卡特比勒3600点火式发动机设计及开发

0.0005
2000 1000 6000
0.006
5000 1000 1200*
Mpa
12.4
10.4
Psi
1800
发动机大修周期—小时
大故障检修
40,000
小故障检修（仅用于高档机 15,000-20,000
型）
*包括火花塞在内的所有测试仍在进行中
1500
-
在这个试验中，对排气分流阀作了极大的改进：更 换了轴及轴承的制作材料 ，以降低这些元件的磨 损度。
介绍
3600 点火式发动机的设计充实了卡特比勒现代点 火式发动机系列产品。该类发动机的主要规格如表 1 所示。
表 1：3600 点火式发动机工程规格
型号 燃烧系统
4 冲程 微弱燃烧
吸气方法
涡轮增压/后冷却
气缸数量
缸筒直径–mm 内径
直列式：6+8， 三角式：12+16
300 11.81
冲程-mm 内冲程
在 1990 年 9 月底，对单气缸发动机完成了长达 8700 小时的耐力试验。对两个 3606 发动机、一个 3608 发动机和一个 3612 发动机完成了 8900 个小时的耐 力试验。
由于产品开发时间不长，还没有取得长期的客户经 验，大修周期也还没到，但 3600 柴油机的大修间 隔周期已经得到了确认。应用实例表明，火花塞已 经使用了 1200 个小时，目前还在使用。由于对气 缸头和预燃室的底舱进行了大面积的冷却，估计有 望达到 6000 个小时的使用寿命。
发动机主要元件
气缸盖
气缸盖由一个整块的石墨铁压实铸造而成，它带有 两个进气口、两个排气阀。预燃室位于各阀门中心 位置，火花塞放在在靠近预燃室底部的侧部位置。 气体进入阀们位于进气通道里，由发动机曲轴通过 一组摇杆和推杆来致动。钻铸而成的内部气体通道 将燃气导入预燃室和气体进入阀里。
气缸体及气缸套
气缸体由一个整块的灰铁铸造而成，铸造过程与 3600 柴油机相同[3]，但缸体经过改造，增大了缸筒 容量，能够匹配更大的气缸套直径。增大气缸筒容 量，能够提高功率、更有效地利用柴油连杆大头。 3600 柴油机的最大燃烧压力是 14.5Mpa，由于火花 点火式气缸筒容积增大，在火花点火式发动机出现 峰值燃烧压力 12.4Mpa 时，会出现相等的缸体低端 应力。
气缸排量—升/缸
300 11.81 21.2
cu in
1294
压缩比率 活塞速率·1000rpm—米/秒 ft/分钟
9.2:1 10
1969
额定速率范围—rpm 额定功率范围–bkW
700-1000 869-3506
bhp
1165-4700
转动（视飞轮而定）
CCW
本文发表于 1991 年 1 月 20-24 日在新奥1尔良召开的能源技术大会及展览会上
燃料系统
图 2 所示的燃料系统显示的是燃料在发动机里的流 程。
预燃室（PC）的燃料供应是通过导气支管进行，气 体通过一条单独的管线，穿过一个孔径可变的小 孔，进入气缸头里的一个球形的单向阀。这个单向 阀在适当的时间将浓化的气体导入预燃室里，保证 燃烧持续、充分地进行。
图 4 表示的是预燃室结构及燃料供应路径。
图 8.
燃烧系统
普通情况下要求发动机排泄率低、能够持续燃烧， 因此发动机的燃烧系统必须配备一个预燃室。进一 步的，要求在预燃室侧部安装一个火花塞。有了这 种设计，预燃室前部的火苗就可以在接近出口的地 方燃烧，也就保证了气体混合物能够在进入主燃室 前更充分地燃烧；如果点火源是在预燃室的上部， 燃烧就远不如此充分。在预燃室里，将燃气与主燃 室流出的净燃空气通过气缸压缩充分地混合，从而 为燃烧点火保证了最佳的空气/燃气混合比率。图 4 表示的是一个截面图。
冷却系统
标准的发动机冷却系统都设计成一个单独的回路， 低温系统中带有后冷却器及油冷器，在高温系统中 带有水冷套及涡轮增压器。对于某些要求提高热回 收率的特殊协同发电设备，可以使用三回路的设 计，带有与双发动机驱动的泵回路分离的油冷器、 后冷却器，对于高温回路，则用户须自备电驱动的 水冷套泵。这些发动机可以在压力情况下、水套出 口温度在 1300C以下的环境中工作，这些发动机能 够提供 100kPa的蒸汽。
. . .
