Niigata动力系统下一个百年的研发 9-新型柴油机的发展 Shinsuke Takahashi, Keitaro Hironak, Shoji Kato (Niigata电力系统有限公司) 摘要：Niigata动力系统将于2019年6月2日庆祝Niigata柴油机诞生100周年。自从1919年6月2日日本第一台船用柴油机M4Z在东京成功开发以来，Niigata一直在全球范围内供应柴油机。我们目前销售王牌，AHX系列发动机，旨在改善性能，同时达到IMO NOx第2阶段要求，并使该中速发动机在环境要求不断提高的情况下优化性能。直列式28AHX的开发始于2006年，第一台发动机于2010年交付使用。在28AHX的开发过程中，Niigata利用三维CAD进行设计，在发动机性能、结构、流体分析等方面采用了多种仿真技术，取得了良好的排放指标、燃油效率和瞬态性能。从那时起，Niigata在2012年为较小的发动机市场开发了17AHX，为较大的电力市场开发了V28AHX。继先前的HX和HLX系列的旗舰发动机之后，这些发动机在许多国家交付。此外，Niigata在28AHX的基础上，开发了28AHX-DF船用燃气发动机，并于2014年投放市场。现在，Niigata正在开发一款新型发动机，覆盖17AHX～28AHX之间的输出范围。新机型是一款四冲程中速柴油发动机，输出功率范围为1300～2300kW，直列6缸和8缸。考虑到船舶实际运行情况，正在研制的新型发动机，正在提高低负荷区的性能，并从现有HX型发动机的现场跟踪经验中得到反馈，从而达到了较高的可靠性和良好的维修性。考虑到要更换的发动机的最小尺寸，新发动机尺寸和重量减小的同时，增加平均有效压力，实现了超过25%的功率增加，其大小和重量几乎相当于HX型发动机。此外，作为Z-PELLER（我们的螺旋桨商标）的制造商，Niigata在拖船和OSV市场上占有很大的份额，功率范围覆盖500～4500马力。Niigata有一个优势，作为我们的原始产品，结合主发动机和推进器提供推进系统。新发动机的开发使我们能够在所有的输出范围内提供一个系统，它结合了操作界面友好的AHX型发动机和Z型发动机。此外，Niigata正专注于系统集成。2012年，Niigata在日本第一艘混合推进拖船“Tubasa”配装了混合推进系统。全球首次在拖轮上采用锂离子电池，实践证明，在实际运行中，可以降低30%以上的燃油消耗。2015年，Niigata在日本除液化天然气运输船外的第一艘天然气燃料船“Sakigake”号拖轮使用了一个推进系统，其中包括28AHX-DF。在“Sakigake”,中，采用了发动机直接驱动固定螺距螺旋桨，这是世界上第一个使用燃气发动机的案例。随着28 AHX-DF的高瞬态性能表现，证明了与柴油机有着几乎相同的工作性能。通过这些系统集成技术，将双燃料发动机与混合动力系统相结合，可以实现更高的瞬态性能，并降低环境成本。在柴油机发展史上，我们将在百年之际推出AHX系列，我们的柴油机将在未来继续发展。目前，继承AHX的技术和技术诀窍，寻求更高性能的下一代AHX系列的开发正在进行中。另一篇文章中宣布了这一发展的另一部分，Niigata的下一代发动机将在不久的将来推向市场。 关键词：AHX系列发动机、系统集成 译者简介： 王哲（1984），中国船舶重工集团公司第七一一研究所研发中心，工程师； 研究方向：船用柴油机设计研发；E-mail：13589592805@163.com。 翻译：王哲 校对：胡军强 版权归CIMAC所有

MAN Energy Solutions (MAN ES)开发了两种吸引人的发动机型- 满足TierIII排放要求的23/30DF和28/32DF双燃料发动机。这两款机型在结实且经良好应用验证的机型基础上，简单而巧妙地设计，使其升级到具备双燃料(DF)能力。随着2020年硫限令的推行以及国际海事组织要求在2050年温室气体排放量减少50%，以液化天然气作为燃料，采用奥托循环是一种很有前途的方法。双燃料(DF)发动机使用最少量的液体微喷引燃油作为点火源。虽然对全工况优化控制的燃油系统实行只喷少量的引燃油是很困难的事，但控制引燃油量少量微喷是一个关键，以限制NOx 排放在IMO TierIII限值以下。到目前为止，这只能通过采用独立的微喷引燃油系统或新的高压共轨技术来实现。两种方法对机器的制造成本、燃油系统的成本以及使用维护成本都有相当大的影响。而且在改造项目中，很难应用这种新的技术。新型23/30DF和28/32DF双燃料发动机利用传统的主喷油器，在气体运行模式下以智能化模式实现少量微喷燃油。本文着重论述了在市场上是独一无二的喷油系统的设计开发。两款发动机型性能表现见试验台架数据。

