机械式柴油机

2024-09-16

机械式柴油机（共9篇）

机械式柴油机篇1

目前, 工程设备中所采用的柴油机从供油系统的控制方式来讲, 一般情况下有机械式和电控式两种, 机械式柴油机的供油油泵是机械式的, 供油量是靠机械油门踏板和直流电机联合控制, 而电控式的供油系统是基于PLC控制技术的电子燃油喷射系统。重型动力平板运输车的动力来源于柴油机, 所以对柴油机相关控制的研究在平板车的控制过程中就显得十分重要, 本设计主要是针对机械式柴油机油门电机和相关传感器信号采集等控制方案的改进开展的研究与分析。

1 机械式柴油机原有控制方案分析

1.1 油门电机原有控制方案结构与原理

机械式柴油机油门电机原有控制方案的原理图, 如图1所示。工程设备中涉及到的油门电机一般是直流控制电机, 供电电压VCC为+24V, 采用PLC控制和继电器控制技术, 使用两个PLC数字量控制信号DO-A和DO-B分别驱动Relay-A和Relay-B两个继电器, 达到交换油门电机M正负极的目的, 从而实现了油门电机的正反转控制。

1.2 传感器信号原有控制方式

机械式柴油机控制系统中一般需要配置几种传感器用于检测柴油机当前的工作状态, 比如说柴油机转速传感器、冷却液温度传感器、机油压力传感器和机油温度传感器等。在柴油机传感器的控制过程中, 原有设计方案是将相应的模拟仪表和传感器直接相连, 靠模拟仪表来实现传感器信号的采集、测量和显示。一般情况下, 模拟仪表和传感器的参数配置是一一对应的, 对于特定的传感器不能任意配置仪表, 否则会导致所测量数据出现较大偏差。

1.3 柴油机控制方案改进设计的实际意义

图1所示的油门电机的控制原理, 继电器的控制信号和直流电机的正反转的驱动电压都属于开关量变化信号, 运行过程中存在电压突变现象。对于继电器而言, 触点瞬间闭合时, 由于接触电流过大会出现打火现象, 触点容易被烧坏。而油门电机在工作时, 正反转控制过程中由于电压突变也会引起较大的电流, 也比较容易导致直流电机损坏。

采用模拟仪表的控制方式, 首先是模拟信号抗干扰能力弱, 容易造成测量结果不准确, 再就是仪表与传感器之间的连接线路比较长, 带来比较重的布线压力, 最后是模拟仪表的寿命有限, 容易老化和损坏。

依据以上分析, 对机械式柴油机原有控制方案的改进和研究, 存在必要性, 具有一定的实际应用意义。本设计主要包括三个方面:1) 油门电机控制, 采用数字电子技术, 引入H桥驱动电路, 用三极管等电子器件代替继电器, 缩短控制电路响应时间。采用PWM控制技术, 用PWM控制信号代替开关量信号, 避免电压突变对直流电机带来的不利影响, 提高直流电机的工作效率。2) 相关传感器的信号处理, 利用PLC控制器直接接收传感器的输出信号, 并进行模数转换, 存储在PLC的相应缓冲区。通过CAN总线通道, 将信号发送到显示设备, 降低线路压力。3) 传感器输出信号显示的数字化, 利用特定的显示设备接收PLC控制器发送到CAN总线上的传感器信号, 用数字仪表代替模拟仪表, 数据数字化显示, 大大提高了仪表的使用寿命。

2 机械式柴油机控制方案改进设计

2.1 油门电机控制电路改进设计

油门电机控制的改进电路图, 如图2所示, 其中A和B分别代表PLC控制器输出的PWM信号, 由程序控制A和B两端不能同时有PWM信号输出。当A端有输出时, 在给直流电机正电压信号的同时, 通过三极管Q1使得B端与地接通, 这样就可以顺时针驱动直流电机。反之, 当B端有输出时, 在给电机提供正电压的同时, 通过三极管Q3使得A端与地接通, 这样就可以驱动直流电机逆时针转动。为了保障该控制电路元器件的安全运行, 电路中设置了F1和F2两个自恢复保险, 避免电路中电流过大造成器件损坏, 并且能够多次使用。

2.2 基于PLC传感器信号处理与显示

目前涉及到的机械式柴油机配置的传感器的输出形式有模拟量和脉冲量两种, 其中模拟量主要是电阻输出。而设计中应用的PLC控制器对于模拟量信号的处理只限于电流和电压两种形式, 电流是4~20m A的标准信号, 电压信号的范围是0~10V。本文设计了如图3所示的针对电阻式模拟量传感器信号处理的电路图, 将电阻值转化成标准的电压信号, 便于PLC接收后进行模数转化处理。该电路图中, VCC是标准的供电电压, R0是固定的电阻, 变阻器RX代表相应的传感器, S是经过转化后的电压信号输出。

在程序设计中, 根据欧姆定律很容易计算出传感器的当前电阻值, 然后再依据传感器参数数据表对比计算出目标传感器的实际值。

对于脉冲量而言, PLC有特定的针脚进行接收处理。但是脉冲量传感器的输出值是不规则的锯齿波, 为了便于PLC接收脉冲量信号, 利用集成电路TL072CN及辅助电路进行整流滤波处理, 将不规则的锯齿波转化成规则的矩形波信号。

机械式柴油机相关传感器经过上述处理后, PLC控制器得到相应传感器的数字量信号, 采用CAN-BUS网络技术, 将信号发送到总线网络, 用于显示设备的接收处理, 显示设备在此充当了数字仪表的角色。本设计采用的显示设备支持Code Sys软件编程操作, 人机界面的设计遵循以用户为中心的原则, 满足直观性和友好性等要求。

2.3 改进后的控制方案的应用

工程实际应用中, 将改进后的油门电机控制电路和各种传感器信号处理电路集成到一个PCB电路板上, 制作成了一个柴油机电子控制模块, 如图4所示。

该PCB电路板的接口采用快速接插件, 便于安装和维护, 实现了油门电机的PWM控制和柴油机传感器模拟信号到数字信号的转化, 提高了控制电路的稳定性和信号传输的抗干扰性。该柴油机控制模块已成功运用到了上百台动力平板车的柴油机的控制当中, 性能稳定, 高质量的满足了客户的使用要求。

3 结语

本设计针对机械式柴油机油门电机控制和传感器信号处理等问题, 基于PLC控制等技术进行了改进设计与研究, 实现了直流电机的PWM控制、传感器信号的转化和参数的数字仪表显示等功能。采用电子电路技术, 把各个控制单元的电子器件集成到一个电路板上, 制作成统一的电子控制模块。改进设计不仅提高了控制器件的稳定性和使用寿命, 而且便于生产安装、客户使用和维护, 也大大增强了控制系统的安全性和可靠性。

参考文献

[1]蓝富华, 张彬.柴油机技术问答[M].北京:中国石化出版社, 2011.

[2]梁盼霞.运梁车网络控制系统的设计与研究[D].武汉:武汉理工大学硕士学位论文, 2008.

[3]李侃, 赵静一.重型平板车液压系统与发动机功率匹配研究[J].中国机械工程, 2009.

[4]漆汉宏.PLC电气控制技术[M].北京:机械工业出版社, 2010.

[5]喻凡, 林逸.汽车系统动力学[M].北京:机械工业出版社, 2008.

[6]余志生.汽车理论[M].第4版.北京:机械工业出版社, 2009.

机械式柴油机篇2

柴油机具有高热效率、大功率等特点，有着良好的经济性和可靠性，在工程机械领域得到了广泛的应用，如压路机、装载机、挖掘机、推土机等都是以柴油机作为动力。虽然柴油机具有许多优点，但是其所排放的尾气中有害成分较多，主要有HC、CO、SO、NO和PM（微粒）。尤其是在施工现场，由于工程机械和运输车辆来往比较频繁，加之通风条件的限制，这些工程机械排放的有害气体严重超标且会弥漫于整个上作面，极大地危害了施工人员的身体健康和施工的正常进行，因此，对柴油机排放的尾气进行控制和净化具有十分重要的意义。1 燃料方面的控制措施 1.1 代用燃料

采用代用燃料将是控制柴油机和汽油机排放的重要方法之一，并且由于化石燃料有限，寻找代用燃料更成为当前内燃机研究的热门话题。目前，代用燃料主要有天然气、压缩天然气（CNG）、液化天然气（LNG）、液化石油气（LPG）、氢气、甲醇、乙醇、二甲醚（DEM），碳酸二甲酯（DMC）及生物柴油等，其中甲醇、天然气、液化石油气被认为是最有前途的清洁能源的代用燃料。其中CNG，LPG，甲醇一汽油汽车在我国得到了政府的大力支持并得到迅速发展。

甲醇可从天然气、煤及生物质等原料中提取；乙醇主要是含糖和淀粉的农作物发酵后制得。利用醇类燃料发动机的动力性和经济性可接近或超过柴油机和汽油机，排气的有害成分少，是一种很有发展前景的燃料。但是，甲醇和乙醇燃烧时会放出甲醛和乙醛等有害成分，因而在使用上受到限制。

二甲醚（DEM）是近年来倍受关注的柴油机代用燃料，它可从煤、天然气和生物物质废料中制得。DEM的自燃性很好，可作为单燃料直接代替柴油；能够实现发动机高效、柔和压缩燃烧，具有与柴油机相同或略高的动力性和经济性能；最突出的优点是DEM能够彻底消除排烟和实现超低排放，NOx排放比柴油机低30%以上，若同时采用废气再循环时，可将NO排放进一步降低到一般柴油机的50%达到PM和NO的同时降低。

碳酸二甲酯（DMC）中含有53.3%的氧，燃烧所产生的碳烟和颗粒比纯柴油低；据报道，保加利亚生物燃料和再生能源协会通过加工使用过的食用油，来生产生物柴油，年产量可达300吨。它实际上是甲基酯菜籽油或甲基酯植物油，生产原料为向日葵、大豆等等。市场售价每升为0.5美元的这种生物柴油，可以替代柴油，也可与柴油混合使用。而且，它完全由可再生原料提炼而成，在燃烧过程中产生的二氧化碳量大大低于普通柴油，对环境的污染比普通柴油小得多。目前，已有美国、德国、巴西、阿根廷等投入生产。

另外也有一种生物柴油，是以废餐饮油等为原料制成的液体燃料。其基本制作过程为：垃圾油加入反应罐后，通过一种微酸性催化剂技术，使得其醇解和酯化可同时进行，反应速度也明显加快。另外，通过一种金属盐处理剂，解决了利用废旧动植物油脂生产柴油残留酸值高的关键问题。这两项关键技术都降低了生物柴油的生产成本，使得生物柴油从实验室走进了生产车间。1.2 燃油的改性

1.2.1提高十六烷值。柴油的十六烷值越高，着火延迟期越短，点火质量越好；各种污染物的排放一般随柴油十六烷的增加而下降，十六烷值不足，着火延迟期缩短，点火质量差，预混合燃烧量过多，运转粗暴，噪声加大，黑烟和NO排放增加。增加柴油的十六烷值，能有效地降低发动机尾气颗粒PM、CO和NO的排放。（十六烷值不能太高，太高，柴油燃烧时易裂解）

1.2.2降低芳香烃在燃油中的含量。芳香烃的密度比较大，着火性比较差，燃烧过程中会产生更多的碳黑，使尾气中的CO，HC，NO以及PM都有所增加。因此，降低芳香烃的含量可以有效地控制有害污染物的排放。1.2.3降低燃油中的含S量。在燃烧过程中柴油中的S有1%~3%转化为硫酸盐排出；其余的主要转化为SO，Van Beckhoven研究发现：在直喷柴油机中，燃油中S份从0.30降低0.05wt%，微粒排放量将降低10%~30%。Bartlett报道说在所有轻型柴油机中，燃油中硫份从0.30降低0.05wt%，微粒排放量将降低大约7%。

1.2.4降低密度。柴油密度、粘度是柴油重要的理化指标，它们将影响柴油的喷雾质量，进而影响柴油机的排放情况。降低柴油的密度，可使HC和排放中的颗粒物减少。燃料密度从840kg/m3减少到800kg/m3，微粒排放物将减少13%。1.2.5利用燃油添加剂。经常使用的有十六烷值改进添加剂、消除积炭添加剂和消烟剂等，但是这些添加剂使用后的作用并不理想，有的还有负面影响。比如应用较多的消烟添加剂，将金属钡、镁、锌等可溶性碱化盐或中性盐作为消烟添加剂，加入少量后可显著降低柴油机的排气烟度，但微粒的排放量反而增加，且这些金属对人体有害，现在已不推荐使用。

