机用柴油机的节能技术

第五章机车柴油机的优化技术 柴油机是一种热能动力机械，它能在宽广的功率范围内以较高的效率将包含在燃料中的化学能转换成为机械功，而且结构相对简单，操纵较为方便，机动性好，适应性强，这些都是其它热能动力机械无法比拟的，从而使它在车辆、船舶、机车、工程机械与农业动力等领域中获得了极为广泛的应用，在国民经济及国防建设中都有着重大的影响。 柴油机是以碳氢化合物为燃料的动力机械，受到石油资源储量及其燃烧产物中有害排放物质的制约，随着人们对生产的高效性、运输的快捷性及运用的安全性等要求的进一步提高，相应在柴油机的节能、强化以及可靠性等方面提出了新的要求。为此，柴油机在今后发展中应着重解决的技术课题主要有： (l）降低现有柴油机的燃油消耗率，并进一步开拓传统石油燃料的代用能源。 (2）适应环保法规的严格要求，进一步降低振动、噪声，减少燃烧产物中有害成分的排放浓度。 (3）在保证结构可靠性的前提下，进一步采用强化技术，提高单位气缸工作容积的做功能力。 (4）确保安全运转，积极发展柴油机状态监测、故障诊断及有关安全防护的技术措施。

第一节机车用柴油机的节能技术 一、提高燃烧有效性，降低燃油消耗率 有效燃油消耗率b。是评价柴油机经济性能的一个重要指标，它取决于柴油机能量转换过程的完善程度，主要与表5一1所示因素有关。 可以看出，提高燃烧的有效性，提高机械效率，是降低有效燃油消耗率的两个基本途径，其中可燃混合气的形成与燃烧是柴油机能量转换过程中的一个核心环节，在充分利用气缸内新鲜空气充量的前提下完善地组织燃烧过程；在满足平稳运转要求的同时，最大限度地提高燃烧的等容度，可使工质实现充分膨胀，并能减少散热损失，从而可以提高燃烧的有效性，使柴油机的做功能力与经济性能都得到应有的改善，遵循上述思路，为提高柴油机的性能，人们进行了长期不懈的研究开发工作，在20世纪90年代中期，中，高速大功率柴油机的有效燃油消耗率已达到了b。二195一2009/(kw·h）的水平。面对节约能源、降低运用成本的紧迫要求，若要争取在本世纪初使现有的有效燃油消耗率进一步降低10％的话，除了需围绕影响柴油机性能的有关因素继续寻求改进外，更应着重开发利用机电一体化技术，以实现柴油机综合性最适控制。

众所周知，中高速柴油机的工作过程接近等容等压混合加热循环，当压力升高比与最高燃烧压力在柴油机所能承受的限度内，加大上止点附近的燃烧放热率，增大燃烧的等容度，可以提高工作循环的热效率，在柴油机中，燃烧速度是可燃混合气形成速度、燃烧化学反应速度、工质热传导及其流动速度的函数。根据可燃混合气的形成特点，在柴油机中，其初期燃烧属于预混合燃烧，因滞燃期的存在，相应的预混合燃烧受化学反应速度的支配；而在着火过程之后的主燃烧期则属于扩散燃烧，这一燃烧过程受可燃混合气形成速度的制约。因此柴油机的燃烧过程除与燃料的着火性能及燃烧室内的着火条件有关外，总体上可以认为主要是受到可燃混合气形成速度的制约。 对于燃油与空气的混合质量的要求是：每次循环进入气缸的燃油应充分利用燃烧室内的空气，在可控制的条件下使燃油与空气尽快地形成均质可燃混合气，以便为提高燃烧的等容度、减少过后燃烧创造正常的燃烧条件。这样，既有利于提高柴油机的做功能力与经济性，也有助于降低排气中有害物质的浓度。改善换气过程，提高燃料喷射雾化质量，合理确定燃烧室结构形式，使燃料喷射特性、气缸内气流运动特性与燃烧室几何结构三者之间保持正确的配合关系，对促进燃油与空气的均匀混合、加速可燃混合气的形成具有重大的影响。

