項目獨創(chuàng)性地發(fā)明了圍欄式氣缸蓋結(jié)構和矩形框架式氣缸套支撐結(jié)構，實現(xiàn)了主架構優(yōu)化，解決了高功率密度發(fā)動機帶來的結(jié)構變形、磨損和熱疲勞等共性問題，實現(xiàn)高強度、輕量化和高可靠性，該專利技術為國內(nèi)首創(chuàng)。
——陳悅 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
位于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(huán)境下，高速大功率發(fā)電動力一次啟動成功并持續(xù)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(yè)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(fā)電用柴油機關鍵技術及應用”項目。該項目重點開發(fā)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(zhí)行的第四階段排放標準)排放法規(guī)的高效節(jié)能環(huán)保發(fā)動機，填補了國內(nèi)200毫米缸徑高速大功率發(fā)動機的空白，并推動了中國船用及發(fā)電用柴油機先進技術的發(fā)展。
從海上船舶到通信系統(tǒng)，從公共系統(tǒng)到醫(yī)療教育，從重大工程到應急搶險，該項目產(chǎn)品廣泛應用于各領域。近日，該科技成果獲得了2020年度廣西科學技術獎技術發(fā)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(chǎn)品對可靠性要求非常高，只考慮進口品牌。”項目組在國產(chǎn)高速大功率柴油機前期市場調(diào)研過程中，客戶曾這樣回復。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(fā)所所長黃永仲記憶猶新。
近年來，隨著社會經(jīng)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于大功率柴油機的需求量逐年增加，并且逐漸向大型化發(fā)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(fā)動機品牌壟斷。
那時候，中國企業(yè)從國外引進高速柴油機許可證生產(chǎn)技術，要貼上國外企業(yè)的商標，而且每生產(chǎn)一臺都要給許可證方交許可費。
“當時，國產(chǎn)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后，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(chǎn)品的依賴，研制具有自主知識產(chǎn)權的高速大功率柴油發(fā)動機勢在必行。
作為我國國民經(jīng)濟和國防建設的重要基礎產(chǎn)業(yè)和重大需求，內(nèi)燃機產(chǎn)業(yè)技術密集、關聯(lián)度高、產(chǎn)業(yè)鏈長。而高速大功率技術是柴油發(fā)動機領域的明珠，要想突破談何容易。
“由于高速大功率柴油機在交通運輸、工程機械、船舶及發(fā)電機組等領域用途的特殊性，在未來相當長的時間內(nèi)，高速大功率柴油機仍然會占據(jù)主導地位。”黃永仲說，同時隨著產(chǎn)品系統(tǒng)電氣化、產(chǎn)品發(fā)展智能化、能源排放綠色化的加快演進，傳統(tǒng)內(nèi)燃機行業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，只有不斷突破技術瓶頸才可以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
高性能氣缸蓋的研發(fā)突破傳統(tǒng)思維
2013年，“高速大功率低排放船用和發(fā)電用柴油機關鍵技術及應用”項目立項。研發(fā)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(fā)難度大，牽涉到整機燃油經(jīng)濟性、油耗、可靠性問題。”廣西玉柴機器股份有限公司C平臺柴油機整機設計首席總師李偉說。
李偉介紹，當時國內(nèi)的200毫米缸徑及以上產(chǎn)品開發(fā)年代久遠，強化程度低，難以做到1500轉(zhuǎn)/分鐘(rpm)乃至更高轉(zhuǎn)速。直徑200毫米高性能氣缸蓋的設計開發(fā)在國內(nèi)沒有成功經(jīng)驗可循，國外發(fā)動機廠家對于相關技術參數(shù)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(tǒng)結(jié)構，然而試驗結(jié)果不盡如人意，缸蓋墊片存在密封不嚴的滲漏問題。項目組用了整整兩周時間進行了大量深入分析，并制定了幾種方案。“而其中最讓人寄予厚望的一種組合方案，在發(fā)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(xiàn)再次擊碎了所有人的希望。”李偉說。
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，又不至于增加太多重量。經(jīng)過集中討論之后，團隊一致認為，該方案突破了傳統(tǒng)思維，達到了一舉多得的效果。
最終的試驗結(jié)果沒有讓人失望。“在連續(xù)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(xiàn)缸蓋密封失效問題，市場小批投放累計使用10000余小時的實際應用也未出現(xiàn)滲漏問題，缸蓋的密封問題得到圓滿解決。”李偉說。
廣泛應用于船舶和陸用發(fā)電領域
爭分奪秒的火神山醫(yī)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(yī)院之一——火神山醫(yī)院正式交付，用時不到10天。
在成千上萬網(wǎng)友化身“云監(jiān)工”關注的火神山醫(yī)院建設工地，數(shù)十臺配套高速大功率柴油機的發(fā)電機組為醫(yī)院的工程建設和后續(xù)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，支持著火神山醫(yī)院的各方面建設，連續(xù)無故障晝夜運營。
“為武漢市火神山和雷神山醫(yī)院建設提供電力保障的發(fā)電機組就應用了項目研發(fā)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悅博士說。
陳悅介紹，項目獨創(chuàng)性地發(fā)明了圍欄式氣缸蓋結(jié)構和矩形框架式氣缸套支撐結(jié)構，實現(xiàn)了主架構優(yōu)化，解決了高功率密度發(fā)動機帶來的結(jié)構變形、磨損和熱疲勞等共性問題，實現(xiàn)高強度、輕量化和高可靠性，該專利技術為國內(nèi)首創(chuàng)。同時，還發(fā)明了插入式電控單體泵技術，解決了高速大功率柴油機調(diào)速性差、加載能力弱、響應慢、并機聯(lián)動性差的技術難題，引領了國內(nèi)發(fā)電機組的瞬態(tài)加載、電控系統(tǒng)冗余和發(fā)電機組并機技術的發(fā)展，推動了行業(yè)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。陳悅表示，項目從燃燒系統(tǒng)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(xiàn)性能優(yōu)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(fā)的YC6C、YC12VC、YC16VC等機型已廣泛配套內(nèi)河、近海及遠洋船舶的主機和輔機，應用市場包括國內(nèi)的各大內(nèi)河流域和沿海各省市港口，以及歐洲地區(qū)等海外市場。在陸用發(fā)電方面，相關平臺產(chǎn)品可配套各種用途的高性能發(fā)電機組，并應用到政府機關、醫(yī)院、大型商場、商務樓宇、商業(yè)中心和數(shù)據(jù)中心等。
“在前不久遭遇洪澇災害的河南，相關發(fā)電機組為醫(yī)院、居民小區(qū)等的正常運轉(zhuǎn)提供用電保障，再次發(fā)揮了重要作用。”陳悅說。
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