通过以上分析可以看出，柴油机燃料方面的控制措施主要有以下几种：采用代用燃料；提高燃料的十六烷值；选择适当的柴油粘度，降低柴油的表面张力；降低密度；减少柴油中的含硫量和芳香烃含量。这些技术措施都有助丁降低柴油机尾气有害排放物。柴油机机内净化技术

柴油机机内净化技术主要是改善油气混合气，防止局部过量空气系数超过0.9（这有利于NO的生产）和低于0.6（这有利于碳烟的生产）。降低微粒和碳烟的排放与改善燃烧过程是一致的，使柴油机达到混合均匀、燃烧充分、工作柔和、启动可靠、排放较少的要求。但是这些减少措施往往会增加NO的排放，这为柴油机的排放控制造成了特殊的困难。因此在确定尾气净化措施时，需要从目前先进的净化技术出发，根据机器性能，采取多种措施综合使用，才能达到净化的目的。

2.1采用新的燃烧方式

传统的柴油机燃烧分为预混合燃烧和扩散燃烧两个部分。主要燃烧是λ≈l处的扩散燃烧，火焰温度高，极易产生NOx，采用稀薄的均匀混合气可解决这一问题。美国西南研究院提出的均匀充量压缩燃烧系统（HCCI）和日本ACE研究所的预混稀薄燃燃烧过程（PREDIC）等均是采用这种思路。采用预混稀薄燃燃烧方式减少或消除了扩散燃烧，稀混合气可降低燃烧温度，可大幅度降低NOx，比一般柴油机降低98%；由于气缸内混合气均匀，无局部过浓混合气，可使PM排放比一般柴油机降低27%，预混稀薄燃烧方式目前还处于研究阶段，离实用还有一定距离，但是前景非常可观。2.2喷油系统的改进 2.2.1喷油规律改进

合理的喷油规律应该是：初期喷油速率不宜过高，以抑制NOx生成；中期应急速喷油，提高喷油速率和喷油压力，以加速扩散燃烧速度，防止PM升高和热效率的恶化；后期要迅速结束喷射，避免燃烧不完全及PM增加。在没有电控燃油喷射条件下，通过改变油泵凸轮形状，对喷油规律加以改进，传统凸轮为切线凸轮，改进凸轮为凹弧型凸轮，其供油规律具有初期低、中期急速及补燃期不拖长的特征。通过在某6105柴油机上验证试验，发现改进后，NOx降低6%~13%，PM降低80/15%，但燃油经济性略有恶化

为了实现先缓后急的喷油规律，也可使用双弹簧喷油器即为双开启压力喷油器，在油压上升时首先克服第一级较软的弹簧压力，使针阀略微顶起，由于流通面积很小，燃油喷射的速率较低；当油压升高到克服第二级弹簧压力时开始主喷射。

2.2.2提高喷油压力和减小喷孔直径

提高喷油压力和减少喷孔直径可以使燃油的喷雾颗粒进一步细化，以增大燃油和空气接触的表面积，加速燃油和空气的混合，明显地降低颗粒PM中碳的排放。高压喷射会导致NOx的增加，如采用推迟喷油时间和EGR等方法，以达到控制颗粒PM和NOx排放的目的。高压喷射系统需要和燃烧室良好匹配，以避免过多的燃油喷射到气缸的冷表面上，减少HC和颗粒PM中有机可溶物SOF排放；高压喷射技术对喷油系统提出了十分苛刻的要求。要求整个系统有极高的强度、刚度和密封性。此种措施也必须和其他改进方法相结合才能达到更好的效果。

提高喷油压力可以有效地降低柴油机的微粒排放；减少燃油平均滴径，促进混合气形成；降低发动机最大压力升高率、降低燃烧噪声。2.2.3喷油正时与喷油速率的配合

控制柴油机的喷油正时是控制柴油机排放的重要手段，推迟喷油正时是降低柴油机排放中NOx浓度的简单而有效的措施之一。NOx对喷油正时的影响非常敏感，当喷油正时与设定值相差1℃A时，NOx将提高15%左右。为了减少NOx的排放，喷油正时正在逐步推迟，向上止点方向靠近。目前采用电控喷射的喷油正时已减少到上止点前5℃A左右。喷油速率对有害气体的排放有较大的影响，在实用中，常把推迟喷油正时与提高喷油速率同时使用，使单独使用推迟喷油正时引起的CO升高受到抑制，从而使CO和NOx排放均得到降低。

2.2.4先导喷射及多次喷射

在主喷射之前喷入少量的燃油，以降低NOx和噪声，主喷射要求喷油速率快、喷油压力高，促进混合气形成，以缩短缓燃期，保证良好的经济性和动力性，形成先导喷射（预喷射）＋主喷射的模式。为了同时降低NOx和PM的排放也可采用多次喷射的方法，即先导喷射和主喷射结束后再喷入少量的燃油形成过后喷射，过后喷射可促进碳烟的氧化，降低PM的排放。采用过后喷射会加大HC排放和耗油增加。在不同工况下要获得良好的效果，先导喷射油量、过后喷射油量以及各次喷射的间隔角度和时刻的控制精度都有严格的要求，这对于机械式喷油系统是很难想象的，只有电控高压共轨喷油系统才能胜任。2.3进气系统的改进

目前，柴油机的发展趋势是，提高喷油压力、降低涡流强度，以减少进气的压力损失，配合多气门小孔径喷油器来获得良好的混合气。2.3.1采用增压中冷技术

废气涡轮增压可提高进气压力、增大空气的供给量，提高了气缸内平均有效压力、过量空气系数和整个循环的平均温度，使燃油燃烧完全，可使柴油机颗粒状物质的排放量降低50%左右，并减少了CO和HC的排放。增压后，燃油消耗率下降，CO和HC也会进一步降低。同时使进气温度提高而使燃烧温度增加，致使增压后NOx比非增压要高。对此可采用增压中冷的方法使进气温度降低，以控制NOx的恶化。据资料介绍，进气温度降低0~5℃，最高燃烧温度和排气温度可降低1~3℃利用中冷技术，NOx的排放量可降低60%/-70%。所以采用增压中冷是降低车用柴油机排气排放物的有效措施之一。2.3.2多气门设计

采用多气门设计主要是为了扩大进排气门的总流通总面积，提高进气充量，使柴油的燃烧更彻底；实现进气涡流比可变。在实现这些目标时，它对柴油机排放亦产生较大影响。该影响来自两个方面，一是采用4气门技术时有利于喷油器布置在气缸轴线附近，使油气混合均匀，燃烧及早结束，有利于降低NOx、另外，4气门使燃烧室凹坑内产生较大涡流，减少涡流死区，有利于降低PM。二是可关闭部分通道，形成与柴油机转速相适应的进气涡流强度。变涡流比影响，研究人员对某6108柴油机进行了涡流比变化对NOx，PM的影响试验，该机为4气门结构，与双进气门配合的双进气道为长螺旋气道和短切向气道，切向气道涡流近于零，并可节流，以此实现涡流比可变。在低转速时，关闭切向气道，即可获高涡流比，从而提高低速时的混合气质量，改善柴油机的经济性、动力性和排放。2.4优化燃烧系统

优化燃烧系统指的是供油系统、进气流动和燃烧室的形状的最佳匹配。单独看来，采用何种强度的涡流、何种程度的高压喷油、何种形式的燃烧室，没有最佳方案。但三者的最佳配合就是最优组合。例如，当喷油压力较低需要借助高强度气流运动来加速油气混合，在重型车用柴油机上，采用较高的喷油压力和较多的喷孔数，可以使进气涡流降低。中央带凸起的燃烧室气流运动较强，且可维持较长的时间，这对加速扩散燃烧有利。中央带凸起的燃烧室燃烧过程急速，主燃期较短，适当延迟供油定时可在油耗率和烟度变化不大的前提下大幅度降低NOx排放。

目前，直喷式柴油机的发展趋势是，提高喷油压力；增加喷油器的喷孔数，减少孔径；根据柴油机工况优化喷油定时，使喷油正时不仅随转速而且能随负荷的变化自动调节。采用分隔式燃烧室，由于火焰高峰温度较低，不利于NOx的生成；碳烟大部分在副燃烧室中产生，进入主燃烧室后，大部分被氧化，有效地减少颗粒和HC排放，分隔式燃烧室比同规格的直喷式燃烧室NOx的排放量低1/3－1/2。新开发的燃烧系统采用强烈持续的后期扰动，可有效降低碳烟和微粒的排放，几近似于无烟。这又为进一步采用废气再循环或推迟喷油提前角来降低NOx排放创造了条件。2.5应用柴油机电控技术

采用电子控制不仅可以提高喷油定时和喷油量的控制精度，而且在EGR、放气阀或可变几何涡轮增压等空气控制部件也可以用电子控制技术进行柔性或精确控制。控制系统最理想的方案应是能使燃油经济性和废气排放均获得优化。

电子控制柴油机高压喷射技术（如电控高压共轨喷射）的应用可使柴油机通过最佳喷油正时、最佳喷油率和预喷射，与发动机转速、负荷之间的关系进行连续调节，采用先导喷射及多次喷射技术，先导喷射油量、过后喷射油量以及各次喷射的间隔角度和时刻的控制精度都有严格的要求，这些显然只有在电控高压共轨系统中才能良好地实现。大大降低了颗粒排放，并且发动机过渡工况的排放性能也可得到显著改善。电控高压喷射控制对喷油规律进行控制，能根据发动机运行工况实现最佳喷油，同时通过控制预混合燃烧与扩散燃烧的比例，可同时降低有害排放和控制发动机的空燃比，有利于实现有效的机外净化措施。共轨式电控喷射技术是目前最先进的柴油机电控喷射技术，共轨系统的开发、应用与研究工作在国外报道较多，然而在国内，这方面的研究还处于起步阶段。2.6采用废气再循环（EGR）

废气再循环（EGR）是再保证内燃机动力性不降低的前提下，将一部分排气导入进气系统中，和新鲜混合气混合后再进入气缸参加燃烧，通过降低燃烧室燃烧的最高温度来降低NOx的排放。利用废气再循环（EGR）来降低NOx，的排放，需要与电子控制结合，根据柴油机负荷、转速、冷却水温度传感器及启动开关信号，由ECU对EGR率和EGR时机进行控制，保证在对柴油机性能影响不大的条件下，降低尾气中NOx的排放。

目前，EGR在汽油机上的应用比较成功，而在柴油机上却不尽人意。主要原因在于，柴油机排放中大量的PM和其他有害排放物直接引入气缸会增加活塞环和缸套的磨损，还会稀释润滑油并加速其变质。柴油机采用EGR相当于将一定数量的CO和水蒸气添加到进气空气中而成为一种稀释剂，EGR率增大还使进气工质的密度和O浓度下降，致使缸内可燃混合气的燃烧速度和燃烧温度均有所降低，最终导致发动机的动力性和经济性下降，HC，CO和PM排放增加。发动机处于中小负荷工况时，采用EGR的效果十分显著。当EGR率为30%左右时，发动机的排放及综合性能较好：采用较大的EGR率降低NOx排放效果更加明显，且发动机经济性的下降并不突出。发动机在大负荷工况时，若采用EGR，则会导致发动机的经济性和动力性明显下降，另外，还会增加活塞环和缸套的磨损及加速润滑油的变质。因此大负荷工况时不宜采用EGR。

涡轮增压柴油机在30%~50%负荷以上的工况下.平均排气压力低于平均进气压力。故排气再循环难以实现。为此，各国学者提出了多种在增压柴油机上实现排气再循环的方案。主要有：通过调整正时实现内部EGR；在进气管或排气管内装节流阀，通过节流来降低进气压力或提高排气压力；通过辅助装置或活塞本身的压力将废气压入进气管；通过在进气管加装文曲利管（Venturi Pipe），降低EGR接头处的进气压力；利用压力波动等。其中采用文曲利管EGR系统能较方便地在高工况下实现排气再循环.并且附加泵气损失少、成本不高、有很大的优越性。

