减少机用柴油机的有害排放、噪声及振动技术

减少机用柴油机的有害排放、噪声及振动技术
第二节减少机车用柴油机的有害排放、噪声及振动技术
一、减少机车用柴油机废气中有害物排放的技术
柴油机排出的废气由燃烧产物和剩余空气两部分组成，其中除燃烧产物中的二氧化碳CO2、水蒸气H2O。

及剩余空气中的氧02和氮NZ是无害成分外，其余的有害成分包括一氧化碳CO、未燃碳氢Hc、碳烟c、氮氧化合物NO二以及硫的氧化物502等，这些有害成分排人大气，对于人类及其依存的生态环境都会造成很大的危害，因此，自19世纪后半叶开始到20世纪70、80年代，许多国家相继制定了一系列控制内燃机有害排放浓度的规范与法规，对内燃机的有害排放作出了严格的限制。

碳氢燃料完全燃烧时，其燃烧产物中只有二氧化碳和水蒸气，但在内燃机实际燃烧过程中，即使在柴油机中过锹供给燃烧空气的条件下，燃料也难于完全燃烧。

在碳氢燃料的燃烧过程中，其间要经历一系列中间氧化反应过程，这些中间反应能否在极短暂的时间内正常进行，取决于在燃烧空间内是否有充分的氧气与恰当的温度。

若燃油与空气混合不良，出现缺氧燃烧会导致氧化反应不完全；在高温条件下缺氧，会引发中间反应物的热分解；若燃烧速度过低，在温度较低的条件下氧化反应将受到抑制。

以上这些情况一旦出现，碳氢化合物的氧化反应过程将不能正常进行，从而在燃烧产物中会产生一氧化碳、未燃碳氢及碳烟等成分。

氮氧化合物不是燃烧过程的直接产物，而是剩余空气中的氧和氮在燃烧过程的高温作用下的反应生成物。

燃烧温度愈高，剩余的氧愈多，则废气中氮氧化合物的浓度愈大。

在柴油机中，由于可燃混合气的空燃比很大，因而在一般情况下其排气中co和HC的浓度相对较小，有关排放控制中的主要问题是抑制NO：及碳烟的生成。

从No二的形成机理来说，控制”NO二生成的措施与减少碳烟、提高柴油机动力性能及经济性能的要求在一定程度上是矛盾的。

所以，在寻求有关排放控制措施时，一个重要的出发点是力求在不影响柴油机动力性能、经济性能的前提下，实现对排气
有害成分的综合治理。

柴油机的排放特性与可燃棍合气的形成及燃烧过程密切相关，作为柴油机有害排放的控制对策，基本上是通过改善可燃混合气质量、合理地选择喷油定时与喷油规律、适度地组织缸内气流运动，正确地实现燃朴喷雾、运动气流与燃烧室结构三者之间的匹配来改善燃烧过程。

下面介绍控制柴油机有害排放的具体措施。

1．采用废气涡轮增压，改善换气质量
采用废气涡轮增压，并对增压空气进行中间冷却，以改善换气质量，增加气缸内空气的充量，这不仅可以改善燃烧过程，提高柴油机的做功能力与经济性能，伴随着最高燃烧温度的降低，还可以在CO、HC浓度下降的同时，减少NOX的排放。

2 燃油喷射系统的优化
燃油喷射系统的优化有如下措施
（1）合理的设计燃油喷射系统。

合理地确定燃料喷射系统及燃烧室的结构考数，使它们匹配良好，以期借助燃烧室的内的气流运动与油束的正确配合，在尽可能小的空燃比下促进燃料与空气的均匀混合，使燃油能以较快的速度充分燃烧，这是在改善柴油机动力性能与经济性能的同时，改善排放性能的一个重要措施。

例如，把推迟喷油定时与提高喷油速率同时使用，采用凹弧升速凸轮、双弹簧喷油器，采用合适的喷油规律，选用合适的喷孔直径，采用wLS一TJ环保型燃油节油器等。

(2）选用900密封座面的针阀偶件，可以降低升程，从而降低冲击压力，明显提高燃油喷射系统的可靠性。

较小的喷孔直径和较小的压力室容积等优化结构也有利于提高燃油喷射系统的可靠性和降低燃油消耗率。

(3）采用电子喷射系统。

电子喷射系统具有控制自由、灵活、响应快的特点，对所有的喷射参数，如喷油量、喷油定时、喷油压力、喷射率等，可以按照柴油机不同的运行工况进行调整，得到最佳值。

此外，电子喷射系统还具有完善的功能，随着计算机技术的发展，系统的控制器内多数都包含了CPU芯片，固化了控制软件，不仅可以控制燃油喷射参数，而且可以检测柴油机其它参数，如油温、水温、增
压压力、机油压力等，并根据实际情况，对喷射参数进行适当的修正。

