柴油机节能减排技术研究范文

摘要:

为实现柴油机使用过程中油耗少、污染小这一目标，提出一种高效节能减排方法，从机前柴油磁化处理、机内润滑油改善以及机后尾气处理3个方面对柴油机的工作过程进行改善处理。通过搭建具有测量油耗以及尾气分析等功能的柴油机实验台架，探究所采用的技术对柴油机节能减排的作用效果。研究表明，采用可控磁强磁化器对燃油进行磁化处理后，在中等负载的情况下对降低油耗的作用更明显，也能减少烟雾的排放;性能优良的润滑油能有效减少摩擦因数，降低柴油机油耗;采用固体颗粒净化器能减少尾气中的固体颗粒物的排放，达到减排的目的。

关键词:

柴油机;节能减排;磁化;润滑油;颗粒净化器

柴油机由于扭矩大、动力强、经济性能好，广泛应用于大型机械装备中。其中，以航海船只最为明显，其一般都是采用柴油机作为动力装置［1］。随着技术的发展，对节能环保要求的提高，对柴油机的性能要求越来越高［2－3］。据统计，采用技术先进的柴油机能够减少油耗30%左右，且尾气中有害气体的排放量有明显下降［4］。因此，研究柴油机的节能减排技术显得尤为重要。

目前，对于柴油机的节能减排技术主要是从柴油燃烧前处理、机内燃烧处理以及机后尾气处理3个方面进行考虑［5－6］，分别从燃油的燃烧情况、柴油机的磨损情况以及柴油机的尾气处理与余热回收利用等方面进行研究［7］。日本大半府立大学的Okubo等［8］研究了关于减少尾气中NOx排放的课题，通过运用低温等离子废气循环技术，从吸收、冷却、加热3个方面对尾气进行处理，取得了较好的效果。世界先进柴油机厂商积极开展了各种燃烧控制技术研究及应用。瓦锡兰集团和MAN柴油机公司都成功开发出新型的涡轮增压技术，使发动机中的燃料更充分燃烧，不仅降低了油耗，而且也减少了有害气体的排放［9］。本文作者主要是从机前、机内、机后3个方面对柴油机的节能减排技术进行探究，设计一种可控磁强磁化器对柴油进行磁化，开发一种润滑油改善柴油机的润滑，采用一种颗粒净化器对尾气中的固体颗粒物进行处理。通过台架实验，探究了所用技术对柴油机节能减排的作用效果。

1节能减排技术

1.1机前处理机前处理采用的是磁化处理的方法。通过使用磁化器将柴油磁化，达到提高柴油的燃烧效率、降低油耗的目的。对于通过将柴油磁化能够节省油耗的原理，可以从雾化理论［10］、磁滞伸缩原理［11］、量子理论［12］等多方面进行解释。燃油雾化理论是从宏观层面上解释了磁化节能的原理。雾化是指通过喷嘴或用高速气流使液体分散成微小液滴的操作［10］。油液在雾化成雾状后，燃烧更充分，不仅效率高，还能减少尾气中有毒气体的排放。由式(1)可知，柴油经过磁化后，黏度变低，即表面张力σ减小，而其他参数不变，故油滴的平均直径d也变小，雾化效果更佳，燃烧也更充分。

1.2机内处理在机内处理方面，采用自主研发的精钢盾润滑油，通过对润滑油性能的改善，减少柴油机的摩擦磨损，不仅降低油耗，也可以增加柴油机的使用寿命。柴油机是一个复杂的机械结构，在使用过程中各个摩擦副之间的接触磨损会影响其使用寿命，润滑油不仅可以实现润滑，还有冷却、清洁等作用，在工作工程中通过本身的流动清洗废屑、冷却柴油机的温度。选择合适的润滑油不仅能够减少摩擦磨损，还能优化柴油燃烧过程，达到节能减排的目的。

1.3机后处理机后处理主要包括尾气处理和余热回收利用2个方面［13］。本文作者主要探讨柴油机尾气中的固体颗粒物的处理。固体颗粒物的处理主要是采用一种自主设计的颗粒净化器。该颗粒净化器由离心力分离机构以及二次过滤机构两部分组成。工作时，尾气进入净化器，通过离心力分离机构高速旋转，产生足够的离心力，使得尾气中的固体颗粒物在离心力和自身重力的作用下跌落在管壁，而尾气再通过二次过滤机构排出，从而达到分离固体颗粒物的目的。

2实验台的搭建与实验方案

2.1实验台的搭建为了验证所设计的节能减排技术方法对柴油机的作用效果，搭建了实验台架。台架系统设计框图如图1所示，实验台架实物图如图2所示。实验采用的是4100新型柴油机(缸数为4，缸径为100mm)，采用电子秤对油耗情况进行测量，分别采用一种永磁式磁化器和一种可控磁强磁化器对柴油进行磁化。由FC2000型测功机对其工况进行控制。采用FGA4100性尾气分析仪对尾气中的气体成分进行测量分析。采用FBY201型烟度计测量尾气中烟度值的大小。

