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      高功率密度柴油機關鍵技術及其應用

      2011-08-03 11:55:26孫丹紅張然治田永海
      鐵道機車車輛 2011年1期
      關鍵詞:功率密度增壓器噴油

      孫丹紅,張然治,田永海

      (中國北方發(fā)動機研究所,山西大同037036)

      軍用動力的快速發(fā)展得益于柴油機關鍵技術在更高層次上不斷取得新的突破,使柴油機的單位體積和質量功率密度、燃油消耗率等性能指標都有明顯改善,單位體積功率可以達到1 200~1 360kW/m3,單位功率質量≤1 kg/kW,燃油消耗率最低達到190g/(kWh)的水平,為軍用車輛動力向更高水平沖刺提供了強有力的技術推動。本文僅對幾項主要的關鍵技術作一簡要介紹。

      1 系統(tǒng)集成技術

      系統(tǒng)集成技術是實現高結構緊湊性、高功率密度和提高動力總成性能的核心技術之一,其內容包括兩個方面:發(fā)動機本體與附件的集成,發(fā)動機與傳動系統(tǒng)的集成。

      通過發(fā)動機本體與進排氣系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)等的性能匹配和結構優(yōu)化設計,可以有效地提高整體性能。同時,各系統(tǒng)效率的提高有助于簡化結構,大大減少各自的體積和質量,進而達到減少發(fā)動機體積和質量的目的。上述各系統(tǒng)的集成設計可以有效地縮小發(fā)動機本體的體積。

      6V890柴油機將整個干式油底殼(包括機油容積、機油泵、機油換熱器、機油濾清器、機油管道)和進氣支管等零件都集成在曲軸箱上,在發(fā)動機上沒有外部管路。發(fā)動機與傳動系統(tǒng)的集成可以進一步減少無效空間,減少體積和質量,提高動力裝置的緊湊性和傳動效率,增強可靠性、可使用性、可維護性和耐久性。

      在集成設計時,要充分利用現代設計技術,通過計算機輔助設計、輔助分析和虛擬仿真可以對發(fā)動機本體及傳動裝置進行優(yōu)化,顯著提高結構緊湊性。同時,通過在計算機上進行發(fā)動機的虛擬裝配和仿真試驗,可以極大地提高設計效率和質量,縮短研制周期,降低研制成本。美國藍綬帶咨詢委員會特別建議美國陸軍坦克機動車輛局(TACOM)盡量采用系統(tǒng)仿真技術來進行HPD柴油機的研發(fā)。

      對于柴油機動力裝置,美國陸軍TACOM/TARDEC未來作戰(zhàn)系統(tǒng)有人地面車輛鏈輪功率密度目標PD=158kW/m3;未來發(fā)展研究目標PD>211~264 kW/m3。這就需要從發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)的角度全面考慮動力裝置的系統(tǒng)集成,實現各個子系統(tǒng)之間的優(yōu)化匹配,減小功率損失,縮小無用空間,有效提高鏈輪功率密度,進而改善動力裝置的動力性、可靠性、耐久性以及可維護性。美國先進的整體式推進系統(tǒng)(AIPS)就是動力裝置系統(tǒng)集成的一個范例。

      2 高速快速燃燒過程

      2.1 新型快速燃燒技術

      提高排量利用率可以改善系統(tǒng)的結構緊湊性,是實現HPD的關鍵。而提高發(fā)動機轉速和減小缸徑是提高排量利用率的最有效的方法。

      德國MTU公司開發(fā)的890系列柴油機,排量較880系列減小50%。該系列柴油機采用先進的高效快速燃燒技術,標定轉速達到3 600~4 250r/min,活塞平均速度達到15m/s左右,平均有效壓力達到2.6MPa,最高燃燒壓力高于20MPa,實現了92kW/L的HPD目標。此外,燃燒過程優(yōu)化研究也是實現HPD的關鍵之一。

      2.2 均質充量壓燃(HCCI)

