柴油發動機低碳運行的構想

張志勇 翁偉杰

摘 要：柴油機是一種依賴氧氣燃燒柴油而獲取能量轉換的發動機。它的燃料供給系統為其工況調控中樞，排氣系統（管）是集散排放廢氣、污染物有害物質與廢熱能量的器具。雖然經歷多年發展，己使二者在產品節能減排方式等技術水平方面都得到了提高，但是其中的一些零部件產品對照環保管理體系認證條件要求，仍然還是存在著一定的差距。因此為解決柴油機污染問題，使柴油發動機的持續、健康發展，各種新技術不斷被研發和應用。隨著人們對環境保護的日益重視，對其進行了技術改革和科學管理，使其在燃油經濟性、動力性、排放、空間、成本、使用便利性等方面之間找到平衡，且經常處在節能減排的使用工作狀態，以便低碳運行，更好地為生產服務，這具有十分重要的意義。

關鍵詞：柴油機低碳化排放;冒黑煙;復合型供給系統;環保融合;可行性

中圖分類號：U464;S218.5??????? 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.07.016

0 引言

柴油機之所以常出現排放問題，與其通常使用石化柴油作為燃料油相關。但加劇這個問題的主要原因，在于它的燃料供給系統，因配氣系本身的結構特點所導致的;而且在內燃機再制造過程中，柴油機在排放廢氣中的污染性有害物質，基本上都是來自石油因子生物化學化合物;利用新型柴油機產品零部件空間結構，將化學科技與機械化工作性能融為一體;重點凈化處理柴油機的工況廢氣，以促進其節能減排性能的優化。

1 綠色燃料供給系統工業概念產品

柴油機的燃料供給系統，由配氣系與油料系組成。其功用是把柴油和空氣分別供入汽缸內，在燃燒室形成混合氣燃燒，經排氣管釋放廢氣。該系統使柴油機在正常運轉狀態下，必須遵循物質化學反應理論計算常規：每燃燒1 kg柴油需要16 kg空氣的理想空燃比。

1.1 創新配氣系產品工業設計制作方法

對于柴油機來講，配氣系在構造上分成了位置在機體內和在機體外的兩大部分機件。這里僅以位置處在機體外的支氣管道構造性（空氣濾清器、電動式空氣增壓泵）進行分析。

1.1.1 構造不良

配氣系中的支氣管道，長期以來在構造上采用高壓空氣輸出管道，與柴油機（汽缸蓋）的各進氣管道共同組成。整個型材是直角彎節形狀的管道式配氣器（如圖1所示）;當空氣在配氣器內按柴油機所謂“汽缸工作順序”機制活動時，制造并生成了一系工作空氣流體，同時選出其中的一條進氣管道進入正在進氣沖程的汽缸內;同時立刻在該汽缸內形成按照牛頓運動定律的萬有引力，隨即引起余下的各進氣管道（各自連接到汽缸蓋中的進氣隧道）內都是暫時止步停流的空氣;集體呈現“負壓”性及“回流”性的氣體，而快速爆燃在高壓空氣輸出管道與各進氣管道（減去一條）的交匯處（在“圖1”中所標注的位置）;氣撞氣地混沌與攘亂形成了干擾空氣流動的阻礙力。

（1）由此可見上述阻力，一旦經過配氣系中的過濾器，與氣體在流動中通過各零部機件時肯定會發生相互磨擦所產生的阻力;此兩項阻力的合力，必然會使柴油機工作時少吸進約20%～30%的空氣，相當等于減少吸收到（20%～30%）×21 %（空氣含氧系數）≈4.2%～6.3%的氧氣量。

（2）當柴油機的進氣不足時，在其汽缸內就會出現瞬間柴油過多或空氣過少，導致燃燒不充分、燃料整個燃燒過程不完全，燃燒殘余留下的油質漬物演化為污染性有害物質的生成率提高，以至經排氣管排放廢氣中的排放物數量猛增。甚至還形成了柴油機各汽缸彼此間的充氣量不均勻，以致各缸內的壓縮比值、燃料燃燒程度、輸出功率、排放廢氣濃度、機體振動與噪音，產生明顯的不均衡狀況。

