系统。重点是冷态运行、耐久性、二次排放和系统优化。经老化后的稀氮氧化物捕集器（LNT）脱NOx的效率最高可达60％～70％，现正在考虑将其用于轻型车和某些较轻的重型车。对采用一体化SCR来补充LNT的兴趣日益增长，它主要是利用LNT在浓混合气再生期间产生的氨。柴油机颗粒过滤器技术正处于努力优化和降低成本的状态。正在采用先进的管理策略，开发各种新型过滤材料和备选系统结构方案。二次排放问题已经显现，并且正被处理。     

通用列车运行模拟软件研究

通过建立列车运行过程模型,以及对工况转换点求解过程的分析,开发了一套可用于不同机车、不同线路、不同运行参数的列车运行模拟软件。列车运行模拟系统主要包含基础数据、列车运行仿真计算和输出等子系统。其中列车运行仿真计算子系统是整个系统实现的关键。列车运行仿真计算子系统包括线路编辑、机车车辆编组、牵引计算与运行仿真等模块。介绍了列车运行仿真计算子系统的计算流程,三个模块的主要功能和数据流程。列车运行模拟可为机车车辆的改进、线路建设或编制列车开行方案等提供依据。     

V6柴油机怠速声品质的改善

Hyundai公司对V6柴油机用于由新8档自动变速器组成的动力总成时的怠速声品质进行了广泛的研究，以便分析机械激励噪声和燃烧激励噪声所起的作用。首先，在发动机研发初期，可以采用试验模态分析及按发动机各功能系统的稳定性设计来改善动态特性。另外，增强发动机的结构阻尼，能在燃烧激励增强时使发动机的燃烧噪声维持在目标值水平。在整个结构阻尼分析的频率范围内，发现有些零件较好，有的零件较差，然后对系统中的薄弱环节进行优化。在本研究中，正时链罩采用被动约束涂层减振处理来改善发动机前端2～3kHz范围内的辐射噪声，并运用了最大喷射压力为180MPa的第3代共轨系统，它配装了压电式喷油器，该喷油器有成型消声罩，并能进行充、放电时间控制。为使该发动机达到欧5排放标准，采用新喷油策略的低排放燃烧概念也很重要。然而，这种燃烧模式会产生粗暴的高频噪声，并使怠速稳定性变差。所以，应优化对预喷射和后喷射的控制，以降低和优化燃烧室内的燃烧激励噪声。因此，在发动机研发过程中就应考虑到车内声品质和辐射噪声的最佳化，而且，要确保乘客更易接受的声品质。     

电子发动机管理:智能化发动机控制的关键技术

现代发动机的大脑是电子控制单元,它监测和控制发动机及排气后处理系统的全部主要功能。同时,控制单元也可作为与车辆自动控制系统连接的接口。整个驱动系统的最佳配合是发动机在全寿命期内降低排放和油耗以及提高输出功率的关键。MTU公司自主研发这种关键技术,并生产这种控制装置。     

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。     

中速柴油机燃烧和排放仿真的发展和挑战

对目前精准仿真中速柴油机的发动机循环的可能性和挑战进行综述。排放标准法规的日趋严格和竞争的日益激烈,要求在设计阶段要做出更多的努力,以预测中速柴油机的排放和效率。近年来,仿真工具的发展在预测方面已取得很大的进步。然而,由于在柴油机运行中燃烧和排放物形成过程是复杂的,对所使用的工具要求极其严格。3D CFD仿真可用作优化燃烧室内的燃烧和排放形成过程,0D和1D发动机循环仿真适用于选择理念和预优化重要的发动机参数。0D和1D模型的一大优势是计算时间较短,可对大量参数变量进行研究。对几种0D、准维和3D仿真模型进行研究、比较和评估,用于计算燃烧率以及碳烟和NOx生成。0D燃烧模型评估（LEC-DCM）是基于对喷雾的总体描述,然而准维模型是使用多区域方法（MZCM）。3D燃烧模型的评估包括扩展拟序火焰模型（ECFM-3Z）。除了燃烧模型,还有一个重要的因素是喷油率历史,为精准仿真提供基础。然而NOx排放仿真主要受燃烧率模型质量的影响,碳烟生成和氧化过程的仿真依据更多的重要参数。对不同的0D和3D仿真模型进行了研究。另外,单缸发动机的光学测量用于验证碳烟模型。     

