由于对排放与能效的限制、发动机开发效率和缩短研发周期的需求，使得研发前期需要更高精度的仿真预测模型，能考虑更复杂的相互关联的各组件影响，其中尤为重要的是活塞环组。由于催化再生需更高的废气温度，产生较晚的喷射正时，这可能导致燃料沉积在气缸壁上，由此产生的机油稀释会干扰发动机的整个摩擦系统。因此，了解活塞环组中详细的油输送现象必不可少。此外，增压发动机意味着对活塞环组的挑战越来越大，因为在发动机整个循环期间的较高压力会导致活塞环运动不顺畅，导致活塞环卡滞，影响润油的润滑和流动输送。 最近的研究集中在先进的一维模型和通过活塞环组件的准二维切割计算流体动力学（CFD）模拟，这些CFD模拟考虑了气体流量及活塞环组件中油的多相物性。上述方法都依赖于来自基于边界条件下一维活塞环运动的计算数据。此外，无论是否忽略环的固有特性，不能精确预测流量和活塞环之间的合理相互作用，也没有试验数据来匹配标定模拟结果。 克服这些限制意味着实现活塞环的动态受力平衡，以实现环组瞬态动力学计算。因此，在模拟期间必须实时考虑压力，摩擦，加速度，阻尼（由于油）和惯性力的力分量。考虑到这些力和活塞环的当前位置（需要跟踪当前活塞环位置）允许解决活塞环的运动方程。下一步是将准二维CFD模型扩展到完整的全活塞环组3D模型，包括环形间隙（可能反向或换向间隙位置）。 本文给出了相关力的必要方程和评价方法，以及将采用准二维切割法进行环动力学的实时耦合计算，并讨论了二维切割法的局限性，并将所得到的模型扩展到一个三维模型。基于这些模拟，环上的空间和时间分布力可以用于详细的环运动分析。此外，环上产生的力分量可评估三维现象产生的相互作用流动和移动环的可视化。最后，讨论当前方法的限制和进一步可能的改进反向。本文是在全新发动机配置中预测活塞环动态的可能性的必要步骤，以便尽早执行优化循环。 版权归CIMAC所有

本文主要研究了通过连接螺栓将活塞顶和连杆、活塞顶和活塞裙、冷却管和活塞杆。在实际工作条件下，活塞受到周期性燃气爆发压力、惯性力、热应力等条件的影响，螺栓的实际受力状况复杂，有必要研究影响螺栓寿命的主要因素。通过仿真计算有针对性地优化螺栓最大应力的位置，改进现有螺栓结构，提高了螺栓结构强度。将有限元软件用于此类柴油机活塞组热负荷和机械负荷的联合仿真，得到了螺栓组在预紧力、热负荷、惯性力、气压等条件下的应力情况，并且用FEMFAT软件计算得到螺栓组的安全系数和应变值。 版权归CIMAC所有

注：版权归CIMAC所有 开发极限负荷状态下工作的高负荷内燃机是市场日益增长的需求。现代发动机必须具有低油耗、高功率密度的特点以满足排放法规，此外，延长部件的使用寿命和缩短上市时间也是需求之一，最终达到减少开发周期和生产成本的目的。为此，硬件的验证阶段正逐渐被所谓的“虚拟”验证所取代，它是通过精确的建模和仿真工具来实现的，这样可以避开昂贵耗时的试验证，以及反复分析试错的过程。 本文主要介绍作为内燃机最关键部件之一的缸盖的验证方法。首先从燃烧室和不同气缸盖冷却区出发，确定热边界条件。结合气缸盖在其工作环境中的整体情况，对其应力分布进行分析，继而对其热机械疲劳和高周疲劳进行评定。本文还讨论了与铸造工艺、最终热处理相关的残余应力的影响。这些应力有可能是至关重要的，特别是在气缸盖的结构突变区，因此需要得到量化。为了提高耐久性评估的准确性，使用当前存在的一种微观结构模型来预测构件的材料和力学性能，一方面它能获得机械性能的正确分布，特别是在关键区域，另一方面，通过对不同气缸盖位置的材料试样试验，也可以方便地验证模型的预测结果。为应对上述所有的不确定性，这些多学科方法正在逐渐取代保守的传统方法。最后，本文简要介绍了利用迭代过程实现仿真工作流程以确定最佳设计的新趋势。