采用电子喷射系统可以增大柴油机功率，提高柴油机的强化水平；可以降低油耗，提高柴油机的经济性；可以减少有害排放；具有故障诊断和保护功能。

(4）采用低排放组合喷射技术。

在针阀偶件的头部添加一组微小的副喷孔，组合喷嘴由数量相同的两组主副喷孔组成。

副喷孔的截面约为主喷孔截面的35%每组喷孔之间对称分布。

利用微小的副喷孔喷雾的先期燃烧来抑制初期燃烧和激沽后期燃烧，从而达到减少有害排放和降低燃油消耗的目的
(5）适当减小喷油提前角。

减小喷油提前角，因着火落后期减小，可使预混合燃烧期缩短，最高燃烧压力与温度出现的相位随之延迟，相应的最大值下降，且燃烧产物在高温下滞留时间也缩短，这都有利于抑制NO二的生成。

然而，由于扩散燃烧期延长，在直接喷射式柴汕机中，碳烟、co及HC 都会显著增加；再则，因燃烧过程滞后，有效膨胀比减小，故柴油机的动力性能与经济性能也会随之下降。

为此，当采用减小喷油提前角手段来控制NO二的排放浓度时，为了减少因燃烧滞后所引起的碳烟增加及经济性恶化，可适当提高喷射压力或加大喷油泵柱塞直径，以提高喷油率，缩短喷油持续时间；可适度加强燃烧室内的紊流强度，以促进燃料和空气的均匀混合与燃烧，防止燃烧过分滞后。

3．使用燃料添加剂和柴油清净剂
(l）使用燃料添加剂。

选择恰当的燃料添加剂，对改善燃烧、抑制碳烟有显著的效果。

有试验表明，在柴油机的动力性能及经济性能保持不变的前提下，在燃料中加人0.5％的油溶性钡族金属添加剂，碳烟的排放浓度约可减少一半。

二茂铁******早在50年代初就被用作火箭燃料的添加剂，将它添加进柴油，在燃烧过程中将产生三氧化二铁*******，三氧化二铁在燃烧过程中可起助燃、消烟的催化作用，
4．柴油加水燃烧
NOX的减少取决于降低峰值循环温度，而降低该温度的方法之一
就是向气缸内加入一定的水。

加水的方法有三种：直喷加水、与燃油乳化和熏蒸加水。

(l）直喷加水。

直喷加水须在气缸盖内设一个单独的喷射器或在现有的喷油器内再设一个喷嘴。

国外已有了采用后一种方法的柴油机，经试验证明，Nox的排放量可降低60％。

(2）与燃油乳化。

在柴油中掺水，并借助乳化剂的作用，使油水混合形成均质乳化油（例如汕包水的w/0型乳化油）。

在燃烧过程中，乳化油中的水分急剧汽化，体积增大，产生“微爆”作用，这一微爆作用可以促进燃料油滴的细化及其与空气的进一步混合，从而使燃烧得到改善。

再则，由于水的汽化、分解（HZO*H+OH)，以及水分与燃油中碳原子发生的水煤气反应（C+HZO,CO十HZ）都是吸热反应，从而可以适当降低最高燃烧温度。

因此，柴油掺水燃烧对于降低燃油消耗率、排温，减少氮氧化合物及碳烟浓度都有较好的效果。

为了保证柴油机有较好的起动性能及在低负荷下燃烧的稳定性，并防止掺水燃烧导致压力升高率过高，柴油掺水量一般控制在20％以内。

还需指出的是，掺水燃烧可能会加剧润滑油的稀释变质及燃烧室有关零部件的锈蚀，这是它的缺点，也是使其应用受到限制的一个原因。

(3）熏蒸加水。

熏蒸加水即利用水熏蒸进气口或进气管的增压空气，以降低燃油喷射前气缸内的增压空气温度。

里卡多公司曾在一台3000kw的16缸柴油机上开展了此项研究，在每个进气口都设置一个喷嘴，后者与最大压力达12kPa的环形主供水系统相连。

在试验中，曾针对不同的供水量进行了试验，试验证明，NO：的排放量可降低35％一40%，这一结果是在一台喷油定时延迟了6o曲轴转角的柴油机上获得的，若采用标准的喷油定时，则可取得更高的降低百分比。

用加水法控制NO：排放的主要优点是：能在不明显增加燃油消耗或颗粒排放的前提下极大地降低NO：的排放水平。

其主要缺点是：系统的复杂性略有增加。

5．采用废气再循环（EGR)
采用废气再循环，将一部分废气从排气管引入进气系统中，不仅
可以降低新鲜充量中氧的浓度，而且废气中c02、HZo及N：等成分的比热容较高，可以降低最高燃烧温度，因此对减小NOX的浓度有明显的效果。

