柴油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)研究范文

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摘要:

為實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)使用過(guò)程中油耗少、污染小這一目標(biāo)，提出一種高效節(jié)能減排方法，從機(jī)前柴油磁化處理、機(jī)內(nèi)潤(rùn)滑油改善以及機(jī)后尾氣處理3個(gè)方面對(duì)柴油機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行改善處理。通過(guò)搭建具有測(cè)量油耗以及尾氣分析等功能的柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，探究所采用的技術(shù)對(duì)柴油機(jī)節(jié)能減排的作用效果。研究表明，采用可控磁強(qiáng)磁化器對(duì)燃油進(jìn)行磁化處理后，在中等負(fù)載的情況下對(duì)降低油耗的作用更明顯，也能減少煙霧的排放;性能優(yōu)良的潤(rùn)滑油能有效減少摩擦因數(shù)，降低柴油機(jī)油耗;采用固體顆粒凈化器能減少尾氣中的固體顆粒物的排放，達(dá)到減排的目的。

關(guān)鍵詞:

柴油機(jī);節(jié)能減排;磁化;潤(rùn)滑油;顆粒凈化器

柴油機(jī)由于扭矩大、動(dòng)力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性能好，廣泛應(yīng)用于大型機(jī)械裝備中。其中，以航海船只最為明顯，其一般都是采用柴油機(jī)作為動(dòng)力裝置［1］。隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)節(jié)能環(huán)保要求的提高，對(duì)柴油機(jī)的性能要求越來(lái)越高［2－3］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用技術(shù)先進(jìn)的柴油機(jī)能夠減少油耗30%左右，且尾氣中有害氣體的排放量有明顯下降［4］。因此，研究柴油機(jī)的節(jié)能減排技術(shù)顯得尤為重要。

目前，對(duì)于柴油機(jī)的節(jié)能減排技術(shù)主要是從柴油燃燒前處理、機(jī)內(nèi)燃燒處理以及機(jī)后尾氣處理3個(gè)方面進(jìn)行考慮［5－6］，分別從燃油的燃燒情況、柴油機(jī)的磨損情況以及柴油機(jī)的尾氣處理與余熱回收利用等方面進(jìn)行研究［7］。日本大半府立大學(xué)的Okubo等［8］研究了關(guān)于減少尾氣中NOx排放的課題，通過(guò)運(yùn)用低溫等離子廢氣循環(huán)技術(shù)，從吸收、冷卻、加熱3個(gè)方面對(duì)尾氣進(jìn)行處理，取得了較好的效果。世界先進(jìn)柴油機(jī)廠商積極開(kāi)展了各種燃燒控制技術(shù)研究及應(yīng)用。瓦錫蘭集團(tuán)和MAN柴油機(jī)公司都成功開(kāi)發(fā)出新型的渦輪增壓技術(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料更充分燃燒，不僅降低了油耗，而且也減少了有害氣體的排放［9］。本文作者主要是從機(jī)前、機(jī)內(nèi)、機(jī)后3個(gè)方面對(duì)柴油機(jī)的節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)行探究，設(shè)計(jì)一種可控磁強(qiáng)磁化器對(duì)柴油進(jìn)行磁化，開(kāi)發(fā)一種潤(rùn)滑油改善柴油機(jī)的潤(rùn)滑，采用一種顆粒凈化器對(duì)尾氣中的固體顆粒物進(jìn)行處理。通過(guò)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，探究了所用技術(shù)對(duì)柴油機(jī)節(jié)能減排的作用效果。

1節(jié)能減排技術(shù)

1.1機(jī)前處理機(jī)前處理采用的是磁化處理的方法。通過(guò)使用磁化器將柴油磁化，達(dá)到提高柴油的燃燒效率、降低油耗的目的。對(duì)于通過(guò)將柴油磁化能夠節(jié)省油耗的原理，可以從霧化理論［10］、磁滯伸縮原理［11］、量子理論［12］等多方面進(jìn)行解釋。燃油霧化理論是從宏觀層面上解釋了磁化節(jié)能的原理。霧化是指通過(guò)噴嘴或用高速氣流使液體分散成微小液滴的操作［10］。油液在霧化成霧狀后，燃燒更充分，不僅效率高，還能減少尾氣中有毒氣體的排放。由式(1)可知，柴油經(jīng)過(guò)磁化后，黏度變低，即表面張力σ減小，而其他參數(shù)不變，故油滴的平均直徑d也變小，霧化效果更佳，燃燒也更充分。