2.7防止机油的泄漏

柴油机尾气排放中PM除了燃油燃烧生成外，机油产生的PM也占相当部分。PM可分为可溶性有机物（SOF）和不可溶有机物（IOF）两部分，两者所占的比例大约为39%和61%。在SOF中，由机油产生的PM占绝大部分，约占PM总量的29%；机油除产生SOF外也产生IOF，来自机油的PM总计占PM总量34%。同时，窜入燃烧室中不完全燃烧的机油随尾气排出，是形成柴油机排放的蓝烟的重要组成部分。因此，必须尽量防止和减少机油窜入燃烧室，这应通过改进润滑油系统设计，减少裙部间隙，优化活塞、活塞环和气缸表面的设计，提高气缸套圆度及改进进气门挺杆的密封等措施，减少从气门推杆泄漏的机油等措施来实现。2.8加水燃烧

在柴油中加入少量的水，形成“油包水”形式的乳化燃料，燃烧时液态水受热变为汽态时，吸收汽化潜热，使燃烧温度和压力下降，以致在提高燃油蒸发速度的同时，减少了热裂反应，从而抑制NOx的生成，同时，由于液态水受热变为汽态会形成“爆炸”，具有进一步雾化的作用，使燃料和空气进一步混合，减少PM的排放。

实验证明：当喷水量等于燃油量时，NOx＋HC的排放将降低50%左右，而功率仅仅降低4%，降低排放效果较好。但是，进气管喷水会造成进气管、气缸腐蚀增加，油底壳易积水，并要求喷水量能随发动机负荷的改变而调节，这在设计和l结构上存在一定的困难。3 柴油机尾气后处理技术

柴油机尾气中氧含量较高，HC和CO的含量比汽油机低的多，其主要有害物是NOx和碳烟，因此柴油机尾气净化的重点是降低NOx和减少碳烟。措施为用选择性还原催化转化器在富氧条件下还原NOx，用氧化催化转化器降低HC和CO的排放量和颗粒PM状物质中的有机成分；用微粒过滤装置收集柴油机排气中的颗粒状物质等。

3.1 NOx的后处理措施

去除NOx的最理想的方法是将NO催化分解为N和O，但是在O和SO作用下催化剂很快失活，因而这种方法的实用前景渺茫。目前，柴油机尾气NOX净化研究主要从选择性催化还原和吸附一催化还原两条技术路线入手，碳素纤维还原技术。

选择性催化还原最重要的是确定还原剂和催化剂。研究者对NH3选择性催化还原柴油机排气NOX也进行过尝试，结果表明其净化率可达65%以上.但是，这种方法只适合于固定式柴油机排气的净化处理，对于运行工况多变的柴油车，因存在NH3泄漏问题而不适用。1990年，1wamoto和Held分别报道在Cu/ZSM一5催化剂上，HC能选择性催化还原NOx，到目前为止，研究过的催化剂可分为负载型贵金属、负载型金属氧化物和离子交换的沸石三大类。拓宽催化剂或催化剂一还原剂组合的活性温度范围，提高催化剂在S02和水热环境中的稳定性是今后的努力方向。

吸附一催化还原NO是在稀燃阶段将NOx吸附储存起来，而在短暂的富燃阶段，NOx释放并被排气中的HC还原。吸附还原型三元催化剂的活性成分是贵金属和碱土金属（或稀土金属），影响吸附一还原催化剂性能的主要因素是吸附剂在柴油机尾气温度下吸附NO的容量及其抗SO2和CO2毒害能力，提高这两方面的性能是今后的努力目标。吸附一催化还原已被日本汽车生产厂家证明适用于部分新车型的NOX净化，但这种方法在一定程度上牺牲了燃料的经济性，还要求燃料含S量非常低。对于超低S燃料，现有吸附一催化还原技术可将NOX降低90%。适用于S高含量燃料的吸附一催化技术目前尚在开发之中。

对于同时净化PM和NO的技术，部分研究结果表明，在钙钛和贵金属催化剂上碳粒能还原NOx。最近，日本丰田公司开发出一种连续式同时催化净化PM和NOX并对NO和HC也具有较好的净化作用，所以有望在同一种催化剂上同时净化PM，NO，CO和HC，即开发出所谓的“四效催化剂”，其开发成功无疑将极大地推动柴油机尾气控制技术的进步。

采用碳素纤维加载低电压技术，可有效减少NOx的排放。碳素纤维具有催化活性，能促进废气中的NO与C或HC进行氧化还原反应，随着电压的升高，可使NOX排放明显降低。目前，该技术正处于研究阶段，尚未取得突破性进展，同时该技术净化效果的发挥必须以微粒的有效消除为基础。对不同基材的活性碳素纤维采用硝酸浸渍，并以此作为直接还原剂，以达到脱除NO的目的。如采用硝酸浸渍的沥青基、粘胶基、聚丙稀晴基等为原材料制成的活性碳素纤维。不过，这些研究仍处于试验室阶段。3.2 PM的后处理技术

3.2.1加装氧化催化转化器柴油机PM后处理技术包括催化氧化和过滤。柴油机加装氧化催化转换器是一种有效的机外净化排气中的可燃气体和可溶性SOF有机组分的常用措施。采取此措施（以铂Pt、钯Pd贵重金属作为催化剂）能使HC、CO减少50%，颗粒PM减少50%~70%，其中的多环芳烃和硝基多环芳烃也有明显减少。

但是，氧化催化器的缺点是会将排气中的SO2氧化为SO，生成硫酸雾或固态硫酸盐颗粒，额外增加颗粒物质排放量。美国最近针对新型柴油机进行的一项示范研究表明，当使用S的质量分数为368×10－6的柴油时，催化氧化可使瞬态工况条件下的PM排放降低23%~29%，HC降低52%~58%若改用S的质量分数为54×10－6的柴油，PM可降低13%。所以，柴油机氧化催化器一般适用于含硫量较低的柴油燃料；并要保证催化剂及载体、发动机运行工况、发动机特性、废气的流速和催化转换器的大小以及废气流入转换器的进口温度等正常，使净化效果达到最佳。

3.2.2采用微粒捕集器

微粒捕集器由微粒过滤器和再生装置组成。微粒捕集器通过其中有极小孔隙的过滤介质（滤芯）捕集柴油机排气中的固态碳粒和吸附可溶性有机成分的碳烟。

微粒捕集器的工作主体是滤芯，目前常用的过滤材料有：金属丝网、陶瓷纤维、泡沫陶瓷和壁流式蜂窝陶瓷等。滤芯决定过滤器的过滤效率、工作可靠性、使用寿命以及再生技术的使用和再生效果。滤芯应满足较高的性能指标：具有较高的过滤效率，具有大的过滤面积耐热冲击性好，具有较强的机械性能指标，热稳定性好，能承受较高的热负荷具有较小的热膨胀系数通过性好，流通阻力小在外形尺寸相同的情况下，背压小，背压增长率低，适应再生能力强质量轻。目前，最常使用的过滤材料为堇青石（其主要成分为MgO.AlO.SiO）和碳化硅晶体SiC。

微粒捕集器对碳的过滤效率较高，可达到60%。在过滤过程中，会导致柴油机排气背压升高，当排气背压达到16~20kPa时，柴油机性能开始恶化，因此必须定期地除去颗粒，使过滤器恢复到原来的工作状态，即过滤器再生。微粒捕集器的再生方式可分为“被动”再生和“主动”再生：“被动”方式即为催化再生，是在过滤器载体上浸渍催化剂或在燃油中加入添加剂来降低颗粒的氧化反应的活化能，降低碳粒的起燃温度来实现颗粒过滤器的再生；“主动”再生方式又称为“热再生”，即外加能量（热能）的再生方式，利用外部热源使积存在过滤体内的微粒升温、自燃，以减少过滤器内的微粒PM。根据外加能量的形式可分为：全负荷再生、喷油助燃再生、电加热再生、电自加热再生和微波再生等。随后又开发出CRT（连续再生捕集器）系统、节流再生、逆向喷气再生、振动再生等几种非加热再生方式。

就目前而言，在再生过滤器的研究中需进一步解决的问题有：降低再生温度，进一步降低再生所需要的能量。在柴油机的排气温度下使其能有效地再生，达到减少能量损耗和简化机构的目的：对于使用气压制动的车辆，逆向喷气再生技术是今后的一个发展方向。但其结构和能量的来源以及可靠性都有待于进一步深入研究。连续再生将是以后一个重要的发展方向，但就中国而言，由于受柴油中的硫含量太高的影响（要求为50×10），国内在相当长的时间内受化工技术的影响不能使用。

在各种柴油机微粒捕捉器再生技术中，除连续再生外，都要对再生时机进行判断，即进行再生控制，再生控制系统是微粒捕捉器不可缺少的部分。现代自动捕集器系统已经具备在线诊断系统形式的电子监测，并同时控制再生过程，除了简单地监测背压，还用复杂的运算来确定烟尘装载量。最新开发的烟尘传感器（如测电导率）可连续监控排气的清洁度，保证了捕集器在正确的时机进行再生。3.2.3静电式微粒收集器

柴油机排气微粒中有70%~80%呈带电状态，每个带电微粒约带1~5个基本正电荷或负电荷，整体呈电中性。目前利用附加强电场对呈带电特性的碳烟微粒进行静电吸附，并取得了一定的试验成果。但目前的问题是设备体积过大，成本太高，在车辆上使用最困难的是高压电的供给及收集中防止二次分散及反电晕等问题。但是随着技术的发展也是极有前景的。3.2.4电压捕集技术

在柴油机排气管的上下游分别装金属网，网间加约50V直流电压。一般上游的金属网网格较大，加负电压；下游的金属网网格较密，加正电压。当微粒经过上游金属网时带上负电，经过下游带正电的金属网时被吸附，从而达到微粒净化的目的，这种方法装置简单且过滤效率高。3.2.5脉冲电晕等离子体化学处理技术

此种技术利用5－20eV的高能电子轰击反应器中的气体分子NOx，SO，O，HO等。经过激活、分解、电离等过程产生很强的自由基COH，HO，原子氧（O）和臭氧等，强氧化物迅速氧化掉碳粒、NOx和SO在水的作用下生成硝酸和硫酸，加入适当的添加剂（NH等）则生成相应的铵盐，可通过滤清器和静电除尘收集产物，从而达到减少污染的目的。但由于本过程产生了新的盐类和其它化学成份，有可能形成二次污染，目前尚处于理论研究和实验室内的应用。3.2.6静电旋风技术

研究人员对静电旋风技术捕集去除柴油机PM的效果进行了探索性研究。结果表明，借助高压脉冲静电作用不仅能较好地捕集柴油机排气PM，而且尾气中的HC和NOx也有一定的去除作用。静电旋风捕集器具有排气阻力小、清灰简单等优势。4 结束语 4.1燃料方面

目前的发展方向是采用代用燃料，提高石油冶炼技术，研制新型柴油添加剂，消除柴油中的硫，减少燃油中的芳烃成分，降低柴油中不饱和烃的含量，提高柴油的品质，从源头上解决尾气排放的问题。

4.2机内净化技术

柴油机尾气排放控制的发展方向将是采用多种措施综合应用。运用电子控制技术，通过对柴油机优化设计，采用增压中冷、EGR来达到最优配合。4.3尾气后处理技术

机械式柴油机篇3

关键词：电控柴油机;农业机械;排放标准;农机购置补贴;问题;对策

中图分类号： S232 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2015）04-0375-03

收稿日期：2014-05-08

基金项目：国家自然科学基金（编号：51266015）;云南省教育厅科学研究基金（编号：2013Z081）。

作者简介：白海（1982—），男，河南郑州人，硕士，助教，主要从事载运工具运用及车身修复研究。E-mail：www512iyl@126.com。

通信作者：孟利清，博士，教授，硕士生导师，主要从事交通运输及物流管理与工程研究。E-mail：1341288094@qq.com。

近年来，我国加强了对非道路移动机械用柴油机尾气排放的监管和治理[1]，为了适应环境保护的要求，国家环境保护部和质量监督检验检疫总局已于2014年5月发布了国家污染物排放标准——《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）》。该标准规定，自2014年10月1日起，凡进行排气污染物排放型式核准的非道路移动机械用柴油机都必须符合非道路国Ⅲ排放标准;自2015年10月1日起，我国所有制造和销售的非道路移动机械用柴油机的排放必须符合非道路国Ⅲ排放标准;自 2016 年4 月 1 日起，所有制造、进口和销售的非道路移动机械应装用符合非道路国Ⅲ排放标准的柴油机。

