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    為何Achates Power(阿凱提斯動力)公司的發動機采用的是極其獨特的——一缸二活塞對置的型式？它們在下一輪的新能源車浪潮中是否較傳統發動機更有發展機遇？帶著這些疑問，本刊記者在Achates Power公司總裁兼首席執行官David M Johnson來華訪問期間與他進行了技術探討。

    David Johnson在2008年8月加入Achates Power公司。他憑借20年的行業經驗，加快內燃機革新，以低成本提供優異的燃油效率，從而進一步實現公司的可持續發展。Johnson不但負責公司的技術、商業及業務發展，還統攬銷售、財務和運營。同時他也是公司董事會成員。

    記者：在傳統柴油機技術已經發展得相對非常成熟的今天，為何另辟蹊徑，選擇開發對置活塞二沖程發動機？

    Johnson：從歷史上看，對置活塞二沖程柴油發動機在燃油效率和功率密度所創的記錄，還尚未被任何其他類型的發動機所打破。在二十世紀后半葉，現代排放法規的出現阻止了兩沖程發動機在高速公路上的廣泛使用。Achates Power公司運用現代分析工具，材料和工程法發展對置活塞二沖程發動機，在排放量相同的情況下，比最先進的2010中型柴油發動機節省燃油13％。對置活塞二沖程柴油發動機的另一個優點是，比起傳統四沖程發動機，減少了元件數并降低了成本。對置活塞二沖程發動機的設想最早起于19世紀末的德國，其后多個國家發展了這一技術并應用于各方面。最初，對置活塞二沖程發動機憑借其工藝性、高功率密度和高燃油效率，主要應用于包括飛機、船舶、坦克、卡車和機車等諸領域，它在二十世紀絕大部分時間都表現活躍。從歷史上看，所有類型的發動機都面臨著許多技術挑戰，如排放、燃油效率、成本和耐用性，而被廣泛應用的四沖程發動機更是經常受此困擾。然而，石油的有限儲備量和燃料成本的相應增加與內燃機的燃油效率低的根本矛盾日益凸顯，而對置活塞發動機，憑借其固有的熱力學優勢，則略勝一籌。

    記者：對置活塞二沖程發動機的優勢是如何體現的？

    Johnson：對置活塞二沖程發動機具有的許多優勢使得其成為替代普通四沖程發動機的有吸引力的選擇。對置活塞(OP)是兩個在一個普通氣缸內向相反方向進行往復運動的活塞，比起只有一個活塞和氣缸蓋的標準曲柄滑塊，對置活塞具有熱傳遞性，實現無發動機摩擦，保持機械耐用性。首先，兩個活塞運動可以在一個既定缸徑下產生更大的氣缸排量，比起只有一個標準曲柄滑塊或氣缸蓋的發動機，減少了氣缸數量，從而減少了缸內傳熱表面積。其次，在活塞速度不變的情況下實現了有效的在2∶1~3∶1之間的沖程缸徑比，從而實現更有利的表面積體積比，進一步減少了缸內傳熱。第三，OP結構用一個活塞取代了氣缸蓋，活塞可維持較高的金屬溫度，降低燃燒室表面熱損失。比起普通四沖程發動機，OP發動機還具有機械優勢。兩個運動的活塞可以進行活塞開合運動，活塞可以打開氣缸相反兩端的進排氣口，分別將燃燒室面對進氣集管和排氣集管?；钊_合減少了提升閥和閥動機構，使得發動機變得更為簡潔，降低了成本，同時消除了發動機氣門的摩擦和耐用性。OP近對稱運動有效地實現了發動機甚至是單缸的平衡，從而減少了曲軸軸承的負荷。比起同等功率輸出的四沖程發動機，二沖程循環及其雙點火頻率使得設計人員可以選擇減少制動平均有效壓力(BMEP)，增加功率密度比。還可實現低BMEP和氣缸低尖峰壓，降低汽缸溫度尖峰值，實現設計優勢。低氣缸壓力降低發動機部件的機械壓力，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(EGR)和/或氮氧化物后處理設備要求。功率密度增加直接使得發動機變小變輕，這兩者都有利于提高整車燃油效率，減少生產成本。

    記者：應對未來激烈的競爭，對置活塞二沖程還將迎接哪些技術方面的挑戰？

    Johnson：任何二沖程發動機都難以克服由二十世紀后半期出臺的排放法規所帶來的挑戰，導致發動機制造商普遍青睞四沖程發動機。當采用現代分析工具、材料及工程法重新審視排放限制，會忽然發現清潔高效的OP二沖程發動機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，這更是一種創舉。噴油方向距離遠(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渦流的缸內新鮮充量運動相互作用，導致了燃燒室表面附近發生燃燒，增加了活塞、活塞環和缸套的熱負荷，并降低了熱效率，增加了散熱要求。憑借現代開發工具和先進燃料系統，配備襯套式噴油器的OP裝置已經將技術難題轉化為發展良機。高噴射壓力的燃油系統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的空氣。此外，采用計算流體動力學(CFD)軟件包能快速準確地模擬燃油噴射、缸內氣體運動和燃燒，幫助燃燒室幾何工程和噴嘴配置進行清潔高效燃燒。塑造兩個燃燒室表面(兩個活塞頂)成形，將多個噴油位置安在襯套上，使得OP裝置比普通四沖程發動機具有更大的設計空間。
 