      均質充量壓燃(HCCI)綜合汽油機和柴油機兩者的特性,燃燒自動在幾個點開始,不需要采用常規(guī)汽油機中的火花塞;降低最高溫度以獲得非常低的NOx排放,但HC和CO排放較高;具有柴油機的效率和汽油機的排放水平。

      HCCI的正時控制仍然是一個主要問題。采用HCCI的常規(guī)發(fā)動機設計功率范圍有限。目前已經采用了多種途徑克服這些不足,不過仍處于初級階段。梅賽德斯已經演示驗證了“DiesOtto”概念;通用汽車公司(GM)公開了演示驗證的各種HCCI方案;此外還有弗羅斯特和沙利文(Frost and Sullivan)公司的HCCI方案。

      柴油機實現HCCI比較困難,主要在汽油機的基礎上進行研究。國外通過發(fā)展電控HCCI和柴油機-汽油機聯合循環(huán)的方式實現HCCI。這種方案主要技術挑戰(zhàn)是爆發(fā)過程非常難以駕馭,控制系統(tǒng)非常復雜;例如梅賽德斯(DiesOtto- Mercedes)概念,這是一種目前可以在工程上實現的HCCI概念。這是一種1.8L柴油-汽油技術的混合,裝于奔馳F-700,功率175 kW,采用汽油直噴、增壓、可變壓縮比、可控自動點火的HCCI以及變氣門控制;

      另外一種方案是CCS和HCCI,德國大眾公司用2.0L柴油機燃燒生物燃料聯合系統(tǒng),仍用180MPa共軌供油,70%的EGR,經濟高5%~8%,排放達到與HCCI相當的水平。

      3 高噴射壓力供油技術

      高噴壓可調供油技術是實現高功率密度的關鍵。美國陸軍TACOM(坦克機動車輛局)的試驗研究表明,通過優(yōu)化參數和將噴射壓力提高到200MPa,可將功率密度提高26%。目前,柴油機高噴射壓力供油系統(tǒng)的應用日益增多,應用廣泛并且發(fā)展前景看好的高壓噴射技術主要有高壓共軌噴油系統(tǒng)和泵噴嘴噴油系統(tǒng)。

      3.1 高壓共軌噴油系統(tǒng)

      目前,德國MTU公司的MT880和MT890系列HPD柴油機均采用了160~180MPa的噴油定時和噴油量可調的高壓共軌噴油系統(tǒng)。采用共軌噴油系統(tǒng)可以使發(fā)動機在低轉速范圍工作時獲得高的噴射壓力,以保證在所有運行工況均可實現高效燃燒。特別是在890系列全面擴缸后,890系列V型機的功率和扭矩特性均獲得大幅度改善,廠方目前尚沒有公布噴油壓力的變化,但估計噴油壓力應該有較大提升。

      目前,許多民用柴油機都采用了噴油壓力200MPa的高壓共軌噴油系統(tǒng),如福特的2010款6.7L柴油機。

      國際上馳名的噴油系統(tǒng)研發(fā)設計公司,如德國的博世、美國的德爾福以及日本的電裝等,都致力于更高噴油壓力噴油系統(tǒng)的研究。博世(Bosch)公司宣稱,該公司將于2011年批量生產200MPa電磁閥式噴油器CRI 2.6,而壓電式噴油器將繼續(xù)在大型大功率發(fā)動機上發(fā)揮關鍵作用。該公司下一代壓電式噴油器CRI 5的最高噴油壓力可達220MPa。

      德爾福(Delphi)公司、西門子(Siemens)公司和日本電裝(Denso)公司均在進行160~200MPa壓電晶體共軌系統(tǒng)的研發(fā),噴射間隔期將由現在的0.4ms減少到0.1ms。

      共軌燃油系統(tǒng)可以根據需要設置噴油正時、噴油量、噴油壓力和噴油速率曲線形狀,能夠進行分段噴射,靈活地適應各種工況的變化。這一特性也決定了噴油規(guī)律不會受發(fā)動機轉速和載荷的影響,能夠更精確地對燃燒過程進行控制,可以在整個發(fā)動機工作轉速范圍內實現高效燃燒。