我国农业机械的动力能源约80%来自柴油机，作为非道路移动机械尾气排放治理的重点[2-3]，农业机械节能减排最直接、最关键的环节就是做好农用柴油机的节能减排工作[4]。农用柴油机从非道路国Ⅱ排放标准升级到国Ⅲ，燃油供给系统要发生本质的变化，需从传统的机械燃油供给系统转变为电控高压燃油供给系统，这将大幅提升柴油机燃油喷射的压力，对相关零部件的强度要求更高。

1 国内外农业机械配套动力的现状分析

1.1 国外农业机械配套动力的现状

当前国际著名的农机企业有约翰迪尔公司、凯斯纽荷兰公司、久保田公司、爱科公司等，现以这些企业为例，分析国外农业机械配套动力的现状。

约翰迪尔公司是全球第一大农机生产企业，该公司已推出代号为8R和8RT 的智能拖拉机，其配套动力均为PowerTech 9.0 L发动机，能够满足EPA Tier 4排放标准。这些采用EGR （废气再循环）技术和排气过滤器的线性的双涡轮增压六缸发动机，在正常操作的同时，能够完成尾气净化功能。数据通讯和远程监控系统使新的8R系列拖拉机变得更加智能化，当拖拉机在使用中出现问题时，经销商处的技术人员可以远程发现问题，并确定它的位置，进而积极地寻求应对故障的策略。

在美国 “2010年农业进步展”上，致力于清洁能源动力的凯斯纽荷兰公司，首次展出了其NH2（tm）型氢能源拖拉机。该拖拉机摒弃了传统的内燃机，采用氢燃料电池来发电，最高动力能够达到106马力。氢能源拖拉機在工作时只排放热量和水蒸汽，而不会像柴油机那样产生二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、颗粒物及碳氢化合物等有害成分，因而具有零排放的特点。它在工作时几乎是无声的，所以也不会产生噪声污染。在清洁能源领域，纽荷兰公司一直占据着领导地位，公司旗下约85%的产品对于生物柴油能够100%的兼容。

日本久保田拖拉机公司在2010年宣布，同意其在美国市场上销售的部分产品使用“B20”生物柴油燃料。“B20”生物柴油燃料能够降低对环境的损害，其生物油含量最多占到20%，普通石化柴油含量最低占80%。这种灵活的燃料选择，使得柴油发动机可以发挥其最高的效率和性能。燃用可再生生物质燃料和多种燃料是当前内燃机研发的热点之一，因此，久保田公司推出了可用柴油和压缩天然气的双燃料发动机，该发动机在工作时，可以根据工况的需求，选择不同的燃料供给系统[5]。

爱科公司提出了基于能源（energy）、生态（ecology）与经济（economy）的“E3”概念。它是世界上首家把SCR（选择性催化还原）技术应用于拖拉机上的厂家。SCR技术可以让工程师将精力集中在汽缸优化可燃烧微粒的数量和效率方面，而不必担心尾气的排放，因为排出的尾气会由特制的净化装置进行处理。柴油机采用SCR技术后，其性能更好，运行更安静，不会出现过热，工作持续时间更长。它还摈弃了复杂的柴油颗粒物过滤器的需求。经测试，新发动机能够节省10%以上的燃油消耗。此外，针对甘蔗农场客户，爱科公司正在研发双燃料发动机，这种发动机所使用的燃料是柴油和乙醇的混合物。这种双燃料发动机技术为未来可能应用于农业机械的新能源的使用开拓了思路。

综上分析，发达国家由于较早地执行了非道路排放法规，目前北美国家执行EPA Tier 4标准，欧盟国家执行Stage Ⅳ标准，因而这些国家大型农业机械配套的柴油机大多采用四气门、VGT （可变截面涡轮增压器）和电控燃油喷射系统（如高压共轨）等技术，在尾气处理方面主要是采用SCR（选择性催化还原）和EGR（废气再循环）+DPF（颗粒捕集器）这样2种比较成熟的技术方案[6-7]。另一方面，为了适应当前石油短缺的局而，许多农机企业开始关注石油替代能源动力系统的研发。

1.2 国内农业机械配套动力的现状

中国国际农业机械展览会是亚洲第一大农机展，2013年在青岛举办的该展览会上，参展的东方红-LF2204型拖拉机、约翰迪尔7M-2204型拖拉机、奇瑞谷王4LZ-8F（8000A）型联合收获机、雷诺曼-2104型拖拉机等19个农机产品荣获优秀新产品奖，这些农机产品充分体现了我国农机行业的技术进步。

nlc202309051145

五征集团生产的雷诺曼-2104型拖拉机配套道依茨WP6T200E22发动机，达到非道路国Ⅱ排放标准，它性能先进，动力强劲，扭矩储备大，经济效益高，采用德国博世力乐电液控制提升系统，带倒车影像、CAN BUS总线和带底盘故障诊断系统，并可选装GPS定位系统。

由约翰迪尔（中国）投资有限公司生产的7M-2204型拖拉机采用约翰迪尔6.8升高压共轨中冷6缸涡轮增压发动机，它马力强劲，扭矩储备高达40%，工作耐久可靠，采用 390 L 超大油箱，可保证连续工作16 h。

为了满足国内大型农场及高端客户的需求，一拖集团开发了具有完全自主知识产权的220马力的大功率轮拖产品——东方红-LF2204轮式拖拉机。该产品搭载了满足非道路欧Ⅲ排放标准的电控柴油机、一拖法国公司生产的带电控负载换档及负载换向传动系、电控PTO（额外动力输出）、TCU（传动系控制器）、闭心负荷传感电控液压提升系统、液晶显示数字仪表、基于CAN2.0B的总线技术、带悬浮的空调驾驶室等国际先进轮拖技术，在国内农机产品中采用的高新技术最多。其动力总成为东风康明斯QSB6.7全电控高压共轨增压中冷柴油机，扭矩储备25%以上，油耗低，排放满足非道路车辆欧Ⅲ要求，并可升级到欧Ⅳ标准。

近年来，一拖集团通过与国际著名的一流研发机构——英国利卡多等公司的合作，保持了核心技术与国际同步，研发的电控柴油机，如东方红-YM6K5UFH柴油机和东方红-YM6K7UFH柴油机，均采用先进的电控单体泵技术，排放达到非道路欧ⅢA标准，整机达到了国内同类产品领先水平。

综上分析，随着我国非道路国Ⅱ排放标准的实施，农用柴油机实现了产品的技术升级，农业机械排放的污染物有所降低，部分企业已开始研发满足未来非道路排放标准的农用电控柴油机，但与欧美相比还有很大的差距，农用柴油机节能减排的形势依然严峻[8]。因此，必须大力推进电控柴油机在农业机械中的应用。

2 电控柴油机应用于农业机械存在的问题

2.1 国产燃油喷射技术的研发滞后

国外十分重视先进燃油供给系统的研发，且往往领先于内燃机、汽车和农机的开发。然而，我国由于燃油供给系统的技术基础比较差、市场过分强调低价格、技术进步的推动力不足等原因，研发工作的重视程度不够，投入不高，因此国产燃油喷射技术的研发总是滞后于内燃机的发展，不能很好地满足内燃机的配套要求，这在一定程度上制约了我国内燃机、汽车和农机工业的发展。虽然，通过引进国外先进技术的方法，可以迅速提高我国柴油机的技术质量，但是国外柴油机价格较高，即使利用国内廉价的劳动力，也难以降到目前我国农民可以承受的价格范围。

2.2 农民收入有限，国家财政补贴不足

我国农民的经济收入较低，根据国家统计局数据，2013年我国农村居民人均纯收入为8 896元，因此农民没有足够的资金用来购置新型农业机械化装备。自2004年农机购置补贴政策实施以来，中央财政连年大幅度增加补贴资金。如图1所示，国家财政投入、农机购置补贴、农民个人投入金额都在逐年增长，其中，财政投入年平均增长率为35.6%，农机购置补贴年平均增长率为216.3%，农民个人投入年平均增长率为11.2%。然而，目前农业机械化发展对财政投入的依存度仅为10.4%，绝大部分投入仍靠农民个人的筹措[9]，这在很大程度上对农业机械化的发展起到了制约作用，需要继续加大农机方面的财政投入力度。

另一方面，农用柴油机机排放标准由国Ⅱ升级到国Ⅲ，由于配置水平有所提高，材料的价格成本在一定程度上有所提升。经统计，各系列柴油机成本的增加为10%～25%[10]，如果将这些增加的成本全都转嫁给消费者，将会使广大农机用户承受经济方面的沉重负担。

2.3 燃油品质阻碍排放标准的顺利实施

目前，我国机动车和非道路移动机械排放标准难以升级的一个重要原因是燃油品质的影响。从实施国Ⅱ排放标准以来，油品质量均不能保证排放标准的顺利执行[11]。只有改善油品质量，才能有效地降低农业机械污染物的排放。由于国内燃油含硫量较高，国外现有的后处理过滤技术无法应用于国内电控柴油机，我国的石油行业已经严重阻碍了电控柴油机在机动车和非道路移动装置上的应用。不可否认，我国石油行业获得的利润多数是垄断性质的，国家必须加大对它的改革。

2.4 农业从业人员素质和技能水平普遍较低

和发达国家相比，我国农业从业人员的文化素质偏低，农民对尾气治理的认知度有限，节能观念意识淡薄。由于农机操作人员对新型农機技术的了解有限，在实际的使用中，操作不规范，技巧不娴熟，影响机械的有效运转，造成不必要的磨损和能源浪费，缩短了农业机械的使用寿命，进而提高了机械化作业的成本。此外，在我国当前的农机技术培训中存在的突出问题有教学基础设施薄弱、师资队伍技能素质偏低、培训内容相对滞后、培训方法不够灵活和服务功能弱等。

3 推进电控柴油机应用于农业机械的措施对策

3.1 加大自主研发力度，适当引进国外先进技术

农民是农用柴油机的主要使用对象，生产效率不高，经济实力低，农机以个人购买为主，这是我国农村当前的状况[12]，即使到20世纪中期，我国广大农村地区和目前工业发达国家农村的水平仍有很大的差距。为了满足国家规定的排放、噪音和烟度等环保标准，在对农用柴油机进行技术改进和提高时，首先要考虑的是当前阶段农村的实际情况和农民能够接受的程度[13]。因此在开发柴油机新机型及新技术时，要脚踏实地，从我国的实际情况出发，走自主研发之路，另一方面，为了保持核心技术与国际同步，可以适当引进国外先进机型，采取合资合作生产的方式。

在技术措施方面，能够通过我国非道路柴油机国Ⅲ排放法规的技术方法有6种，即电控分配泵、电控单体泵、电控泵喷嘴、电控直列泵+冷却EGR、机械直泵+冷却EGR以及电控高压共轨[14]。为了更好地促进农用柴油机的发展，内燃机工业“十二五”发展规划将发展经济性好、适应性强、可靠性高，为各种农业机械配套的环保和节能型柴油机作为重点发展领域，并且将电控组合式单体泵、电控高压共轨燃油喷射系统、能承受160 MPa以上高动态响应的喷油器总成等作为重点发展的产品。

nlc202309051145

3.2 实施农机化财政倾斜政策

农业是一个需要重点扶持的行业，农业机械化的发展需要国家对其进行充足的资本投入。世界各国纷纷大力补贴农业投资，扶持农业发展[15]（表1）。此外，一些发达国家还对农机化发展实行减免税收、低息和贴息贷款等方式进行补充，有力地调动了农民使用先进农机的积极性。例如，美国政府对农用柴油实行免税政策;在德国，政府以市场价50%的价格供应柴油给农民使用，农户可通过分期付款和冬季购买价等优惠方式购买农机;在澳大利亚，收入不足1.6亿澳元的农场主可以享有减免所得税等优惠政策，政府对需要进口的农机设备在关税上予以优惠[16-17]。这些农机化财政倾斜政策都是值得我国借鉴的。