1.2機(jī)內(nèi)處理在機(jī)內(nèi)處理方面，采用自主研發(fā)的精鋼盾潤(rùn)滑油，通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑油性能的改善，減少柴油機(jī)的摩擦磨損，不僅降低油耗，也可以增加柴油機(jī)的使用壽命。柴油機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在使用過(guò)程中各個(gè)摩擦副之間的接觸磨損會(huì)影響其使用壽命，潤(rùn)滑油不僅可以實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑，還有冷卻、清潔等作用，在工作工程中通過(guò)本身的流動(dòng)清洗廢屑、冷卻柴油機(jī)的溫度。選擇合適的潤(rùn)滑油不僅能夠減少摩擦磨損，還能優(yōu)化柴油燃燒過(guò)程，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

1.3機(jī)后處理機(jī)后處理主要包括尾氣處理和余熱回收利用2個(gè)方面［13］。本文作者主要探討柴油機(jī)尾氣中的固體顆粒物的處理。固體顆粒物的處理主要是采用一種自主設(shè)計(jì)的顆粒凈化器。該顆粒凈化器由離心力分離機(jī)構(gòu)以及二次過(guò)濾機(jī)構(gòu)兩部分組成。工作時(shí)，尾氣進(jìn)入凈化器，通過(guò)離心力分離機(jī)構(gòu)高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生足夠的離心力，使得尾氣中的固體顆粒物在離心力和自身重力的作用下跌落在管壁，而尾氣再通過(guò)二次過(guò)濾機(jī)構(gòu)排出，從而達(dá)到分離固體顆粒物的目的。

2實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建與實(shí)驗(yàn)方案

2.1實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的節(jié)能減排技術(shù)方法對(duì)柴油機(jī)的作用效果，搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。臺(tái)架系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架實(shí)物圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)采用的是4100新型柴油機(jī)(缸數(shù)為4，缸徑為100mm)，采用電子秤對(duì)油耗情況進(jìn)行測(cè)量，分別采用一種永磁式磁化器和一種可控磁強(qiáng)磁化器對(duì)柴油進(jìn)行磁化。由FC2000型測(cè)功機(jī)對(duì)其工況進(jìn)行控制。采用FGA4100性尾氣分析儀對(duì)尾氣中的氣體成分進(jìn)行測(cè)量分析。采用FBY201型煙度計(jì)測(cè)量尾氣中煙度值的大小。

2.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)M大型柴油機(jī)的節(jié)能減排技術(shù)，從機(jī)前處理、機(jī)內(nèi)處理以及機(jī)后尾氣處理3個(gè)方面進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)探究對(duì)柴油機(jī)節(jié)能減排效果的影響。首先，在機(jī)前處理部分，采用可控磁強(qiáng)的磁化器對(duì)燃油施加不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)進(jìn)行磁化。分別采用0.1、0.2和0.3T磁場(chǎng)強(qiáng)度磁化后的燃油作為實(shí)驗(yàn)組，采用不施加磁強(qiáng)的燃油作為對(duì)照組。采用油耗以及煙度值作為試驗(yàn)指標(biāo)，探究磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)燃油燃燒過(guò)程的影響。在機(jī)內(nèi)處理部分，采用自主研發(fā)的精鋼盾潤(rùn)滑油對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行潤(rùn)滑，并與殼牌潤(rùn)滑油和一汽潤(rùn)滑油進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，探究不同潤(rùn)滑油對(duì)柴油機(jī)摩擦磨損以及對(duì)燃油油耗等的影響。在機(jī)后尾氣處理部分，采用自制的固體顆粒凈化器裝置對(duì)柴油機(jī)排放的尾氣進(jìn)行過(guò)濾處理。同時(shí)，使用不安裝尾氣處理裝置的排氣管進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，用煙度計(jì)進(jìn)行煙度值的測(cè)量，探究?jī)艋鲗?duì)柴油尾氣顆粒物的影響。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1磁場(chǎng)的作用效果圖3(a)示出了柴油機(jī)燃燒不同磁強(qiáng)磁化后燃油時(shí)，在不同扭矩作用下工作30min的油耗量。可以看出，油耗量隨著扭矩的增大而增加;在扭矩較小時(shí)，燃油磁化效果對(duì)油耗的影響不明顯，且磁強(qiáng)越大，油耗呈增加的趨勢(shì);在扭矩較大時(shí)，磁場(chǎng)對(duì)于油耗的作用效果明顯，如在100N•m時(shí)，油耗隨著磁場(chǎng)的增大而減少，最高節(jié)油率為4.17%;而扭矩很大時(shí)，如在180N•m時(shí)，油耗的減少量也不明顯。圖3(b)示出了柴油機(jī)燃燒不同磁強(qiáng)磁化后燃油時(shí)，在不同扭矩作用下的煙度值變化趨勢(shì)。可以看出，隨著扭矩的增大，煙度值越來(lái)越大，在扭矩較小時(shí)，磁場(chǎng)的增加反而增大了煙的排放，在扭矩為100N•m時(shí)，煙度值隨著磁場(chǎng)的增加而明顯減少，但在大扭矩作用時(shí)磁場(chǎng)的作用效果又不明顯。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可得，在小負(fù)載的作用下，磁化后的燃油對(duì)于油耗及尾氣煙度值有負(fù)作用;而在負(fù)載較適中的情況下，對(duì)油耗以及煙度值有一定的作用效果，但作用效果不是很明顯，可以配合其他技術(shù)手段一起使用。造成上述現(xiàn)象的原因可能是燃油磁化后表面張力變小，在負(fù)載適中的情況下，燃油表面分子可以鋪展開(kāi)，表面積更多，燃燒也更完全;而在小負(fù)載作用時(shí)燃油分子間很多重合在一起，不利于燃燒，因此造成了油耗量以及尾氣煙度的不同。