      德國慕尼黑技術大學的研究人員近來在一臺LVK單缸發(fā)動機上進行了一項軌壓增加對噴油器噴嘴流場影響的研究。研究中采用的噴油壓力高達320MPa,見圖1。

      圖1 德國慕尼黑技術大學320MPa噴油壓力LVK單缸機

      3.2 高壓泵噴嘴噴油系統(tǒng)

      高壓泵噴嘴噴油系統(tǒng)目前也是應用較多的一種高壓噴油系統(tǒng)。德國大眾2.0LTDI渦輪增壓柴油機的燃油噴射壓力高達192MPa,TDI發(fā)動機每缸一個泵噴嘴,每個氣缸作功沖程所需的柴油量被分成預噴射和主噴射兩部分,主噴射在預噴射開始之后曲軸轉過幾度之后才進行,其間隔由一個液壓機構控制。噴射正時、噴油量以及停噴時刻都由電磁閥控制。高壓噴射技術使柴油發(fā)動機達到了平穩(wěn)、高效燃燒的理想狀態(tài),并降低了燃燒噪聲、降低了尾氣中的氮氧化合物的含量。

      4 智能化電控和管理技術

      電控技術是柴油機智能化的基礎。目前,發(fā)動機電控的范圍已經擴展到所有要求可調的部位,構成所謂的發(fā)動機管理系統(tǒng)。

      MTU公司MT890系列柴油機采用自行研發(fā)的CDS全數字化管理系統(tǒng),CDS包含柴油機控制、調節(jié)和監(jiān)測功能。其控制內容主要包括燃油供給系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、故障診斷、傳動的匹配等。診斷功能明確給出故障發(fā)生的時間、原因和程度,可選擇的預診斷功能能夠提供有關發(fā)動機及其零部件未來狀態(tài)的預測信息。在發(fā)動機運轉不正常時,電控裝置可以暫時降低發(fā)動機功率,如有必要可使發(fā)動機完全停機,以防發(fā)動機損壞。在緊急情況下可人工干預。CDS具有與動力裝置中所有系統(tǒng)的接口,允許將890系列柴油機集成到動力裝置中。

      “狼”式裝甲車的機載信息控制系統(tǒng)(BIUS)記錄車輛基本裝置與組件的參數,從而對其實施控制與診斷功能。發(fā)動機由15個參數控制,包括壓力、溫度、轉速、燃油供給、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等。傳動與輪箍由溫度和壓力控制。液壓與懸掛調整系統(tǒng)采用24位控制。BIUS的故障與車輛的機動性無關。

      近年來,智能化電控和管理技術在民用柴油機領域也得到長足發(fā)展,應用范圍涉及供油和增壓控制以及故障診斷。2010年德國BMW公司通過采用200MPa高壓共軌燃油噴射和壓電晶體噴油器、二級可調“動力渦輪”增壓系統(tǒng)和綜合電子控制系統(tǒng)等技術,3.0L6缸柴油機平均有效壓力達到2.0MPa,標定功率轉速達到4500r/min,升功率達到75kW/L,并滿足歐V排放標準。

      5 高效、高壓比可調增壓技術

      通過渦輪增壓和中冷可以提高進氣密度,能有效地提高發(fā)動機的結構緊湊性和功率密度。高效渦輪增壓中冷技術主要包括壓氣機和渦輪均可調的增壓器、順序增壓(STC)、單級壓比4~5的高壓比渦輪增壓器、鈦鋁合金渦輪、改善瞬態(tài)加速性的加氣技術、單渦輪雙壓氣機技術等。