表1 各国农业扶持政策比较

国家农业扶持政策

法国 20世纪50年代，农机购置补贴20%～30%

日本 20世纪60年代，农机购置政府补贴60%～80%

韩国 20世纪80年代，政府对农机购置提供60%的补贴

美国

历届政府对农业的扶持力度都超过制造业等传统行业，目前，政府通过各种补贴计划，向农民发放的补贴约占其收入的1/4左右

巴基斯坦

2010年，政府为农用机械设备进口提供50%的补贴，以尽早实现农业机械化生产，提高农业产量，增加农民收入

3.3 改善燃油品质，并发展替代燃料

为了保证机动车和非道路移动机械排放标准的顺利实施，石化工业必须努力提高燃油标准，尽快改善燃油品质，生产优质的低硫柴油[18]。对有利于提高燃油品质的装置改造及建设项目，政府要在政策上给予支持。此外，农机、环保、燃料生产部门应加强合作，制定规划，促进农机、燃料和环保相关领域的持续协调发展，并通过国家宏观调控和立法来推动我国燃油品质的健康发展。

据国土资源部在《中国矿产资源报告（2013）》中披露，2012年底，我国石油剩余技术可采储量仅有33.3亿t左右，按照当年2.05亿t的产量估算，只能开采16年左右，我国的石油储量明显不足，因此要大力发展替代燃料等相应的技术。我国农业和农村能源的开发领域十分广阔，如生物质能、太阳能和风能等，这些都是清洁的、可持续的能源，可以根据各地实际情况，适当地推广混合动力装备（天然气动力）以及代用能源，如沼气、乙醇等，这对减少不可再生能源消耗，推动新能源开发以及优化能源结构具有极其重要的意义[19]。

3.4 加强农业从业人员教育培训体系的建设

要加强我國农机职业培训和技能鉴定工作，整合资源，多方投入，通过借助农机企业、职业院校和科研单位等技术力量，开展多方面的农机教育和培训。由于电控柴油机与传统的农用柴油机在使用和维修方面都有本质的不同，因此，需要开展些宣传、推广、教育等工作，使用户在观念上接受电控柴油机的这些特点。此外，为了保证电控柴油机的正确使用和保养，也要针对操作维护人员开展一系列专业的培训[20]。

4 结论

农用柴油机的主要使用对象是农民，我国农民的经济收入仍然较低，因此发动机和农机制造企业要根据我国农村的实际情况，发展适合我国国情的电控节能技术，促进农用柴油机技术的进步。

从长远来看，为了满足日趋严格的非道路排放法规和经济性的要求，采用电控柴油机将是农业机械配套动力发展的必然趋势。但是在短期内，从政府到农机制造产业还需要为农用柴油机的电控化创造更好的环境，农机制造企业需要开展广泛的宣传和教育工作，并在农用电控柴油的研发和制造方面适当引进国外先进技术。相信在不远的未来，我国生产的新型农业机械一定能够配套节能环保的现代电控柴油机。

参考文献：

[1]GB 20891—2007 非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅰ、Ⅱ阶段） [S]. 北京：中国环境科学出版社，2007.

[2]付明亮，丁焰，尹航，等. 实际作业工况下农用拖拉机的排放特性[J]. 农业工程学报，2013，29（6）：42-48.

[3]葛蕴珊，刘红坤，丁焰，等. 联合收割机排放和油耗特性的试验研究[J]. 农业工程学报，2013，29（19）：41-47.

[4]范景龙. 我国农用柴油机产品现状与节能减排[J]. 农业机械，2011（27）：13-15.

[5]刘胜吉，刘金龙. 小功率段多缸柴油机的发展和对策[J]. 中国农机化学报，2013，34（5）：29-34.

[6]王东青. 从2009汉诺威国际农机展看国外拖拉机技术的发展（上）[J]. 拖拉机与农用运输车，2011，38（2）：8-12.

[7]吴清分. 国外拖拉机和主要农机产品技术发展新趋势（上）[J]. 拖拉机与农用运输车，2011，38（4）：1-3，7.

[8]孙俊华，陆桂良，刘胜吉. 江苏省农机污染排放状况的分析研究[J]. 中国农机化，2010（1）：25-27，31.

[9]祝华军，田志宏，韩鲁佳，等. 农业机械化发展对财政投入的依存度研究[J]. 农业工程学报，2007，23（3）：273-278.

[10]彭天权. 非道路用发动机国Ⅲ排放技术分析和应对策略[J]. 建设机械技术与管理，2013（5）：29-31.

[11]邓艳芳. 国四排放标准实施乃国之大势所趋[J]. 工程机械文摘，2013（6）：42-43.

[12]袁聪. 我国拖拉机、农用运输车及收获机械配套柴油机的现状和发展方向[J]. 农业机械，2001（8）：8-12.

[13]何光清. 降低小型单缸柴油机排放的试验研究[D]. 南宁：广西大学，2009：1-2.

[14]包俊江，邢居真，高俊华. 柴油机电控技术发展与国Ⅲ排放技术路线[J]. 汽车工程师，2009（2）：31-34，37.

[15]李延明，卢秉福. 农业机械化外部性分析与支持政策体系的构建[J]. 农机化研究，2011，23（1）：24-27.

[16]杨敏丽，涂志强，沈广树. 国外农业机械化法规及支持政策[J]. 中国农机化，2005（2）：3-6.

[17]邱洪臣. 中国农业机械化高级阶段发展策略研究[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2013：29-30.

[18]刁玉辉，韦安和. 农用柴油机排放控制技术的探讨[J]. 中国农机化，2004（3）：31-34.

[19]李昱. 基于节约型农机化发展战略研究[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2007：49-50.

[20]杜建华，蒋公见，蒋海牙. 国内外柴油机电控喷油技术的发展现状及前景[J]. 自动化技术与应用，2010，29（8）：16-20.

农用机械车辆柴油机的故障预防篇4

人为故障往往是由于修驾人员疏忽而引起的, 一般难以察觉, 留下了不安全的隐患。人为故障大都出现得比较突然, 故障既无任何迹象, 也无规律性, 因此排除的难度要大一些, 但它也会有内在和外表的特征及现象, 如对故障现象进行科学的分析, 就不难找出其病根。以下列举人为故障几例:

(1) 垫片落入进气管, 导致活塞报废。一台车用柴油机在检修时, 不注意将一只弹簧垫片掉进了气缸, 便装好后出车。行驶中听到气缸内有金属撞击声。打开气缸盖, 发现是弹簧垫片在气缸内撞击, 已把活塞撞得坑坑洼洼。只好更换活塞, 造成了不应有的经济损失。

(2) 齿轮碰伤后引起的发动机异响。某车用柴油机大修后启动时, 发现其前部有周期性的响声。拆下正时齿轮室盖仔细检查, 是曲轴正时齿轮上有一处凸起, 顶着凸轮轴上的正时齿轮。究其原因, 原来是该齿轮是在修理中不小心被工具碰伤所致。

(3) 违章作业、人为引起排气管淌机油。一辆车用柴油机大修后, 试车时发现排气管淌润滑油, 尾部冒黑烟。打开气门室罩盖发现, 气门导管上的密封圈损坏。原来是其质量差, 安装不妥所致。更换合格的密封圈后, 发动机工作正常, 故障消失。

(4) 听到异响不警觉, 继续驾车曲轴报废。一辆车用柴油机使用中, 发现曲轴部位有异响, 驾驶员毫无警觉, 又行驶了一段时间, 响声更加严重, 才不得已将车报修。当拆下油底壳后, 发现有许多金属屑, 经检查是第4缸连杆松旷。拆下连杆盖, 发现连杆轴承严重磨损。用外径千分尺测量曲轴, 竟磨掉1mm, 曲轴报废, 连杆大端承孔严重变形。

(5) 连杆螺栓拧得太紧, 导致发动机报废。一辆柴油车在运行中突然听到一声巨响, 发动机随即熄火。下车一看, 连杆伸出缸体外, 把喷油泵壳体也碰坏了, 导致发动机报废。原因是在检修柴油机拧紧连杆螺栓时用力过大, 致使之疲劳损坏。

2.车用柴油机故障预防的基本方法

常见工程机械车辆柴油机故障预防的基本方法有:一是正确使用柴油机, 避免产生人为故障。在柴油机使用、维护和维修过程中, 注意它的科学性和合理性, 做到科学地使用车辆, 合理地维护和维修柴油机, 以保证柴油机处于良好的技术状态, 并延长各部机件的使用寿命, 避免早期损坏和出现故障, 这是至关重要的。从实际调查情况证明, 使用不当是导致柴油机故障的主要原因;二是及时清除发现的故障隐患, 避免因自然磨损、疲劳损伤、老化变质等原因造成的柴油机故障。根据柴油机各部件的使用寿命和使用过程中机件的疲劳磨损程度、螺栓松动状态、配合间隙的变化等实际情况, 采取措施, 及时检查、调整和紧定, 或适时地更换机件, 以消除故障隐患。做到防患于未然, 避免自然磨损、疲劳损伤、老化变质等原因造成柴油机自然故障的产生;三是适时更换柴油机零部件, 可将故障隐患消灭在萌芽状况。适时换件, 就是根据柴油机各部机件的使用寿命和使用中的实际情况, 采取措施及时恰当地更换机件, 以消除故障隐患, 这是柴油机部件寿命追踪预防法;四是加强柴油机日常维护, 做好清洁、润滑、紧定、检查、调整和防腐工作, 防患于未然。

3.车用柴油机故障预防的具体措施

常见工程机械车辆柴油机的故障预防具体措施主要有:

一是建立各部件使用情况统计表。首先根据厂家规定建立零部件使用寿命明细表;然后由驾驶员自己建立零部件使用情况统计表, 将各易损件开始使用的时间、柴油机运行里程 (小时) 数等项目详细记载, 同时与使用寿命表对比, 有到极限作业时间的, 可根据情况及时换件。它不但有利于预防发动机故障的发生, 也能使驾驶员对自己的发动机真正做到“了如指掌”。

机械式柴油机篇5

柴油机与等功率的汽油机相比, 微粒和NOX是排放中两种最主要的污染物。由于柴油机排气微粒与NOX的生成机理不同, 因此减少微粒的同时又增加了NOX的排放, 同时微粒的减少又使得催化剂中毒得以有效的扼制, 从而使采用机外催化技术净化NOX成为可能。今后研究的重点应转向使柴油机排放的微粒与NOX同时减少。

1 柴油机NOX排放物的生成机理

柴油机排放中的NO并非来自燃油的燃烧, 而是来自氮气与氧气的反应, 它是在氧气过剩的情况下由于燃烧室的持续高温而形成的, 在膨胀和排气时有少量的分解, 排到大气后遇氧形成NO2和其它氮氧化物。主要反应式如下:

2 柴油机排放颗粒的形成机理

柴油机中的排气颗粒是一种类似石墨形式的含碳物质, 表面凝聚和吸附了相当多的高分子量有机物。这些有机物包括未燃的燃油、润滑油和含碳化合物, 来自燃油中硫份的硫酸盐和水以及来自润滑油中灰分的残余物等。颗粒大多是在扩散燃烧期燃烧向油束中心传播时产生的, 此时由于油束中心的油滴较大, 且局部空燃比较小, 因此与空气的混合不好, 容易在高温下裂解而形成碳烟。另外, 一些燃油喷雾会撞击到燃烧室壁面形成液态油膜。这时, 火焰前锋如被液态油膜激冷, 也会产生碳烟。喷油将近终了时, 由于喷油嘴的压差较小, 燃油油滴速率低, 贯穿距短, 是高份额碳粒的另一来源。

3 控制尾气的方法

3.1 采用新的燃烧方式。

传统的柴油机燃烧分为预混合燃烧和扩散燃烧两个部分。主要燃烧是λ≈l处的扩散燃烧, 火焰温度高, 极易产生NOX, 采用稀薄的均匀混合气可解决这一问题, 此法可使NOX和PM排放比一般柴油机分别降低98%和27%。

3.2 喷油系统的改进

3.2.1 喷油规律改进。

合理的喷油规律应该是:初期喷油速率不宜过高, 以抑制NOX生成;中期应急速喷油, 提高喷油速率和喷油压力, 以加速扩散燃烧速度, 防止PM升高和热效率的恶化;后期要迅速结束喷射, 避免燃烧不完全及PM增加。在没有电控燃油喷射条件下, 通过改变油泵凸轮形状, 对喷油规律加以改进, 传统凸轮为切线凸轮, 改进凸轮为凹弧型凸轮, 其供油规律具有初期低、中期急速及补燃期不拖长的特征。改进后, NOX降低6%~13%, PM降低15%。为了实现先缓后急的喷油规律, 也可使用双弹簧喷油器即为双开启压力喷油器。

