09 四月 2024
《压缩技术的基石》系列文章重点介绍了160多年来持续发展过程中众多重要的产品。然而,也有一些优秀的发动机和压缩机设计理念最终以失败告终。本系列文章是《压缩技术的基石》的补充,简要介绍了其中几个研发失败的案例。作者:诺姆·谢德
Superior 1706G2 和 1712G 发动机的转速分别为 1200 转/分、功率分别为 500 马力(373 千瓦)和 800 马力(597 千瓦),重量分别为 6400 磅(2903 公斤)和 11800 磅(5352 公斤),其功率重量比比几十年前流行的大型卧式发动机低了近 93%。位于俄亥俄州斯普林菲尔德的Superior Gas Engine Company于1893年售出了第一台燃气发动机。该公司随后开发和制造了一系列柴油和燃气发动机,这些发动机广泛应用于工业、油田和船舶领域。
二战后,该公司看到了大型燃气发动机的新机遇。基于其成功的40型柴油发动机,Superior G825系列燃气发动机于1952年问世。1955年,White Motor Company收购了该公司,主要是为了获得其柴油发动机业务,但同时也逐步对其燃气发动机设计进行了现代化改造。着眼于扩大燃气发动机市场,White于1960年推出了一系列与其发动机配套的往复式压缩机。1965年,该部门更名为White Superior,其发动机和压缩机组(被称为“White”)在高速机组发展的早期阶段占据了市场主导地位。White是唯一一家能够提供高速发动机、压缩机、机组、零部件和服务一站式服务的公司。1976年,Superior部门被Cooper Industries收购。
竞争加剧
然而,到了20世纪80年代,竞争日趋激烈。卡特彼勒公司推出了基于其成功的D3500柴油发动机系列的新型G3500汽油发动机。这些功率范围为310至1085马力(231至809千瓦)的发动机转速为1200转/分,并且与专为匹配更高转速而设计的新型Ariel压缩机配合使用,使得压缩机组的成本低于采用900转/分Superior压缩机的同类产品。更糟糕的是,沃克夏公司也在不断改进其VHP系列发动机,使其能够在1200转/分下运行。
因此,库珀开始寻找一款高速柴油发动机,以便获得授权,将其改造为新一代Superior燃气发动机。库珀认定,日本三菱重工(MHI)开发的新型SU系列柴油发动机是一个绝佳的平台,可以以此为基础开发一系列转速为1200转/分、功率范围从1200马力到3200马力(895千瓦到2386千瓦)的燃气发动机。随着SU授权协议谈判的深入,库珀也了解到三菱重工成功的SR系列柴油发动机,该系列发动机面向船舶和工业市场,产量相当可观。SR系列柴油发动机在1800转/分以下都取得了成功,因此将其应用于1200转/分是非常保守的。1985年,日元兑美元汇率超过250,双方达成了一项极具商业吸引力的协议:库珀可以使用三菱重工位于日本相模原的现代化工厂生产的SR系列发动机短缸体,将SR系列发动机开发成火花点燃式天然气发动机。 1986 年的一项许可协议规定,六缸、十二缸和十六缸短缸体的价格以日元计价,根据当时的汇率,该价格对两家公司都有吸引力。
首批 12 缸 1712G V 型发动机于 1993 年投入使用,其中包括驱动 Superior RAM54 压缩机的这两台发动机。库珀的Superior部门已经开发出5英寸(127毫米)冲程的RAM往复式压缩机系列,用于匹配1200和1500转/分的驱动器,因此,拥有一款在1000马力(745千瓦)以下的市场上具有竞争力的1200转/分汽油发动机就显得格外有吸引力。
随着新型卡特彼勒G3500系列压缩机与阿里尔压缩机的配合迅速获得市场认可,Superior公司维护其市场份额变得愈发重要。为此,公司组建了一支庞大的研发团队,同时着手开发三个全新的压缩机系列(配备全新气缸)以及七个全新的燃气发动机平台。这是一项艰巨的任务,需要巨额投资,但进展稳步推进,首先是新型压缩机的研发,随后是更具挑战性的燃气发动机的研发。
首款车型发布
基于SR系列发动机的新型汽油发动机被命名为1700G,其缸径为6.69英寸(170毫米)。经过大量的实验室测试,首批1706G2型发动机于1991年末投入实地试验。该型号发动机的冲程比其他MHI SR系列发动机更长,为8.66英寸(220毫米)。这款四冲程涡轮增压中冷直列六缸汽油发动机在1200转/分时可输出500马力(373千瓦)的功率。它沿用了MHI 6SR2的底盘、框架和缸盖。除此之外,其上部组件经过重新设计,采用了Superior公司的CleanBurn技术,从而实现了高效的汽油燃烧。
第二款研发机型是12缸V型发动机1712G,其冲程为7.09英寸(180毫米),额定功率为800马力(597千瓦),转速为1200转/分。它沿用了MHI 12SR的底盘和机架,但包括气缸盖在内的上部组件均为全新设计。这项额外的设计和研发工作耗时更长,成本也更高;然而,最终的性能表现却非常出色。首批1712G发动机于1993年4月投入使用。
1706G2 和 1712G 发动机的重量分别仅为 6400 磅(2903 公斤)和 11800 磅(5352 公斤),其功率重量比比几十年前盛行的大型库珀卧式发动机轻了近 93%。这些紧凑型发动机具有相当不错的燃油耐受性,同时无需催化转化器即可实现极具竞争力的燃油经济性和尾气排放水平。先进的基于 PLC 的电子控制系统是实现新型燃气发动机高效低排放的关键技术。然而,这同时也是一个致命弱点。这些发动机应用于上游作业时,现场维护技术人员缺乏足够的培训和笔记本电脑来进行控制系统的调整和诊断。因此,当设备出现故障时,往往需要很长时间才能等到合格的技术人员到达。这个问题最终得到了解决,日益可靠的现场设备也逐渐被接受,尽管当时卡特彼勒发动机的普及速度已经领先了几年。
但由于日本的经济增长和财政实力远超美国,曾经有利的日元兑美元汇率在1988年暴跌至125日元兑1美元,导致三菱重工短程发动机项目的成本在短短两年内翻了一番。尽管Superior公司和三菱重工竭尽全力降低成本、优化项目规模,但随着1995年汇率进一步跌至85日元兑1美元,1700G发动机项目最终还是难逃失败的命运。
最后一款型号是 1067 马力(796 千瓦)的 1716G V 型发动机,在公司于 1998 年暂停 1700G 生产时,该发动机仍在组装中。1700G 发动机仅生产了 22 台,其中大部分是 1706G2 型号。