注：版权归CIMAC所有 内燃机的发展主要聚焦于燃油经济性和低排放方面。为达到目标，降低活塞组（由气缸套、活塞和活塞环组成）中的摩擦损耗具备巨大的潜力，这是因为它在发动机总摩擦损耗中占比高达50%[KES99]。头道活塞环作为主要摩擦来源之一，在压缩和做功冲程中所接触的压力非常高。ITV浮动缸套能够测量不同曲轴转角的活塞组摩擦力。根据活塞位置，可以获得不同的摩擦条件，通过改变摩擦系统，影响各种摩擦条件的产生。已有的研究表明，修改缸套表面可以减少不同冲程位置的摩擦。本文介绍了头道活塞环镀层的影响及其与不同润滑油规格的相互作用。 通过采用特殊设计的气缸套对某中型单缸柴油机进行改造，建立了浮动缸套系统。气缸套的顶部浮动在静压轴承中，而底部则建立在力传感器上。为了补偿燃烧气体对气缸套的影响，开发了一种包含复合密封垫圈的气体平衡方法。这使发动机在高达1300rpm转速和15.5bar有效平均压力下，研究者仍能分析不同曲轴转角的活塞组摩擦力。 为了进行摩擦学改进，本文研究了3种不同的活塞环镀层。第一种是铬铝氧化物镀层，第二种是铬金刚石镀层，第三种是金刚石碳镀层。镀层与润滑油的作用特性可以采用单级油和多级油进行测试。初步试验结果表明，金刚石基镀层对混合摩擦区有影响。尽管FMEP参数下降，但由于较小的流体动力学摩擦，摩擦力朝活塞上死点方向增加。通过使用单一等级的润滑油可将该缺点调节至正常水平，这表明为使活塞达到整个行程的最低摩擦水平，给活塞环匹配合适的润滑油是必要的。为了评估摩擦学特性及镀层与不同油规格之间的相互作用，采用不同的组合方式进行试验并对比它们的物理性能。 综上所述，采用不同曲轴转角的浮动缸套测量法可以检验头道镀膜环在活塞行程中的优缺点。除了FMEP之外，摩擦力信号还能提供更详细反映摩擦状态的信息。通过给活塞环匹配合适的润滑油，镀层的优势可以得到充分发挥以减小摩擦。

注：版权归CIMAC所有 活塞组件是船用柴油机的关键部件之一，通常在高速、高温、高压的苛刻环境下工作。活塞组件和气缸套间的摩擦学性能，包括润滑、摩擦和磨损等几个方面，对发动机的设计至关重要。它与柴油机的经济性、可靠性及使用寿命息息相关。因此，活塞组件的摩擦学研究在近年发动机的性能开发中受到越来越多的关注。 本文基于仿真分析和试验验证，从摩擦学的角度介绍了一种新型柴油机活塞组件的开发。活塞组件由活塞顶、活塞裙、活塞销和3个活塞环组成，失效形式表现为顶裙接触面的微动磨损、销与销座的磨损和拉缸现象。本文在设计阶段考虑了这些失效模式的影响因素。 在仿真分析阶段，活塞组件的摩擦学仿真在新型船用柴油机指定的工况下进行。通过流固耦合分析，得到活塞、活塞环和缸套的温度分布和变形情况，同时还计算评估了活塞顶和裙部之间的接触，活塞销和销座之间的接触。然后分析了活塞组件的摩擦动力学，从中可以获得活塞的二次运动及其摩擦性能，包括油膜厚度，摩擦损失和油耗。根据摩擦学分析，通过优化顶裙接触轮廓，优化销孔轮廓，降低缸套温度，降低环张力和优化裙部轮廓以改进活塞组件的设计。 试验验证环节在往复试验台和发动机试验台上进行。首先通过研究磨损系数和抗划伤性能，使用往复式试验台评估设计材料的选择和缸套珩磨参数。然后在2000h极限测试后，在发动机试验台上验证装有新型活塞组件的发动机的使用性能和耐久性能。耐久性试验后对活塞总成进行外观检查和参数测量。研究结果表明，根据上述方法开发的活塞组件达到了预期的设计目标。

注：版权归CIMAC所有 活塞环组件是内燃机的关键部件之一，主要起密封、导热等作用。活塞往复运动时，由于活塞环的开口间隙和环槽内间隙和背隙的存在，燃烧室中的气体将通过活塞环组件泄漏，当泄漏量超过一定值时，会给内燃机带来一系列不利影响。因此，研究内燃机的燃气泄漏通道及通道内的气体压力分布具有重大意义。本文根据孔径理论和质量守恒定律，根据各环槽结构的膨胀情况得到环槽内气体相应的压力分布，通过定量分析每个腔体的压力讨论气体泄露通道对活塞环润滑计算的影响。本文为活塞环的动态分析和优化设计提供了有效的依据。