3.2.2 提高喷油压力和减小喷孔直径。

提高喷油压力和减少喷孔直径可以使燃油的喷雾颗粒进一步细化, 以增大燃油和空气接触的表面积, 加速燃油和空气的混合, 明显地降低颗粒PM中碳的排放。高压喷射会导致NOX的增加, 可采用推迟喷油时间和EGR等方法, 以达到控制颗粒PM和NOX排放的目的。高压喷射系统需要和燃烧室良好匹配, 以避免过多的燃油喷射到气缸的冷表面上, 减少HC和颗粒PM中有机可溶物SOF排放。

3.2.3 喷油正时与喷油速率的配合。

控制柴油机的喷油正时是控制柴油机排放的重要手段, 推迟喷油正时是降低柴油机排放中NOX浓度的简单而有效的措施之一。NOX对喷油正时的影响非常敏感, 当喷油正时与设定值相差1℃A时, NOX将提高15%左右。

3.2.4 先导喷射及多次喷射。

在主喷射之前喷入少量的燃油, 以降低NOX和噪声, 主喷射要求喷油速率快、喷油压力高, 促进混合气形成, 以缩短缓燃期, 保证良好的经济性和动力性, 形成先导喷射 (预喷射) +主喷射的模式。为了同时降低NOX和PM的排放也可采用多次喷射的方法, 即先导喷射和主喷射结束后再喷入少量的燃油形成过后喷射, 过后喷射可促进碳烟的氧化, 降低PM的排放。

3.3 进气系统的改进

3.3.1 采用增压中冷技术。

废气涡轮增压可提高进气压力、增大空气的供给量, 提高了气缸内平均有效压力、过量空气系数和整个循环的平均温度, 使燃油燃烧完全, 可使柴油机颗粒状物质的排放量降低50%左右, 并减少了CO和HC的排放。增压后, 燃油消耗率下降, CO和HC也会进一步降低。同时使进气温度提高而使燃烧温度增加, 致使增压后NOX比非增压要高。对此可采用增压中冷的方法使进气温度降低, 以控制NOX的恶化。进气温度降低0~5℃, 最高燃烧温度和排气温度可降低1~3℃, 利用中冷技术, NOX的排放量可降低60%~70%。

3.3.2 多气门设计。

采用多气门设计主要是为了扩大进排气门的总流通总面积, 提高进气充量, 使柴油的燃烧更彻底;实现进气涡流比可变。采用4气门技术时有利于喷油器布置在气缸轴线附近, 使油气混合均匀, 燃烧及早结束, 有利于降低NOX、另外, 4气门使燃烧室凹坑内产生较大涡流, 减少涡流死区, 有利于降低PM。

3.4 优化燃烧系统。

优化燃烧系统指的是供油系统、进气流动和燃烧室的形状的最佳匹配。单独看来, 采用何种强度的涡流、何种程度的高压喷油、何种形式的燃烧室, 没有最佳方案。但三者的最佳配合就是最优组合。

目前, 直喷式柴油机的发展趋势是提高喷油压力;增加喷油器的喷孔数, 减少孔径;根据柴油机工况优化喷油定时, 使喷油正时不仅随转速而且能随负荷的变化自动调节。采用分隔式燃烧室, 可比同规格的直喷式燃烧室NOX的排放量低1/3~1/2。

3.5 应用柴油机电控技术。

采用电子控制不仅可以提高喷油定时和喷油量的控制精度, 而且在EGR、放气阀或可变几何涡轮增压等空气控制部件也可以用电子控制技术进行柔性或精确控制。控制系统最理想的方案应是能使燃油经济性和废气排放均获得优化。电子控制柴油机高压喷射技术 (如电控高压共轨喷射) 的应用可使柴油机通过最佳喷油正时、最佳喷油率和预喷射, 与发动机转速、负荷之间的关系进行连续调节, 采用先导喷射及多次喷射技术, 先导喷射油量、过后喷射油量以及各次喷射的间隔角度和时刻的控制精度都有严格的要求, 这些显然只有在电控高压共轨系统中才能良好地实现。

3.6 采用废气再循环 (EGR) 。

废气再循环 (E-GR) 是在保证内燃机动力性不降低的前提下, 将一部分排气导入进气系统中, 和新鲜混合气混合后再进入气缸参加燃烧, 通过降低燃烧室燃烧的最高温度来降低NOX的排放。利用废气再循环 (E-GR) 来降低NOX的排放, 需要与电子控制结合。

3.7 防止机油的泄漏。

柴油机尾气排放中PM除了燃油燃烧生成外, 机油产生的PM也占相当部分。PM可分为可溶性有机物 (SOF) 和不可溶有机物 (IOF) 两部分, 两者所占比例大约为39%和61%。在SOF中, 由机油产生的PM占绝大部分, 约占PM总量的29%;机油除产生SOF外也产生IOF, 来自机油的PM总计占PM总量的34%。同时, 窜入燃烧室中不完全燃烧的机油随尾气排出, 是形成柴油机排放的蓝烟的重要组成部分。因此, 必须尽量防止和减少机油窜入燃烧室, 这应通过改进润滑油系统设计, 减少裙部间隙, 优化活塞、活塞环和气缸表面设计, 提高气缸套圆度及改进进气门挺杆的密封等措施, 减少从气门推杆泄漏机油等措施来实现。

3.8 加水燃烧。

在柴油中加入少量的水, 形成“油包水”形式的乳化燃料, 燃烧时液态水受热变为汽态时, 吸收汽化潜热, 使燃烧温度和压力下降, 以致在提高燃油蒸发速度的同时, 减少了热裂反应, 从而抑制NOX的生成, 同时, 由于液态水受热变为汽态会形成“爆炸”, 具有进一步雾化的作用, 使燃料和空气进一步混合, 减少PM的排放。

结论

介绍的各种减少尾气排放的措施都不同程度地存在着一定的局限性。如废气再循环技术被证明有利于NOX的降低。可废气再循环的采用却会减少进入燃烧室的空气, 使燃烧恶化, 颗粒生成增多。当我们同时采用各种技术, 如共轨系统和高压喷射、废气再循环等时, 就可同时降低各种排放物的水平, 满足现有和将来的法规要求。

工程机械用柴油机冷却系统的设计篇6

随着柴油机采用更加紧凑的设计和具有更大的比功率, 柴油机生产的废热密度也随之明显增大。一些关键区域, 如排气门周围, 的散热问题需优先考虑。冷却系统即便出现小的故障也可能在这样的区域造成灾难性的后果。柴油机冷却系统的散热能力一般应满足柴油机满负荷时的散热需求。已为此时柴油机产生的热量最大。然而, 在部分负荷时, 冷却系统会发生功率损失。水泵所提供的冷却液流量超过所需的流量。

我们希望柴油机冷起动时间尽可能短。因为柴油机怠速时排放的污染物较多, 油耗也大。而冷却系统的结构对柴油机的冷起动时间有较大的影响。

现代的柴油机设计充分考虑这些问题, 将柴油机的热量管理系统纳入到整个柴油机控制系统中, 全面考虑柴油机的暖机、冷却效率、废气排放控制、燃油利用、乘客室的取暖和三元催化剂活化时间等。目前的冷却系统属于被动系统, 只能有限地调节柴油机和工程机械的热分布状态。采用先进的冷却系统设计和先进的工作方式可大大改进冷却系统, 使冷却系统高效的运行, 间接地提高燃料经济性和降低排放量。

2 现代柴油机冷却系统的特点

2.1 温度设定点

柴油机性能受到多种因素影响, 不可能改变一项条件就能提高柴油机的整个性能。因此先进的冷却系统要全面考虑各种条件才能改善柴油机的性能。使冷却液温度保持在设定点是冷却系统最常见的工作方式。通常人们会认为冷却液的温度可用金属温度表示。实际上这种关系只在稳态下和特定运转速度和负荷下才能成立。金属和冷却液温度在柴油机不同地方可能相同也可能不同。柴油机整体处于不均匀温度分布状态。

柴油机工作温度的极限值取决于排气门周围区域最高温度。最理想的情况是按金属温度而不是冷却液温度控制冷却系, 这样才能更好地保护柴油机。由于冷却系统设定的冷却温度是以满负荷时最大散热率为基础, 因此柴油机和冷却系统在部分负荷时处于不太理想状态, 如市区行驶和低速行驶时, 会产生高油耗和排放。

通过改变冷却液温度设定点可改善柴油机和冷却系统在部分负荷时的性能。根据排气门周围区域温度极限值, 可升高或降低冷却液或金属温度设定点。升高或降低温度点都各有特点, 这取决于希望达到的目的。

2.2 提高温度设定点

提高工作温度设定点是一种比较受欢迎的方法。提高温度有许多优点, 它直接影响柴油机损耗和冷却系统的效果、以及柴油机排放物的形成。提高工作温度将提高柴油机机油温度, 降低柴油机摩擦磨损, 降低柴油机燃油消耗。

研究表明柴油机工作温度对摩擦损失由很大影响。将冷却液排出温度提高到150℃, 使气缸温度升高到195℃, 油耗则下降4~6%。将冷却液温度保持在90~115℃范围内, 使柴油机机油的最高温度为140℃, 则油耗在部分负荷时下降10%。

提高工作温度也明显影响冷却系统的效能。提高冷却液或金属温度会改善柴油机和散热气热传递的效果, 降低冷却液的流速, 减小水泵的额定功率。从而降低柴油机的功率消耗。此外, 可采用不同的传热方式, 进一步减小冷却液的流速。

2.3 降低温度设定点

降低冷却系统的工作温度可提高柴油机充气效率, 降低进气温度。这对燃烧过程、燃油效率及排放有利。降低温度设定点可以节省柴油机运行成本, 提高部件使用寿命。

研究表明, 若气缸盖温度降低到50℃, 点火提前角可提前3o而不发生爆震。充气效率提高将2%, 柴油机工作特性改善。有助于优化压缩比和参数选择, 取得更好的燃油效率和排放性能[9]。

2.4 精确冷却系统

精确冷却系统主要体现在冷却水套的结构设计与冷却液流速的设计。在精确冷却系统中, 热关键区, 如排气门周围, 冷却液有较大的流速, 热传递效率高, 冷却液的温度梯度变化小。这样的效果来自缩小这些地方冷却液通道的横截面, 提高流速, 减少流量。

精确冷却系统的设计关键在于确定冷却水套的尺寸, 选择匹配的冷却水泵, 保证系统的散热能力能够满足低速大负荷时关键区域工作温度的需求。

柴油机冷却液流速的变化范围相当大, 从怠速时1ms-1到最大功率时5ms-1。因此应将冷水套和冷却系统整体考虑, 相互补充, 发挥最大潜力。

研究表明, 采用精确冷却系统, 可在柴油机整个工作转速范围, 冷却液流量下降40%。对气缸盖上冷却水套的精确设计, 可使普通冷却道的流速从1.4m s-1提高到4m s-1, 大大提高气缸盖传热性, 将气缸盖的金属温度降低到60℃。

2.5 分流式冷却系统

分流式冷却系统为另外一种冷却系统。在这种冷却系统中, 气缸盖和气缸体由各自的液流回路冷却, 气缸盖和气缸体具有不同的温度。分流式的冷却系统具备特有的优势, 可使柴油机各部分在最优的温度设定点工作。冷却系统的整体效率达到最大。每个冷却回路将在不同冷却温度设定点或流速下工作, 创造理想的柴油机温度分布。

理想的柴油机热工作状态是气缸盖温度较低而气缸体温度相对较高。气缸盖温度较低可提高充气效率, 增大进气量。温度低且进气量大可促进完全燃烧, 降低CO、HC和NOx的形成, 也提高输出功率。较高气缸体温度会减小摩擦损失, 直接改善燃油效率, 间接的降低缸内峰值压力和温度。分流式冷却系统可使缸盖和缸体温度可相差100℃。气缸温度可高达150℃, 而缸盖温度可降低50℃, 减少缸体摩擦损失, 降低油耗。较高的缸体温度使油耗降低4~6%, 在部分负荷时HC降低20~35%。节气门全开时, 缸盖和缸体温度设定值可调到50℃和90℃, 从整体上改善燃油消耗、功率输出和排放。

3 结论

前面介绍的几种先进冷却系统的特性具有改善冷却系统性能潜力, 能够提高燃油经济性和排放性能。冷却系统的能控性是改善冷却系统的关键, 能控性表示对柴油机结构保护的关键参数, 如金属温度, 冷却液温度和机油温度等能够控制, 确保柴油机在安全限度范围工作。冷却系统能够对不同工况作出快速反应, 最大地节省燃料、降低排放, 而不影响柴油机整体性能。

从设计和使用性能角度看, 分流式冷却与精密冷却相结合具有很好发展前景, 既能提供理想的柴油机保护, 又能提高燃油经济性和排放性。这种结构有利于形成柴油机理想的温度分布。直接向气缸盖排气门周围供给冷却液, 减少了气缸盖温度变化, 使缸盖温度分布更加均匀, 也能将机油和缸体温度保持在设计的工作范围, 具有较低的摩擦损失和污染排放量。

本文介绍分析最新的冷却系统的设计和工作特性, 冷却系统改进的目标是提高柴油机的保护能力, 燃油效率和低排放性。分析表明先进冷却系统具备的特性具有明显提高现代柴油机性能的潜力, 分流式冷却、精密精确式冷却和可控式元件相结合, 能使气缸盖温度较低, 缸体温度较高, 满足柴油机对未来冷却系统的要求。

参考文献

[1]王义春, 杨英俊, 谷中丽.混合动力车辆冷却系统优化设计[J].北京理工大学学报, 2004, 1.

