2007年柴油机排放控制回顾

综述了2007年以来柴油机排放法规、发动机技术及NOx和PM控制技术的发展。目前欧洲排放法规的主要发展是提出了2013年重型车排放法规。该法规在技术上与美国2010年的排放要求相似。另外,欧洲委员会还首次提出了CO2排放130g／km的限值,接近于日本燃油经济性对CO2排放的要求。发动机取得了非常显著的进步,特别是美国轻型车发动机的清洁燃烧技术有很大发展。对重型发动机的研究主要集中在传统方法的改进,为满足严格的美国2010年排放要求,开发了许多发动机后处理技术。在不同的应用场合,NOx的控制集中采用选择性催化还原技术。对寒冷环境下的运行和系统优化进行了进一步研究。稀NOx捕集器的耐久性问题更受关注,并通过硫捕集器来提高性能。稀NOx催化技术得到进一步发展。柴油机颗粒过滤器技术得到进一步优化,成本得以降低。提出了新一代柴油机颗粒过滤器方案,并进行了关于碳烟与催化剂之间相互作用的基础研究,以及对柴油机颗粒过滤器结构进一步优化的研究。最后,提供了有关柴油机氧化催化器的最新进展,介绍了采用先进燃烧策略的研究趋势,讨论了影响NO2形成的重要因素,以及提高氧化催化器使用耐久性的一些新措施。     

内燃机车碳烟颗粒滤清器

为了进一步降低有害物的排放,德国Vossloh机车公司为瑞士联邦铁路提供的Am843型内燃机车首次正式装用了碳烟颗粒滤清器。本文侧重介绍该种碳烟颗粒滤清器的结构、原理和使用效果,同时简要介绍机车、柴油机和液力传动装置的结构特点。     

柴油机排气中微粒的生成机理与减少方法

柴油机排气中的颗粒物质由干碳烟、可溶性有机物、硫酸盐、金属和灰尘等组成，而以干碳烟和可溶性有机物为主。发动机在高负荷动转时主要形成干碳烟、在低负荷运转时主要生成可溶性有机物。本文叙述了干碳烟和可溶性有机物的成分、性质、生成机理及其生成量计算方法，并着重说明了影响干碳烟、可溶性有机物生成的各种因素及降低颗粒物质排放的方法。     

单级顺序增压涡轮增压器——超低排放柴油机的增压新理念

涡轮增压柴油机以超低排放达到了较高的平均有效压力水平。传统涡轮增压器的涡轮与压气机的匹配要达到期望的性能和响应特性变得越来越困难。为了满足排放法规的要求,采用超高水平的废气再循环控制氮氧化物排放,采用柴油颗粒过滤器控制碳烟和颗粒排放。这些技术使涡轮修正流量减少到压气机修正流量的一半,从而使压气机与涡轮的匹配恶化。介绍一种通过改变压气机作功一转速关系来显著改善涡轮性能的新设计理念。通过使用双面压气机叶轮,使压气机的1个叶轮停止工作,从而改善压气机的流量范围。由于压气机的流量范围得到改善,叶轮后弯曲率得以减小,进而改善了高压比能力。与球轴承相结合,该理念会使单级涡轮增压器的涡轮效率改善几十个百分点,压力高、流量范围大、尺寸小的压气机能提供传统结构的涡轮增压器所无法达到的性能水平。     

铁路内燃机车柴油机油中烟炱的研究

烟炱颗粒团聚后形成的结构会使柴油机油的黏度快速增加,导致柴油机油报废。采用反射和透射扫描电镜对铁路柴油机油中的烟炱颗粒进行分析研究。研究表明:柴油机油中的多数烟炱颗粒都分布在20~70nm附近,团聚后形成烟炱结构一般都呈点状或短链状,在黏度大的油样中有少量的球状团聚;柴油机油的黏度与烟炱结构大小具有相关性,结构大的黏度也大;柴油机油中烟炱颗粒的主要成份为C,还含有少量O,Ca,S,以及微量Si,Al和P;烟炱颗粒的晶体结构具有很高的硬度;烟炱含量大于4%的油品抗磨性能明显下降。     

