最高燃燒壓力為30 MPa的新一代柴油及燃氣發動機

【德】 G.FIGER K.SCHMIDLEITNER M.SCH?NBACHER T.KAMMERDIENER

1 新一代發動機的市場驅動力

全球對電能的需求以及對船舶、油田應用、鐵路和建筑業驅動系統的需求在不斷增加,這都是推動未來柴油和燃氣發動機發展的最重要的市場因素。當前的生產數據顯示,對于功率超過500 k W 的發動機,約95%的發電機組發動機和約75%的船用發動機采用了轉速大于1 200 r/min的高速發動機(圖1)。

圖1 功率大于等于500 kW 的發動機生產數據

目前,正在開發新一代大型高速發動機,將與尺寸和質量更大、成本更高的中速發動機在燃油效率和功率密度方面進行競爭。同樣地,在高度集成的系統或者混合系統中,內燃機的熱效率仍是每款新發動機開發的重點。此外,到2030年歐洲會有針對性地將溫室氣體排放減少40%,以此促進可再生能源的發展。因此,天然氣發動機和沼氣發動機將發揮至關重要的作用。

2 高速發動機的市場要求

對于功率范圍在500 k W～4 MW 的高速發動機而言,最大的挑戰之一是其應用范圍廣泛且具有特定要求。例如,船用領域涉及恒定轉速為1 200 ～2 100 r/min可變轉速的推進動力以及運行轉速主要為1 800 r/min(60 Hz)的輔助動力。尤其對游艇而言,對與低負荷系數相關的功率密度要求非常高。

在發電中,最大能源效率在要求較長使用壽命的連續發電過程中起著決定性作用。另一方面,可靠性對于采礦、油田等條件苛刻的應用至關重要。

從運營商角度來看,決定性的購買標準主要是功率密度、瞬態負荷特性、服務間隔及可靠性。對于最終客戶而言,最重要的是采購和運行成本及燃料靈活性。對發動機制造商來說,零部件通用性、模塊化和低成本的生產是成功產品的標志。

3 熱力學基本理念

大型高速發動機的功率密度在很大程度上取決于應用和相應的負荷系數。采用高負荷系數的應用多為低功率密度和中等功率密度(平均有效壓力在1.8～2.1 MPa之間),例如礦用車輛、建筑機械、商用船舶和發電等。在這些應用中,每個氣缸的氣缸功率通常為100～170 k W。

應急發電機的平均有效壓力可達3.1 MPa,這代表了當今高速發動機的最高水平。目前正在開發每缸最大比功率密度為225 k W、平均有效壓力(BMEP)為3 MPa且具有較低負荷系數的高功率船用動力,應用于體育摩托艇等領域。目前,市場領先的高功率發動機的最高燃燒壓力為23～25 MPa。

對于新一代高速柴油機和燃氣發動機來說,最高燃燒壓力提高了功率及熱效率的潛能。

以50 Hz備用發電機為例,發動機每缸比功率約為200 k W 時,具有20個氣缸的發動機可產生超過4 MW 的功率,最大燃燒壓力約為25 MPa。

將最高燃燒壓力提高到30 MPa,可在相同邊界條件下使氣缸比功率增加到每缸260 k W。如圖2所示,更高的氣缸比功率可以使功率為4 MW 的發動機的氣缸數從20個減少到16個,或者可以使20缸發動機的功率覆蓋到5 MW,這通常是大型中速發動機專有的功率范圍。

圖2 提高氣缸比功率的方案

以滿足美國環境保護署(EPA)Tier4排放水平的50 Hz備用柴油發電機組為例,本文詳細介紹了最高燃燒壓力提高到30 MPa對有效熱效率的影響。通過以下3個改進措施將燃油效率提高了7%左右：(1)將燃燒重心前移到約8°CA BTDC 的熱力學最佳值；(2)將壓縮比提高1.5；(3)將燃燒過量空氣系數提高15%。即使將選擇性催化還原(SCR)還原劑考慮在內,仍可節省燃油約5%。

為了充分提高功率和效率,需要改進其他所有系統組件,如燃燒系統、點火或噴油系統、增壓系統及配氣機構等。更高的熱力學要求會顯著增加所有動力單元部件的熱機械負荷。此外,在新發動機系列的設計階段還需要考慮其他設計方面的內容。其中包括：(1)采用模塊化設計,使所有應用中的柴油機和燃氣發動機的部件最大程度通用化；(2)與燃氣燃燒相比,由于柴油燃燒的氣體溫度更高,所以其壁熱損失更多；(3)柴油機和燃氣發動機的燃燒室部件的熱量輸入各不相同,柴油機的活塞燃燒室將熱負荷轉移到氣缸蓋底板,而采用預燃室或開放式燃燒室的燃氣燃燒則增加了對活塞頂的熱量輸入(圖3)；(4)包括預燃室氣閥在內的氣體掃氣式預燃室應集成在與柴油機共軌噴油器相同的空間內。