[2]高镜惠, 花松.工程机械柴油机冷却系统的模糊控制[J].小型内燃机与摩托车, 2004, 1.

[3]赖赣明, 叶忠伟.后置柴油机城市公交车冷却系统的定性分析[J].城市车辆, 2003, 6.

[4]肖成永, 李健, 张建武.柴油机冷却系统的建模与仿真[J].计算机仿真, 2003, 20 (9) .

[5]朱建军, 郑国璋.465Q汽油机冷却系统的改进[J].内燃机工程, 2003, 24 (3) .

机械式柴油机篇7

目前,柴油机中仅有1/3的燃油能量通过曲轴输出做功,约2/3的燃油能量以余热和余压的形式被排气和冷却水耗散掉[1],回收这部分能量成为提高发动机效率的主要研究方向。研究[2,3]表明:采用动力涡轮直接耦合曲轴的机械复合涡轮技术来回收排气能量,可使重型柴油机的燃油经济性提高3%~5%,对降低能源消耗和减少CO2排放具有重要意义。

近年来,科研人员对复合涡轮技术进行了大量研究。文献[4,5]通过分析复合涡轮系统对发动机燃烧、泵气、废气再循环(EGR)率及发动机热平衡等方面的影响发现,动力涡轮对发动机的影响在于增大了排气背压从而增加了泵气损失。当动力涡轮的膨胀比进一步增加时将降低增压涡轮做功能力,造成进气压力不足,导致发动机功率进一步降低,说明动力涡轮回收排气能量的同时影响了发动机的输出功率,动力涡轮与发动机需要进行优化匹配。文献[6]]指出,同一动力涡轮转速不能同时兼顾低负荷和高负荷区域,动力涡轮转速固定使得部分工况点下动力涡轮的效率较低,因而机械复合涡轮系统中动力涡轮转速与发动机转速强耦合制约了机械复合涡轮系统的余热回收潜力。文献[7]研究发现,低负荷时排气能量相对不足,动力涡轮膨胀比低,动力涡轮回收功率无法弥补增加的泵气损失功率,因此在低负荷时应该选择旁通。综上可知,机械复合涡轮系统中动力涡轮与发动机之间的匹配及非匹配点的优化对发动机总能效率提升具有重要影响。

为了实现全工况范围内增压涡轮、动力涡轮及发动机之间的合理匹配,本文提出了一种可控机械复合涡轮系统。该系统采用废气旁通阀和无级变速器(CVT),根据发动机运行工况动态调节增压涡轮和动力涡轮的运行状态。通过仿真研究了可控机械复合涡轮系统中动力涡轮、增压涡轮和传动速比之间的匹配规律,提出了废气旁通阀和CVT传动速比的调节策略。在稳态工况和FTP75市郊驾驶循环工况下分别评估了可控机械复合涡轮技术对发动机总能效率提升和油耗改善的效果。

1 可控机械复合涡轮系统仿真模型和效率评价指标

1.1 可控机械复合涡轮系统模型建立与验证

可控机械复合涡轮系统的结构如图1所示。动力涡轮位于增压涡轮下游,动力涡轮回收能量通过高速齿轮箱、无级变速器和动力耦合齿轮最终耦合到曲轴上。其中,增压涡轮废气旁通阀用于调节通过增压涡轮的废气量;动力涡轮废气旁通阀用于调节通过动力涡轮的废气流量;CVT用于连续调节动力涡轮至发动机曲轴的传动速比,进而在给定发动机转速条件下调节动力涡轮运行工况点。通过增压涡轮旁通阀、动力涡轮旁通阀和CVT速比的连续调节,可以实现增压涡轮、动力涡轮在发动机变工况条件下的动态匹配,为充分发掘机械复合涡轮系统提升发动机总能效率的潜力提供便利条件。

试验用机为当前市场上使用量较大的某重型柴油机,并基于GT-SUITE建立了包含柴油机、可控机械复合涡轮系统及整车模块的性能仿真模型。表1为柴油机、动力涡轮传动系统及整车基本参数。在仿真中,增压涡轮和动力涡轮的流量和效率特性MAP如图2所示。CVT的效率随输入转速变化,效率范围为0.93~0.97,效率曲线如图3所示。采用发动机外特性试验数据,对发动机模型进行了校订。模型与实际发动机的功率和油耗偏差控制在5%以内,如图4所示。

1.2 效率评价指标

为了指导可控机械复合涡轮系统的设计、匹配和优化,本文采用运行效率、转换效率和总能效率三个无量纲量来描述该系统的性能。

1.2.1 运行效率

从动力涡轮部件设计的角度提出运行效率,即动力涡轮等熵效率,用于表征动力涡轮部件的完善程度。

1.2.2 转化效率

从复合涡轮系统能量回收的角度提出转化效率,即单位排气能量中动力涡轮回收功率与发动机功率损失之差所得的净收益,如式(1)所示,用于指导发动机与动力涡轮的匹配。

式中,WT为动力涡轮回收功率;We为机械复合涡轮系统中发动机功率;Woriginal为原发动机功率;Wex为单位时间内排气能量。

1.2.3 总能效率

综合考虑柴油机可控机械复合涡轮中能量回收与能量使用两个环节,提出总能效率,即单位燃油能量机械复合涡轮系统曲轴输出功率,如式(2)所示,以评价柴油机可控机械复合涡轮系统的节油潜力。

式中,ηt为动力涡轮传动系统效率;Wfuel为单位时间内供油能量。

2 动力涡轮、增压涡轮及主传动比匹配规律

2.1 涡轮通流面积系数

可控机械复合涡轮系统优化的关键在于动力涡轮回收功率与发动机泵气损失之间的折中。增加发动机的排气背压能够提升动力涡轮的可用能,但同时会增加发动机的泵气损失。发动机的排气背压直接取决于动力涡轮的膨胀比,在设计域中影响涡轮膨胀比的主要因素为涡轮通流面积。本研究采用发动机原配增压涡轮/动力涡轮的通流面积为参考值,对增压涡轮和动力涡轮的通流面积无量纲化为增压涡轮通流面积系数α和动力涡轮通流面积系数β,其计算如式(3)和式(4)所示。

式中,A′T为增压涡轮通流面积;A′PT为动力涡轮通流面积;A0为原增压涡轮/动力涡轮通流面积。

2.2 动力涡轮通流面积对系统效率的影响

以1 600r/min、50%负荷为研究工况,保持增压涡轮不变,在1.0~3.0的范围内改变动力涡轮通流面积系数,研究动力涡轮通流面积对系统效率的影响。如图5所示,随着动力涡轮通流面积系数减小,动力涡轮运行效率显著增加,而系统的转化效率和总能效率呈现先增后减趋势。这是因为,随着动力涡轮通流面积系数减小,其膨胀比增加,增压涡轮出口压力增加,使得增压涡轮膨胀比降低,单位排气质量流量增压涡轮做功能力降低。发动机排气压力在增压涡轮和动力涡轮膨胀比的共同作用下逐渐增加。动力涡轮通流面积系数达到2.2后,发动机进气压力因增压涡轮功率不足而下降,从而使发动机空燃比下降。发动机功率受进排气压差所决定的泵气损失和空燃比所决定的燃烧性能两方面影响,先随排气压力增加而缓慢降低,后随进气压力不足急剧恶化,因此有必要重新匹配增压涡轮以保证进气压力需求。

另外,在动力涡轮通流面积较大时,较低的动力涡轮运行效率直接制约了动力涡轮的回收功率,因此有必要调节主传动速比,优化动力涡轮运行效率,提高系统的总能效率。

2.3 主传动速比对动力涡轮运行效率的调节规律

1 600r/min、50%负荷工况下主传动速比对动力涡轮运行效率的影响规律如图6所示。随主传动速比的增加,动力涡轮的运行效率呈先增后减小的变化规律,即存在最佳的主传动速比使得动力涡轮运行效率最优;同时,随着动力涡轮通流面积增加,动力涡轮的运行工况点向低膨胀比方向移动,即最佳的主传动比随着动力涡轮通流面积系数增加而逐渐减小。

2.4 增压涡轮、动力涡轮及主传动速比联合优化规律

综上分析可知,最佳主传动速比是随着动力涡轮通流面积一起变化。而为了保证目标进气压力,增压涡轮也需随动力涡轮的变化而重新匹配;因此,针对增压涡轮、动力涡轮及主传动速比的联合优化对实现系统总能效率最优十分关键。

以1 600r/min、50%负荷为研究工况,在调节动力涡轮通流面积的同时,以该动力涡轮运行效率最高为目标随动调节主传动速比,以增压压力满足目标进气压力为目标调节增压涡轮通流面积,得到如图7所示的β、α和主传动速比的联合优化曲线。通过该联合优化曲线和总能效率曲线即可确定以总能效率最优为目标的增压涡轮、动力涡轮和主传动速比的最佳匹配组合。在该发动机配置下,在该工况下,最佳的β为1.6,相应的最佳的α为0.875,主传动速比为25。

3 CVT和动力涡轮旁通阀对总能效率的优化作用

道路工况下,车用发动机的运行工况点会覆盖整个运行区间,因此机械复合涡轮系统在非匹配工况点下的性能对其道路循环的节油效果有较大影响。为了提升非匹配点的总能效率,研究中引入了无级变速器和动力涡轮旁通阀,以主动调节动力涡轮转速和流量,并探索其优化策略。

3.1 CVT的优化作用及其控制策略

以1 600r/min、50%负荷工况点进行匹配,如图8所示。在非匹配工况点,动力涡轮运行效率较低且膨胀比与最佳膨胀比(该系统总能效率最高时所对应的动力涡轮膨胀比)相差较大。以总能效率最高为目标,调节CVT速比调节动力涡轮转速。优化后,各非匹配工况点下动力涡轮膨胀比得以优化,动力涡轮运行效率得以改善。总能效率在欧洲稳态循环(ESC)典型工况下的改善效果如图9所示。其中,A、B、C分别为1 300、1 600和1 900r/min;25、50、75、100分别代表各转速下25%、50%、75%和100%负荷。在非匹配区域(25%负荷和100%负荷)系统总能效率明显提升,但是在匹配区域(50%负荷)总能效率反而比固定速比机械复合涡轮系统低。这是因为,CVT的引入使得传动系统传动损失增加,传动效率降低。以总能效率最高为目标得到的全工况范围下CVT最优速比如图10所示。

3.2 动力涡轮旁通阀的控制策略

动力涡轮回收排气能量是以增加发动机泵气损失为代价的。低负荷下排气能量相对不足,使得动力涡轮回收功率无法弥补因排气压力增加而造成的发动机功率损失,所以在低负荷时为了降低泵气损失,可旁通动力涡轮流量。相比于动力涡轮旁通阀开启,旁通阀关闭时可控机械复合涡轮系统的总能效率的提升如式(5)所示。

式中,ηtotal_C为旁通阀关闭时机械复合涡轮系统的总能效率,%;ηtotal_O为旁通阀开启时机械复合涡轮系统的总能效率,%。

如图11所示,动力涡轮旁通阀关闭,使机械复合涡轮系统在高转速高负荷区域总能效率的提升最为明显,而在高转速低负荷区域会出现较大程度的恶化。依此,将动力涡轮最佳旁通阀控制MAP绘制在图11中:动力涡轮旁通阀在总能效率恶化区域打开旁通阀,以降低动力涡轮对发动机的不利影响;在总能效率提升区域关闭旁通阀,以回收排气能量。

