柴油发动机低碳运行的构想

张志勇 翁伟杰

摘 要：柴油机是一种依赖氧气燃烧柴油而获取能量转换的发动机。它的燃料供给系统为其工况调控中枢，排气系统（管）是集散排放废气、污染物有害物质与废热能量的器具。虽然经历多年发展，己使二者在产品节能减排方式等技术水平方面都得到了提高，但是其中的一些零部件产品对照环保管理体系认证条件要求，仍然还是存在着一定的差距。因此为解决柴油机污染问题，使柴油发动机的持续、健康发展，各种新技术不断被研发和应用。随着人们对环境保护的日益重视，对其进行了技术改革和科学管理，使其在燃油经济性、动力性、排放、空间、成本、使用便利性等方面之间找到平衡，且经常处在节能减排的使用工作状态，以便低碳运行，更好地为生产服务，这具有十分重要的意义。

关键词：柴油机低碳化排放;冒黑烟;复合型供给系统;环保融合;可行性

中图分类号：U464;S218.5        文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.07.016

0 引言

柴油机之所以常出现排放问题，与其通常使用石化柴油作为燃料油相关。但加剧这个问题的主要原因，在于它的燃料供给系统，因配气系本身的结构特点所导致的;而且在内燃机再制造过程中，柴油机在排放废气中的污染性有害物质，基本上都是来自石油因子生物化学化合物;利用新型柴油机产品零部件空间结构，将化学科技与机械化工作性能融为一体;重点净化处理柴油机的工况废气，以促进其节能减排性能的优化。

1 绿色燃料供给系统工业概念产品

柴油机的燃料供给系统，由配气系与油料系组成。其功用是把柴油和空气分别供入汽缸内，在燃烧室形成混合气燃烧，经排气管释放废气。该系统使柴油机在正常运转状态下，必须遵循物质化学反应理论计算常规：每燃烧1 kg柴油需要16 kg空气的理想空燃比。

1.1 创新配气系产品工业设计制作方法

对于柴油機来讲，配气系在构造上分成了位置在机体内和在机体外的两大部分机件。这里仅以位置处在机体外的支气管道构造性（空气滤清器、电动式空气增压泵）进行分析。

1.1.1 构造不良

配气系中的支气管道，长期以来在构造上采用高压空气输出管道，与柴油机（汽缸盖）的各进气管道共同组成。整个型材是直角弯节形状的管道式配气器（如图1所示）;当空气在配气器内按柴油机所谓“汽缸工作顺序”机制活动时，制造并生成了一系工作空气流体，同时选出其中的一条进气管道进入正在进气冲程的汽缸内;同时立刻在该汽缸内形成按照牛顿运动定律的万有引力，随即引起余下的各进气管道（各自连接到汽缸盖中的进气隧道）内都是暂时止步停流的空气;集体呈现“负压”性及“回流”性的气体，而快速爆燃在高压空气输出管道与各进气管道（减去一条）的交汇处（在“图1”中所标注的位置）;气撞气地混沌与攘乱形成了干扰空气流动的阻碍力。

（1）由此可见上述阻力，一旦经过配气系中的过滤器，与气体在流动中通过各零部机件时肯定会发生相互磨擦所产生的阻力;此两项阻力的合力，必然会使柴油机工作时少吸进约20%～30%的空气，相当等于减少吸收到（20%～30%）×21 %（空气含氧系数）≈4.2%～6.3%的氧气量。

（2）当柴油机的进气不足时，在其汽缸内就会出现瞬间柴油过多或空气过少，导致燃烧不充分、燃料整个燃烧过程不完全，燃烧残余留下的油质渍物演化为污染性有害物质的生成率提高，以至经排气管排放废气中的排放物数量猛增。甚至还形成了柴油机各汽缸彼此间的充气量不均匀，以致各缸内的压缩比值、燃料燃烧程度、输出功率、排放废气浓度、机体振动与噪音，产生明显的不均衡状况。