环保型中速柴油机

在世界范围内对中速柴油机的减排法规趋于严格，因此，Caterpillar Motoren公司在2000年制定了所谓ACERT规划。通过缸内技术，降低了NOx和碳烟的排放量。本文将提供有关稳定状态或过渡工况下的减排结果。为改进排放性能，使用一台6M20型柴油机，对基本结构进行了调节，从而使排放值比现有的MARPOL73／78AnnexⅥ法规的NOx排放限值低30％。该柴油机配有可变的共轨喷射系统和一套可变的气门驱动机构，这可使燃油和空气系统的性能在很宽的范围内变化。开发目标是降低碳烟排放而又不延长加负荷时的加速时间。喷射系统的进油定时和供油规律对碳烟排放有很大影响。在这一方面，为产生更高的增压压力而对关闭Miller循环的时机选择和对喷油系统的调整起到很大作用。     

世界上首列采用颗粒滤清器的内燃动车组

介绍了阿尔斯通LHB公司制造的世界上首列采用柴油机排气颗粒滤清器的内燃动车组，描述了颗粒滤清器的结构原理及其与柴油机和动车的安装关系。利用这种颗粒滤清器，可使动车柴油机排放的碳烟量减少95％以上，颗粒排放量降低约90％，提前达到了从2012年起开始生效的欧盟废气排放法规。     

铁路工程车和机车的绿色标志

世界卫生组织(WHO)经过20年的研究,提出了一份关于柴油碳烟致癌影响的报告。柴油碳烟等同于石棉和神经毒气,不仅对人体健康极度有害,而且对气候也有非常有害的影响。德国铁路公司声明,未来只购置带颗粒滤清器的新型内燃机车。Tehag集团德国分公司是颗粒滤清器系统的供应商之一。该公司与其在瑞士的Tehag母公司合作,有20多年的内燃机车、动车和其他机械加装颗粒滤清器的研制经验。目前,该公司对MAK G 1206型内燃机车的小型车队进行加装作业,为用户的各种用途设计出最佳功能的颗粒滤清器系统。这种现代化的封闭式颗粒滤清器系统,采用了被动再生设计原理。该公司的企业战略,就是要使机车车辆达到最高程度的运行安全性、可靠性和用户满意度。试验表明,利用颗粒滤清器系统,可以过滤掉99.78%的固体物质,从而可达到良好的滤清度,过滤的颗粒物直径小于2.5μm。该公司在德国莫尔斯和瑞士迪森霍芬设有两个办事处,在用户驻地设有流动的组装团队,专门为用户加装颗粒滤清器。目前,在欧洲铁路上,加装的颗粒滤清器系统被视为机车和铁路工程车辆的绿色环保标志。     

喷孔几何形状对降低柴油机排放的影响

在一台采用高压共轨喷射系统的多缸柴油机上对3种喷嘴形状各异的喷油器进行了试验。试验采用多种喷射压力,并结合使用废气再循环技术,以获得低的NOx和碳烟排放。研究中采用的喷油器包括6孔喷嘴的、10孔喷嘴的和K系数为3的6孔收敛形喷嘴的。所有3种喷油器具有相同的流量值。所试的所有3种喷油器在各自适当的条件下均有NOx和碳烟减排效果。研究发现,低温燃烧可通过采用高的废气再循环率与晚喷相结合来实现。在传统的喷油定时下,高喷射压力明显减少了碳烟的排放。在推迟的喷射定时（即上止点后5°曲轴转角）下,喷射压力的影响不明显。研究发现,在相同的喷射条件下,与直孔喷嘴相比,收敛形喷嘴会产生更高的碳烟排放量。收敛形喷嘴对NOx排放和燃油消耗率的影响不明显。10孔喷油器中的小喷孔喷嘴可产生较小的燃油滴从而导致更好的雾化。10孔喷油器在宽广的运行条件下似乎具有更好的空气利用率从而有显著的NOx和碳烟减排作用。     