柴油机选择性催化还原催化器的最佳布置方法

随着美国2007年第2阶段（Tier2）第5级（Bin5）排放法规的出台,大多数新型柴油车都要求安装氮氧化物（NOx）后处理装置。一种有可能降低NOx排放的技术就是尿素选择性催化还原（SCR）,该技术现已成为柴油机普遍可以接受的选择。尿素SCR是能够达到NOx法规限值的首选技术,并正在进行引入重型客车的研发,以满足美国Tier 2 Bin 5排放限值的要求。还介绍了包括柴油氧化催化器、催化型柴油颗粒过滤器和SCR催化器在内的SCR系统的要求,讨论了如何合理布置SCR催化器的方法。在研究中,由SCR系统总成和发动机台架的试验研究结果显示,候选的几种SCR布置方案可以与传统的SCR系统布置一比高低。     

柴油机的电子控制系统

将微机和电子控制技术用于柴油机的重要部件，以便实现柴油机的优化控制，使其在多变的运用工况下，可保持良好的性能，并提高发动机的可靠性和耐久性。本文着重介绍了开发试制的电子控制的贮压式燃料喷射装置，排气门控制系统和ＡＬＬ控制系统（即自动气缸润滑油注油系统）的工作原理，结构特点，功能试验结果以及有关实例。     

发动机燃烧火焰的可视化技术

为了降低发动机的燃油耗,实现高效燃烧,使用高速彩色摄影机等光学摄影装置,使观察发动机缸内的燃烧火焰成为可能。介绍了气缸内爆震的观察方法、气体燃料发动机机内着火及火焰传播过程的详细观察技术,以及运用小孔观测器观察柴油机柴油喷束产生的着火燃烧图像。运用上述观察技术将有助于掌握燃油雾化及喷雾燃烧机理,探索抑制爆震、降低氮氧化物和颗粒排放,以及实现高效燃烧的途径。     

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。     

用于柴油机节能减排的DUAP燃油喷射系统

内燃机的任务是在燃料燃烧期间将其化学能经热能转变成机械能。发动机发明至今,人们一直在追求高效而洁净的能量转换过程和方法。为实现这一目标,需要协调发动机、燃油和燃油喷射系统之间的关系。燃油喷射系统负责将燃油注入发动机燃烧室并促使其燃烧。虽然经过长期不懈的努力,甚至利用了电子装置,空气与燃料的均匀混合以及完全燃烧的理想仍然尚未实现。近十二年以来,在发动机、燃油喷射系统和排气后处理系统的研发过程中,虽然完全燃烧的问题仍未解决,污染物的成因仍不十分明确,但大量工作仍是围绕降低污染物排放进行的。作为整个能量传递系统的组成部分,燃油喷射系统的功能和所有参数非常重要,对其充分了解有助于提供理想的清洁能源。DUAP燃油喷射系统的开发重点是高效高质量地进行燃油的喷射、雾化和燃烧,以及在各种发动机负荷条件下和燃用不同类型、不同质量的燃油时的运用灵活性。沿着这一方向去思考,传统的机械式和现代的燃油喷射系统（诸如共轨系统,包括压电陶瓷技术）,在燃油雾化和在整个燃烧室的分布方面,均仍有很大潜力。这两个参数决定着燃油的燃烧效果和清洁能源的最佳化传递过程。必须对高性能材料的使用和生产-测量-试验过程进行不断改进。也就是说,重新设计流程,包括技术、商业和社会层面。利用这种系统化再造过程,遵循工程规范,井井有条,就可以使燃油消耗和喷射系统组件的寿命提高一个档次。一个实例就是：在一台采用传统机械式喷射系统改进型发动机中燃油消耗降低了3.5%;用共轨喷油器,运行寿命超9000 h。DUAP公司的燃油喷射系统适用各种燃油,通过燃油的高效燃烧可提供清洁能源。为生产最优化的部件需要对设计和工艺进行深入了解。具备这种能力,是全面满足制造方、购买方     