（3）柴油机在工况废气中的排放物主要成分是有毒有害物质，包括废气排放量等有关情况，表现在以下几个方面。

①柴油机在工况废气中的CO2是一种无机物、无毒性，通常不支持燃烧，它具有吸热和隔热的功能，其在大气中增多的结果是形成一种无形的护罩，使太阳辐射到地球上的热量、无法向外层空间发散，结果导致地球表面变热，因此CO2也被称为温室气体。它在地球上大气层中引起温室效应，导致了全球气候变暖;而这种情况的后果，会使全球降水量重新分配;且重点就是冰川和冻土消融、海平面上升等，既危害自然生态系统的平衡，更威胁到人类的食物供应和居住环境。

②以1台6135G型柴油机为例，在额定转速1500 r·min-1时，排放废气37.5次（道）·s-1，则1 h排放污染物的体积为：单个汽缸内的活塞工作容积×37.5（次）道·s-1×3600 s×0.3%（占废气量系数）。

1.1.2 旧式配气系不良结构改造办法

这例如“图1直角弯节管道型式配气器改善构造性示意图”的所示。

（1）改造方案。在配气器中增设一条高压空气输出管道，形成圈环型材的回流管。在圈环型管道选定合适位置，添加安装两个自助式恒定气压阀。

（2）功用与目的。

承接空气增压泵所输出的肯定是大于1个大气压强度的空气流体，并在高压输出空气管道结合回流管道，产生出一定的循环性气流量，方便控制在各支线路上的气体动向，从而确保主要工作气流免受其它的干扰性阻力。遵循柴油机所谓汽缸工作顺序的机制，向其各汽缸内提供等同1个大气压强度的足量空气。

①注意事项：一旦在汽缸中的自助式恒定气压阀（器）失效，就会造成柴油机工作时工况变坏。例如图1中的安装有两个恒压阀，也不能保证长久安全。

②柴油机的进气不足问题，是配气系产品结构特点所引起的，并且也针对这一问题作出了产品技术改革方案。

1.1.3 新型配气系产品设计

例如图2所示配气器，对相关结构进行了改进。

（1）构造。

它由空气滤清器、支气管道（钢铁管或橡塑管）、气体增压泵（机）、储气罐、三通管（盒）、恒定气压阀（器）以及在柴油机汽缸盖中的进气门等配件组成。

①空气滤清器。按照其滤清方式分为滤清式、惯性油浴式和三级滤清式（离心干滤、油浴及滤网共三级）。三级滤清式效果最好，由离心除尘器罩、金属丝滤网、油盘、器壳等一些零配件组成。无论那种款式滤清器，其功用都是滤去空气中灰尘和杂质。

②进气管道。它由金属材料或软质橡塑材料经过加工而成。分为前、中、后三部分的支气管道。其功用是将空气滤清器、空气压缩机（储气罐）、叉气器、进气门贯通连接起来，以便导流过滤后的空气。

③空气压缩机。空气压缩机是一种用以压缩气体的设备，它由活塞式压气机、配套驱动系统（或皮带轮机）等一系列的零配机件组成，当前常见机型是以发动机排放尾气的冲波力为动力源的涡轮增压器。其功用是承接柴油机的传动，吸进过滤后的空气进行不间断压缩;供应大于1个标准大气压强度的空气，满足装置为工作的需要量。己经设置“尾气涡轮增压器”的，保持原本的构造和功能，并可免于设置各种类型空气压缩机，但需要注意供气量（气压）是否达标问题。

④储气罐。它是一个金属制品容器，并且设有进气口和出气口的型材罐体。其功能是蓄积经过增压机加工后的空气，并向后续的支气管道输送大于1个标准大气压的空气。

⑤三通管。由金属制品的管（盒）形状壳体，在壳壁上设有1个气流进口和2个出口。其功能是把气流“一分为二”。

⑥自助式恒定气压阀。由阀体、进气口、泄压口、阀门、弹簧、螺杆、螺座、伸出杆、盲孔等一些零配机件组成。其功能是当螺杆旋转其外螺纹会进入或退出内螺纹，使螺杆的高度发生变化，改变作用在弹簧上的弹力，从而改变阀门的泄压压力值，自动调节并保持储气罐内的气体气压使其稳定在一个标准大气压。

