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以前设计过的发动机 [复制链接]

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发表于 2020-5-27 13:02:11 |显示全部楼层

                                                      设计,大开眼界

我叫邢凯杰DANIEL.XING,我在SAIT (南阿尔伯塔理工学院(Southern  Alberta Institute of Technology)作为一名重型维修设备的学生,如今,我加入了设计一款全新的柴油发动机,John Deere和利勃海尔作为合作方,他们的目标很简单,要一台16.8升(最大不能超过16.8)升排量,要达到V12柴油机的动力,因为随着农业和施工机械要求动力越来越高,但如果使用一台12缸柴油机,发动机舱就需要重新设计,甚至要做双排气管,双消声器,双后处理系统,对于农业设备来说,那是不可忍受的重量。这款发动机命名为Genesis,利勃海尔和JOHN DEERE希望未来这一款发动机可以搭载很多工程机械,而且更低噪声,更低排放,更高功率输出,更长寿。而且他们愿意投入一切供应商信息以满足我们要求。

柴油机提升功率不难,但我们不是玩赛车,而是工程机械:

也许很多人说加几个涡轮增压,换供油系统,加加减减,一台爆发式发动机就出现了,但大佬,你系咪玩野呀,你赛车发动机出了故障可以换,但你工程机械要运行成千上万小时,而不是今日出勤明天维护,而且要在达到变态程度的恶略环境运行,就像张国荣那首(春夏秋冬),我们的目标是发动机至少达到35000小时无需大修维护,换作一辆车,跑了350万千米。


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发表于 2020-5-27 13:02:45 |显示全部楼层

V还是直列?

在设计初期,我们就要考虑到是否采用V或者是直列,小容量气缸还是大容量气缸,哎,因为AGCO出了款1216.8升发动机,但如果采用V缸,气门设计就要用推杆(PUSH ROD)油门响应比顶置凸轮轴慢,而且难维护,而内置凸轮轴V缸设计涉及到很多传动部件(例如滑轮。推杆,蘑菇头),维修起来很麻烦,而且V型设计考虑到发动机后排其处理系统也要双,消声器也要双,所以直列六缸是比较合适的,因为要达到极为严格的TIER4 甚至将来的TIER 5排放标准(也许不会发生),现在新型柴油发动机不允许冒黑烟,甚至连小故障都需要报告,也许一款16.8升发动机即将推出,16.8直列6缸意味着每个气缸为2.8升,没错一款全新的16.8升发动机要诞生了。

一切从缸体开始:

既然马力和扭矩都需要那么大,普通灰口铸铁,恐怕不是一个明智的选择,Compacted Graphite I Iron(蠕墨铸铁)可以说是一个明智的选择,蠕墨铸铁可以在和同质量的灰口铸铁相比,可以提升25%的强度,这个强度可以使发动机马力进一步提升,Genesis 16.8升发动机采用了蠕墨铸铁的汽缸体和汽缸盖,而曲轴,凸轮轴,甚至连杠也是球墨铸铁,如此大规模使用使Genesis 16.8升发动机成为全球第二款采用这种材料的发动机,第一款是来自瑞典的SCANIA (斯堪尼亚)

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发表于 2020-5-27 13:05:58 |显示全部楼层

喷油嘴:更高效的燃烧


柴油发动机使用压缩启动方式,就是当活塞压缩空气,到非常高的温度时候,喷油器喷出雾化后的柴油,之后把活塞往下推产生推力,发动机雾化越好,燃烧就越充分,越少污染排放物,新的Genesis柴油机采用了全新共轨系统 Stanadyne,,新的Stanadyne共轨系统可以使根据发动机工作负荷,从而可改变燃油喷射压力(1065BAR3000BARGenesis的喷油嘴采用了8孔设计,以更好地全方位喷射,而且高压喷油系统可以提升在冷启动环境性能,包括甚至在零下50度。


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发表于 2020-5-27 13:07:13 |显示全部楼层

