為何Achates Power(阿凱提斯動(dòng)力)公司的發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是極其獨(dú)特的——一缸二活塞對置的型式？它們在下一輪的新能源車?yán)顺敝惺欠褫^傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)更有發(fā)展機(jī)遇？帶著這些疑問，本刊記者在Achates Power公司總裁兼首席執(zhí)行官David M Johnson來華訪問期間與他進(jìn)行了技術(shù)探討。

    David Johnson在2008年8月加入Achates Power公司。他憑借20年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，加快內(nèi)燃機(jī)革新，以低成本提供優(yōu)異的燃油效率，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)公司的可持續(xù)發(fā)展。Johnson不但負(fù)責(zé)公司的技術(shù)、商業(yè)及業(yè)務(wù)發(fā)展，還統(tǒng)攬銷售、財(cái)務(wù)和運(yùn)營。同時(shí)他也是公司董事會成員。

    記者：在傳統(tǒng)柴油機(jī)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相對非常成熟的今天，為何另辟蹊徑，選擇開發(fā)對置活塞二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)？

    Johnson：從歷史上看，對置活塞二沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油效率和功率密度所創(chuàng)的記錄，還尚未被任何其他類型的發(fā)動(dòng)機(jī)所打破。在二十世紀(jì)后半葉，現(xiàn)代排放法規(guī)的出現(xiàn)阻止了兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)在高速公路上的廣泛使用。Achates Power公司運(yùn)用現(xiàn)代分析工具，材料和工程法發(fā)展對置活塞二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，在排放量相同的情況下，比最先進(jìn)的2010中型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)省燃油13％。對置活塞二沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，比起傳統(tǒng)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，減少了元件數(shù)并降低了成本。對置活塞二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)想最早起于19世紀(jì)末的德國，其后多個(gè)國家發(fā)展了這一技術(shù)并應(yīng)用于各方面。最初，對置活塞二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)憑借其工藝性、高功率密度和高燃油效率，主要應(yīng)用于包括飛機(jī)、船舶、坦克、卡車和機(jī)車等諸領(lǐng)域，它在二十世紀(jì)絕大部分時(shí)間都表現(xiàn)活躍。從歷史上看，所有類型的發(fā)動(dòng)機(jī)都面臨著許多技術(shù)挑戰(zhàn)，如排放、燃油效率、成本和耐用性，而被廣泛應(yīng)用的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)更是經(jīng)常受此困擾。然而，石油的有限儲備量和燃料成本的相應(yīng)增加與內(nèi)燃機(jī)的燃油效率低的根本矛盾日益凸顯，而對置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，憑借其固有的熱力學(xué)優(yōu)勢，則略勝一籌。

    記者：對置活塞二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢是如何體現(xiàn)的？

    Johnson：對置活塞二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)具有的許多優(yōu)勢使得其成為替代普通四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的有吸引力的選擇。對置活塞(OP)是兩個(gè)在一個(gè)普通氣缸內(nèi)向相反方向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞，比起只有一個(gè)活塞和氣缸蓋的標(biāo)準(zhǔn)曲柄滑塊，對置活塞具有熱傳遞性，實(shí)現(xiàn)無發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦，保持機(jī)械耐用性。首先，兩個(gè)活塞運(yùn)動(dòng)可以在一個(gè)既定缸徑下產(chǎn)生更大的氣缸排量，比起只有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)曲柄滑塊或氣缸蓋的發(fā)動(dòng)機(jī)，減少了氣缸數(shù)量，從而減少了缸內(nèi)傳熱表面積。其次，在活塞速度不變的情況下實(shí)現(xiàn)了有效的在2∶1~3∶1之間的沖程缸徑比，從而實(shí)現(xiàn)更有利的表面積體積比，進(jìn)一步減少了缸內(nèi)傳熱。第三，OP結(jié)構(gòu)用一個(gè)活塞取代了氣缸蓋，活塞可維持較高的金屬溫度，降低燃燒室表面熱損失。比起普通四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，OP發(fā)動(dòng)機(jī)還具有機(jī)械優(yōu)勢。兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的活塞可以進(jìn)行活塞開合運(yùn)動(dòng)，活塞可以打開氣缸相反兩端的進(jìn)排氣口，分別將燃燒室面對進(jìn)氣集管和排氣集管?；钊_合減少了提升閥和閥動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)變得更為簡潔，降低了成本，同時(shí)消除了發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的摩擦和耐用性。OP近對稱運(yùn)動(dòng)有效地實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)甚至是單缸的平衡，從而減少了曲軸軸承的負(fù)荷。比起同等功率輸出的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，二沖程循環(huán)及其雙點(diǎn)火頻率使得設(shè)計(jì)人員可以選擇減少制動(dòng)平均有效壓力(BMEP)，增加功率密度比。還可實(shí)現(xiàn)低BMEP和氣缸低尖峰壓，降低汽缸溫度尖峰值，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)勢。低氣缸壓力降低發(fā)動(dòng)機(jī)部件的機(jī)械壓力，從而使部件重量更輕。低氣缸溫度減少燃燒過程中氮氧化物的形成，降低對廢氣再循環(huán)(EGR)和/或氮氧化物后處理設(shè)備要求。功率密度增加直接使得發(fā)動(dòng)機(jī)變小變輕，這兩者都有利于提高整車燃油效率，減少生產(chǎn)成本。

