最高燃烧压力为30 MPa的新一代柴油及燃气发动机

【德】 G.FIGER K.SCHMIDLEITNER M.SCHÖNBACHER T.KAMMERDIENER

1 新一代发动机的市场驱动力

全球对电能的需求以及对船舶、油田应用、铁路和建筑业驱动系统的需求在不断增加,这都是推动未来柴油和燃气发动机发展的最重要的市场因素。当前的生产数据显示,对于功率超过500 k W 的发动机,约95%的发电机组发动机和约75%的船用发动机采用了转速大于1 200 r/min的高速发动机(图1)。

图1 功率大于等于500 kW 的发动机生产数据

目前,正在开发新一代大型高速发动机,将与尺寸和质量更大、成本更高的中速发动机在燃油效率和功率密度方面进行竞争。同样地,在高度集成的系统或者混合系统中,内燃机的热效率仍是每款新发动机开发的重点。此外,到2030年欧洲会有针对性地将温室气体排放减少40%,以此促进可再生能源的发展。因此,天然气发动机和沼气发动机将发挥至关重要的作用。

2 高速发动机的市场要求

对于功率范围在500 k W～4 MW 的高速发动机而言,最大的挑战之一是其应用范围广泛且具有特定要求。例如,船用领域涉及恒定转速为1 200 ～2 100 r/min可变转速的推进动力以及运行转速主要为1 800 r/min(60 Hz)的辅助动力。尤其对游艇而言,对与低负荷系数相关的功率密度要求非常高。

在发电中,最大能源效率在要求较长使用寿命的连续发电过程中起着决定性作用。另一方面,可靠性对于采矿、油田等条件苛刻的应用至关重要。

从运营商角度来看,决定性的购买标准主要是功率密度、瞬态负荷特性、服务间隔及可靠性。对于最终客户而言,最重要的是采购和运行成本及燃料灵活性。对发动机制造商来说,零部件通用性、模块化和低成本的生产是成功产品的标志。

3 热力学基本理念

大型高速发动机的功率密度在很大程度上取决于应用和相应的负荷系数。采用高负荷系数的应用多为低功率密度和中等功率密度(平均有效压力在1.8～2.1 MPa之间),例如矿用车辆、建筑机械、商用船舶和发电等。在这些应用中,每个气缸的气缸功率通常为100～170 k W。

应急发电机的平均有效压力可达3.1 MPa,这代表了当今高速发动机的最高水平。目前正在开发每缸最大比功率密度为225 k W、平均有效压力(BMEP)为3 MPa且具有较低负荷系数的高功率船用动力,应用于体育摩托艇等领域。目前,市场领先的高功率发动机的最高燃烧压力为23～25 MPa。

对于新一代高速柴油机和燃气发动机来说,最高燃烧压力提高了功率及热效率的潜能。

以50 Hz备用发电机为例,发动机每缸比功率约为200 k W 时,具有20个气缸的发动机可产生超过4 MW 的功率,最大燃烧压力约为25 MPa。

将最高燃烧压力提高到30 MPa,可在相同边界条件下使气缸比功率增加到每缸260 k W。如图2所示,更高的气缸比功率可以使功率为4 MW 的发动机的气缸数从20个减少到16个,或者可以使20缸发动机的功率覆盖到5 MW,这通常是大型中速发动机专有的功率范围。

图2 提高气缸比功率的方案

以满足美国环境保护署(EPA)Tier4排放水平的50 Hz备用柴油发电机组为例,本文详细介绍了最高燃烧压力提高到30 MPa对有效热效率的影响。通过以下3个改进措施将燃油效率提高了7%左右：(1)将燃烧重心前移到约8°CA BTDC 的热力学最佳值；(2)将压缩比提高1.5；(3)将燃烧过量空气系数提高15%。即使将选择性催化还原(SCR)还原剂考虑在内,仍可节省燃油约5%。

为了充分提高功率和效率,需要改进其他所有系统组件,如燃烧系统、点火或喷油系统、增压系统及配气机构等。更高的热力学要求会显著增加所有动力单元部件的热机械负荷。此外,在新发动机系列的设计阶段还需要考虑其他设计方面的内容。其中包括：(1)采用模块化设计,使所有应用中的柴油机和燃气发动机的部件最大程度通用化；(2)与燃气燃烧相比,由于柴油燃烧的气体温度更高,所以其壁热损失更多；(3)柴油机和燃气发动机的燃烧室部件的热量输入各不相同,柴油机的活塞燃烧室将热负荷转移到气缸盖底板,而采用预燃室或开放式燃烧室的燃气燃烧则增加了对活塞顶的热量输入(图3)；(4)包括预燃室气阀在内的气体扫气式预燃室应集成在与柴油机共轨喷油器相同的空间内。