这里值得一提恒定气压阀的调整工作，在柴油机出厂试验合格后己调整好了，不宜经常变更。

（2）功用。

新型配气系产品能够及时地向柴油机各汽缸内输入1个标准大气压强度的空气。

（3）工作要点。

当自然界大气通过空气滤清器的过滤，经增压泵加压后便继续流进储气罐内然后从储气罐的每个出气孔口各输出一族气流;它们在各自的输送过程中都遇到叉气器处理，以致每一族气流被错开分流成为两系。总共为等于发动机拥有汽缸合计数量的气流，但仅有一系是即时工作的气体，其它的都是临时停留在柴油机关闭着进气门前的暂性停留空气。在这里无论是工作的或是停留的空气，它们都轮换成为工作气流;很明确这肯定得服从柴油机所谓“汽缸工作顺序”机制的安排。

（4）有关增设制氧机事项。

通过对柴油机所使用的柴油成分，及其在汽缸内燃烧过程的分析，一般情况下空气中含有氧气约21%，是难以满足柴油机在满载负荷时需求的，故而给出了对它（配气系）添设增氧机的理由。但在本设计中存在着与配气系相配合关系的油料系，通过使用工业乙醇作为燃料掺杂剂的方案，能有效保证柴油机工作时对一定“富氧”空气的需求量，同时还能防止出现“过氧”空气所造成的不良后果。因此，除非柴油机长期处于高原地带空气稀薄区域工作，否则基本上不需要添加增氧机了。

1.2 再创新油料系产品工业设计制作方法

以复合型双料双线配送系统将“石化柴油”与“生物柴油”喷射进入到柴油机各汽缸内混合燃烧;获得一定富氧空气，既弥补了吸氧量不足的问题，稀燃技术，提高其热效率，也促进了它的低碳化排放。在柴油机负荷量在40%～100%的范围时，把占数量比例≤15%的工业乙醇（浓度：97%）直接喷射进入到它的汽缸内与柴油混合燃烧，并紧随发动机负荷量指数的变化应变（由其调速器自行控制），在保持燃料作用和原有用功不变的条件下，可以媲美以生物柴油作为石化柴油参与物的特性。这能够减少柴油机工作时，尚在汽缸内的废气中约25%的CO2数量，同时也提高了约3.46%的热效率。相反，若是在其负荷量≤40%指数时，就将工业乙醇喷入汽缸中则会事得其反。本文努力完成这项机械设计工作任务，为之创作出了如下的工业概念产品。

1.2.1 再创新油料系工业设计制作方法

以495A型柴油机为例的“图3复合型双料（A为柴油、B为乙醇）双线配送行程图”的所示。

（1）构造性。它是由双套油料系（只带单个调速器），一套是正常柴油泵，另一套是用于提供工业乙醇的泵（柱塞偶件构造己被整改版本）共同的组成。它的主要零部件（零配件）和各自的功用请参见图3。

（2）功能。以双料双路配送方法，分别实现定时定量向柴油机供应柴油和乙醇溶液。

1.2.2 工作程序

柴油和乙醇分别从各自的装料箱→沉淀杯→先前部分低压输液管道→低压输液泵→低压输液管道→柱塞偶件式喷液泵（柴油泵照常工作，乙醇泵在新机制下工作）→高压输液管道→双料型喷射器→汽缸内燃烧室。

（1）喷乙醇泵基本工作原理。它在泵内有着两组对置柱塞，而且都安装在叶轮上。当叶轮被发动机带动转动时，柱塞也随之转动。由于凸轮环的凸起部分压动柱塞、使柱塞向叶轮中央的送液孔压送溶液。这时候送出去的液体充满了分配器入口处，进行“吸液与压液”和“液量调节方法”的工作过程，然后按照柴油機各汽缸工作顺序排列制式，逐行喷射出乙醇溶液。

（2）工程建设项目要求。为适应这项科研成果中的条件（在柴油机≥40%至全负荷的指数时，将占85%的份额柴油与15%的乙醇溶液，直接作为其燃料掺杂剂使用）。因此，这需要开发出“一轴双对凸轮与双对柱塞偶件式喷液泵”产品;并且遵循喷乙醇泵基本工作原理，而构成机械设计制作方面理念。