    相對四沖程發動機，OP裝置由于熱緩解廢氣和進氣周期，機械零件熱負荷較高，這一問題通過現代工具和材料已得到解決。如前所述，一般設計在遠離活塞和襯套表面處進行燃燒，從而降低這些組件的冷卻要求。此外，共軛熱傳(CHT)模擬是用來分析發動機冷卻回路，設計有效的保護和防止油液降解的冷卻系統。作為兩沖程和四沖程發動機的一個主要區別，氣缸掃氣是所有二沖程發動機面臨的一個技術挑戰。與四沖程發動機的一整圈形成對比，為了實現每轉一次的點火頻率，二沖程發動機必須在大約每三分之一轉圈完成氣缸掃氣，而且沒有借助一個直接的機械排泵(即活塞)。相反，二沖程發動機在進排氣口之間需要一個外部壓力差，使氣流通過氣缸，在氣缸中新鮮充量會替換排出的燃燒產物。相對于其他使用環流掃氣的兩沖程結構，OP發動機的進排氣口位于氣缸相反兩端，采用了更高效的單流掃氣。掃氣的發展目標是減少清除氣缸廢氣殘余所需的外部抽氣，為隨后進氣時的燃油/空氣混合進行充量運動。使用高效準確的CFD軟件包可以描述掃氣過程的全部特征。無需耗時和硬件制造測試花費，通過軟件就能對進出口、氣缸和活塞幾何進行優化，并計算它們對缸內發展流場的影響。

    二沖程掃氣在排放方面的優勢之一是能夠在燃燒后在氣缸內保留部分充量(“內部”廢氣再循環(EGR))以控制氮氧化物，只要通過進氣系統減少抽氣就能做到。這樣做有助于改善部分負荷的燃油效率。為了得到高廢氣再循環率，還需要進行外部冷卻EGR。 二沖程發動機經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重要來源，二是石油添加劑生產的高灰渣經常污染后處理裝置。該工程旨在開發一種用油盡可能少、耐用的活塞襯套和環襯接口。幸運的是，已開發出許多技術用于減少四沖程發動機油耗：缸徑材料改進、缸徑表面加工、活塞環技術、曲軸箱呼吸系統、缸徑油氣浸蝕處理、合成油、低灰分和磷油，它們都已經應用到四沖程發動機，且同樣適用于二沖程發動機。先進的油耗分析機已被用來這里的工作，使得這些控油技術的研究與發展更快更集中。肘節銷軸承的潤滑是二沖程經常遇到的挑戰。因為不斷加載的肘節銷軸承補油比較困難。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展，許多軸承利用技術已大大改善。

    記者：可以看出對置活塞二沖程發動機在結構方面與傳統車用發動機的區別是很大的，那從生產成本方面分析，其有何優劣勢？

    Johnson：由于元件數少，OP發動機的成本也低。這一優勢在大批量生產時體現尤為明顯，如每個發動機可以節省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勢，一位成本分析專家在比較了Achates Power公司A40發動機和傳統柴油發動機的零部件成本，雙方排放標準類似，生產量相當。專家購買了一個2007年6.7L直列六缸發動機，將其拆卸成為一個個單一組件。分析每個組件的材料成分、形成過程、機加工時間、復雜性以及其他過程，如電鍍或涂層。將其主要組件和Achates Power發動機同樣的功能組件就材料成分、質量、機加工時間和速率直接進行對比。只分析了發動機組件和主要子系統，如渦輪增壓器、燃油系統和潤滑系統。對置活塞結構的成本優勢主要在于其省去了氣缸蓋和相應的配氣系統。發動機越小巧緊密，需要的子系統越少(如冷卻和潤滑系統)，節省了額外的開支。同樣，其結構和曲軸組件越小，成本更低。OP發動機成本略微增加的地方在于其氣缸襯套、機械裝置和增壓器，后者需要用于二沖程操作。分析表明，OP發動機比同等功率的四沖程發動機節省約11％的成本。

    記者：能否介紹一下Achates Power公司是個怎樣的公司，它的股權結構是怎樣的以及公司未來的發展計劃？

    Johnson：公司成立于2004年，最初的構想始于1998年。公司由美國工程科學院(NAE)院士Jim Lemke以及已故的John Walton所創辦。公司吸引了來自幾個創投公司超過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動機的性能已經經過驗證，截至目前測試時間超過1900小時。目前已經有相關企業與我們進行各種合作形式的洽談，希望能盡早達成一致，使我們的產品早日實現量產。