VMMotori公司新型R750发动机系列

针对非道路用车辆的排放法规要求,研究人员正重新审视发动机设计,并为零部件引入最新的技术和定制排气后处理系统。降低颗粒排放是影响发动机整体性能和价格的关键问题之一。目前,业界还没有一种统一的解决办法。部分制造商采用高压燃油喷射与高效的柴油氧化催化转化器组合的方式,而另一些制造商则依靠主动再生柴油机排气颗粒过滤器技术或单用选择性催化还原技术来达到欧盟第4阶段和美国第4f阶段排放标准。考虑到上述方法的利弊,VMMotori公司决定采用一种新技术,将柴油氧化催化转化器与分流式颗粒过滤器（PM—Metalitg）用于新型R750发动机系列。讨论这种方法的优点,同时介绍为达到排放限值所进行的应用性研究。介绍PM—Metalit技术无须维护保养就可降低颗粒排放的物理及化学机理。此外,还将讨论模拟实际运行条件得出的试验结果。     

机车柴油机动力链部件动态疲劳分析

动力链部件的耐久性不仅取决于曲柄机构激扰力，而且还受结构部件振动的影响，但这一点往往被人们忽略。本文中介绍了混合分析法，其特点是不把动态负荷看作离散的静负荷，而是根据包括动态结构性能的实时运行条件计算部件耐久性。研究工作是针对一台GE机车的GEV016型柴油机动力链展开的，其包括一台V16型柴油机和一台由它直接驱动的交流发电机。对油底壳和集成式前端（IFE）进行了模拟，并通过测量对模拟结果加以确认。混合分析法综合利用两种广为采用的分析形式——多体分析（MBA）和有限元分析（FEA），以模拟部件动态负荷、组装负荷和热一机械负荷。基于有限元法导出的简缩模型，在多体分析环境下，将相关动力链部件（发动机机体、油底壳、集成式前端、曲轴以及交流发电机壳体）作为挠性体加以模拟。采用这种MBA模型，对若干燃烧循环进行模拟，其中动力链组件的挠性体承受气体力、活塞侧向力、轴承力和交流发电机反作用力矩的激扰。这种模拟方法可以将发动机机体变形和激扰力之间的相互影响加以考虑。还对动力链各部件之间的相互影响给予了足够重视，以逼近实测的发动机振动性能。部件变形可利用模型尺寸系数由动态MBA模拟导出，通过叠加到有限元模型进行转换，结果生成包含三雏应力分布（以时间为自变量）的有限元模型。三维应力分布用于深入的动态疲劳分析，计算应力幅值和平均应力，再求出疲劳安全系数和／或疲劳寿命。为验证计算结果，对测定值和模拟结果进行了对比。动力链在曲轴箱和交流发电机壳体上配有一组加速度计，在油底壳和集成式前端安放应变片。对比结果表明，不论是总变形还是局部应变，都可达到良好的吻合。     

柴油、重油和气体燃料发动机电子燃料喷射系统的耐久性和长期稳定性

更严格的排放法规不仅要求更高的系统性能（诸如喷射压力的提高以及每燃烧循环喷射次数的增加），还对与燃烧有关的燃油喷射系统及部件的质量水平提出更高的要求，而运营者对于延长大修期的普遍要求又进一步增强了这一趋势。这种趋势在系统早期开发阶段已经加以考虑，而在以后的设计、生产以及使用期内，也必须加以重视。 本文介绍的功率范围为500kW～20MW的模块式DUARAIL系统既包括使用柴油和重油的发动机，也包括使用微量引喷的气体燃料发动机。这种电子控制的燃料喷射系统是为满足高性能要求而与发动机制造厂和最终用户密切合作开发的。为避免产生与设计有关的故障或使性能受限，主要零部件均基于有限元法的应力和温度分析以及流体动力学模拟来进行设计。 喷射系统和部件经过大量试验优化，并通过累计几万小时的耐久试验进行验证。在专门的磨损试验中，在各种液压和热状态下对磨损随时间的变化规律进行了分析。为确认其在实际条件下的功能和耐久性，在最终产品出厂之前，喷射系统先在试验机上运行。 随着发动机部件的磨损，运行参数会逐步改变。为避免喷射参数在大修间隔时间的末期超过其相应的允许值，对部件设计、材料组合和工艺均进行相应的选择，并通过耐久试验对预期性能进行预测和验证，由此获取的信息可用于延长大修期以及用于发动机状态修。 正常运行和总的耐久性以及稳定性的先决条件是良好的零部件清洁度以及在严格控制的高清洁度标准条件下的组装。因此，所有新的和经过整修的高压泵和喷油器的组装和校准工作均在清洁的室内设备上进行。 基于以上原则，有关运行技术条件、维修和大修期的要求均被最大限度地满足。