本篇文章给大家谈谈《稀燃预燃室发动机》对应的知识点，希望对各位有所帮助。

本文目录一览：

• 1、最高燃烧压力为30 MPa的新一代柴油及燃气发动机
• 2、沼气发电机单侧不做功
• 3、燃气发电机组启动后转身升不上去是什么原因?
• 4、航天飞机主发动机的推力
• 5、燃气发电机组发动机起动后转速升不上去怎么办？
• 6、航天飞机主发动机的发动机

最高燃烧压力为30 MPa的新一代柴油及燃气发动机

功率范围为500 kW~4 MW 的大型高速发动机仍是众多机械设备的主要动力来源。为了进一步提高其效率和功率密度，有必要将最高燃烧压力提高到30 MPa以上。AVL 公司结合设计方法，早期采用计算机辅助工程(CAE)技术，以及大量的仿真来验证这些解决方案，并将在单缸发动机上进行试验。

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 kW 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)。

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 kW~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 kW。

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 kW、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 kW 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 kW。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。

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。

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 ℃。

采用“自上而下”的冷却理念，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KSKolbenschmidt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1道活塞环区域及活塞顶外部区域得以充分冷却(图5)。

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2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/(kW·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。

9 结语和展望

为了进一步提高功率范围为500 kW~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。

注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第2期

作者：[德]?G.FIGER等

整理：李媛媛

编辑：何丹妮

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

沼气发电机单侧不做功

沼气发电机常见故障的原因与排除方法

（1）盘车转速不够。检查启动气压力及启动马达，调整启动气压力，使盘车的转速上升至正常速度。

（2）紧急停机按钮未复位或接地。检查仪表盘故障报警表的显示，复位停机按钮。

（3）点火模块无输出电流。检查点火模块的电源指示灯，检查进出模块的线束插口。检查动力缸点火线的回路接地情况。紧固线路或更换点火模块。

（4）淹缸。检查燃料气切段阀，关闭燃料气进口阀门，系统压力明显下降，证明燃气切断阀内泄露，燃料气过多进入缸内，造成淹缸。检修快速切断阀，或关闭燃料气进口阀门，待发动机升速后再打开。