液压气门间隙调节:

Genesis柴油发动机采用了双顶置凸轮轴(Double Over Head Camshaft)设计,以及4气门设计,包括2个进气气门,2个排气气门,而且比竞争对手的V型发动机油门响应时间提升了50%

普通柴油发动机每2000小时,就需要调整一次气门间隙,但Genesis采用了液压调整系统(使用机油),这使得Genesis柴油机无需在35000小时期间无需拆开发动机罩进行气门调节,这可以使得客户把发动机舱设计的更加紧凑,以及当发动机安装到机械上后,气缸盖上方的空间可以更有效地利用,尾气后处理系统的安装位置可以尽可能的靠近发动机(甚至在发动机之上)这对于用户来说极为重要,因为他们的设备要尽可能出勤以创造营收,而对于机械制造商(OME,可以减少他们设计新款设备的麻烦。

例如,每年在收割季节,拖拉机和收割机尽可能要保持24小时运行和不间断作业,发动机关闭时间几乎只有加油,或者更换配置,调整一次气门间隙,拆,调整,装需要花掉12小时,加上现代发动机有后处理系统,加上一大堆电子系统,停机时间会更长,而不调整气门间隙可能会导致发动机动力损失(燃烧不完全),启动困难,甚至导致气门,摇臂损害,得不偿失。


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发表于 2020-5-27 13:09:47 |显示全部楼层

液压气门间隙调节:

Genesis柴油发动机采用了双顶置凸轮轴(Double Over Head Camshaft)设计,以及4气门设计,包括2个进气气门,2个排气气门,而且比竞争对手的V型发动机油门响应时间提升了50%

普通柴油发动机每2000小时,就需要调整一次气门间隙,但Genesis采用了液压调整系统(使用机油),这使得Genesis柴油机无需在35000小时期间无需拆开发动机罩进行气门调节,这可以使得客户把发动机舱设计的更加紧凑,以及当发动机安装到机械上后,气缸盖上方的空间可以更有效地利用,尾气后处理系统的安装位置可以尽可能的靠近发动机(甚至在发动机之上)这对于用户来说极为重要,因为他们的设备要尽可能出勤以创造营收,而对于机械制造商(OME,可以减少他们设计新款设备的麻烦。

例如,每年在收割季节,拖拉机和收割机尽可能要保持24小时运行和不间断作业,发动机关闭时间几乎只有加油,或者更换配置,调整一次气门间隙,拆,调整,装需要花掉12小时,加上现代发动机有后处理系统,加上一大堆电子系统,停机时间会更长,而不调整气门间隙可能会导致发动机动力损失(燃烧不完全),启动困难,甚至导致气门,摇臂损害,得不偿失。


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发表于 2020-5-27 13:11:06 |显示全部楼层

涡轮增压器:

Genesis采用了双级涡轮增压设计,包括可变截面涡轮增压器(VGT, 以及一款全新设计的齿轮涡轮增压通过齿轮连接曲轴,这款涡轮增压系统可以使其可以提供额外160马力和1000牛米给曲轴,这使得Genesis发动机(工程版本)可以达到1000马力,和5000牛米输出,而峰值扭矩从900转开始,而一直持续到1600转,而最大转速达到2100, 如此巨大的扭矩得益于一款来自废物利用(排气压力),而且全新双级涡轮设计允许其更低排期压力,对后处理系统来说使一件好事:

工程版本型号如下:

单涡轮增压(只配有VGT:

600马力/3050牛米

650马力/3300牛米

700马力/3650牛米

双级涡轮设计(配备有VGT和齿轮涡轮增压)

750马力/3880牛米

850马力/4000牛米

900马力/4250牛米

950马力/4500牛米

1000马力/5000牛米

1130马力/5250牛米


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发表于 2020-5-27 13:11:51 |显示全部楼层
本帖最后由 邢凯杰 于 2020-5-27 13:19 编辑