二、提高石油资源利用率，积极开发新能源 柴油向宽馏分化、重质化方向发展 内燃机的传统燃料—汽油和柴油都是从石油中制取的。依据在蒸馏炼制过程中镏出温度的高低，石油制品主要有：汽油、煤油、轻柴油、重柴油、重油、和渣油等。 石油系燃料是由不同的碳氢化合物所组成的复杂混合物，随着馏程的不同，其中所含的烷烃、烯烃、环烷烃和芳香烃的比例不同，因而燃料的分子量、着火燃烧性能及其应用范围也各不相同。为了合理地利用资源，轻柴油用作中速、高速柴油机的燃料，而重柴油则用作低速柴油机的燃料，在大型低速柴油机中还应推广使用重油。 轻柴油的正常馏程为：初馏温度180Oc一200Oc，终馏温度340Oc一350"C，在原油中其所占比例是有限的。为了提高轻柴油的产量，当前我国柴油生产中的一个发展趋势是应用催化裂化方法，扩宽馏程，使其向宽馏分化、重质化方向发展。所谓宽馏分柴油，就是将柴油的初馏温度稍稍向轻质方向扩展，而将其终馏温度较多的向重质方向扩展（例如将终馏温度提高到350"C一360"C，为了减小其粘度增加的幅度，而相应将初馏温度降低为180"C一190OC)，这样可使轻柴油的产量增加113或更多。但是，随着馏程温度的提高，柴油中所含轻质馏分减少，重质馏分增多，亦即烷烃含量下降，芳香烃含量上升；直链烃减少，闭环烃增多，从而柴油中含碳量增加，含氢量减少，相应粘度增大，低热值减小。在燃烧性能上则表现为着火性能变差，滞燃期延长，致使燃烧的粗暴度增加，燃烧的等容度降低，后燃期延长，排气温度与碳烟浓度上升，燃油消耗率也会增加。为了减少这些不利因素的影响，一是将宽馏分柴油按需要制成轻质宽馏分柴油与重质宽馏分柴油两类，根据柴油机的高速性来选用着火性能恰当的柴油；二是在燃料的预热、喷油规律及喷射雾化质录等方面采取一些相应措施来改善其燃烧性能。 在石油炼制过程中，除约可得到15％的汽油、11％的煤油、22％的柴油等轻质馏分外，还会产生约40％的重油。为了更合理地利用有限的石油资源，除开发重油在锅炉、燃气轮机中的应用外，还应注意开展重油在内燃机中的应用研究。重油属于低质燃料，根据分馏温度可将重油分为三类，它们在重油中所占的比例各为19％、9％及72％左右，有关基本性质如表