圖3 采用掃氣式預燃室的燃氣發動機在額定功率下的近壁面氣體溫度(轉速1 500 r/min,BMEP為3 MPa)

4 氣缸蓋設計

AVL公司根據所選擇的通道結構和氣缸蓋螺栓進一步優化氣缸蓋設計,以實現更高的燃燒壓力。在給定的邊界條件下,旋轉45°的氣門模式和6個氣缸蓋螺栓的設計是針對結構剛度、通道布置、鼻梁區冷卻,以及最小氣缸間距等方面的最佳折中方案。

這種全新的結構設計理念顯著降低了氣缸蓋底板偏轉,通過提高氣缸蓋底板剛度,大幅降低了氣門導管和氣門座磨損的風險。

5 氣缸蓋冷卻

AVL公司“自上而下”氣缸蓋冷卻理念的基本原理是先將冷卻水輸入上部水套,然后精確地將冷卻水分配到排氣門鼻梁區熱負荷較高的區域,如圖4所示。這可以大幅改善局部傳熱,并使氣缸蓋底板關鍵區域得以溫度下降15～20 ℃。

圖4 AVL公司獲得專利的“自上而下”氣缸蓋冷卻理念已成功用于商用車發動機和大型發動機

采用“自上而下”冷卻理念,就可以用相對較薄的底板鑄造下部冷卻水套,尤其是在鼻梁區域。在高負荷區域中,由溫度變化引起的塑性變形顯著減小,由此大幅降低了熱機疲勞。此外,采用掃氣式預燃室的燃氣發動機也可受益于這種冷卻理念。這是因為預燃室的有效冷卻對平均有效壓力較高的高效燃燒概念至關重要。基于仿真的優化設計結果表明,即使在高達3.5 MPa的平均有效壓力和超過30 MPa的最高燃燒壓力下,部件溫度仍保持在可接受的范圍內。

6 活塞設計

為了應對活塞在極端熱負荷和機械負荷下所面臨的各種設計挑戰,AVL 公司與KS Kolbenschmidt公司合作開發了1種組合式鋼活塞。針對30 MPa的最高燃燒壓力,可以為柴油機和燃氣發動機及不同的燃燒方式提供壓縮高度相同的各種燃燒室形狀。

通過活塞頂外部區域得以機加工分型面,實現了活塞冷卻的第一道活塞環最高位置與活塞結構之間的折中,從而使第一道活塞環區域及活塞頂外部區域得以充分冷卻(圖5)。

圖5 AVL公司與KS Kolbenschmidt公司針對30 MPa最高燃燒壓力合作開發的活塞結構

為了向活塞冷卻通道供應足夠的潤滑油,將2個活塞冷卻噴嘴安裝在活塞銷座的兩側。結合采用電控機油泵,可在低負荷運行時調節滑油供給。通過全面的計算流體力學(CFD)仿真以及試驗臺試驗提高目標精度,并根據油壓調整潤滑油量。

7 連桿設計

由于機械負荷較高,所以對連桿小頭潤滑設計提出了非常高的要求。對高負荷的大型高速發動機而言,常見的解決方案是通過連桿的縱向孔進行加壓潤滑,其缺點是存在軸瓦空蝕風險且制造成本非常高。通過優化活塞銷座和連桿小頭的成型孔及優化活塞和連桿小頭的潤滑油孔位置,無需加壓潤滑也可在最高燃燒壓力下為連桿小頭提供充足的潤滑。這兩種采用和不采用加壓潤滑的解決方案都是可行的。通過大量的有限元法(FEM)仿真優化活塞銷座的結構剛度,從而改善磨合行為并避免連桿軸承的邊緣負荷。

8 氣缸襯套設計

全新的大型高速發動機平臺所需潤滑油消耗通常低于0.05 g/(k W·h)。特別是對于高功率燃氣發動機而言,為了避免潤滑油引起提前點火,需要使燃燒室內的潤滑油量盡可能少。對柴油機而言,較低的潤滑油消耗有利于減少顆粒物排放。

對于高負荷的高速發動機來說,頂置濕式氣缸套概念(圖6)是襯套上部區域冷卻與襯套變形的最佳折中方案。該概念與優化的活塞環組相結合,可確保潤滑油消耗較低。

圖6 AVL公司采用頂置濕式氣缸套

9 結語和展望

為了進一步提高功率范圍為500 k W～4 MW 的新一代大型高速發動機的效率和功率密度,有必要將最高燃燒壓力提高到30 MPa以上。針對氣缸蓋和整個氣缸單元的熱負荷和結構負荷較高等多種設計挑戰,AVL公司成功地提出了相應的解決方案。

AVL公司結合設計方法,早期采用CAE 技術及大量的仿真來驗證這些解決方案,下一步將在單缸發動機上進行試驗。所有組件均已為更高的功率密度和3.5 MPa及以上的平均有效壓力作好了準備。