      采用高效可調增壓可以改善加速性,拓寬工作特性范圍;采用二級順序增壓或單渦輪雙壓氣機技術,可以進一步提高增壓壓比,適應多種工況要求,同時還可以減少質量和體積。

      5.1 可調葉片式渦輪增壓器

      針對傳統(tǒng)的渦輪增壓器在發(fā)動機低轉速時有增壓滯后和動力不足的缺點,大眾2.0TDI柴油機采用了可調葉片式渦輪增壓器,在任何轉速下均可產生所需要的進氣壓力,性能比傳統(tǒng)的渦輪增壓器大大提高,改善了發(fā)動機的適應性,發(fā)動機轉速較低時也可以保證大功率的輸出,實現了最大功率104kW/4 000r·min-1,最大扭矩320Nm/(1 750~2 500r/min)的性能指標,低速扭矩特性大為改善。由于發(fā)動機進氣壓力始終處于最佳狀態(tài),從而在整個轉速范圍內提高了燃燒效率,節(jié)約了燃油并改善了排放。

      5.2 用于高速直噴柴油機的一種新的機械增壓概念

      Modena和Reggio E大學采用傳統(tǒng)的渦輪增壓器與羅茲容積式壓氣機結合,通過電動離合器使壓氣機在發(fā)動機高速和部分負荷穩(wěn)態(tài)工況時與發(fā)動機脫開,在瞬態(tài)加速和低速工況時嚙合。采用這種增壓方案,可以使2.5L排量的基準發(fā)動機(4缸高速直噴渦輪增壓柴油機)實現小型化,在不損害最大制動功率(110kW)和瞬態(tài)響應的同時,柴油機的排量減小到1.8L,最大制動扭矩大于300Nm/2 000r·min-1;采用羅茲壓氣機的小型化柴油機,部分負荷燃油消耗大幅度改善,排放有效降低。

      5.3 BMW公司二級可變雙渦輪增壓系統(tǒng)

      BMW740D柴油機采用了可變雙渦輪增壓系統(tǒng),一個設計巧妙的系統(tǒng)可將兩個增壓器先后啟動,這樣既提供了效率又加強了增壓器的反應能力,同時還放棄了原增壓器中的可調渦輪葉片;這兩個增壓器是嚴格按照分級理論進行工作的,發(fā)動機轉速在1 500r/min以下時,較小的增壓器反應較快且主動負責供氣;當轉速在1 500~2 500r/min范圍內時,兩個增壓器均開始工作,此時,大增壓器起到的是預增壓作用;當轉速超過2 500 r/min時,大增壓器開始全負荷工作,提供的壓力達0.18MPa(此前進氣壓力為0.15MPa)。增壓系統(tǒng)設有兩個閥門和幾根管路來調控進入增壓器的氣流和空氣量,廢氣和新鮮空氣按照指令分配給兩個增壓器。

      5.4 單渦雙壓

      德國MTU公司883-Ka524柴油機和890系列柴油機均采用單渦雙壓渦輪增壓器,增壓壓比為4.5,可顯著提高發(fā)動機的輸出功率,提高柴油機的低速扭矩和改善燃油經濟性。特別是部分負荷時,可將更多的增壓空氣壓入燃燒室。MT883Ka-524柴油機在保持MT883Ka-501柴油機本體尺寸不變的情況下,通過采用單渦輪雙壓氣機使單位排量功率從40.3kW/L增加到73.7kW/L。

      目前,單渦雙壓渦輪增壓器在民用柴油機領域也得到推廣應用,美國福特汽車公司最新開發(fā)的6.7L柴油機為了滿足功率要求,并仍然適合在V型夾角中安裝,采用了單渦雙壓渦輪增壓器(如圖2所示),具有更高的增壓壓力和喘振裕度,在滿足內側排氣支管體結構布置要求的同時,滿足了測功機認證和底盤認證雙重排放認證的要求。

      圖2 6.7L柴油機雙壓氣機渦輪增壓器

      6 結構可靠性技術

      包括滿足承受18MPa以上最高燃燒壓力的發(fā)動機本體結構技術、活塞平均速度達到15m/s的活塞曲柄連桿機構技術、高壓比條件下潤滑承載技術、高壓比的PVD軸瓦技術、聲輻射解析技術等。據德國KS Gleitlager公司統(tǒng)計,目前高性能卡車柴油機的氣缸燃燒壓力已經高達18~22MPa,柴油機的單位排量功率達到30~50kW/L;矯車柴油機的單位排量功率達到60~70kW/L,連桿軸承的負荷將增加37%,曲軸軸承蓋的負荷將增加33%。