①计设出对总泵易安装的微型喷乙醇泵。一并设计制定喷乙醇泵与喷柴油泵的液体流量之比例，是≤15%乙醇、85%柴油的额定量。

②改制在柱塞偶件套内柱塞表面上斜槽（沟）的位置，及柱塞长度和出油阀弹簧压力;总而言之是经过改良，都可实现阶段性定时供液，或在柴油机≤40%的负荷指数时停供。

③随机供液量调节。通过齿杆与转动套，来使喷油泵的全部柱塞同时作出转动来实现调节。

1.2.3 关于电控喷射式油料系说明

电控喷射式油料系是一种采用了电控共轨喷射技术，通过柴油发动机控制单元（ECO）的控制能够精确地调节喷油量和喷油时间的燃料供应体系，其能满足将乙醇作为燃料掺杂物条件的要求，甚至配合配气系由柴油机把乙醇送入汽缸内。

2 低碳化排气管工业概念

柴油机是发展生产力的主导动力设备，其长期配置着起集中、降噪作用，且可外释废气、构造简单的排气管，这与其产品技术先进性十分的不相称。因此为了使它与时俱进成为环保型产品，应在保持它原有的工作性能基础上，增加净化废气工程装置，对它进行成效性的产品技术改革创新。由于设计中常忽视对柴油机排放CO2也就是温室气体的治理，故而为其作出补充，以便减少导致全球气候变暖因素。该项产品的工业设计制作办法如下。

2.1 低碳化排气管工业概念产品

这如图4排气管新工业设计制作方案示意图所示。

2.2 构造性

在各划分段落区域内的物质基础设施建设项目，其工业信息反映如下：

①设计在排放系统前部位置整个化学法和机械化处理器的作业系统;其由构成汽化潜热工程装置，即蓄水箱、水泵、绕圈包裹排放管型金属管、化学药液箱、蒸馏水和药剂之浓度适配器、输液管、喷嘴等零部件组成，还包含设计在居中部分位置的化学物质反应堆。这里需对各种化学物质反应剂：H2O2、NaOH、MgO（OH）2、CaO（OH）2，给予添加选项ClO-（次氯酸根）;以便消除所有污染性有害物质：NOx、SO2、COx、HC、PM和CO2。同时既补充列出ClO-溶解CO2的化学方程：ClO-+CO2+H2O=HClO+HCO-3（漂白精溶液工作原理），并且加以说明在这里由各种化学药物与各种有毒有害物质所建立起的化学方程，是以柴油机在废气中各项排放物的比重，按从大到小数据排列有序排列在整个化学法作业系统内（图4所示A、B）的。

②设计在居中延后部分位置的机械化除污器（离心式除污物器或是静电除污物器）的区域。

③设计在后部位置（距排气管尾口一定距离）的紫外线辐射区与电子火花区的区域。

④设计污物集中处理器作业区域。

2.3 功能

发动机的余热生产出水蒸气，结合各种化学药物，建立与所排放的有毒有害物彼此间化学反应堆;又同机械式清除污尘设施，与除NOX光线幅射器等配合，通过化学反应融合机械化模式的共同处理，最大化地净化柴油机的工况废气，减少有毒有害物质的排放量，收集被处理后的污物，以防止造成二次污染。

3 可行性

基于创新柴油机的零部件产品是一门交叉性学科，其机械设计与制作的思想、准则、规律、方法等，都在随着社会的发展、科技的进步、社会文明的繁荣，而不断的发展和完善。所以在完成了新型供、排系统工程建设任务之际进行了如下的补充工作。

3.1 配气系

基于多缸型柴油机的进气工作，是与汽缸工作顺序与进气形成阻碍存在关系，也与通过活塞和连杆等机件，对曲轴的不断进行径向360°旋转的均匀受力程度有关，包括对发动机噪声大小和平顺性，都有很大关系。其燃料供给系统若继续采用原结构特点，产生输送空气之阻力的配气系，则不利于相关技术的发展。因此，那些高能耗、高排放、低性能的柴油机，目前应先要解决其燃料供给系统构造性的问题。奉行柴油机汽缸工作顺序机制，不仅是源自发动机进气冲程工作来带动的，以机械化作业法抵消所有的配气工作阻力，保证以1个标准大气压的空气，送气至汽缸进气门。本文设计的新型配气产品是柴油机充气量的工程装置，而这个装置一旦为柴油机使用，能产生良好效果，依靠空气在汽缸内有合理的压缩比、合理浓度值的燃料，形成柴油在汽缸内燃烧干净完全的效果，其工作效果情况如下：