2.2实验方案设计实验模拟大型柴油机的节能减排技术，从机前处理、机内处理以及机后尾气处理3个方面进行分析，实验探究对柴油机节能减排效果的影响。首先，在机前处理部分，采用可控磁强的磁化器对燃油施加不同强度的磁场进行磁化。分别采用0.1、0.2和0.3T磁场强度磁化后的燃油作为实验组，采用不施加磁强的燃油作为对照组。采用油耗以及烟度值作为试验指标，探究磁场强度对燃油燃烧过程的影响。在机内处理部分，采用自主研发的精钢盾润滑油对柴油机进行润滑，并与壳牌润滑油和一汽润滑油进行对比实验，探究不同润滑油对柴油机摩擦磨损以及对燃油油耗等的影响。在机后尾气处理部分，采用自制的固体颗粒净化器装置对柴油机排放的尾气进行过滤处理。同时，使用不安装尾气处理装置的排气管进行对比实验，用烟度计进行烟度值的测量，探究净化器对柴油尾气颗粒物的影响。

3实验结果及分析

3.1磁场的作用效果图3(a)示出了柴油机燃烧不同磁强磁化后燃油时，在不同扭矩作用下工作30min的油耗量。可以看出，油耗量随着扭矩的增大而增加;在扭矩较小时，燃油磁化效果对油耗的影响不明显，且磁强越大，油耗呈增加的趋势;在扭矩较大时，磁场对于油耗的作用效果明显，如在100N•m时，油耗随着磁场的增大而减少，最高节油率为4.17%;而扭矩很大时，如在180N•m时，油耗的减少量也不明显。图3(b)示出了柴油机燃烧不同磁强磁化后燃油时，在不同扭矩作用下的烟度值变化趋势。可以看出，随着扭矩的增大，烟度值越来越大，在扭矩较小时，磁场的增加反而增大了烟的排放，在扭矩为100N•m时，烟度值随着磁场的增加而明显减少，但在大扭矩作用时磁场的作用效果又不明显。由实验结果分析可得，在小负载的作用下，磁化后的燃油对于油耗及尾气烟度值有负作用;而在负载较适中的情况下，对油耗以及烟度值有一定的作用效果，但作用效果不是很明显，可以配合其他技术手段一起使用。造成上述现象的原因可能是燃油磁化后表面张力变小，在负载适中的情况下，燃油表面分子可以铺展开，表面积更多，燃烧也更完全;而在小负载作用时燃油分子间很多重合在一起，不利于燃烧，因此造成了油耗量以及尾气烟度的不同。

3.2润滑油的作用效果将自主研发的精钢盾润滑油与壳牌润滑油、一汽润滑油进行对比。通过理化性能指标测试，精钢盾的性能要好于一汽润滑油的性能。其运动黏度较壳牌润滑油更低，利于散热;摩擦因数和磨斑直径与壳牌润滑油相近，能够有效地起到减摩抗磨和延长零部件寿命的作用。图4(a)示出了3种润滑油的摩擦因数随时间变化曲线。可知，随着使用时间的增加，精钢盾和壳牌润滑油的摩擦因数稳中有降，并且低于一汽润滑油。图4(b)示出了柴油机分别使用3种润滑油的油耗变化情况。可知，柴油机油耗呈波浪形变化，并且使用精钢盾润滑油比使用其他2种润滑油时油耗量相对较低，说明精钢盾润滑油能够降低油耗。由实验结果分析可知，精钢盾润滑油的摩擦因数较低，柴油机在使用时能够减少摩擦磨损，延长其使用寿命;同时，使用精钢盾润滑油时的燃油油耗相对较少。说明精钢盾润滑油在柴油机的工作过程中起到了良好的润滑作用，改善了柴油机的工作条件。

3.3固体颗粒净化器的作用效果表1表示的是固体颗粒净化器对柴油机烟度的影响。可以看出，随着柴油机转速的增加，尾气中的固体颗粒物呈减少的趋势，并且使用净化器能够明显改善尾气中的颗粒物。在转速为1200r/min时，烟度值的改善量最大达到了1.65FSN。实验结果说明，使用自制的尾气颗粒净化器装置对柴油机尾气中的固体颗粒物有明显的作用效果。并且，柴油机的转速越低，装置的作用效果越明显。这是由于净化器是采用离心力的方式将固体颗粒物分离，由于颗粒物质量较大，故处理效果较明显。同时，在低转速时，柴油的燃烧速度相对较低，尾气排出的速率也相对较慢，加长了净化器对固体颗粒物的处理时间。

4结论

(1)采用可控磁强磁化器对燃油进行磁化处理后，在中等负载的情况下对降低油耗的作用更明显，也能减少烟雾的排放。(2)自主设计的精钢盾润滑油能够有效减少摩擦因数，降低柴油机的摩擦磨损，延长其使用寿命，并且在降低油耗方面也相对较优。(3)设计的固体颗粒净化器结构简单，对尾气中的固体颗粒物有良好的净化效果，尤其是在柴油机低转速时，净化效果更好。

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作者：黄恒 谢小鹏 刘辉龙 单位：华南理工大学机械与汽车工程学院