非公路应用，如机车、矿用卡车、内河运输船、渡轮或拖船每年运作数千小时，需要可靠性强，成本经济的内燃机。如今，这些应用大多采用柴油发动机。但渐渐收紧的排放法规和有限的石油储量导致发动机更加复杂，成本更高。这就引出了一个问题:压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)是否可成为柴油的替代燃料?从可用性、基础设施、成本和排放来看，将来从柴油转向天然气是值得好好讨论的。动机很明确，但不足也很大:天然气设备的可用性(加油设备、储罐、发动机)、天然气运行使用经验(加油、运维）及明确的规章制度。本文将论述一种基于4000系列柴油和天然气的2MW的气体发动机设计开发。我们将解释为什么这款产品在船舶应用方面尤其有前途。文中将介绍天然气供应和注入系统等设计的改进提高，也会讨论安全问题以及在机器上的设计实现。台架试验结果将展示满足排放要求的典型船舶应用性能。 译者简介： 鄢岚（1979），中国船舶重工集团公司第七一一研究所研发中心， 高级工程师； 研究方向：柴油机及气体机产品开发；E-mail：yanlan@csic711.com。 翻译：鄢岚 校对：胡军强

燃气发动机在分布式发电、油气压缩和船舶推进等领域的应用越来越广泛。机器性价比高，动力可靠、油耗低，且符合相关排放法规是这些应用共同的要求。为了最大限度地提高发动机效率，同时满足排放标准，燃料供给的预燃室燃烧系统显示出高效率。然而，这样的系统需要燃料供给装置、压缩装置和控制装置，而显得相当复杂。这种复杂性增加了成本和降低了可靠性。相比之下，被动式预燃室系统依靠活塞的动量和主燃烧室流动动态来提供富天然气混合，满足了可靠性和成本目标的要求，但对于大缸径发动机 (大于170mm)来说这种形式的预燃室能量不够。 本文描述了一种基于大缸径、高BMEP的天然气船用发动机采用的新颖方法，用于提高先进的被动式预燃室的燃烧性能和火花塞可靠性。详细讨论了关键系统属性，包括使用多个非对称被动式预燃室和缸内分层空气燃料的形成混合分布。此外，还讨论了采用高保真燃烧CFD进行测定进气口、活塞顶和被动式预燃室的适当几何形状。最后，讨论了在发动机效率、燃烧稳定性和排放权衡方面的预期结果。 译者简介： 鄢岚（1979），中国船舶重工集团公司第七一一研究所研发中心， 高级工程师； 翻译：鄢岚 校对：胡军强

当今排放限制变得更加严格。许多制造商已经推出了船用气体发动机。船用气体发动机的天然气运行与燃油运行相比具有较低的NOX，CO2排放更低，效率也更高。上海船用柴油机研究所开始研制船用燃气发动机M23G从2014年开始发展。M23G是在中速四冲程柴油机CS21基础上开发的，该柴油机2017年已投入拖轮上应用。M23G发动机是稀薄燃烧、带预燃室的火花塞点燃的气体发动机。其缸径230毫米，冲程320毫米，单缸额定功率200kW，额定转速为1000rpm，热效率高，NOX排放低。空燃比控制是由废气旁通阀和每缸安装的节气门来实现的。为实现良好的瞬态响应，采用了小涡轮来满足空气要求，采用了废气旁通阀来调节高负荷时的增压压力。燃气喷射阀安装在每缸的进气口，这种多点喷射的方式增强了对各缸燃气喷射和燃烧的控制能力。预燃室和火花塞点火提供稳定的高点火能量。本质安全型设计如双壁管等降低了对船舶机舱的要求在气体检测、通风等方面，降低了机舱的制造成本。 本文介绍了M23G气体发动机的最新发展概况，发动机性能和工作范围。燃烧相关零件设计,本文还将介绍空燃比控制和发动机安全系统设计、及气体发动机的试验结果。