（3）柴油機在工況廢氣中的排放物主要成分是有毒有害物質，包括廢氣排放量等有關情況，表現在以下幾個方面。

①柴油機在工況廢氣中的CO2是一種無機物、無毒性，通常不支持燃燒，它具有吸熱和隔熱的功能，其在大氣中增多的結果是形成一種無形的護罩，使太陽輻射到地球上的熱量、無法向外層空間發散，結果導致地球表面變熱，因此CO2也被稱為溫室氣體。它在地球上大氣層中引起溫室效應，導致了全球氣候變暖;而這種情況的后果，會使全球降水量重新分配;且重點就是冰川和凍土消融、海平面上升等，既危害自然生態系統的平衡，更威脅到人類的食物供應和居住環境。

②以1臺6135G型柴油機為例，在額定轉速1500 r·min-1時，排放廢氣37.5次（道）·s-1，則1 h排放污染物的體積為：單個汽缸內的活塞工作容積×37.5（次）道·s-1×3600 s×0.3%（占廢氣量系數）。

1.1.2 舊式配氣系不良結構改造辦法

這例如“圖1直角彎節管道型式配氣器改善構造性示意圖”的所示。

（1）改造方案。在配氣器中增設一條高壓空氣輸出管道，形成圈環型材的回流管。在圈環型管道選定合適位置，添加安裝兩個自助式恒定氣壓閥。

（2）功用與目的。

承接空氣增壓泵所輸出的肯定是大于1個大氣壓強度的空氣流體，并在高壓輸出空氣管道結合回流管道，產生出一定的循環性氣流量，方便控制在各支線路上的氣體動向，從而確保主要工作氣流免受其它的干擾性阻力。遵循柴油機所謂汽缸工作順序的機制，向其各汽缸內提供等同1個大氣壓強度的足量空氣。

①注意事項：一旦在汽缸中的自助式恒定氣壓閥（器）失效，就會造成柴油機工作時工況變壞。例如圖1中的安裝有兩個恒壓閥，也不能保證長久安全。

②柴油機的進氣不足問題，是配氣系產品結構特點所引起的，并且也針對這一問題作出了產品技術改革方案。

1.1.3 新型配氣系產品設計

例如圖2所示配氣器，對相關結構進行了改進。

（1）構造。

它由空氣濾清器、支氣管道（鋼鐵管或橡塑管）、氣體增壓泵（機）、儲氣罐、三通管（盒）、恒定氣壓閥（器）以及在柴油機汽缸蓋中的進氣門等配件組成。

①空氣濾清器。按照其濾清方式分為濾清式、慣性油浴式和三級濾清式（離心干濾、油浴及濾網共三級）。三級濾清式效果最好，由離心除塵器罩、金屬絲濾網、油盤、器殼等一些零配件組成。無論那種款式濾清器，其功用都是濾去空氣中灰塵和雜質。

②進氣管道。它由金屬材料或軟質橡塑材料經過加工而成。分為前、中、后三部分的支氣管道。其功用是將空氣濾清器、空氣壓縮機（儲氣罐）、叉氣器、進氣門貫通連接起來，以便導流過濾后的空氣。

③空氣壓縮機。空氣壓縮機是一種用以壓縮氣體的設備，它由活塞式壓氣機、配套驅動系統（或皮帶輪機）等一系列的零配機件組成，當前常見機型是以發動機排放尾氣的沖波力為動力源的渦輪增壓器。其功用是承接柴油機的傳動，吸進過濾后的空氣進行不間斷壓縮;供應大于1個標準大氣壓強度的空氣，滿足裝置為工作的需要量。己經設置“尾氣渦輪增壓器”的，保持原本的構造和功能，并可免于設置各種類型空氣壓縮機，但需要注意供氣量（氣壓）是否達標問題。

④儲氣罐。它是一個金屬制品容器，并且設有進氣口和出氣口的型材罐體。其功能是蓄積經過增壓機加工后的空氣，并向后續的支氣管道輸送大于1個標準大氣壓的空氣。

⑤三通管。由金屬制品的管（盒）形狀殼體，在殼壁上設有1個氣流進口和2個出口。其功能是把氣流“一分為二”。

⑥自助式恒定氣壓閥。由閥體、進氣口、泄壓口、閥門、彈簧、螺桿、螺座、伸出桿、盲孔等一些零配機件組成。其功能是當螺桿旋轉其外螺紋會進入或退出內螺紋，使螺桿的高度發生變化，改變作用在彈簧上的彈力，從而改變閥門的泄壓壓力值，自動調節并保持儲氣罐內的氣體氣壓使其穩定在一個標準大氣壓。

