陳延龍
摘要:柴油機(jī)節(jié)能技術(shù)的核心是提高柴油機(jī)的燃燒效率,即組織好柴油機(jī)的進(jìn)排氣過程、噴油過程、燃燒過程、減少各種損失。目前,已投入使用的柴油機(jī)節(jié)能技術(shù),主要有可變進(jìn)氣技術(shù)、中冷渦輪增壓技術(shù)、柴油機(jī)負(fù)壓節(jié)油技術(shù)、金屬清洗劑技術(shù)、檢測與調(diào)整技術(shù)、凈化柴油技術(shù)、凈化進(jìn)氣技術(shù)、改善燃燒結(jié)構(gòu)、減少附件損失等。
關(guān)鍵詞:柴油發(fā)動機(jī);節(jié)油降耗
中圖分類號:U4641文獻(xiàn)標(biāo)識碼:Adoi:10.14031/j.cnki.njwx.2017.02.005
0引言
農(nóng)機(jī)產(chǎn)品技術(shù)水平與油耗密切相關(guān),通過加強(qiáng)節(jié)能型農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā),應(yīng)用先進(jìn)的節(jié)油技術(shù),可以有效地降低農(nóng)機(jī)油耗。據(jù)對內(nèi)燃機(jī)電子控制技術(shù)的研究,將發(fā)動機(jī)功率提高10%~20%,油耗率可降低5%~10%;在柴油機(jī)中,采用陶瓷等隔熱結(jié)構(gòu),一般可使發(fā)動機(jī)功率提高10%,單位油耗行程數(shù)增加30%;采用直噴式燃燒室,一般分隔式的油耗比直噴式高出8%~10%。所以,在農(nóng)機(jī)制造中要積極開發(fā)和利用節(jié)能技術(shù)。
要重點加強(qiáng)農(nóng)用柴油機(jī)和農(nóng)用電動機(jī)的節(jié)能技術(shù)升級,積極推廣磁化節(jié)油器、燃油添加劑、清洗劑等農(nóng)業(yè)機(jī)械節(jié)能新產(chǎn)品,優(yōu)化動力機(jī)械和作業(yè)機(jī)械的合理配套,拖拉機(jī)作業(yè)機(jī)組要廣泛地采用計算機(jī)技術(shù),實現(xiàn)作業(yè)過程的自動監(jiān)視和自動控制,開發(fā)應(yīng)用自動記錄作業(yè)數(shù)量和作業(yè)質(zhì)量、自動報告機(jī)器故障等技術(shù),均可以有效降低油耗,提高燃油利用率。下面主要介紹幾種可有效提高農(nóng)用柴油發(fā)動機(jī)節(jié)油降耗的實用技術(shù)。
1可變進(jìn)氣技術(shù)
可變進(jìn)氣技術(shù)是利用可變進(jìn)氣管長度技術(shù),或可變進(jìn)氣渦流技術(shù),或可變進(jìn)氣相位技術(shù),來優(yōu)化柴油機(jī)的進(jìn)排氣時刻,優(yōu)化殘余廢氣量,提高進(jìn)氣充量,合理組織進(jìn)氣渦流,提高進(jìn)氣紊流強(qiáng)度,使得發(fā)動機(jī)在高中低轉(zhuǎn)速區(qū)的工況下扭矩、功率、容積效率和進(jìn)氣都達(dá)到較好的效果。
1.1可變進(jìn)氣管長度技術(shù)
在進(jìn)氣管內(nèi)部安裝1~3個活門,關(guān)閉或打開相應(yīng)的活門,從而改變進(jìn)氣管的長度,以使在發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速情況下,適應(yīng)進(jìn)氣系統(tǒng)的壓縮波波長的變化,使進(jìn)氣氣流得到加強(qiáng),氣缸體積效率得以增加,從而獲得令人滿意的最大轉(zhuǎn)矩,又能獲得較高的最大功率,從而達(dá)到節(jié)油目的。
可變進(jìn)氣管長度技術(shù)在結(jié)構(gòu)上只需適當(dāng)?shù)丶娱L柴油機(jī)的進(jìn)氣管,并在空氣濾清器內(nèi)加裝與氣缸容積相等的一個圓筒。在額定功率或超負(fù)荷情況下工作時有較好的節(jié)油效果,功率也明顯提高,但在輕負(fù)荷下工作時節(jié)油效果不明顯。
采用這種技術(shù)可使柴油機(jī)功率提高10%~20%,燃油消耗率下降3%~8%,同時改善排氣煙色。
1.2可變進(jìn)氣渦流技術(shù)