注：版权归CIMAC所有 对于内燃机来说，气体燃料在从液体燃料向CO2中性可再生燃料过渡的过程中起着重要的作用。通过合理的手段可以减少排放，且天然气易于获取。此外，将天然气与液体燃料（如船用柴油）结合使用的灵活性使其更具吸引力。因气体发动机具有能快速启动、效率高、稳定的特点使其可以作为风力发电的补充，从而稳定电网。 随着发动机效率的不断提高， PFP（超过200bar和超过20MPa的BMEP）也相应不断提高，导致发动机一些零件面临挑战，尤其是轴承。 应用于气体机的燃料配方较单一，一般采用低SAPS配方，这将减少燃烧室中燃烧产物的沉淀，这些沉淀是燃烧过程不稳定的原因之一。 充分的氧化稳定性和酸的缓冲能力是此类油的一个挑战。 在这样的发动机中，在最初的3000个工作小时内，我们发现氧化值迅速增加，TBN显著下降。低特定的成分比例和换油时间延长（只是补充消耗的换油，而不是更换滑油）均加速了油的快速老化效应。与高轴承负荷相结合（峰值油膜压力），导致铅镀层的穴蚀，进而显著降低使用寿命。 本文通过化学分析、光学显微镜和扫描电镜的方法对100台柴油机轴承进行调查研究，确定了轴承穴蚀的机理，在试验平台上进行新旧油轴瓦穴蚀状态，来支撑这一机理。最后，推导出一个分析公式来预测特定发动机应用和运行状态下的轴瓦穴蚀风险。 理解这些现象并能够预测风险对客户来说非常重要。然而，更重要的是提出补救措施，以克服这些缺点。为此，对关键部位的轴承材料配方进行了调整，并对涂层进行了修改。与此同时，通过在客户机器上进行运行测试，证实了上述补救措施的有效性。

注：版权归CIMAC所有 柴油机曲轴轴瓦的装配，需凭借适当的过盈量产生必要的装配应力，来保证轴瓦与座孔紧密贴合，以传递轴承负荷和摩擦产生的热量。如贴合情况不好，就会使瓦背与座孔表面高频微幅错动，产生“微动磨损”。这有可能会由于散热不良而导致油温升高、最小油膜厚度减小、最大油膜压力增加，甚至因热膨胀而使润滑间隙完全消失，导致轴瓦粘咬而早期失效；严重时会出现裂纹甚至钢背断裂，导致柴油机发生严重故障。 某V型柴油机连杆轴瓦在试验早期拆检过程中，发现上瓦瓦背瓦口边缘存在因微动磨损导致的材料转移现象。针对该故障主要从轴承座孔圆度及圆柱度差、轴瓦半径周长过盈量不足、座孔与瓦背相容性差或热膨涨差别过大、轴承座孔连接螺柱预紧力不足等方面进行了分析排查，认为造成本次微动磨损的主要原因是轴瓦半径周长过盈量不足。三维有限元计算结果表明增加高出度微动磨损情况会得到改善，但高出度需在满足装配应力和轴瓦刚度的合理范围内确定，通过三维有限元软件模拟轴瓦真实受力状态，通过改变轴瓦材料、高出度、螺栓预紧力等不同变量参数，得到轴瓦高出度的合理范围。针对不同钢背材料、不同高出度、不同螺柱预紧力设计了轴瓦试验验证方案，结合计算结果，经单缸机匹配试验验证，最终确定了合适的钢背材料及高出度，成功解决了微动磨损问题。

注：版权归CIMAC所有 连杆作为发动机关键传动部件，承受着较大的重量和变载荷的影响。随着发动机向高爆压、高功率密度方向发展，连杆部件更容易出现疲劳失效。通常表明,轴瓦与连杆油道之间的接触区域及连杆大端的过渡区域是容易产生裂纹的起点。本文对低速机连杆这两个关键区域的疲劳特性进行了分析。首先，为了得到减小轴瓦应力的优化方法，采用有限元的方法设计分析了轴瓦的应力值与粗糙度之间的关系，得到了表面摩擦系数与轴瓦应力的线性关系。因此，在连杆总成的设计中，可以适当地增加接触面的粗糙度以减小轴瓦的应力值，而不损害油膜。轴瓦磨损引起的疲劳损伤的可能性很大程度得到了降低。其次，探讨了一种低速柴油机连杆的应力强度及疲劳安全系数的普遍规律，对不同载荷下连杆组件进行了仿真。根据试验数据，对传统安全系数公式进行修正，拟合出适用油槽边、小端过渡区、大端过渡区安全系数计算公式，并将其作为安全系数的校核规则。为连杆结构的优化设计提供了一种快捷方便的疲劳检测方法。最后为了验证有限元模拟方法的适用性，对实际尺寸的连杆试验件进行了强度试验验证，仿真结果与实验结果吻合较好。低速发动机连杆的经验公式对安全系数有较好的预测。