进一步提高喷射压力对大功率中速柴油机烟排放的影响

有很多措施能够将NOx排放调整到规定值,诸如冷却排气再循环(EGR)、选择性催化还原(SCR)等。然而,使用捕集器降低烟度值却不一样,由于成本、安装控件以及维修方面的原因,其可行性受到质疑。碳烟形成及氧化过程极其复杂,使得烟排放目标的实现比NOx的控制要困难许多。在原理上,碳烟的控制需要配给足够的空气,并需要与蒸发的燃油形成良好的混合。最有效的途径是优化喷油系统,亦即增大喷油压力、实施多级喷射、优化喷嘴几何形状。为了解非常高的喷射压力对烟度的影响,在格拉茨大功率柴油机技术中心(LEC)安装了一套先进的轨压可高达3 000 bar的喷射系统,并配有Bosch喷油器。为定量研究喷射对烟排放的影响,在试验台上以固定转速按螺旋桨运行规律考察了全负荷和部分负荷各工况的运行。试验中,在改变喷射定时和空燃比的情况下,采用了SCR和EGR方法。另外,试验规划法的采用有助于减少试验次数。喷雾和燃烧过程的研究采用了光学设备。为更清晰地了解碳烟的起源以及为了能够对喷射压力高达3 000bar的3D CFD FIRE喷雾模型进行核准,获取了用两色法表示的碳烟浓度曲线。用很高的压力喷射可以获取非常低的烟排放值,其中包括使用EGR的条件。采用试验规划法获取的结果清晰地表达了各参数之间的关系,从而可用来优化整个转速和负荷范围内的数值。可靠的油束碎裂模型可用于进一步的3D CFD FIRE仿真,以探索如何进一步降低碳烟的排放。     

地铁齿轮传动装置低温性能试验研究

齿轮传动装置在寒冷地区使用时,润滑油的粘度会变高,使得润滑油对轴承的润滑很不充分,因而容易烧损轴承,酿成车辆事故。在启动和加速时,轴承处于瞬间无润滑油润滑的状态,更容易烧损轴承。本文对齿轮传动装置在低温下的性能进行研究,提出相应对策,以确保行车安全。     

铁道车辆用离心沉淀式机械过滤器结构优化研究

对铁道车辆目前常用的离心沉淀式机械过滤器的流动阻力特性和过滤效率进行了分析,在此基础上提出了新型结构形式的机械过滤器,并借助计算流体力学(CFD)软件和试验测试2种研究方式,对新型过滤器的阻力特性和过滤效率进行了对比.结果表明,改进结构后的c型过滤器具有较为优良的性能.     

柴油机废气再循环冷却器内部堆积物的评价——堆积层的特性分析

作为降低柴油机氮氧化物排放的有效手段，高增压和高废气再循环（EGR）技术已受到广泛关注。EGR冷却器是EGR系统中的关键部件之一。而在高性能EGR冷却器的使用保养中，必须消除冷却器中的碳粒堆积物。在之前的相关研究中，已报道过EGR冷却器中碳粒堆积物的特性。利用氧化方法预先调查了换热性能的恶化及堆积质量的相关信息。对堆积层的微观研究揭示了EGR冷却器中堆积物的分布情况。换热管内表面形状对堆积层的厚度影响很大。堆积层的体积密度约为0．2g／cm3，远低于文献报道的颗粒密度。     