可變進(jìn)氣渦流技術(shù)是指在進(jìn)氣道上安裝一個渦流控制閥,通過調(diào)節(jié)閥的開度就可改變渦流比??勺儨u流進(jìn)氣系統(tǒng)可在發(fā)動機(jī)運行工況范圍內(nèi)大幅度調(diào)節(jié)渦流比,同時,又能確保流量系數(shù)下降很少,從而有效地實現(xiàn)最佳渦流比的調(diào)節(jié)和控制,顯著改善燃燒過程。
1.3可變進(jìn)氣相位技術(shù)
可變進(jìn)氣相位技術(shù)是指采用中低速用和高速用兩組不同的氣門驅(qū)動凸輪,并可通過電子控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)進(jìn)行自動轉(zhuǎn)換,從而改變進(jìn)氣相位。通過改變進(jìn)氣相位,柴油機(jī)可以根據(jù)不同運轉(zhuǎn)工況自動改變進(jìn)氣門的開啟時間和提升程度,即改變進(jìn)氣量和排氣量,從而達(dá)到增大功率、降低油耗及減少污染的目的。
2渦輪增壓技術(shù)和增壓中冷技術(shù)
2.1渦輪增壓技術(shù)
渦輪增壓技術(shù)是發(fā)動機(jī)上常見的技術(shù)之一,它的原理其實非常簡單,渦輪增壓器就相當(dāng)于一個由發(fā)動機(jī)排出的廢氣所驅(qū)動的空氣泵。在發(fā)動機(jī)的整個燃燒過程中,大約會有1/3的能量進(jìn)入了冷卻系統(tǒng),1/3的能量用來推動曲軸做功,而最后1/3則隨廢氣排出。除提高了柴油機(jī)燃料利用效率,增壓后同時加大了進(jìn)氣壓力,增大了進(jìn)氣總量,提高了燃料和空氣的混合效果,改善了燃燒質(zhì)量。
2.2增壓中冷技術(shù)
發(fā)動機(jī)渦輪增壓器的出口溫度會隨著壓力增大而升高,溫度提高反過來會限制空氣密度的提高,要進(jìn)一步提高空氣密度就要同時降低增壓空氣的溫度。在相同的空燃比條件下,增壓空氣溫度每下降10 ℃,柴油機(jī)功率能提高3%~5%,還能降低排放中的氮氧化合物(NO)濃度。
柴油機(jī)中冷技術(shù)的類型分兩種:一種是利用柴油機(jī)的循環(huán)冷卻水對中冷器進(jìn)行冷卻;另一種是利用外界空氣冷卻。當(dāng)利用冷卻水冷卻時,需要添置一個獨立循環(huán)水的輔助系統(tǒng),才能達(dá)到較好的冷卻效果,這種方式成本較高,而且機(jī)構(gòu)復(fù)雜。因此,除了一些特殊環(huán)境或結(jié)構(gòu)條件限制情況下會選擇采用水冷中冷器外,柴油機(jī)大都采用空氣冷卻式中冷器。
空氣冷卻式中冷器利用管道將壓縮空氣通到一個散熱器中,利用風(fēng)扇提供的冷卻空氣強(qiáng)行冷卻??諝饫鋮s式中冷器可以安裝在發(fā)動機(jī)水箱的前面、旁邊或者另外安裝在一個獨立的位置上,采用的波形鋁制散熱片可將增壓空氣的溫度冷卻到50 ~60 ℃。這樣進(jìn)一步提高了充入氣缸的空氣密度,可以有更多的燃料進(jìn)入氣缸進(jìn)行充分燃燒,達(dá)到提高平均有效壓力,提升功率,改善經(jīng)濟(jì)性和降低污染的目的。
采用廢氣渦輪增壓一般可降低燃油消耗3%~10%,一般高速柴油機(jī)采用增壓可提高功率30%,采用中冷技術(shù)可進(jìn)一步提高50%~60%。目前,農(nóng)用柴油機(jī)一般均采用該項技術(shù)來達(dá)到國Ⅱ排放要求。
2.3高壓共軌技術(shù)
高壓共軌技術(shù)是所有氣缸的噴嘴都連接著一根公共的油管(簡稱油軌),油軌里始終有恒定的壓力,高壓噴油泵將燃油送入油軌,然后才由油軌送入噴油器。噴油器的開啟都由電磁閥內(nèi)的燃油壓差來控制,電控單元ECU根據(jù)負(fù)荷轉(zhuǎn)速等信號確定應(yīng)有的噴射壓力和噴油時刻,在恰當(dāng)?shù)臅r刻發(fā)出脈沖信號,使噴油器恰當(dāng)開啟。
其特點是可以自由控制噴油量和壓力,自由控制噴油速率和噴油正時,以實現(xiàn)對不同工況可確定所需的最佳噴射壓力,從而優(yōu)化柴油機(jī)綜合性能。柔性控制噴油速率變化,實現(xiàn)理想噴油規(guī)律,容易實現(xiàn)預(yù)噴射和多次噴射,使柴油霧化得非常細(xì),燃燒完全又不明顯提高燃燒溫度,既可降低柴油機(jī)NO的排放,又能保證優(yōu)良的動力性和經(jīng)濟(jì)性。
2.4多點和中央直接噴射系統(tǒng)(E-CDIS)引擎