注：版权归CIMAC所有 等离子喷涂镀层具有优异的耐磨和抗拉缸特性，目前被广泛用作低速柴油机活塞环外圈的标准镀层之一。近年来，市场对进一步改善活塞环镀层耐久性和粘附性的需求不断增长，以延长产品寿命。该种活塞环被应用在苛刻的工作环境下，比如配备在有废热回收系统的高功率发动机上。 为了满足这样的市场需求，曼恩公司挑战研究高耐久性活塞环镀层，并成功开发出采用HVOF喷涂方法的新型喷涂镀层。 在日本理研所，为了验证这种新型HVOF镀层方法作为活塞环表面处理技术的有效性，通过各种台架试验对上述提及的2种镀层方法形成的镀层膜性能进行对比和评估。 根据评价结果，与常规等离子镀层相比，HVOF镀层磨损量减少60％，镀层附着力提高了80％。抗拉缸性能是活塞环镀层所需的重要性能之一，但是在HVOF镀层的结果中，确认了与常规等离子喷涂镀层具有相当的抗拉缸特性。 通过对镀层材料和缸套材料在抗拉缸性试验中及试验后的温度、摩擦力矩等数据的进一步检测发现，常规等离子镀层与HVOF镀层在拉缸性质上存在差异。 在HVOF镀层的试验中，摩擦力矩在发生拉缸之前一直保持在极低的水平，在拉缸发生时上升。试验中HVOF镀层的缸套温度也低于传统等离子喷涂镀层。另一方面，常规等离子镀层的试验结果显示，随着接触载荷的增加，缸套温度和摩擦力矩增大，并且缸套温度达到HVOF镀层的1.35倍左右。 根据上述检测数据及对试验后各镀层和缸套材料的观察结果推断，镀层薄膜结构的不同会导致拉缸发生时的情况差异。对于传统的等离子镀层，摩擦热被认为是在试验初期产生的，镀层薄膜的细颗粒在试验过程中脱落，进而缸套材料被加热到高温引起油膜破裂，导致磨损发生。另一方面，在HVOF镀层由于镀膜颗粒之间的粘合力高，试验中几乎没有观察到细颗粒的脱落，并且由于镀层硬度高的影响，缸套表面变得类似于镜面。由此可知，当试验中摩擦表面不足以维持足够的油膜厚度时会导致油膜破裂，从而导致拉缸现象的发生。

本文介绍了埃克森美孚与Engineering和雪佛龙Oronite公司合作研究的成果。该研究使用相关的润滑剂特性和实验室数据模拟二冲程船用柴油发动机的润滑剂燃油经济性。测量的润滑剂特性包括摩擦和粘度等数据。以模拟潜在的发动机条件，包括测量摩擦的边界、混合和流体动力润滑等条件选择并设计实验室试验。在使用Bolnes发动机做完单一速度和负载验证概念试验之后，利用发动机硬件条件和操作条件为基础，为Enterprise试验发动机构建了另一个模型，该试验发动机是用于润滑剂开发的1/10比例单缸十字头柴油研究平台。Enterprise发动机具有更多参数，能够改变负载和速度，从而可以观察不同类型的润滑状态。 将相同的系统条件和气缸润滑油数据输入Enterprise燃油经济性模型，然后在Enterprise试验发动机中利用不同负载和速度进行测试验证。2种模型都能够获取润滑剂属性和实验室数据，并准确预测实际的发动机性能。在2个不同的发动机中验证该模型是否允许构建更复杂的模型，用于更好地预测大型船舶的某些发动机状况和润滑剂燃料经济性。 (版权归CIMAC所有)