各种废气再循环策略在多缸柴油机中的适用性——高压回路和低压回路废气再循环系统联合应用的效果

采用1台多缸柴油机在稳态工况下研究了高压回路（HPL）和低压回路（LPL）废气再循环（EGR）系统联合应用对发动机性能和排放特性的影响。在低负荷下,增加HPL-EGR率会导致较高的碳烟排放,而增加LPL-EGR率则会导致燃油耗较高。为了解决这一问题,在低负荷下联合应用HPL-EGR和LPL—EGR系统,能在不牺牲燃油耗的情况下减少排放。反之,在高负荷下,由于泵气损失对燃油耗的影响较小,增加LPL-EGR率并采用较高的增压压力后,能同时减少氮氧化物和碳烟排放。     

HX_D1D型电力机车空气干燥器排油原因分析和预防措施

针对HX_D1D型电力机车空气干燥器排油故障,结合螺杆空气压缩机组、空气干燥器工作原理,从油细分离器滤芯破损、润滑油油位超高、回油管堵塞、最小压力维持阀故障、润滑油品质降低5个方面分析原因,并提出控制油细分离器质量、调整润滑油油位、清洗回油管和回油单向阀、检查维持阀状态、保证润滑油品质以及对油过滤器滤芯实施寿命管理的预防措施。     

浅谈内燃机车柴油机润滑油的品质

对内燃机车柴油机润滑油的氧化稳定性、碱度、粘度、水分、不溶物、灰分等主要性能以及使用中出现的炭黑、油泥、结焦、磨耗等问题进行了分析，对润滑油的品质及其检测方法进行了评述。     

颗粒增强铝基复合材料的过渡期行为

铁路提速要求制动材料具有更好的性能以适应日趋严格的使用工况，颗粒增强铝基复合材料具备的优良性能使其成为新一代制动材料的研究热点。针对温度对于过渡期时间的影响，采用自行研制的盘一块式高速摩擦试验机，在滑动速度为30m／s、法向载荷为0．35MPa的条件下，观察了摩擦稳定期内温度(卸载时间)对碳化硅颗粒增强6061铝合金与碳基材料摩擦过渡期行为的影响。试验结果表明摩擦稳定期内卸载时间对过渡期时间存在直接的影响，二者之间存在指数函数关系。     

以氢为补充燃料的直喷式柴油机的燃烧和碳烟排放

已证实,在乙烯和乙炔与空气的层流扩散火焰中添加氢气（H2）可以大大减少碳烟的生成。将H2雾化喷入单缸自然吸气直喷式柴油机,对燃烧和碳烟排放进行研究。随着H2的加入,特别是H2能量分数增加到15％以上时,发现与以往报道相反,滞燃期明显缩短,压力升高率峰值很高,烟度增加,燃料效率下降。当H2能量分数占30％左右时,滞燃期降到0～1℃A,最大压力升高半上升到2．5～3．0MPa／℃A。当H2比例较低时,碳烟排放稍有减少,但在H2能量分数高于15％～20％时,碳烟急剧增加。H2与空气混合,有效地参与燃前反应,导致滞燃期缩短,随之对燃烧压力一时间历程、碳烟排放和效率产生影响。有必要通过进气加入H2或往发动机气缸内直喷H2进行燃烧控制,以评估H2减少碳烟排放的潜力。     

采用新的混合气形成法来同时降低柴油机NOx和碳烟的排放

使用特制的燃烧试验装置对柴油机从喷油到化学反应及着火的整个燃烧过程进行了分析和试验。结果表明，采用新的混合气形成方法可以取得下列效果：１）通过将喷油始点提前和缩短喷油期可使燃油迅速而均匀地扩散，在较低的喷油压力下，可获得不发光火焰的燃烧特性；２）控制混合气形成过程，可同时抑制ＮＯｘ和碳烟的生成，大幅度降低ＮＯｘ和碳烟的排放。     

动车组齿轮箱国产化润滑油的试验研究

分析对比了润滑油的性能特点,通过设计齿轮箱台架试验方案,进一步验证了国产化润滑油的适用性。试验结果表明:试验前后黏度、酸值、微量元素等理化指标稳定,与齿轮箱在用油润滑性能相当,可以满足动车组齿轮箱的使用要求。