海事发动机就采用了更重更坚固的气缸盖,以及2组全新设计的涡轮增压,每组涡轮增压包括(一组固定涡轮增压,以及一组48伏电动涡轮增压),结果就产生了一系列高性能海事柴油机,可以搭载游艇,高速快艇等只有紧凑空间和对高性能有需求的船舶,而且我们也是首次投入了电动涡轮增压系统,Genesis 16.8升海事发动机包括单涡轮(固定涡轮)增压的850900950马力海事发动机,以及单组涡轮(固定+电动涡轮增压)的10501150马力海事发动机,以及1200135014501500马力的双组涡轮增压的高性能型号,最高扭矩达到5600牛米。

后处理系统:

柴油黑烟时代已经是历史了,Genesis发动机需要达到全新,极为严格TIER 4 Final甚至Tier 5排放标准,因此后处理使不可缺少,Genesis采用了无EGR设计,但保留了DOC(Diesel Oxidation Catalyst (柴油氧化催化剂)), DPF(Diesel Particulate Filter (柴油碳微粒滤清器))以及SCR(Selective Catalytic Reduction(选择性催化还原法))系统,SCR系统也是常说的柴油尿素系统,环保汽车尿素由32.5%尿素和67.5%的去离子纯水所合成.

DPF180小时要进行一次清碳,在发动机清碳期间,发动机排气需要500度,在发动机负荷达到时,清碳就会开始,但当发动机在低负荷运行时,柴油就会被喷入DOC以进行清碳,而如果用户在特别多易燃物的作业环境,发动机可以在用户按下清碳提前清碳,以较少过热的排气带来的危险,而且全新后处理加上消声器设计可以使Genesis进一步降低噪音,以可以在一些噪声敏感区作业,而其他竞争对手由于发动机排量大,因此需要多个消声器,这会影响发动机性能。

发动机电子系统:

Genesis 16.8升发动机采用了两个主ECM系统,其ECM传感器多达42个,包括曲轴,凸轮轴,发动机温度等,Genesis还可以选择联网系统,可以向客户中心发送可能存在的问题,以进一步降低故障率,而且Genesis电子系统还可以配合现代流行的电子冷却系统,意味着可以进一步降低油耗。

未来:

利勃海尔和JOHNDEERE都考虑多款机型搭载全新GENESIS16.8升发动机,包括挖掘机,拖拉机,起重机等,而SAIT农业部门和JOHN DEERE在研发下一代收割机也有望搭载这款机型,利勃海尔和JOHNDEERE都希望在未来让这款发动机大规模使用,而且其计划在GENESIS基础上研发一款新的V型发动机,以替代老旧的D95D96发动机,目前利勃海尔和JOHN DEERE计划制造测试机,在2021-2022年中开始测试。GENESIS有望成为成为业界首款革命新发动机,因为1130马力版本达到50千瓦/升功率。

客户:

设计论坛显示有不少客户对这款发动机设计有兴趣,GENESIS发动机也可以成为全套动力总成,包括冷却系统,电子系统,以搭载不同的机械上。






2016年8月6日


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发表于 2020-5-27 13:14:04 |显示全部楼层
本帖最后由 邢凯杰 于 2020-5-27 13:20 编辑

目前,几年后我和那个工作团队重新一起,研发下一代6升缸发动机。
卡特彼勒和我们在研发下一代6升缸发动机,新的发动机将达到50千瓦升功率,以及将是C175的换代发动机。
全新卡特彼勒Game Charger高速发动机将会带动下一代改革。

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发表于 2020-5-27 13:25:44 |显示全部楼层
这是...真的?

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发表于 2020-5-27 13:32:10 |显示全部楼层
冉阿让 发表于 2020-5-27 13:25
这是...真的?

结果后来JOHN DEERE 和 LIEBHERR都独立将其图纸变成了18升发动机,因为遇到了不少可靠性问题的问题,主要是机体压力太大了。

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