這里值得一提恒定氣壓閥的調整工作，在柴油機出廠試驗合格后己調整好了，不宜經常變更。

（2）功用。

新型配氣系產品能夠及時地向柴油機各汽缸內輸入1個標準大氣壓強度的空氣。

（3）工作要點。

當自然界大氣通過空氣濾清器的過濾，經增壓泵加壓后便繼續流進儲氣罐內然后從儲氣罐的每個出氣孔口各輸出一族氣流;它們在各自的輸送過程中都遇到叉氣器處理，以致每一族氣流被錯開分流成為兩系。總共為等于發動機擁有汽缸合計數量的氣流，但僅有一系是即時工作的氣體，其它的都是臨時停留在柴油機關閉著進氣門前的暫性停留空氣。在這里無論是工作的或是停留的空氣，它們都輪換成為工作氣流;很明確這肯定得服從柴油機所謂“汽缸工作順序”機制的安排。

（4）有關增設制氧機事項。

通過對柴油機所使用的柴油成分，及其在汽缸內燃燒過程的分析，一般情況下空氣中含有氧氣約21%，是難以滿足柴油機在滿載負荷時需求的，故而給出了對它（配氣系）添設增氧機的理由。但在本設計中存在著與配氣系相配合關系的油料系，通過使用工業乙醇作為燃料摻雜劑的方案，能有效保證柴油機工作時對一定“富氧”空氣的需求量，同時還能防止出現“過氧”空氣所造成的不良后果。因此，除非柴油機長期處于高原地帶空氣稀薄區域工作，否則基本上不需要添加增氧機了。

1.2 再創新油料系產品工業設計制作方法

以復合型雙料雙線配送系統將“石化柴油”與“生物柴油”噴射進入到柴油機各汽缸內混合燃燒;獲得一定富氧空氣，既彌補了吸氧量不足的問題，稀燃技術，提高其熱效率，也促進了它的低碳化排放。在柴油機負荷量在40%～100%的范圍時，把占數量比例≤15%的工業乙醇（濃度：97%）直接噴射進入到它的汽缸內與柴油混合燃燒，并緊隨發動機負荷量指數的變化應變（由其調速器自行控制），在保持燃料作用和原有用功不變的條件下，可以媲美以生物柴油作為石化柴油參與物的特性。這能夠減少柴油機工作時，尚在汽缸內的廢氣中約25%的CO2數量，同時也提高了約3.46%的熱效率。相反，若是在其負荷量≤40%指數時，就將工業乙醇噴入汽缸中則會事得其反。本文努力完成這項機械設計工作任務，為之創作出了如下的工業概念產品。

1.2.1 再創新油料系工業設計制作方法

以495A型柴油機為例的“圖3復合型雙料（A為柴油、B為乙醇）雙線配送行程圖”的所示。

（1）構造性。它是由雙套油料系（只帶單個調速器），一套是正常柴油泵，另一套是用于提供工業乙醇的泵（柱塞偶件構造己被整改版本）共同的組成。它的主要零部件（零配件）和各自的功用請參見圖3。

（2）功能。以雙料雙路配送方法，分別實現定時定量向柴油機供應柴油和乙醇溶液。

1.2.2 工作程序

柴油和乙醇分別從各自的裝料箱→沉淀杯→先前部分低壓輸液管道→低壓輸液泵→低壓輸液管道→柱塞偶件式噴液泵（柴油泵照常工作，乙醇泵在新機制下工作）→高壓輸液管道→雙料型噴射器→汽缸內燃燒室。

（1）噴乙醇泵基本工作原理。它在泵內有著兩組對置柱塞，而且都安裝在葉輪上。當葉輪被發動機帶動轉動時，柱塞也隨之轉動。由于凸輪環的凸起部分壓動柱塞、使柱塞向葉輪中央的送液孔壓送溶液。這時候送出去的液體充滿了分配器入口處，進行“吸液與壓液”和“液量調節方法”的工作過程，然后按照柴油機各汽缸工作順序排列制式，逐行噴射出乙醇溶液。

（2）工程建設項目要求。為適應這項科研成果中的條件（在柴油機≥40%至全負荷的指數時，將占85%的份額柴油與15%的乙醇溶液，直接作為其燃料摻雜劑使用）。因此，這需要開發出“一軸雙對凸輪與雙對柱塞偶件式噴液泵”產品;并且遵循噴乙醇泵基本工作原理，而構成機械設計制作方面理念。

