环境压力和总拥有成本的考量，开始加速影响非公路车所采用的发动机类型。非公路设备行业包括许多小众市场，比如固定式发电设备发动机（包括热电联产应用和天然气泵），以及用于海运、铁路运输、建筑和采矿设备的发动机等。市场在过去大多选择柴油动力，但一些因素导致部分客户开始转向天然气燃料发动机，这就产生了对点火技术的需求。辉门动力系统已经开发出了能够满足新一代发动机特定需求的火花塞技术。

 

柴油发动机面临的压力

 

柴油发动机在若干方面正面临着越来越大的压力。减排要求使得非公路设备所用的柴油发动机变得更加昂贵，由于需要满足氮氧化物和颗粒排放的强制性法规要求，越来越复杂的燃烧控制和后处理成为必备技术。与此同时，设备运营者和车队所有者出于成本压力，需要进一步减少燃料消耗、并延长维修间隔期。

 

多年来，天然气一直是众所周知的环保型燃料，但在效率方面，气体燃料发动机始终无法与柴油发动机相媲美。如今，系统和组件技术的进步使得米勒或阿特金森循环及高汽缸压等先进的燃烧策略得以应用，使发动机能够实现与柴油机接近的热效率。

 

虽然柴油发动机仍占主导地位，但在许多领域已经出现了向天然气和其他替代气体燃料发动机转移的趋势，比如开始采用柴油和天然气双燃料发动机。在商业经济性适合的领域，设备运营方已经完成了向全火花点火技术的过渡，比如在天然气供应充足的条件下作业的船舶系统。未来10年，我们预计在北欧地区、澳大利亚和北美沿海地区，船舶系统将迎来快速发展，但海上燃料加注仍然面临挑战，这可能会限制洲际运输应用的潜力。

 

除了经济因素的考量外，基础设施条件也会影响燃料的选择。对于发电应用来说，生产现场通常有非常充足的天然气供应；而与此不同的是，铁路运输和采矿业应用的基础设施发展并没有十分成熟。采矿现场并没有可用燃料，所以必须不断进行燃料运输和补给，而对于铁路运输应用来说，只有一两节车厢能够携带运行大型火车所需的气体燃料。

 

天然气发动机的设计挑战

 

因地质条件和燃料来源不同，天然气或替代气体燃料种类繁多，在成分上有很大的差异，而燃料构成又对燃烧有着重大影响，从而影响火花塞的设计。例如沼气和生物燃气，虽然主要成分甲烷没有污染，但即便经过脱硫处理，其成分仍含有大量的硫化氢，在燃烧过程中易形成高腐蚀性化合物。这就需要优化火花塞设计，如从铂转为铱电极材料，从而实现更高的耐蚀性。

 

最新的发动机设计提高了效率、降低了排放和燃料消耗，但这些优化本身却为火花塞设计带来了挑战。为了减少氮氧化物排放、降低燃料消耗，空燃比要求即将提高至2.0λ；这些超稀混合物的充分燃烧，需要湍流预燃条件以及较高的汽缸压力。J-plug设计等老式的火花塞技术不能有效地处理如此高强度的湍流——气体可能会像吹灭蜡烛一样熄灭火花。由于点火时的气缸压力和流动能上升到了新水平，我们也需要提高点火能量来保证持续点火，以实现燃烧。

 

更为积极的新燃烧策略也推动了对多重点火、高能量输出的高级点火系统的需求。两至三次的多重点火模式可加快燃烧并提高效率，但同时也增加了电极腐蚀。相比于单次点火的一次腐蚀，多重点火和更长的火花持续时间不仅增加了点火次数，每次点火的腐蚀度也会更高。我们在实验室利用台架试验模拟了不同的点火模式及其特点，研究对电极材料的影响并制定合适的解决方案。

 

不同的工作循环对火花塞设计也有很大影响。发电设备所用的发动机需要在稳定负载下长时间运转；但在轮渡或拖船等运输应用中，发动机将在满载和无负载工况之间交替运行，循环疲劳可能导致另一种失效模式的出现。

 

天然气发动机的独特解决方案

 

高电压需求、汽缸内压力和温度升高、进气口湍流现象的出现，以及较长的使用寿命要求，都对火花塞设计提出了挑战、激发了新技术的发展，从而带来产品设计和制造工艺的进步，如选择最佳的零部件几何形状、基础金属和贵金属含量的配比等，最终开发出适用于火花塞尺寸和应用的最佳解决方案。

 

相比于发电设备发动机火花塞（M18螺纹），运输设备发动机通常使用较小的火花塞（M14螺纹），因为较小的横截面能够更好地应对强度、介质材料和耐久性方面的挑战，也推动了增强材料和独特电极设计的发展。

 

为了提高点火效果，辉门动力系统在电极周围增加了屏蔽装置，例如在环形间隙中加入环形电极，以降低燃烧点火时火花熄灭的风险。另一种点燃超稀混合物的方法是使用预燃室火花塞，点火时用封闭的盖子来改善火花隙附近的混合物和流动条件。在预燃室内成功启动点火装置后，火焰会通过喷流进入主燃烧室。火焰携带着超高能量源，在实现可靠点火的同时可确保最高燃烧效率和最低氮氧化物排放。

 

另一个解决天然气相关挑战的具体技术，是辉门动力系统专门为14毫米应用而设计的Pokal火花塞。随着发动机越来越接近爆震边缘，我们开发了一种独特的陶瓷几何绝缘层，以抵抗在这些条件下运行带来的负荷。传统绝缘层的锥形头限制了火花塞的热量范围和热电性能。Pokal火花塞的头部在中央电极周围有一个杯型腔，可以同时改善电气强度和机械强度，尤其是后者。该设计使火花塞能够更好地承受高电压，确保在汽缸压力峰值或异常燃烧条件下的安全操作。

 

为了在18毫米的预燃室燃料发动机中降低电极温度、抵抗腐蚀，我们开发了“冷塞”技术，这一解决方案可将接地电极温度降低200°C（360°F）以上。在23巴（334 psi）BMEP以上的预燃室燃气发动机中，“冷塞”可生成超大的火花表面积，使用寿命最高达到标准铱材料J-gap火花塞的四倍。为了确保电极耐久性，我们成功地突破了制造工艺上的挑战，通过专门的激光焊接技术实现了镍合金与铱-铑合金的结合。

 

以上成果展示了辉门动力系统为应对行业挑战所作的努力。作为全球OEM基础发动机组件技术的主要供应商，我们了解客户面临的商业和监管压力，并坚持不懈地致力于开发创新型技术，为客户提供具有成本效益的解决方案，帮助客户应对技术挑战。

 

本文作者是辉门动力系统公司的首席技术官Gian Maria Olivetti，文章属于《卡车与非公路工程》“高管视角（Executive Viewpoints）”年度系列报道的一部分。