无论发动机的使用年限如何，船舶安全和遵守安全法规对航运公司至关重要。在温度最高的发动机室中，过热的风险最大，可靠的防火对于保护人和机器至关重要。国际海事组织协调的研究表明，商船上30%至50%的火灾起源于机舱，其中超过50% (DNV数据)的火灾是由于热表面的漏油造成的。 “联合国海上人命安全公约”旨在预防此类致命事故，并为船上的消防安全提供可靠的监管框架。为此，它定义了能够确保所有船舶发动机安全运行的规范。其中一项重要规定为：防止油系统泄漏引起火灾的最佳方法是识别并清除或适当隔离所有潜在的着火源。对此，关键要保证暴露部件的表面温度不得超过220℃。许多燃料，如柴油或汽油的“最低自燃温度”约为250°C，但据报道MAIT最低值只有225°C。 用于涡轮增压器、燃油管路和排气系统的高效隔热系统有助于最大限度地减少火灾危险，因为它们复杂的几何形状覆盖并保护了各个关键部件。但是它们的有效性主要取决于其制造材料，特别是它们的设计方式。尽管多种不同类型的隔热材料已经安装应用于发动机舱中，但仍需更有效、更耐用的隔热系统来满足当前和未来提出的的安全标准。Thermamax公司凭借在过去40年中与全球领先的发动机设备制造商的众多项目合作，在高温隔热方面积攒了丰富的经验，能够在船舶发动机舱的安全领域做出重大贡献。凭借着完全密封的防喷罩和隔热罩，Thermamax模块化隔热外壳可有效防止易燃液体渗入。 在基于最近与美国邮轮公司联合进行、密切合作的改造项目基础上，本文将详细说明一种符合SOLAS标准的设计，制造和安装隔热材料解决方案所必须的各个项目阶段，在没有引擎图纸的情况下提供并详细说明此方案的各种技术与要求。 该项目首先利用包括热成像在内的技术手段检查发动机，以确定范围。由于发动机的使用年限未知，因此需要对发动机的相关部件（排气管、涡轮增压器、废气门、气缸盖、燃油管路）进行3D扫描。基于扫描数据，开发了发动机的3D CAD模型，为隔热罩的开发奠定了基础。创建虚拟模型后，拥有了开始开发过程的所有数据。根据客户要求（温度低于220°C，100°C或甚至60°C）和0D / 1D热计算，我们定义了隔热概念（隔热包层的材料和厚度）并进行了隔热的详细设计。为了验证最终的概念并最小化设计环路，首先完成对完整隔热系统的热模拟，以确保该概念在最终隔热组件的所有区域中都有效。另外，利用振动分析排除隔热包层的固有频率接近发动机的激励频率的可能性。通过对此进行校对，可以保证绝缘包层的长期耐久性。作为下一个里程碑，新的隔热罩由合格的装配人员生产并安装在发动机上，以确保做到最佳安装并能明确关注到可能存在的热点。最后，进行热扫描和振动测量以验证隔热罩是否适合用途。 将上述功能叠加，可以让整个行业提高任何柴油或天然气发动机的安全性，并不用考虑所使用的产品的品牌或年龄。 （版权归CIMAC所有）

最近，IMO正在加强船用发动机的温室气体排放法规。通过提高压缩比来提高热效率是为了适应温室气体排放法规而提出的一种解决方案。但是二冲程发动机的最佳压缩比随发动机工况的不同而不同，不涉及燃烧过程和燃料类型。 首先，发动机的压缩比受到全输出功率下最大燃烧压力的限制。与高输出功率相比，低输出功率时最大燃烧压力较低，因此可以提高低输出功率下的压缩比。而且可在部分输出功率下提高压缩比，提高热效率。二冲程发动机的膨胀比是根据扫气口开启时间来确定的，以保证在高输出功率下气缸内所需气体的量。在发动机输出功率低的情况下，与高输出功率相比需要的空气量较少，因此增加有效膨胀比是可行的。 其次，通过延迟扫气口的开启角，可以提高有效膨胀比，扫气口是由活塞通过开启的。该活塞通过扫气口时，可以通过改变活塞顶部位置以增加压缩比而延迟开启角。因此，通过改变活塞顶位置和压缩比，优化有效膨胀比，提高部分输出功率下的热效率。 最后，燃烧特性如着火延迟和燃烧速度随燃料成分的变化而变化。这些都会导致气缸压力的意外升高或不完全燃烧，增加NOx、THC、烟灰等排放，造成排气系统摩擦学问题及其他缺陷，这也与压缩比有关。因此，通过优化压缩比可以获得稳定的燃烧。 从这些点出发，为了根据发动机输出功率或燃料组成来实现最佳压缩比，DU & IHI公司为十字头式二冲程发动机设计了一种前所未有的可变压缩比(VCR)系统，该系统可以在发动机连续运行时改变压缩比。本文介绍了实现前所未有的VCR系统的机理，以及实现VCR系统所需要的关键设备技术。 通过在活塞杆与十字头销之间安装液压缸，改变十字头销与活塞杆的投影长度，建立了十字头二冲程发动机VCR系统。本文详细介绍了VCR系统的组成和发动机试验性能。液压腔内最大液压压力为100MPa，主要来自于燃烧压力。因此，考虑用新的密封圈来密封这种液压。此外，密封圈的使用寿命要求为4年。对多种密封圈材料和形状进行了初步测试，确定了满足上述要求的最优密封圈。 VCR系统由安装在十字头销上的液压系统进行液压操作，十字头销是往复运动的。往复运动由于止回阀和液压油的惯性力对液压系统产生影响。因此，在考虑惯性力的情况下对液压系统进行了仿真，并对液压系统的可靠性进行了研究。 因此，DU&IHI已经成功建立了VCR系统所需的关键设备技术，并将继续改进这些技术，以支持WinGD、DU和IHI之间的联合开发。 (版权归CIMAC所有)