      提高排量利用率和進氣密度,一方面提高了功率密度,但另一方面也增加了機械負荷和熱負荷。因此,必須對機體、氣缸蓋、活塞、曲軸、軸瓦等關鍵零部件的可靠性進行優(yōu)化設計。同時,各零部件的減重優(yōu)化也是實現高功率密度的途徑之一。

      為滿足高緊湊性、HPD柴油機的可靠性要求,需對可承受18MPa以上燃燒壓力的發(fā)動機本體結構技術、活塞平均速度達到15m/s的活塞曲柄連桿機構技術、高載荷PVD軸瓦技術等進行深入的研究。

      7 高溫冷卻技術

      高溫冷卻技術是減小輔助系統(tǒng)質量和體積,使柴油機實現高效運行的有效措施。涉及的技術主要包括高溫潤滑油技術、高低溫雙循環(huán)冷卻系統(tǒng)、熱管散熱技術等。

      德國MTU公司的MT890系列柴油機采用高低溫雙循環(huán)冷卻系統(tǒng),高溫回路為核心發(fā)動機提供冷卻,即用于冷卻氣缸套、氣缸蓋等零部件以及一級增壓中冷器;低溫回路用于冷卻啟動機-發(fā)電機功率電子器件、二級增壓中冷器以及發(fā)動機機油。MT890系列柴油機的高溫冷卻系統(tǒng)冷卻液溫度高達130℃,并采用智能控制的高低溫雙循環(huán)冷卻系統(tǒng),減小了冷卻系統(tǒng)的質量和體積,改善了冷卻效果。

      8 飛輪/發(fā)電機/啟動機集成技術

      將啟動機、發(fā)電機和飛輪集成在一起可以減少動力裝置零部件的數量,優(yōu)化結構布置,增加動力艙布置的柔性,提高可靠性。飛輪/發(fā)電機/啟動機集成技術是實現電傳動的關鍵技術,有助于進一步減少體積和質量,使車輛運行更為平穩(wěn),并實現無級變速傳動。電傳動能使發(fā)動機和車輛的速度彼此不相關,發(fā)動機可以以其最高效率工作。因此,HPD柴油機可以通過燃油消耗特性圖和電子管理系統(tǒng)獲得最好的燃油經濟性。

      MT890系列柴油機動力裝置有純電傳動和機電傳動(EMT)兩種方案,裝備了其與德國ESW公司聯合開發(fā)的20~550kW飛輪啟動-發(fā)電機(FSG),可以用于24V車載電源的功率電子器件的電源和純柴-電車輛的動力電源。通過采用電離合器,任何柴油機機械傳動動力系統(tǒng)都可以升級為全混合動力。目前采用FSG的4R890和5R890已分別用于德國GEFAS4×4車輛和美國FCS的MGV的動力。

      德國ESW公司針對裝甲車輛和重型汽車對混合電傳動的需求,開發(fā)了水冷超級無刷磁電機,功率20~40 kW,集成整流器、皮帶驅動DC 20V,符合 MIL STD 461E和MIL STD 1275標準。這種先進技術已用于M113、DURO/YAK、EAGLE、FUCHS等裝甲車輛。

      9 結束語

      提高柴油機功率密度和實現小型化在國外受到極大重視,西方工業(yè)發(fā)達國家政府和工業(yè)部門都非常重視相關關鍵技術的研究工作,并制訂了功率密度和有效效率的發(fā)展目標。

      HPD柴油機是柴油機技術發(fā)展史上的一個重要的里程碑,為大幅度提高未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)的機動性、可部署性、生存能力和應用電磁炮、電熱、電裝甲、激光武器等新概念武器鋪平了道路。對于我國來說,積極探索和研究HPD柴油機技術具有至關重要的現實意義和長遠的戰(zhàn)略意義。

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