    記者：應(yīng)對未來激烈的競爭，對置活塞二沖程還將迎接哪些技術(shù)方面的挑戰(zhàn)？

    Johnson：任何二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)都難以克服由二十世紀(jì)后半期出臺的排放法規(guī)所帶來的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)制造商普遍青睞四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)采用現(xiàn)代分析工具、材料及工程法重新審視排放限制，會忽然發(fā)現(xiàn)清潔高效的OP二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)反而能成功解決這一問題。由于OP裝置沒有氣缸蓋，噴油器必須安裝在氣缸套。比起曲柄滑塊裝置將噴油器安裝在氣缸蓋中心的技術(shù)，這更是一種創(chuàng)舉。噴油方向距離遠(yuǎn)(如橫穿氣缸直徑距離)，加上低噴油壓力，很難取得全部燃燒室的可用空氣，導(dǎo)致燃燒不完全，生成較多的氮氧化物和油煙。此外，燃油噴射和伴隨原有強(qiáng)渦流的缸內(nèi)新鮮充量運(yùn)動(dòng)相互作用，導(dǎo)致了燃燒室表面附近發(fā)生燃燒，增加了活塞、活塞環(huán)和缸套的熱負(fù)荷，并降低了熱效率，增加了散熱要求。憑借現(xiàn)代開發(fā)工具和先進(jìn)燃料系統(tǒng)，配備襯套式噴油器的OP裝置已經(jīng)將技術(shù)難題轉(zhuǎn)化為發(fā)展良機(jī)。高噴射壓力的燃油系統(tǒng)的可獲得性和不對稱噴油器噴嘴方向的制造便利性，使得襯套式噴油器能在碰壁幾乎為零的情況下更好地利用燃燒室內(nèi)的空氣。此外，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件包能快速準(zhǔn)確地模擬燃油噴射、缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)和燃燒，幫助燃燒室?guī)缀喂こ毯蛧娮炫渲眠M(jìn)行清潔高效燃燒。塑造兩個(gè)燃燒室表面(兩個(gè)活塞頂)成形，將多個(gè)噴油位置安在襯套上，使得OP裝置比普通四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)具有更大的設(shè)計(jì)空間。
 

    相對四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，OP裝置由于熱緩解廢氣和進(jìn)氣周期，機(jī)械零件熱負(fù)荷較高，這一問題通過現(xiàn)代工具和材料已得到解決。如前所述，一般設(shè)計(jì)在遠(yuǎn)離活塞和襯套表面處進(jìn)行燃燒，從而降低這些組件的冷卻要求。此外，共軛熱傳(CHT)模擬是用來分析發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路，設(shè)計(jì)有效的保護(hù)和防止油液降解的冷卻系統(tǒng)。作為兩沖程和四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)主要區(qū)別，氣缸掃氣是所有二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。與四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的一整圈形成對比，為了實(shí)現(xiàn)每轉(zhuǎn)一次的點(diǎn)火頻率，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)必須在大約每三分之一轉(zhuǎn)圈完成氣缸掃氣，而且沒有借助一個(gè)直接的機(jī)械排泵(即活塞)。相反，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)排氣口之間需要一個(gè)外部壓力差，使氣流通過氣缸，在氣缸中新鮮充量會替換排出的燃燒產(chǎn)物。相對于其他使用環(huán)流掃氣的兩沖程結(jié)構(gòu)，OP發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣口位于氣缸相反兩端，采用了更高效的單流掃氣。掃氣的發(fā)展目標(biāo)是減少清除氣缸廢氣殘余所需的外部抽氣，為隨后進(jìn)氣時(shí)的燃油/空氣混合進(jìn)行充量運(yùn)動(dòng)。使用高效準(zhǔn)確的CFD軟件包可以描述掃氣過程的全部特征。無需耗時(shí)和硬件制造測試花費(fèi)，通過軟件就能對進(jìn)出口、氣缸和活塞幾何進(jìn)行優(yōu)化，并計(jì)算它們對缸內(nèi)發(fā)展流場的影響。

