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高性能气缸盖的研发突破传统思维 高速大功率动力领域被进口品牌垄断

2021-08-17 16:55:23    来源:科技日报

位于青海省海南藏族自治州兴海县的鄂拉山隧道,海拔4400米,全长9330米,是世界最长的高原冻土公路隧道。

在4400米、零下15℃的高海拔、高严寒恶劣环境下,高速大功率发电动力一次启动成功并持续高效运行,为隧道用电提供支持,保障了维护人员的正常作业和来往车辆安全。

这项先进技术来自广西玉柴机器股份有限公司董事长高级技术顾问沈捷主持完成的“高速大功率低排放船用和发电用柴油机关键技术及应用”项目。该项目重点开发可满足IMO T3(国际海事组织制定实施的船舶机械第三阶段排放标准)和非道路国4(非道路移动机械执行的第四阶段排放标准)排放法规的高效节能环保发动机,填补国内200毫米缸径高速大功率发动机的空白,并推动中国船用及发电用柴油机先进技术的发展。

从海上船舶到通信系统,从公共系统到医疗教育,从重大工程到应急抢险,该项目产品广泛应用于各领域。近日,该科技成果获得了2020年度广西科学技术奖技术发明类一等奖。

高速大功率动力领域被进口品牌垄断

“我们的产品对可靠性要求非常高,只考虑进口品牌。”项目组在国产高速大功率柴油机前期市场调研过程中,客户曾这样回复。对此,广西玉柴机器股份有限公司副总工程师、船电动力研发所所长黄永仲记忆犹新。

近年来,随着社会经济的快速增长以及我国加快建设海洋强国和“一带一路”建设的实施,货船、渔船、工程船、客船和公务船等船舶对于大功率柴油机的需求量逐年增加,并且逐渐向大型化发展。

然而,在2013年以前,单机功率在1000千瓦以上的高速柴油机领域,大部分为卡特彼勒、康明斯、铂金斯和三菱重工等进口发动机品牌所垄断。

那时候,中国企业从国外引进高速柴油机许可证生产技术,要贴上国外企业的商标,而且每生产一台都要给许可证方交许可费。

“当时,国产大功率柴油机基本上都是生产许可证的形式,总体技术水平相对落后、功率覆盖不全以及系列化程度低等,部分关键零部件仍依赖进口。”黄永仲告诉科技日报记者。

痛定思痛,要打破对国外产品的依赖,研制具有自主知识产权的高速大功率柴油发动机势在必行。

作为我国国民经济和国防建设的重要基础产业和重大需求,内燃机产业技术密集、关联度高、产业链长。而高速大功率技术是柴油发动机领域的明珠,要想突破谈何容易。

“由于高速大功率柴油机在交通运输、工程机械、船舶及发电机组等领域用途的特殊性,在未来相当长的时间内,仍然会占据主导地位。”黄永仲说,同时随着产品系统电气化、产品发展智能化、能源排放绿色化的发展演进加快,传统内燃机行业面临着前所未有的挑战,只有不断突破技术瓶颈才可以实现可持续发展。

高性能气缸盖的研发突破传统思维

2013年,“高速大功率低排放船用和发电用柴油机关键技术及应用”项目立项。研发一开始,项目组就遇到了难题。

“这是我们第一次涉足200毫米缸径的大缸径柴油机,其中,气缸盖是最为重要的零件之一,设计开发难度大,牵涉到整机燃油经济性、油耗、可靠性问题。”广西玉柴机器股份有限公司C平台柴油机整机设计首席总师李伟说。

李伟介绍,当时国内的200毫米缸径及以上产品开发年代久远,强化程度低,难以做到1500rpm(转/分钟)乃至更高转速。直径200毫米高性能气缸盖的设计开发在国内没有成功经验可循,国外发动机厂家对于相关技术参数更是守口如瓶。

起初,项目组将气缸盖设计成摇臂轴支座与气缸盖分离式的传统结构,然而试验结果不尽人意,缸盖垫片存在密封不严渗漏问题。项目组用了整整两周时间进行了大量深入分析,并制定了几种方案。“而其中最让人寄予厚望的一种组合方案,在发动机500小时可靠性试验进行至470小时的时候,一个微小气泡的出现再次击碎了所有人的希望。”李伟说。

在大家一筹莫展之际,项目组一位成员提出来,能否仅将缸盖顶部缸盖罩密封面抬高处理,这样起到提高缸盖强度作用,又不至于增加太多重量。经过大家集中讨论之后,一致认为,该方案突破了传统思维,达到了一举多得的效果。

最终的试验结果没有让人失望。“连续两轮各500小时累计1000小时的可靠性试验过程中,没有再出现缸盖密封失效问题,市场小批投放累计使用10000余小时的实际应用也未出现渗漏问题,缸盖的密封问题得到圆满解决。”李伟说。

广泛应用于船舶和陆用发电领域

争分夺秒的火神山医院建设工地,通明不熄的灯火,标注了惊人的“中国速度”。

2020年2月2日,湖北省武汉市重点建设的两家集中收治新型冠状病毒感染者医院之一的火神山医院正式交付,用时不到十天。

在成千上万网友化身“云监工”关注的火神山医院建设工地,数十台配套高速大功率柴油机的发电机组为医院的工程建设和后续的正常运作提供充足的电源保障。部分机器从2020年1月底就投入使用,在外电接通供电前,作为常用电源,支持着火神山医院的各方面建设,连续无故障昼夜运营。

“为武汉市火神山和雷神山医院建设提供电力保障的发电机组就应用了项目研发的高速大功率低排放关键技术。”广西玉柴机器股份有限公司16VC/20VC柴油机整机设计高级主任工程师陈悦博士说。

陈悦介绍,项目独创性地发明了围栏式气缸盖结构和矩形框架式气缸套支撑结构,实现主架构优化,解决高功率密度发动机带来的结构变形、磨损和热疲劳等共性问题,实现高强度、轻量化和高可靠性,该专利技术为国内首创。同时,还发明了插入式电控单体泵技术,解决高速大功率柴油机调速性差、加载能力弱、响应慢、并机联动性差的技术难题,引领国内发电机组的瞬态加载、电控系统冗余和发电机组并机技术的发展,推动了行业技术的进步。

在高效清洁燃烧技术方面有哪些突破?陈悦表示,项目独创性地从燃烧系统匹配技术、四气门技术、高效增压技术和高效冷却技术等方面来实现性能优化,使得高速大功率柴油机的性能及排放控制达到与国外先进水平同步。

目前,船用市场方面,项目开发的YC6C、YC12VC、YC16VC等机型已广泛配套内河、近海及远洋船舶的主机和辅机,应用市场包括国内的各大内河流域和沿海各省市港口,以及欧洲地区等海外市场。陆用发电方面,相关平台产品可配套各种用途的高性能发电机组,并应用到政府机关、医院、大型商场、商务楼宇、商业中心和数据中心等。

“在前不久遭遇洪涝灾害的河南,相关发电机组为医院、居民小区等的正常运转提供用电保障,再次发挥了重要作用。”陈悦说。(记者 刘昊 通讯员 曹万万)

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