重油与汽油、柴油等轻质燃料相比，主要是含芳香烃比例较大，而且其碳原子数大部分C20以上，因此重油粘度大，不易输送，难于雾化；十六烷值较低，着火燃烧性能差，燃烧速度慢；含有害杂质较多，易引起燃料输送装置、喷射系统及燃烧室的磨损、腐蚀与堵塞。针对上述问题，为使重油在内燃机中得到有效利用，可以采取的技禾措施主要有：①对重油进行脱硫、除去有害杂质及水分的净化处理；②对重油进行预热（在低负荷下还可对柴抽机进气加热），以降低燃油粘度，促进燃油蒸发；③采用燃油添加剂（如沥青类泥浆分散剂、热油乳化剂、燃烧催化剂等）或其他的物理手段（如超声波处理、磁化处理等），使燃触改r.)改善其燃烧性能；④重油掺水，形成稳定的油水乳化燃料，借助乳化燃油的‘微爆”作用及水分的汽化，可以改善燃油和空气的混合质量；⑤在重油中掺混一定比例的低粘度燃油，组成柴油／重油或A重油／C重油（通常简写为A/C油）的混合燃料，也可以使劣质燃油的燃烧性能得到一定的改善。目前，国外船用中、低速柴油机大都燃用劣质燃油，而在一般的中速柴油机中因受烘烧性能的制约，燃用重油还存在一些困难和问题。 从现已探明储量的情况来看,世界各国的石油资源是极其有限的,为了满足人类可持续发展的需要,积极开发可再生没有公害的化工燃料的代用能源，是摆在我们面前的一个迫切的问题。具体来说，可以用于内然机的理想新能源应具备下述基本特点：发热值高、储藏量大容易制取、燃用方便、不污染环境。显然，这些要求十分苛刻，目前很难充分满足。 从理论上来说，太阳能和*气作燃料或用太阳能驱动的试验性汽车，为人门展示了新能源的发展前景。但是，常规的用电来分解水的制氢方法耗电量太大，不易普及采用；而太阳能的嫩能量密度较低,目前受集体热器、光电池性能制约，光一热转换或光一电转换的转换效率均较低,因此它使用也受到很大的限制。 从现实意义上石，醉类燃料是比较理想的内燃机的代用能源，醇类燃料主要是指甲醇和乙醉，它们在20世纪4。年代就竹被用作内燃机的燃料。由于它们是一种可以再生的燃料，且有害排放成分相对较少，所以，从保证能源的稳定供给及改善环境质：!，企的角度出发，自20世纪70年代起，醉类燃料的开发利用问题又垂新引起了人们的关注。 甲醉可以由一氧化碳和氢气合成制得，因此它可以较方便地从天然气、油页岩及媒中提取。乙醉可利用发酵的方法，从甘蔗、玉米、薯类等农作物及木质纤维素中提取。这些原料不仅储M较大，而且大都可以再生，这就保证了醉类燃料的稳定供给。同时，甲醇（CH30H)和乙醇（cZH501劝都是分子量较小的单一物质，燃烧产物中基本没有碳烟，氮氧化合物的排放浓度也很低，因而可以看作是一种低污染性燃料。 表5一3介绍了甲醉和乙醇的基本性质。它们与汽油、柴油等碳氢燃料的主要不同点是： (1）热值低。甲醉的低热值约为汽油、柴油的45％一47%，乙醇的低热值约为汽油、柴油的61％一63％。 (2）气化潜热大。甲醇和乙醇的气化潜热分别为柴油气化潜热的4.4倍和3.4倍。 (3）着火温度高。甲醇和乙醇的着火温度分别比柴油高出200"C和140"C。 (4）着火界限宽。在空气中的着火界限（用燃料／空气容积百分比表示）甲醇为6.0％一36.5%，乙醉为3.5％一18.0%，而汽油仅为1.4%~7.6％ (5）燃烧产物中的有害成分较少，但对部分金属、橡胶及塑料制品有腐蚀性。 醇类燃料用于汽油机没有什么特殊困难。在汽油机中使用醇类燃料的方法有三种：○1在汽油中参混3%至5%的甲醇；○2在醇类燃料中参混15%左右的汽油；○3100%使用醇类燃料。在汽油机中部分或全部使用醉类燃料，除要重新考虑燃料系统的设计外，还需解决因气化潜热过高而引起的燃烧室温度过低问题，否则将会影响可燃混合气的形成及其火焰传播速度。一种行之有效的措施是利用内燃机的排气余热来加热进气。 醉类燃料的十六烷值很低，如甲醇的十六烷值为3，乙醇的十六烷值也只有8，着火性能很差，加之气化潜热很大，所以很难直接在现有的柴油机上应用。为在柴油机中应用醇类燃料，可以采用的辅助方法主要有‘①增大压缩比，加装点火塞，以促进醉类燃料的着火反应；②在喷射作为主燃料的醇类之前，提前喷入少量柴油（一般柴油喷射贵约为每循环总热量的5％一10%)，以便引燃醉类燃料；③采用柴油和醇类组成混合燃料（需同时添加高级醇类、芳香烃等作为助溶剂，以改善混合质量并提高混合燃料的稳定性），混合燃料具有接近柴油的着火性能；④在醇类燃料中添加环己基亚硝酸盐、乙基亚硝酸盐等助燃添加剂，以提高醉类燃料的十六烷值，改善其着火性能，此外，还可以利用催化剂，使甲醇产生改质反应，甲醇将分解成为67％的氢和33％的一氧化碳，改质甲醇气具有与氢气类似的燃烧特性，易于完全燃烧，抗爆性能及排放性能都较好。上述改质反应是一个吸热反应，该反应约在300Oc的温度下进行，可利用内燃机的排气余热作为这一反应的热源。 在可用作内燃机代用燃料的可再生性能源中，植物油（如菜籽油、大豆油、玉米汕、向日葵油等）也占有一席之地。多数植物汕（特别是菜籽油）司一以按任念比例与柴油掺混互溶，因此它既一可单独在柴油机中燃用，亦可与柴汕组成混合燃料使用。植物油的质五1低热值比柴油低7％一13%，但