（5）空气旁通阀未关闭。检查空气旁通阀。向下拉动执行拉杆将其手动复位。

（6）火花塞不点火。清洁火花塞及点火线圈，保证其干燥并接触良好。

（7）点火正时不对。用正时灯检查点火正时，通过调整点火模块的旋钮，恢复到正确的位置。

发动机启动后转速升不上去

（1）燃料气压力低或预燃室阀不工作。检查燃料气压力及阀门开度，如果压力低，缓慢提高压力；如果压力正常，检查预燃室电磁阀的工作及系统管路漏失情况。

（2）空气量不够。检查空气滤清器的进出压差，如果超标，需更换滤芯。检查空气管路漏失情况。检查涡轮增压器转子运转情况。

（3）调速器不工作。调速器不动作的原因是混合器蝶阀开度不够，调整或更换。

（4）动力缸温差大，多个缸不点火。清洁火花塞及点火线圈，保证气体干燥并接触良好。检查预燃室进气阀的工作情况，清除积炭，使阀芯开闭灵活。

（5）空燃比控制阀步进电机发卡。切断电源，将其拆下清洁。然后装好线束，送电检查其工作情况，调整正常后将其装回。

（6）混合器故障。混合器漏失或阀芯膜片破损或造成阀芯无法正常工作，影响燃料气的供给。整漏，清洁阀芯以及检查膜片。

转速波动

（1）发动机一个以上的动力缸点火不正常，间断点火或断火。检查火花塞、点火线圈、低压导线、预燃室进气阀等部件。

（2）燃料气压力波动或降低。检查变化原因，恢复正常值。

（3）压缩机负荷变化。调整压缩机，必要时要测试发动机功率，检查是否超负荷。

突然停机

（1）参数超标保护停机；检查故障显示表，找出故障发生点，排除故障。

（2）点火系统无输出或接地；检查点火模块电源指示灯及线束插口，检查各动力缸线路有无接地。

（3）紧急停机按钮接地；检查仪表盘、发动机上安装的紧急停机按钮应处于开路位置。

（4）燃料气压力太低。检查变化原因，恢复正常值。

（5）压缩机超负荷。检查进气压力，调整到正常值。

喘振

（1）空气滤清器滤芯脏，压差大。更换滤清器。

（2）空气旁通阀开度小或发卡。检查空气旁通阀执行器控制电路，检查连接球头。

（3）燃料气组份变化超标。检查各动力缸排气温度，检查其他机组的运行情况，及时调整供气参数。

（4）增压器故障。增压叶轮或涡轮沉淀物过多，增压的空气流动阻力大。中冷器或消声器脏，导致排气压力增长滞后于涡轮。

（5）混合器阀发卡或膜片故障。检查混合器阀芯的磨损及运动情况，检查膜片的破损情况。进行修复或更换。

动力缸排气温度高

（1）单缸不点火。检查故障缸的点火圈、火花塞及预燃室进气阀。

（2）空气滤清器堵。更换滤芯。

（3）燃料气组份变化。及时调整供气参数。

动力缸排气温度低

（1）点火正时提前。调大点火提前角。

（2）燃料气压力、组分变化。检查燃料气压力及组分变化情况。调整为正常值。。

水温超高

（1）动力缸排温高。检查燃料气压力变化情况，调整空燃比模块，减少燃料气的进气量。

（2）水箱缺水。给水箱加水。

（3）空冷器冷却效果差。检查冷却风扇电机电流，检查散热管束清洁度。清洁散热管束。

（4）机油温度高。检查机油升温原因，检查曲轴箱油位、油压及油质。

（5）水泵效率低。检查水泵压力及工作情况，检修恢复。

发动机典型故障及排除

上面所提到的“常见故障”是发动机在运行中经常发生的故障，也正是我们维护保养的内容。但是还有一些故障是要引起我们高度重视的，因为这些故障一旦发生，可能会对发动机造成致命的伤害。

发动机回火故障及排除

回火，是指发动机燃烧室正在燃烧的气体火焰引燃了进气管中的可燃混合气的现象。回火发生在机组运行的各个时期，发生前没有明显征兆，造成发动机突然停机，严重影响机组的运行。严重的回火有时造成混合器膜片损坏，维修难度和工作量都很大。

燃气发动机产生回火的原因有：

①混合气过浓；

②点火时问不正确；

③气门调整螺丝松动；

④发动机缸盖裂缝，其中混合气过浓所造成的回火最为常见。

解决回火问题

（1）由于天然气发动机回火具有偶然性、破坏性，容易造成发动机的混合器膜片损坏，机组突然停机，无法对回火现象进行控制和观察。分析膜片的损坏情况，发现膜片的定位方式有问题，仅靠6条螺丝紧固，至使膜片受力不均匀，容易松动和损坏。对此，提出将膜片用胶粘在混合器上的方法，让膜片边缘整体受力，这样就不易损坏。粘紧后的膜片很耐用，发现回火后，只要将压缩机卸载，回火就会减弱或消失。较强的回火可以直接停机，这样做可赢得观察和调整的时间。

（2）混合气浓度调整可以有效的避免回火现象的发生，在调整混合气浓度时，首先要将混合器的负载调节螺栓拧出5圈，待发动机加载后，逐步拧进两侧的负载调节螺丝，至发动机的混合器压力表指针向增加一方摆动时，再拧出半圈。

参考资料：

燃气发电机组启动后转身升不上去是什么原因?

燃气发电机组启动后转速升不上去:

（1）燃料气压力低或预燃室阀不工作。检查燃料气压力及阀门开度，如果压力低，缓慢提高压力；如果压力正常，检查预燃室电磁阀的工作及系统管路漏失情况。

（2）空气量不够。检查空气滤清器的进出压差，如果超标，需更换滤芯。检查空气管路漏失情况。检查涡轮增压器转子运转情况。

（3）调速器不工作。调速器不动作的原因是混合器蝶阀开度不够，调整或更换。

（4）动力缸温差大，多个缸不点火。清洁火花塞及点火线圈，保证气体干燥并接触良好。检查预燃室进气阀的工作情况，清除积炭，使阀芯开闭灵活。

（5）空燃比控制阀步进电机发卡。切断电源，将其拆下清洁。然后装好线束，送电检查其工作情况，调整正常后将其装回。

（6）混合器故障。混合器漏失或阀芯膜片破损或造成阀芯无法正常工作，影响燃料气的供给。整漏，清洁阀芯以及检查膜片。

航天飞机主发动机的推力

轨道器加工厂（OPF）中正在安装一号主发动机氧化剂和燃料的预燃室焊接在高温歧管上。电弧点火器位于喷射器的中央，这个双备份点火器由发动机控制器控制，在发动机启动后依次工作来点燃每个预燃室，大约三秒后，燃烧室能自我为继，点火器关闭。预燃室产生的高温富燃料气体用以驱动高压涡轮泵。氧化剂的预燃轮和预燃泵；燃料的预燃室的高温气驱动HPFTP的涡轮。

HPOTP和HPFTP涡轮的转速依赖于预燃室中控制氧化剂流量的阀门的开启程度，发动机控制器控制通过控制阀门开闭来达到控制推力的目的。氧化剂和燃料预燃室阀门共同作用，产生6:1的推进剂混合比。

燃气发电机组发动机起动后转速升不上去怎么办？

发动机起动后转速升不上去：

1、燃料气压力低或预燃室阀不工作。

2、空气量不够。

3、调速器不工作。

4、动力温差大。

5、混合气故障。

航天飞机主发动机的发动机

主发动机上共五个主阀门，分别位于氧化剂预燃室，燃料预燃室，氧化剂管，燃料管和燃烧室冷却剂管。阀门都是压力开启，并通过控制器控制的。在氦气保护系统出现压力异常时，阀门会完全关闭。

氧化剂和燃料的放泄阀是在发动机停车后开启的，剩余的液氢液氧由此被排泄到航天器外。排尽后阀门重新关闭。

关于《稀燃预燃室发动机》的介绍到此就结束了。