①計設出對總泵易安裝的微型噴乙醇泵。一并設計制定噴乙醇泵與噴柴油泵的液體流量之比例，是≤15%乙醇、85%柴油的額定量。

②改制在柱塞偶件套內柱塞表面上斜槽（溝）的位置，及柱塞長度和出油閥彈簧壓力;總而言之是經過改良，都可實現階段性定時供液，或在柴油機≤40%的負荷指數時停供。

③隨機供液量調節。通過齒桿與轉動套，來使噴油泵的全部柱塞同時作出轉動來實現調節。

1.2.3 關于電控噴射式油料系說明

電控噴射式油料系是一種采用了電控共軌噴射技術，通過柴油發動機控制單元（ECO）的控制能夠精確地調節噴油量和噴油時間的燃料供應體系，其能滿足將乙醇作為燃料摻雜物條件的要求，甚至配合配氣系由柴油機把乙醇送入汽缸內。

2 低碳化排氣管工業概念

柴油機是發展生產力的主導動力設備，其長期配置著起集中、降噪作用，且可外釋廢氣、構造簡單的排氣管，這與其產品技術先進性十分的不相稱。因此為了使它與時俱進成為環保型產品，應在保持它原有的工作性能基礎上，增加凈化廢氣工程裝置，對它進行成效性的產品技術改革創新。由于設計中常忽視對柴油機排放CO2也就是溫室氣體的治理，故而為其作出補充，以便減少導致全球氣候變暖因素。該項產品的工業設計制作辦法如下。

2.1 低碳化排氣管工業概念產品

這如圖4排氣管新工業設計制作方案示意圖所示。

2.2 構造性

在各劃分段落區域內的物質基礎設施建設項目，其工業信息反映如下：

①設計在排放系統前部位置整個化學法和機械化處理器的作業系統;其由構成汽化潛熱工程裝置，即蓄水箱、水泵、繞圈包裹排放管型金屬管、化學藥液箱、蒸餾水和藥劑之濃度適配器、輸液管、噴嘴等零部件組成，還包含設計在居中部分位置的化學物質反應堆。這里需對各種化學物質反應劑：H2O2、NaOH、MgO（OH）2、CaO（OH）2，給予添加選項ClO-（次氯酸根）;以便消除所有污染性有害物質：NOx、SO2、COx、HC、PM和CO2。同時既補充列出ClO-溶解CO2的化學方程：ClO-+CO2+H2O=HClO+HCO-3（漂白精溶液工作原理），并且加以說明在這里由各種化學藥物與各種有毒有害物質所建立起的化學方程，是以柴油機在廢氣中各項排放物的比重，按從大到小數據排列有序排列在整個化學法作業系統內（圖4所示A、B）的。

②設計在居中延后部分位置的機械化除污器（離心式除污物器或是靜電除污物器）的區域。

③設計在后部位置（距排氣管尾口一定距離）的紫外線輻射區與電子火花區的區域。

④設計污物集中處理器作業區域。

2.3 功能

發動機的余熱生產出水蒸氣，結合各種化學藥物，建立與所排放的有毒有害物彼此間化學反應堆;又同機械式清除污塵設施，與除NOX光線幅射器等配合，通過化學反應融合機械化模式的共同處理，最大化地凈化柴油機的工況廢氣，減少有毒有害物質的排放量，收集被處理后的污物，以防止造成二次污染。

3 可行性

基于創新柴油機的零部件產品是一門交叉性學科，其機械設計與制作的思想、準則、規律、方法等，都在隨著社會的發展、科技的進步、社會文明的繁榮，而不斷的發展和完善。所以在完成了新型供、排系統工程建設任務之際進行了如下的補充工作。

3.1 配氣系

基于多缸型柴油機的進氣工作，是與汽缸工作順序與進氣形成阻礙存在關系，也與通過活塞和連桿等機件，對曲軸的不斷進行徑向360°旋轉的均勻受力程度有關，包括對發動機噪聲大小和平順性，都有很大關系。其燃料供給系統若繼續采用原結構特點，產生輸送空氣之阻力的配氣系，則不利于相關技術的發展。因此，那些高能耗、高排放、低性能的柴油機，目前應先要解決其燃料供給系統構造性的問題。奉行柴油機汽缸工作順序機制，不僅是源自發動機進氣沖程工作來帶動的，以機械化作業法抵消所有的配氣工作阻力，保證以1個標準大氣壓的空氣，送氣至汽缸進氣門。本文設計的新型配氣產品是柴油機充氣量的工程裝置，而這個裝置一旦為柴油機使用，能產生良好效果，依靠空氣在汽缸內有合理的壓縮比、合理濃度值的燃料，形成柴油在汽缸內燃燒干凈完全的效果，其工作效果情況如下：