注：版权归CIMAC所有 轴颈轴承是将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动而设计的。它们必须足够坚固，在其承受的载荷作用下不出现疲劳破坏。在发动机720度的燃烧循环中，在不同的润滑条件下能抵抗磨损，同时又不能太硬，以适应装配和操作过程中同轴度误差的影响，并具有良好的嵌入性能，而不划伤轴颈。 目前中高速柴油机发展趋势要求发动机零部件具有要求更高的环境适应性。随着涡轮增压技术的广泛使用和柴油机转速的提高，以及为降低NOx排放的需求，要求燃油效率不断提高，均导致柴油机运行负荷超过目前许多正在使用的轴瓦材料性能极限。 为了满足发动机的要求，现代轴颈轴承一般由合金层复合在钢背上的形式，合金层由铜基或铝基合金形成的。合金层作用是为了提供高承载性、减小摩擦，能够承受轴承在使用过程中承受的载荷。在金层的顶部沉积一层软覆盖层，以提高其嵌入性和一致性。然而在发动机运行过程中由于疲劳、磨损、腐蚀和气蚀或这些因素的联合作用下，覆盖层可能会消失，导致合金部分或完全暴露于轴颈上。因此，在许多情况下，表面覆盖层的寿命在许多情况下可能直接决定了轴瓦的寿命。 为了满足行业的需求，日本大同公司最近开发了一种用于中高速柴油机应用的新型锡基覆盖涂层体系结构。所述轴承覆盖层包括优化的多层涂层结构，该结构可在较高的使用负荷下延长轴承寿命，并增强摩擦学性能，以提高燃油效率和减少排放。 随后对锡基多层覆盖层结构进行了3个层次的试验，验证了其在各种条件下的性能： 1) 发动机台架试验，包括疲劳、磨损、整合性和可嵌入性试验，以确定轴承关键性能； 2) 单缸发动机耐久性和鲁棒性试验，验证轴承在使用中的性能； 3) 摩擦学试验，观察摩擦行为； 结果表明，在不影响系统的兼容性和可嵌入性情况下，该复合镀锡层的疲劳强度和耐磨性较单一镀锡层有显著提高。结果还证明，多层过氧化物涂层具有较好的摩擦学性能，有助于实现提高燃油效率和降低排放的环境和经济目标。 此外，在开发过程中还观察到一个独特的现象，即多层覆盖层是一种自适应的涂层系统，它可以从分层结构过渡到良好的复合材料结构，从而在发动机运行期间提供更强的保护。

注：版权归CIMAC所有 柴油机连杆的大端通常采用斜切口结构，因为它适合于柴油机的维修和小型化。我们现在正在进行开发测试，以生产下一代基于这种结构连杆的高输出发动机。但在高输出功率发动机试验过程中，发现在连杆螺栓根部产生应力集中进而引起疲劳断裂。然而，我们注意到，在造成损伤之前，载荷循环已经超过1000万次，而且内部螺纹设计确保了足够的疲劳安全系数来抵御这种外力。鉴于此，我们的结论是，在初始操作阶段，疲劳强度的设计没有问题。我们认为，发动机长期运行后，存在一些诱发疲劳断裂的因素。通过显微镜观察发现，损伤区附近的螺纹面已经磨损到改变螺纹根部应力分布的程度。这是导致发动机长期运行后疲劳断裂的主要因素。为了阐明磨损时上述连杆螺栓周围的应力变化情况，我们进行了数值分析。结果发现，对于斜切口连杆在施加气缸压力时，裂纹起始点附近内螺纹啮合区域的滑移量最大，且该区域容易产生高压。因此,当施加气缸压力时，摩擦损失能量最大，磨损过程在这段时间内进展最快。同时用摩擦损失能量分布情况解释试样的磨损分布趋势。本文研究了斜切口连杆的内螺纹损伤过程，这种损伤机理对其他承受相似载荷和工况的发动机零部件的损伤评估具有一定的借鉴意义，可为下一代高输出发动机的研制提供参考。