4 可控机械复合涡轮系统的节油潜力

可控机械复合涡轮系统节油率如式(6)所示。

式中,mT为可控机械复合涡轮系统的喷油率,%;mO为原机的喷油率,%。

以16 00r/min、970N·m为匹配工况点。匹配后,增压涡轮通流面积系数为0.875,动力涡轮通流面积系数为1.6,固定速比为25。相比于原机,柴油机可控机械复合涡轮在全工况范围下的节油率如图12所示。在高转速高负荷下,最高可降低燃油消耗4.3%;在高转速低负荷下,虽然排气通过动力涡轮旁通,但由于增压涡轮缩小导致燃油恶化最大仍达1.7%。

表2为FTP75市郊驾驶循环工况下的节油潜力评估情况。其车速曲线如图13所示。柴油机可控机械复合涡轮能够提高原机燃油经济性达1.28%。

5 结论

(1)基于GT-SUITE建立了某重型柴油机可控机械复合涡轮系统的仿真模型。提出了可控机械复合涡轮系统的分层效率评价指标(运行效率、转化效率和总能效率),分别评价其热力过程性能、能量回收性能及系统节油潜力。

(2)动力涡轮通流面积、主传动速比和增压涡轮通流面积为机械复合涡轮系统中的三个关键设计参数。调节动力涡轮通流面积以实现发动机功率与动力涡轮回收功率之间的折中优化;调节主传动速比以优化动力涡轮运行效率;调节增压涡轮通流面积以保证进气压力。三者之间存在着最佳的一一对应匹配关系,通过三者的联合匹配能够进一步提高系统总能效率。

(3)在非匹配工况,可以通过CVT调节动力涡轮的转速,实现对其运行效率和膨胀比的优化,提高系统总能效率。在小负荷工况,动力涡轮回收功率无法弥补由于排气压力增加造成的发动机功率损失,需要主动进行排气旁通。

(4)可控机械复合涡轮系统稳态点最大节油率为4.3%,在FTP75市郊驾驶循环工况下可降低燃油消耗1.28%。

参考文献

[1]FU J Q,LIU J P,YANG Y P,et al.A study on the prospect of engine exhaust gas energy recovery[C]//WUHAN:Electric Information and Control Engineering(ICEICE),2011International Conference,2011.

[2]GRESZLER A.Diesel turbo-compound technology[C]//Dearborn:ICCT/NESCCAF Workshop-Improving the Fuel Economy of Heavy-Duty FleetsⅡ,2008.

[3]PATTERSON A T C,MCGUIRE R J Tett.Exhaust heat recovery using electro-turbogenerators[C]//SAE Paper.Detroit,Michigan,USA,2009,2009-01-1604.

[4]ISMAIL Y,DURRIEU D,MENEGAZZI P,et al.Potential of exhaust heat recovery by turbocompounding[C]//SAE Paper.Detroit,Michigan,USA,2012,2012-01-1603.

[5]ISMAIL Y,DURRIEU D,MENEGAZZI P,et al.Study of parallel turbocompounding for small displacement engines[C]//SAE Paper.Detroit,Michigan,USA,2013,2013-01-1637.

[6]Zhuge W L,HUANG L,WEI W,et al.Optimization of an electric turbo compounding system for gasoline engine exhaust energy recovery[C]//SAE Paper.Detroit,Michigan,USA,2011,2011-01-0377.

机械式柴油机篇8

“上海宝马工程机械展”是世界最大的工程机械展bauma在中国的延伸，同时也是2010年亚太地区最具影响力的国际性行业博览会。bauma China 2010暨第5届中国国际工程机械、建材机械、工程车辆及设备博览会于2010年11月23—26日在上海新国际博览中心召开。本届展会展示面积超过23万m2, 1 800余家展商同台展出，是国内工程机械企业开拓世界之旅的绝佳舞台。来自165个国家的超过15万名专业观众参观了本届bauma China。与上届展会相比，本届展会到场专业观众数量增长了33%。在该展会上，无论是挖掘机、装载机、起重机、升降机，还是搅拌机械、隧道机械、钻孔设备、压路机械，企业纷纷打造各自的“宝马”，推介自己的新产品、新技术。众多参展企业奉献出体现革新性设计理念和精良制造工艺的工程机械新产品。技术创新、环保成为此次中国军团的最大亮点，低碳、节能、绿色、新材料、人性化、安全性、责任越来越多地被重视，在新产品发布会上被演绎得淋漓尽致，显示出中国工程机械行业未来发展的方向和潜力。

以徐工、厦工、龙工、柳工、三一、临工、山河智能、中联重科、福田雷沃重工、中国南车、住友、常林、首钢重汽和中国一拖等为主的中国重型工程机械企业集体亮相，并发布多款具有世界领先水平的产品。

参加本届宝马展的发动机厂家一样很多，国内品牌有东方红、玉柴、潍柴、上柴、大柴和重汽(杭发)等;国外品牌有康明斯、菲亚特、五十铃、珀金斯和道依茨等。

2 参展情况

一拖(洛阳)柴油机有限公司(以下简称“一拖柴公司”)和国机集团公司一同参加了此次展会。此次展会国机集团首次以国机重工的面貌出现，将常林鼎盛天工、一拖工机产品放在一起集中展示，彰显国机集团工程机械制造的实力，而一拖柴公司作为国机集团唯一的一家发动机制造企业，备受关注。此次展会上，一拖柴公司展示了6H系列、6M系列产品，6H系列是一拖柴公司新开发的产品，是一拖集团和美国西南研究院技术合作的最新奉献，诸多先进技术引领行业新标准。运用三维有限元设计验证分析技术，对重要部件全面优化，专有的气道优化设计与顶尖燃烧理论的完美结合，全面提升柴油机的内在品质。采用湿式缸套和整体框架式主轴承结构，单缸分体式二气门或四气门缸盖，内嵌式高效机油冷却器，具有极佳的整体刚性和高可靠性。配置P系列油泵或一体式电控单体泵，P系列小孔径多孔喷油器，国际知名品牌带进气补偿装置的增压器，产品性能属于国内领先水平。在配套40、50装载机，15 t挖掘机、发电机组、船机和水泵机组等领域具有优势。

2010年11月22日下午，以“演绎行业精彩·铸就专业品牌!”为主题的“首届中国工程机械配套件行业高峰论坛开幕式暨最具影响力品牌评选”颁奖盛典，将历时近5个月的首届配套件评选活动推向了高潮，上演了精彩纷呈的品牌表演。

本次盛会隆重推出动力元件最具影响力品牌、液压件及液压附件最具影响力品牌、底盘件(行走部件)最具影响力品牌、传动部件最具影响力品牌、其他零部件最具影响力品牌、配套件行业特别贡献企业、配套件行业优秀人物以及特别人物奖。以“诚信·创新·发展·责任”为主题的首届配套件评选，旨在协助行业企业搭建技术交流、沟通的平台，推荐并表彰为配套件行业发展做出突出贡献的单位及个人。同时它更为行业树立品牌形象，扩大企业知名度，推崇企业自主创新发展。首届配套件品牌评选在推动行业纵深发展的同时，更全方位诠释品牌企业形象和倡导全行业增强品牌意识，推动配套件与整机的协调统一发展，致力于整个工程机械行业的和谐发展。

机械式柴油机篇9

关键词：柴油机,机械手系统的设计,UG三维建模

0 引言

现代工业机械手起源于20世纪50年代初期,基于示教再现和主从控制方式,能适应产品种类变更,具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。

中国机械手制造及运用起步较晚,但已越来越普及。在中国,工厂工人在农历新年都会返乡,而机械手则不会离开。中国的机械手市场会在十年左右的时间里达到一定规模。发达地区的加工厂在面对劳动力短缺和成本上升时,开始考虑自动化生产。

1 机械手系统的设计

电镀机械手系统能准确,灵敏的升降,翻转柴油机的零部件,对其进行电镀,和清洗,完成工作任务之后再将零部件卸到另一地,以供后续操作。

1. 1 机械手系统的设计原则

设计机械手的原则是: 充分考虑作业对象的作业技术要求,拟定较为合理的作业工序和工艺,并满足系统功能要求和环境条件; 明确工件的结构形状和材料特性,尺寸和质量参数,定位精度要求,及升降和翻转零部件时的受力特性,从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求。尽量选用定型的标准组件,简化设计制造过程,兼顾通用性和专用性〔1 - 3〕。

1. 2 机械手系统的组成

本设计机械手系统由升降台气缸,压杆气缸,步进电机,膜片式联轴器,伺服电机,深沟球轴承,角接触球轴承等构件组成。

升降台气缸为双活塞结构,具有可变节流功能,采用磁感式作为位置感侧方式,并且采用内缓冲环。本设计选用FESTO的圆形气缸CRHD系列,如图1所示。

压杆气缸选用SMC单杆双作用气缸VJ114A 5MB,如图2所示。

膜片式联轴器连接伺服电机与连接板,需要所选择的联轴器拆装方便,缓冲性能好,故选用JM I型膜片式联轴器,如图3所示。

一般来说,电机的选择过程如图4所示。

通过上述对几种常用电机的分析与比较,并参考电机的选型过程的流程图。综合考虑本设计中控制柴油机零部件翻转与滑台平移需要用电机控制,要求在控制过程中精度高,并能够快速启动和制动。具体选型如下:

( 1) 控制柴油机零部件翻转所用电机

由于翻转过程要求平稳、且速度比较慢,故选用直流伺服电机作为驱动元件,根据工作条件和负载要求,为了保证电机的性能,选用松下公司的产品。通过查阅各种电机型号及技术指标,选用伺服电机型号为MSMD011P1V,额定功率100瓦。如图5所示。

( 2) 控制滑台平移所用电机

滑台通过电机经过丝杠带动,实现平移运动。根据工作条件和负载要求,选用三相混合式步进电机,110系列,型号: 110BYG350B。如图6所示。

1. 3 机械手手爪的设计步骤

机械手手爪是本设计中的关键环节,手爪性能的优劣直接关系到能否完成目标所要求的柴油机零部件的电镀及清洗工作〔4〕。

⒈机械手手爪应满足以下条件:

⑴以垫片为例,柴油机呼吸器中所用垫片直径为25mm,为了避免垫片因挤压变形,故选用从内侧夹持。

⑵在电镀过程中为了保证垫片的每一部分完全得到电镀,需要对夹紧位置进行转换,并且转换过程中垫片不脱落。

⑶充分考虑电镀系统的供电功能,故设计机械手手爪时要留有电线通道。

最终设计的机械手手爪如图7所示。

⒉机械手手爪的材料

从设计的思想出发,机械手手爪靠张紧力来支撑工件,故需要手爪材料的弹性强度较高。因此,对材料的一个要求是作为运动的部件,材料的密度不应该过大。另一方面,机械手手爪在运动过程中往往会产生振动,这必然会降低它的运动精度。所以在选择材料时,需要对质量、刚度、阻尼等进行综合考虑,以便有效的提高机械手手爪的动态性能。

因本设计中机械手手爪不需要很大的负载能力,但是需要较高的弹性模量和抗变形能力,此外还需考虑材料的成本,可加工性等因素。在衡量了各种因素和结合实际工作状况的条件下,本设计初步选用弹簧钢作为机械手手爪的材料。

⒊机械手手爪的支撑力计算

机械手手爪的作用是支撑需电镀的零部件,防止其滑落,以协助完成电镀与清洗工作。以垫片为例,垫片的质量较轻,约为40克,机械手手爪的支撑力可按下式计算

N ≥ K1K2K3G

其中K1—安全系数,通常取1. 2 ~ 2;

K2—工作情况系数,主要考虑惯性力的影响。

可按K2= 1. 1 ~ 2. 5,或K2= 1 + a / g

估算( a为机械手手爪在运动过程中的加速度s / m2,g为重力加速度) ;

K3—方位系数,K3≈4;

G—被支撑工件的重量( 即重力N)

在本机械手中,取K1= 2,K2= 2,K3≈4,则手爪的支撑力计算得

经计算可得,机械手手爪的支撑力最小为6. 27N。