①能夠以飽和量度的空氣，避免出現柴油機的汽缸進氣過量，避免導致汽缸內的壓縮比和暴發力過大，以致損傷了機體內的零部件，進氣的低量性也會造成在汽缸內燃料燃燒值的下降問題，與排放廢氣常見冒黑煙的弊病。

②柴油機在配氣時，若是使用渦輪會出現對空氣增壓作用而出現滯遲問題。

③能夠降低柴油在汽缸內燃燒后，殘留物演化成為污染性有害物質的生成率，使得柴油機在缺少約20%～30%的進氣量時，出現排放含有75.7%的氮、10%的二氧化碳、6%的氧氣、8%的水蒸氣，共計為99.7%的廢氣。

3.2 機械噴射式油料系

由于空氣含有氧氣約21%，在通常情況下是很難滿足柴油機滿載負荷時，汽缸內柴油的燃燒需求。因此隨著科技發展大數據報告顯示：無論是采用生物柴油，還是采用工業乙醇柴油，大體上都是利用它們各自的含氧量，彌補這款發動機的進氣量不足并促進了它的燃料燃燒過程完全，也呈現出節能減排的效果。采用稀燃技術，提高熱效率約3.456%;并與生物柴油同樣可以在柴油機汽缸內降低在廢氣中的NOx演化成為NO2，還有煙度NOX約有15%的生成率，同時還將SO2演變化成SO-24，也將CO演化成為CO2，減少了NOx與CO這兩種物質的排放量，更減少了CO2約25%的合計量，使得所有的污染性有害物質生成率明顯下降。永久性構成了柴油機的燃料供給系統，無論是以生物柴油作為燃料添加劑或使用工業乙醇，勢必讓這款發動機工作時出現下列的良好狀況。

①解決柴油應對發動機負載量的增加（瞬間加速，上長坡等），在加大油門時出現的汽缸內進氣不足問題，以致在汽缸內發生燃料燃燒不完全，排放廢氣常見冒黑煙狀態問題。

②減少在汽缸內約25% 的CO2，對比原本的排放CO2數量≈10%（占原排放量系數）×（1-25%）≈7.5%的合計量。

③對于當前米勒循環通過改變氣門正時來使有效膨脹過程大于有效壓縮過程，使有效壓縮比減小，降低壓縮終點時缸內溫度和壓力，而抑制有毒有害物的生成，相對一般中、高速柴油機，往往是通過進氣門早關和進氣門晚關實現米勒循環的，且米勒循環必然導致進氣量的減少、動力的損失，能有效解決進氣量不足的問題。

3.3 排氣管

目前，內燃機的排氣管在構造上己經進化，降噪性與排氣平順性都得到了改善。技術優化還應牢記柴油機在排放廢氣中的有毒有害物絕大多數是石油因子生物化學物質，依靠物理化學科目中的知識，內燃機排放污染性有害物質控制技術等，在保持它原有工作性能的基礎上，按主觀需求在構造上進行創新設計（制造），優化產品空間結構，改善化學科技與機械化工程裝置，從而促進柴油機低碳化排放。

①柴油機常用石化柴油是提煉石油后的產物，主要成份的分子式：C14H30～C25H52，含有14～25個碳原子，是一種碳氫化合物的混合物;而且它在汽缸內和空氣含有的氧氣接觸，通過承受高溫高熱后所混合形成的燃氣，也是一種化合物。這就形成了柴油機的排放物，必然是來自柴油因子生物化學物質，對此應選用化學法來解決，以便治標治本。

②柴油機的排放廢氣狀態，是機械化沖波運動模式的，單獨依賴純屬靜態型平衡式機械功能的排氣管，這在客觀上也是絕對做不到的，況且為了解決柴油機排放廢氣對環保問題影響，對于它的排氣管在應用技術開發建設方面，就應當以空間換裝增添設置某些運動型器具為基礎，優化活性化型式的機械工作性能指標，才能凈化柴油廢氣。

③這里提供H2O2（雙氧水）、NaOH（氫氧化鈉）、MgO（OH）2、CaO（OH）2的化學藥劑水液，方便替換當前社會生產的“車用尿素”，可避免使用這種車用尿素一旦柴油機出現“減排”工作失效，導致產生大量“碳排放”問題。

4 結語

總而言之柴油機應隨著時代進步而不斷優化技術，向低碳環保的方向不斷前進，為生產生活的綠色化提供助力。