①能够以饱和量度的空气，避免出现柴油机的汽缸进气过量，避免导致汽缸内的压缩比和暴发力过大，以致损伤了机体内的零部件，进气的低量性也会造成在汽缸内燃料燃烧值的下降问题，与排放废气常见冒黑烟的弊病。

②柴油机在配气时，若是使用涡轮会出现对空气增压作用而出现滞迟问题。

③能够降低柴油在汽缸内燃烧后，残留物演化成为污染性有害物质的生成率，使得柴油机在缺少约20%～30%的进气量时，出现排放含有75.7%的氮、10%的二氧化碳、6%的氧气、8%的水蒸气，共计为99.7%的废气。

3.2 机械喷射式油料系

由于空气含有氧气约21%，在通常情况下是很难满足柴油机满载负荷时，汽缸内柴油的燃烧需求。因此随着科技发展大数据报告显示：无论是采用生物柴油，还是采用工业乙醇柴油，大体上都是利用它们各自的含氧量，弥补这款发动机的进气量不足并促进了它的燃料燃烧过程完全，也呈现出节能减排的效果。采用稀燃技术，提高热效率约3.456%;并与生物柴油同样可以在柴油机汽缸内降低在废气中的NOx演化成为NO2，还有烟度NOX约有15%的生成率，同时还将SO2演变化成SO-24，也将CO演化成为CO2，减少了NOx与CO这两种物质的排放量，更减少了CO2约25%的合计量，使得所有的污染性有害物质生成率明显下降。永久性构成了柴油机的燃料供给系统，无论是以生物柴油作为燃料添加剂或使用工业乙醇，势必让这款发动机工作时出现下列的良好状况。

①解决柴油应对发动机负载量的增加（瞬间加速，上长坡等），在加大油门时出现的汽缸内进气不足问题，以致在汽缸内发生燃料燃烧不完全，排放废气常见冒黑烟状态问题。

②减少在汽缸内约25% 的CO2，对比原本的排放CO2数量≈10%（占原排放量系数）×（1-25%）≈7.5%的合计量。

③对于当前米勒循环通过改变气门正时来使有效膨胀过程大于有效压缩过程，使有效压缩比减小，降低压缩终点时缸内温度和压力，而抑制有毒有害物的生成，相对一般中、高速柴油机，往往是通过进气门早关和进气门晚关实现米勒循环的，且米勒循环必然导致进气量的减少、动力的损失，能有效解决进气量不足的问题。

3.3 排气管

目前，内燃机的排气管在构造上己经进化，降噪性与排气平顺性都得到了改善。技术优化还应牢记柴油机在排放废气中的有毒有害物绝大多数是石油因子生物化学物质，依靠物理化学科目中的知识，内燃机排放污染性有害物质控制技术等，在保持它原有工作性能的基础上，按主观需求在构造上进行创新设计（制造），优化产品空间结构，改善化学科技与机械化工程装置，从而促进柴油机低碳化排放。

①柴油机常用石化柴油是提炼石油后的产物，主要成份的分子式：C14H30～C25H52，含有14～25个碳原子，是一种碳氢化合物的混合物;而且它在汽缸内和空气含有的氧气接触，通过承受高温高热后所混合形成的燃气，也是一种化合物。这就形成了柴油机的排放物，必然是来自柴油因子生物化学物质，对此应选用化学法来解决，以便治标治本。

②柴油机的排放废氣状态，是机械化冲波运动模式的，单独依赖纯属静态型平衡式机械功能的排气管，这在客观上也是绝对做不到的，况且为了解决柴油机排放废气对环保问题影响，对于它的排气管在应用技术开发建设方面，就应当以空间换装增添设置某些运动型器具为基础，优化活性化型式的机械工作性能指标，才能净化柴油废气。

③这里提供H2O2（双氧水）、NaOH（氢氧化钠）、MgO（OH）2、CaO（OH）2的化学药剂水液，方便替换当前社会生产的“车用尿素”，可避免使用这种车用尿素一旦柴油机出现“减排”工作失效，导致产生大量“碳排放”问题。

4 结语

总而言之柴油机应随着时代进步而不断优化技术，向低碳环保的方向不断前进，为生产生活的绿色化提供助力。