    二沖程掃氣在排放方面的優(yōu)勢之一是能夠在燃燒后在氣缸內(nèi)保留部分充量(“內(nèi)部”廢氣再循環(huán)(EGR))以控制氮氧化物，只要通過進(jìn)氣系統(tǒng)減少抽氣就能做到。這樣做有助于改善部分負(fù)荷的燃油效率。為了得到高廢氣再循環(huán)率，還需要進(jìn)行外部冷卻EGR。 二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常面臨高油耗的困擾，原因有二。首先，游離油是微粒排放的一個(gè)重要來源，二是石油添加劑生產(chǎn)的高灰渣經(jīng)常污染后處理裝置。該工程旨在開發(fā)一種用油盡可能少、耐用的活塞襯套和環(huán)襯接口。幸運(yùn)的是，已開發(fā)出許多技術(shù)用于減少四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)油耗：缸徑材料改進(jìn)、缸徑表面加工、活塞環(huán)技術(shù)、曲軸箱呼吸系統(tǒng)、缸徑油氣浸蝕處理、合成油、低灰分和磷油，它們都已經(jīng)應(yīng)用到四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，且同樣適用于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。先進(jìn)的油耗分析機(jī)已被用來這里的工作，使得這些控油技術(shù)的研究與發(fā)展更快更集中。肘節(jié)銷軸承的潤滑是二沖程經(jīng)常遇到的挑戰(zhàn)。因?yàn)椴粩嗉虞d的肘節(jié)銷軸承補(bǔ)油比較困難。隨著表面積大幅增加，階梯槽和幫助邊界潤滑的特種涂料的發(fā)展，許多軸承利用技術(shù)已大大改善。

    記者：可以看出對置活塞二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)方面與傳統(tǒng)車用發(fā)動(dòng)機(jī)的區(qū)別是很大的，那從生產(chǎn)成本方面分析，其有何優(yōu)劣勢？

    Johnson：由于元件數(shù)少，OP發(fā)動(dòng)機(jī)的成本也低。這一優(yōu)勢在大批量生產(chǎn)時(shí)體現(xiàn)尤為明顯，如每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)可以節(jié)省500美元，那對于制造商而言就是一筆巨大的收益。為了評估這種成本優(yōu)勢，一位成本分析專家在比較了Achates Power公司A40發(fā)動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件成本，雙方排放標(biāo)準(zhǔn)類似，生產(chǎn)量相當(dāng)。專家購買了一個(gè)2007年6.7L直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，將其拆卸成為一個(gè)個(gè)單一組件。分析每個(gè)組件的材料成分、形成過程、機(jī)加工時(shí)間、復(fù)雜性以及其他過程，如電鍍或涂層。將其主要組件和Achates Power發(fā)動(dòng)機(jī)同樣的功能組件就材料成分、質(zhì)量、機(jī)加工時(shí)間和速率直接進(jìn)行對比。只分析了發(fā)動(dòng)機(jī)組件和主要子系統(tǒng)，如渦輪增壓器、燃油系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)。對置活塞結(jié)構(gòu)的成本優(yōu)勢主要在于其省去了氣缸蓋和相應(yīng)的配氣系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)越小巧緊密，需要的子系統(tǒng)越少(如冷卻和潤滑系統(tǒng))，節(jié)省了額外的開支。同樣，其結(jié)構(gòu)和曲軸組件越小，成本更低。OP發(fā)動(dòng)機(jī)成本略微增加的地方在于其氣缸襯套、機(jī)械裝置和增壓器，后者需要用于二沖程操作。分析表明，OP發(fā)動(dòng)機(jī)比同等功率的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)省約11％的成本。

    記者：能否介紹一下Achates Power公司是個(gè)怎樣的公司，它的股權(quán)結(jié)構(gòu)是怎樣的以及公司未來的發(fā)展計(jì)劃？

    Johnson：公司成立于2004年，最初的構(gòu)想始于1998年。公司由美國工程科學(xué)院(NAE)院士Jim Lemke以及已故的John Walton所創(chuàng)辦。公司吸引了來自幾個(gè)創(chuàng)投公司超過6千萬美元投資，其中包括MadroneCapital(沃爾瑪Walton家族所有)、紅杉資本(Sequoia Capital)、Rockport Capital、InterWest以及Triangle Peak Partners公司。公司研制成功的對置活塞二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的性能已經(jīng)經(jīng)過驗(yàn)證，截至目前測試時(shí)間超過1900小時(shí)。目前已經(jīng)有相關(guān)企業(yè)與我們進(jìn)行各種合作形式的洽談，希望能盡早達(dá)成一致，使我們的產(chǎn)品早日實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。