图3 采用扫气式预燃室的燃气发动机在额定功率下的近壁面气体温度(转速1 500 r/min,BMEP为3 MPa)

4 气缸盖设计

AVL公司根据所选择的通道结构和气缸盖螺栓进一步优化气缸盖设计,以实现更高的燃烧压力。在给定的边界条件下,旋转45°的气门模式和6个气缸盖螺栓的设计是针对结构刚度、通道布置、鼻梁区冷却,以及最小气缸间距等方面的最佳折中方案。

这种全新的结构设计理念显著降低了气缸盖底板偏转,通过提高气缸盖底板刚度,大幅降低了气门导管和气门座磨损的风险。

5 气缸盖冷却

AVL公司“自上而下”气缸盖冷却理念的基本原理是先将冷却水输入上部水套,然后精确地将冷却水分配到排气门鼻梁区热负荷较高的区域,如图4所示。这可以大幅改善局部传热,并使气缸盖底板关键区域得以温度下降15～20 ℃。

图4 AVL公司获得专利的“自上而下”气缸盖冷却理念已成功用于商用车发动机和大型发动机

采用“自上而下”冷却理念,就可以用相对较薄的底板铸造下部冷却水套,尤其是在鼻梁区域。在高负荷区域中,由温度变化引起的塑性变形显著减小,由此大幅降低了热机疲劳。此外,采用扫气式预燃室的燃气发动机也可受益于这种冷却理念。这是因为预燃室的有效冷却对平均有效压力较高的高效燃烧概念至关重要。基于仿真的优化设计结果表明,即使在高达3.5 MPa的平均有效压力和超过30 MPa的最高燃烧压力下,部件温度仍保持在可接受的范围内。

6 活塞设计

为了应对活塞在极端热负荷和机械负荷下所面临的各种设计挑战,AVL 公司与KS Kolbenschmidt公司合作开发了1种组合式钢活塞。针对30 MPa的最高燃烧压力,可以为柴油机和燃气发动机及不同的燃烧方式提供压缩高度相同的各种燃烧室形状。

通过活塞顶外部区域得以机加工分型面,实现了活塞冷却的第一道活塞环最高位置与活塞结构之间的折中,从而使第一道活塞环区域及活塞顶外部区域得以充分冷却(图5)。

图5 AVL公司与KS Kolbenschmidt公司针对30 MPa最高燃烧压力合作开发的活塞结构

为了向活塞冷却通道供应足够的润滑油,将2个活塞冷却喷嘴安装在活塞销座的两侧。结合采用电控机油泵,可在低负荷运行时调节滑油供给。通过全面的计算流体力学(CFD)仿真以及试验台试验提高目标精度,并根据油压调整润滑油量。

7 连杆设计

由于机械负荷较高,所以对连杆小头润滑设计提出了非常高的要求。对高负荷的大型高速发动机而言,常见的解决方案是通过连杆的纵向孔进行加压润滑,其缺点是存在轴瓦空蚀风险且制造成本非常高。通过优化活塞销座和连杆小头的成型孔及优化活塞和连杆小头的润滑油孔位置,无需加压润滑也可在最高燃烧压力下为连杆小头提供充足的润滑。这两种采用和不采用加压润滑的解决方案都是可行的。通过大量的有限元法(FEM)仿真优化活塞销座的结构刚度,从而改善磨合行为并避免连杆轴承的边缘负荷。

8 气缸衬套设计

全新的大型高速发动机平台所需润滑油消耗通常低于0.05 g/(k W·h)。特别是对于高功率燃气发动机而言,为了避免润滑油引起提前点火,需要使燃烧室内的润滑油量尽可能少。对柴油机而言,较低的润滑油消耗有利于减少颗粒物排放。

对于高负荷的高速发动机来说,顶置湿式气缸套概念(图6)是衬套上部区域冷却与衬套变形的最佳折中方案。该概念与优化的活塞环组相结合,可确保润滑油消耗较低。

图6 AVL公司采用顶置湿式气缸套

9 结语和展望

为了进一步提高功率范围为500 k W～4 MW 的新一代大型高速发动机的效率和功率密度,有必要将最高燃烧压力提高到30 MPa以上。针对气缸盖和整个气缸单元的热负荷和结构负荷较高等多种设计挑战,AVL公司成功地提出了相应的解决方案。

AVL公司结合设计方法,早期采用CAE 技术及大量的仿真来验证这些解决方案,下一步将在单缸发动机上进行试验。所有组件均已为更高的功率密度和3.5 MPa及以上的平均有效压力作好了准备。