3.2潤(rùn)滑油的作用效果將自主研發(fā)的精鋼盾潤(rùn)滑油與殼牌潤(rùn)滑油、一汽潤(rùn)滑油進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)理化性能指標(biāo)測(cè)試，精鋼盾的性能要好于一汽潤(rùn)滑油的性能。其運(yùn)動(dòng)黏度較殼牌潤(rùn)滑油更低，利于散熱;摩擦因數(shù)和磨斑直徑與殼牌潤(rùn)滑油相近，能夠有效地起到減摩抗磨和延長(zhǎng)零部件壽命的作用。圖4(a)示出了3種潤(rùn)滑油的摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化曲線。可知，隨著使用時(shí)間的增加，精鋼盾和殼牌潤(rùn)滑油的摩擦因數(shù)穩(wěn)中有降，并且低于一汽潤(rùn)滑油。圖4(b)示出了柴油機(jī)分別使用3種潤(rùn)滑油的油耗變化情況。可知，柴油機(jī)油耗呈波浪形變化，并且使用精鋼盾潤(rùn)滑油比使用其他2種潤(rùn)滑油時(shí)油耗量相對(duì)較低，說(shuō)明精鋼盾潤(rùn)滑油能夠降低油耗。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，精鋼盾潤(rùn)滑油的摩擦因數(shù)較低，柴油機(jī)在使用時(shí)能夠減少摩擦磨損，延長(zhǎng)其使用壽命;同時(shí)，使用精鋼盾潤(rùn)滑油時(shí)的燃油油耗相對(duì)較少。說(shuō)明精鋼盾潤(rùn)滑油在柴油機(jī)的工作過(guò)程中起到了良好的潤(rùn)滑作用，改善了柴油機(jī)的工作條件。

3.3固體顆粒凈化器的作用效果表1表示的是固體顆粒凈化器對(duì)柴油機(jī)煙度的影響。可以看出，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，尾氣中的固體顆粒物呈減少的趨勢(shì)，并且使用凈化器能夠明顯改善尾氣中的顆粒物。在轉(zhuǎn)速為1200r/min時(shí)，煙度值的改善量最大達(dá)到了1.65FSN。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，使用自制的尾氣顆粒凈化器裝置對(duì)柴油機(jī)尾氣中的固體顆粒物有明顯的作用效果。并且，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速越低，裝置的作用效果越明顯。這是由于凈化器是采用離心力的方式將固體顆粒物分離，由于顆粒物質(zhì)量較大，故處理效果較明顯。同時(shí)，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，柴油的燃燒速度相對(duì)較低，尾氣排出的速率也相對(duì)較慢，加長(zhǎng)了凈化器對(duì)固體顆粒物的處理時(shí)間。

4結(jié)論

(1)采用可控磁強(qiáng)磁化器對(duì)燃油進(jìn)行磁化處理后，在中等負(fù)載的情況下對(duì)降低油耗的作用更明顯，也能減少煙霧的排放。(2)自主設(shè)計(jì)的精鋼盾潤(rùn)滑油能夠有效減少摩擦因數(shù)，降低柴油機(jī)的摩擦磨損，延長(zhǎng)其使用壽命，并且在降低油耗方面也相對(duì)較優(yōu)。(3)設(shè)計(jì)的固體顆粒凈化器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)尾氣中的固體顆粒物有良好的凈化效果，尤其是在柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，凈化效果更好。

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作者：黃恒 謝小鵬 劉輝龍 單位：華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院