清潔、高效、大功率 國產柴油“心臟”驅動船舶和發電機組

◎本報記者 劉 昊 通訊員 曹萬萬

位於青海省海南藏族自治州興海縣的鄂拉山隧道，海拔4400米，全長9330米，是世界最長的高原凍土公路隧道。

在4400米、零下15℃的高海拔、高嚴寒惡劣環境下，高速大功率發電動力一次啓動成功並持續高效運行，為隧道用電提供支持，保障了隧道維護人員的正常作業和來往車輛安全。

這項先進技術來自廣西玉柴機器股份有限公司董事長、高級技術顧問沈捷主持完成的“高速大功率低排放船用和發電用柴油機關鍵技術及應用”項目。該項目重點開發可滿足IMO T3（國際海事組織制定實施的船舶機械第三階段排放標準）和非道路國4（非道路移動機械執行的第四階段排放標準）排放法規的高效節能環保發動機，填補了國內200毫米缸徑高速大功率發動機的空白，並推動了中國船用及發電用柴油機先進技術的發展。

從海上船舶到通信系統，從公共系統到醫療教育，從重大工程到應急搶險，該項目產品廣泛應用於各領域。近日，該科技成果獲得了2020年度廣西科學技術獎技術發明類一等獎。

高速大功率動力領域被進口品牌壟斷

“我們的產品對可靠性要求非常高，只考慮進口品牌。”項目組在國產高速大功率柴油機前期市場調研過程中，客户曾這樣回覆。對此，廣西玉柴機器股份有限公司副總工程師、船電動力研發所所長黃永仲記憶猶新。

近年來，隨着社會經濟的快速增長以及我國加快建設海洋強國和“一帶一路”建設的實施，貨船、漁船、工程船、客船和公務船等船舶對於大功率柴油機的需求量逐年增加，並且逐漸向大型化發展。

然而，在2013年以前，單機功率在1000千瓦以上的高速柴油機領域，多被卡特彼勒、康明斯、鉑金斯和三菱重工等進口發動機品牌壟斷。

那時候，中國企業從國外引進高速柴油機許可證生產技術，要貼上國外企業的商標，而且每生產一台都要給許可證方交許可費。

“當時，國產大功率柴油機基本上都是引進國外技術的形式，總體技術水平相對落後，存在功率覆蓋不全以及系列化程度低等問題，部分關鍵零部件仍依賴進口。”黃永仲告訴科技日報記者。

痛定思痛，要打破對國外產品的依賴，研製具有自主知識產權的高速大功率柴油發動機勢在必行。

作為我國國民經濟和國防建設的重要基礎產業和重大需求，內燃機產業技術密集、關聯度高、產業鏈長。而高速大功率技術是柴油發動機領域的明珠，要想突破談何容易。

“由於高速大功率柴油機在交通運輸、工程機械、船舶及發電機組等領域用途的特殊性，在未來相當長的時間內，高速大功率柴油機仍然會佔據主導地位。”黃永仲説，同時隨着產品系統電氣化、產品發展智能化、能源排放綠色化的加快演進，傳統內燃機行業面臨着前所未有的挑戰，只有不斷突破技術瓶頸才可以實現可持續發展。

高性能氣缸蓋的研發突破傳統思維

2013年，“高速大功率低排放船用和發電用柴油機關鍵技術及應用”項目立項。研發一開始，項目組就遇到了難題。

“這是我們第一次涉足200毫米缸徑的大缸徑柴油機，其中，氣缸蓋是最為重要的零件之一，設計開發難度大，牽涉到整機燃油經濟性、油耗、可靠性問題。”廣西玉柴機器股份有限公司C平台柴油機整機設計首席總師李偉説。

李偉介紹，當時國內的200毫米缸徑及以上產品開發年代久遠，強化程度低，難以做到1500轉/分鐘（rpm）乃至更高轉速。直徑200毫米高性能氣缸蓋的設計開發在國內沒有成功經驗可循，國外發動機廠家對於相關技術參數更是守口如瓶。

起初，項目組將氣缸蓋設計成搖臂軸支座與氣缸蓋分離式的傳統結構，然而試驗結果不盡如人意，缸蓋墊片存在密封不嚴的滲漏問題。項目組用了整整兩週時間進行了大量深入分析，並制定了幾種方案。“而其中最讓人寄予厚望的一種組合方案，在發動機500小時可靠性試驗進行至470小時的時候，一個微小氣泡的出現再次擊碎了所有人的希望。”李偉説。

在大家一籌莫展之際，項目組一位成員提出來，能否僅將缸蓋頂部缸蓋罩密封面抬高處理，這樣起到提高缸蓋強度作用，又不至於增加太多重量。經過集中討論之後，團隊一致認為，該方案突破了傳統思維，達到了一舉多得的效果。

最終的試驗結果沒有讓人失望。“在連續兩輪各500小時累計1000小時的可靠性試驗過程中，沒有再出現缸蓋密封失效問題，市場小批投放累計使用10000餘小時的實際應用也未出現滲漏問題，缸蓋的密封問題得到圓滿解決。”李偉説。

廣泛應用於船舶和陸用發電領域

爭分奪秒的火神山醫院建設工地，通明不熄的燈火，展示了驚人的“中國速度”。

2020年2月2日，湖北省武漢市重點建設的兩家集中收治新型冠狀病毒感染者的醫院之一——火神山醫院正式交付，用時不到10天。

在成千上萬網友化身“雲監工”關注的火神山醫院建設工地，數十台配套高速大功率柴油機的發電機組為醫院的工程建設和後續的正常運作提供了充足的電源保障。部分機器從2020年1月底就投入使用，在外電接通供電前，作為常用電源，支持着火神山醫院的各方面建設，連續無故障晝夜運營。

“為武漢市火神山和雷神山醫院建設提供電力保障的發電機組就應用了項目研發的高速大功率低排放關鍵技術。”廣西玉柴機器股份有限公司16VC/20VC柴油機整機設計高級主任工程師陳悦博士説。

陳悦介紹，項目獨創性地發明了圍欄式氣缸蓋結構和矩形框架式氣缸套支撐結構，實現了主架構優化，解決了高功率密度發動機帶來的結構變形、磨損和熱疲勞等共性問題，實現高強度、輕量化和高可靠性，該專利技術為國內首創。同時，還發明瞭插入式電控單體泵技術，解決了高速大功率柴油機調速性差、加載能力弱、響應慢、並機聯動性差的技術難題，引領了國內發電機組的瞬態加載、電控系統冗餘和發電機組並機技術的發展，推動了行業技術的進步。

此外，項目在高效清潔燃燒技術方面也有所突破。陳悦表示，項目從燃燒系統匹配技術、四氣門技術、高效增壓技術和高效冷卻技術等方面來實現性能優化，使得高速大功率柴油機的性能及排放控制與國外先進水平同步。

目前，在船用市場方面，項目開發的YC6C、YC12VC、YC16VC等機型已廣泛配套內河、近海及遠洋船舶的主機和輔機，應用市場包括國內的各大內河流域和沿海各省市港口，以及歐洲地區等海外市場。在陸用發電方面，相關平台產品可配套各種用途的高性能發電機組，並應用到政府機關、醫院、大型商場、商務樓宇、商業中心和數據中心等。

“在前不久遭遇洪澇災害的河南，相關發電機組為醫院、居民小區等的正常運轉提供用電保障，再次發揮了重要作用。”陳悦説。