多點和中央孔燃油噴射系統(tǒng)具有節(jié)氣門體燃油噴射所有電子機(jī)械優(yōu)點(即只有一個機(jī)械噴油嘴,相對于混合氣控制電磁閥、針閥主噴口或空氣電腦閥),同時,還有進(jìn)氣通道明顯縮短的優(yōu)點,也就是說從節(jié)氣門體噴油嘴或反饋式化油器主噴口到進(jìn)氣門的距離在該系統(tǒng)中完全沒有了,因此,該系統(tǒng)對燃油的控制更精確,氧傳感器波形更漂亮。
多點燃油噴射和中央孔燃油噴射系統(tǒng),對系統(tǒng)的燃油控制命令作出的反應(yīng)是最快(如改變噴油嘴脈沖寬度)。正常的多點燃油噴射和中央孔燃油噴射系統(tǒng)濃/稀切換頻率約為5 Hz。中央孔噴射系統(tǒng)使用一個位于中央的電子噴油嘴,通過塑料管將燃油供應(yīng)給位于每個進(jìn)氣門。由于燃燒室構(gòu)造簡單且表面積小,熱損失和油耗率低;燃燒室表面積的容積率小,冷卻損失小。
為了滿足歐Ⅲ以上的排放法規(guī),國內(nèi)各柴油機(jī)廠在積極開發(fā)采用電控系統(tǒng)的柴油機(jī)。個別的機(jī)型例外,如濰柴的電控EGR系統(tǒng)。目前,柴油機(jī)電控系統(tǒng)主要為國外的大公司所掌握,主要是:德國博世(Bosch )、美國德爾福(Delphi)、日本電裝(Denso )。
國內(nèi)在電控系統(tǒng)研究方面,開展得比較好的單位主要是:成都威特(清華大學(xué)開發(fā)),無錫油泵油嘴研究所,衡陽亞新科(衡陽油泵廠),遼寧新風(fēng),其開發(fā)的電控系統(tǒng)已批量裝機(jī)使用。但均裝在車用柴油機(jī)上,農(nóng)用柴油機(jī)因為目前排放采用的是2010年10月開始執(zhí)行的非道路用柴油機(jī)國II標(biāo)準(zhǔn),因此還沒有采用電控技術(shù)。
2.5柴油添加劑技術(shù)
柴油添加劑以改善燃油品質(zhì)為起點,目的是做到柴油與柴油機(jī)的合理匹配,使柴油機(jī)能發(fā)揮更大效率,實現(xiàn)節(jié)油和降低排放。但是,國內(nèi)目前幾乎沒有自行研制的效果較理想的添加劑產(chǎn)品,國內(nèi)柴油添加劑的研究和開發(fā)尚處于待提高的初級階段,尤其是對各類型添加劑的作用機(jī)理,還沒有作出更深層次的研究。
2.6檢測與調(diào)整技術(shù)
對柴油機(jī)進(jìn)行適時檢測和調(diào)整,保證柴油機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。對發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)、供油提前角進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,保持正常的冷卻水溫,會對發(fā)動機(jī)節(jié)油降耗有著十分重要的作用,使發(fā)動機(jī)在標(biāo)定工況下耗油基本達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用各種技術(shù)狀態(tài)診斷儀器,如電子功率油耗儀等,能夠正確使用即可對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、功率和油耗進(jìn)行檢測調(diào)修,從而保證發(fā)動機(jī)正常技術(shù)狀態(tài),實現(xiàn)節(jié)油降耗。
2.7減少附件損失
冷卻系統(tǒng)中,風(fēng)扇的功率消耗是非常大的,所以如何減少風(fēng)扇的功率損失,是提高機(jī)械效率的關(guān)鍵。目前,六缸91.94 kW (125馬力)拖拉機(jī)的窄風(fēng)扇市場驗證已經(jīng)取得了很好的效果,在車用產(chǎn)品中使用的電子風(fēng)扇可大大減少風(fēng)扇的功率消耗。水泵流量及機(jī)油泵流量對發(fā)動機(jī)油耗是有一定的影響的,但相比較而言,機(jī)油泵流量對發(fā)動機(jī)油耗的影響較水泵流量的影響大,所以,有些企業(yè)在嘗試通過適當(dāng)?shù)脑黾铀昧髁慷鴾p少機(jī)油泵流量,達(dá)到提高機(jī)械效率的目的,進(jìn)而實現(xiàn)燃油消耗降低。
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