4
性能参数，并与本报告表 2 中定出的指标作了比较。
如图 14 所示，活塞环槽槽岸间隙分别为 1.0、2.26、 3.56mm，算上 3600 火花点火式发动机使用的天然 气体普遍有 0.5％的含灰量，图 14 说明槽岸间隙越 大，越能维持较长时间的油耗水平。
3601 发动机油耗量
槽岸间积炭的形成 及缸筒 的磨擦引起油耗 水平 的下降。随着活塞环槽槽岸间隙的增大，对顶环作 了变动，装 上了等离子体表面材料，以抵抗划伤 及磨损。在 Caterpillar 生产的其它火花式发动机及 柴油机中，等离子体表面涂层的顶环显示出了良好 的抗划伤及抗磨损能力。 多气缸发动机 在实验室里对一个 3606 发动机和一个 3612 发动机 进行了大量的耐力试验。实验证明，发动机的油耗 量是 0.34g/bkW-h，油耗时间超过了 5000 个小时。 测试结果使进气阀座和排气阀座的角度从 300(相对 于水平角度)降到 200，因为 300阀的流量高，阀面 易磨损。
检测功能
状态控制器、Altronic 高温计及监测模块共同对发 动机进行检测。这些模块组合在一起，可以监测所 有的参数。监测模块有记忆能力，可以简化对发动 机故障的诊断。
诊断法
发动机控制及时间控制功能有许多内置诊断法， DDT 也提供了额外的诊断能力。
ESS 可以安装在发动机基座上，也可以安装在远程 位置，用控制电缆进行连接。
表 4：3600 火花式发动机改进目标/目前情况
目的指标 目前状态
额定 BMEP--kPa
1240
1240
Psi 燃气质量 Htg 范围值 MJ/m3(LHV) Btu/Sft3 甲烷数量范围 额定最大 BSFC
180
180
33.5-44.7 900-1200
50-100
33.5-68.9 900-1850
改进可靠性
试验后，对发动机的性能、可靠性及耐力进行了显 著的改进。表 4 列出了 3600 火花式发动机目前的
3600 火花式发动机的可靠度达到 Caterpillar 公司定 出的数据标准。
5
气缸套由离心铸造铁制成，表面经过感应淬火。缸 筒表面经过精细的平顶珩磨，可以保证插入工作时 间短、使用寿命长。
活塞及活塞环
活塞分为上下两片，由螺栓连接起来，活塞头部由 钢锻造而成，裙部由铝锻造而成。在活塞顶部有两 个压制的环槽，表面经过感应淬火；在活塞裙部有 一个控油环槽。图 12 是活塞的截面图。
图 4.
空气系统
空气系统里包含有控制空气/燃气混合比率的机械 元件。在发动机负载很高的情况下，排气分流阀可 以根据发动机控制系统的要求调节空气/燃气混合 比率；在负载低于 40％的情况下，位于涡轮增压器 的压缩器出口下游的空气进口阻气门可以控制空 气的流量，使气体混合物保持适当的浓度，不至于 变得稀薄，有利于充分燃烧。
RONALD D. NEVINGER 监理工程师
伊利诺依州 Mossville 卡特比勒公司
摘要
对 3600 系列气体燃料点火式（SI）发动机的开发已 接近尾声。该系列发动机的设计建立在 3600 柴油 发动机的基础上，其引进时间是在 1985 年。此系 列的发动机包括 6+8 气缸直列式及 12+16 气缸三角 式，所提供的功率从 700rmp、869bkW 到 1000rpm、 3506bkW 不等。这些发动机主要用于发电、工业用 途，尤其用于低气体排泄的情况。本文阐述了这些 发动机的开发及测试，以达到此项工作之始所明确 的目标。
40-100
MJ/bkW-h
9.19
9.51
Btu/bhp-h 普通最大耗射—g/bhp-h 氮氧化物（NOX） 一氧化碳（CO） 不含甲烷的碳氢化合
6500
1.0 2.0 1.0
6725
0.5 1.9 0.75
(NMHC) 额定最大油耗量
g/bkW-h
0.31
0.34
1b/bhp-h 最短换油间隔期— 小时 最短维护间隔期—小时 火花最短使用寿命—小时 气缸压力最大值
图 2.
通过调节导气支管里的压力，燃气支管上的控制阀 可以改变发动机的输出功率。气缸里的气体从一个 固定的小孔中流出，经过气缸头里的气体通道，流 过进气阀。为了使燃料在各气缸间均匀分配，每个 气缸都使用了一个燃料供应系统，这个系统带有机 械驱动的进气阀。
图 3 所示的是气体进入阀与主燃室进气阀之间的关 系。
在负载高于 40％的情况下，不对进气进行节流，这 充分地增进了燃料的燃烧，如图 5 所示。
图 3.
2
发动机监督系统（ESS）
ESS 是发动机电子集成系统，能够用它来分享信息、 集中处理，并向用户提供一个简单的电子界面。
图 9 是 ESS 界面图。其操作板由防水的材料密封制 成，前板的长和宽都在 915mm 及 915mm 左右，厚 度为 225mm。
图 9.
发动机控制系统
对发动机的控制，由 Caterpillar 火花点火式发动机 控制器、Caterpillar 火花点火时间控制器及 ESS 面 板上的手动控制共同完成。发动机控制器及时间控 制器位于面板后部右上角处。手动控制器位于左下 角处。
发动机控制器的输入传感器提供以下动器位置。ESS 面板上的手动 输入用来设定所需要的速率、燃料 Btu 估测、空转 /额定速度，也可也用来关闭开关。发动机控制器的 输出包括气体控制阀位置、排气分流阀位置、阻气 门位置及时间控制模块所需要的时间设置。
图 10 系统地显示了发动机控制输入及输出指令。