试验结果表明：当废气再循环率达15％时，NOX的排放浓度可减少近2/3。

但废气再循环会导致局部缺氧燃烧，从而使碳烟及Hc的浓度会增大，柴油机的动力性能及经济性能也会降低。

尤其是在柴油饥排气中碳烟浓度较大的悄况下，若再采用废气再循环，会使进气系统、燃烧室污染，并会加快润滑油的老化变质，甚至会影响柴油机的工作可靠性。

由于存在这些问题，所以目前在柴油机中，废气再循环还没有达到完全实用的阶段。

6. 排气后处理
目前唯一可行的适合于含有氧的废气后处理系统是选择催化还原系统（SCR)o当SCR反应装置与一台中速柴油机一起使用时，通常将它布置在涡轮增压器废气出口的下游。

实质上它是一个催化床，它使排气中的No和NoZ与事先喷射在催化床上游的氨（NH3）发生催化反应。

只要喷入排气流中的氨的剂量得到了精确的控制，以使它的供给量既不少也不多，则NO和NOZ反应转化为氮和水的转化率能达到85％一90％。

然而这是有一定的代价的：氨消耗的花费估计最多为燃油费用的10%,scR装置及安装成本为柴油机成本的50％一100％。

如果排放限制标准要求低水平的Hc和co，则要添加氧化催化剂，以使得85％一95%的CO和HC转化为coZ和水，从而在正常的柴油机运行条件下得到必要的控制。

SCR装置与氧化催化剂结合使用，可使柴油机排气管中的污染物非常少。

7．采用碳烟净化装置
在柴油机排出的碳烟中，含有许多微小的液态、固态粒子，为满足对碳烟排放限制的要求，可在排气系统中安装碳烟颗粒净化装置，以除去排气中的碳烟粒子。

如果采用装有金属网催化剂的净化器，废气在通过附有催化剂的金属网时，可以利用CO和HC的氧化反应热使碳烟颗粒燃烧。

该装置
实用性较好，目前应用较广。

陶瓷材料的净化器，是利用多孔陶瓷滤除碳烟颗粒，净化效果也较好。

为防止碳烟颗粒在其中积聚，可采用燃烧的方法使净化器中的陶瓷滤芯再生，该装置的缺点是流通阻力较大，采用燃烧方法使滤芯再生时可能造成陶瓷滤芯的烧结损坏，因而在应用中受到了一定的限制。

美国通用（GM)公司还开发了直流燃烧器式碳烟净化装置，该净化器的壳体采用绝热纤维材料，在净化器的入口装有燃料、空气喷嘴及点火塞，可使柴油机废气中的碳烟、CO及HC得以燃烧，净化效果较好，但结构较复杂。

8．稀燃烧气体技术
以上都是涉及柴油机的技术。

还有一种低排放的发动机，即使用天然气的发动机。

例如稀混合气式发动机，即在燃烧室内燃用均匀的稀燃气一空气混合物（空燃比大约为30:l)，混合物燃烧后，它以受控的速度燃烧，以产生较低的最高气体温度，从而使No二的生成较低。

现已表明：它们的Nox 排放量最低达0.759/(kw·h)，大多数较大型的稀混合气式发动机的NO、的排放量都能容易达到Lsg/(kw'n）网排以水十，匕llJ浏秋秘排肤水十也非吊1成。

现已研制成了缸径范围在200一400mm之间的带有预燃室的稀混合气式发动机，它们都实现了极低的排放，但热效率比同类的柴油机约低4一6个百分点。

因受敲缸的影响，它们的额定功率比柴油机低25％一30％。

目前的稀混合气式发动机因受敲缸的限制，平均有效压力仅为14一16KPa，而柴油机可达22一23kPa。

二、降低机车用柴油机噪声与振动强度的技术
在柴油机运转中存在有噪声与振动，当其强度达到一定程度时，也会给环境造成严重的危害。

1．降低柴油机的噪声
柴油机中的噪声按其形成机理，主要有燃烧噪声、气体动力噪声和机械噪声三大类，其中燃烧噪声是柴油机噪声的主要成分。

(l）燃烧噪声。

在柴油机燃烧过程中，气缸内工质压力以很高的频率与很大的幅度发生变化，急剧变化的工质压力以声波的形式在燃烧室中扩散传播，并在曲柄连杆机构中传递，在相关零部件上产生冲击、
振动，从而发生噪声。

燃烧噪声的主要成分处于中、高频率范围，其强度主要取决于燃烧过程中工质压力的升高率。

为了控制燃烧噪声，保证柴油机平稳运转，一般柴油机的压力升高率op/d沪不应超过400一600kPa/"，根据燃烧噪声的形成机理，可从以下几方面采取措施控制燃烧噪声：改善燃料的着火性能；提高换气质量与燃料喷射雾化质量，促进强化程度的不断提高。

(2）气体动力噪声。

气体动力噪声包括工质在进、排气管道中流动时因压力波动所产生的低、中频噪声及工质高速流经气门一与涡轮增压器喷嘴时所产生的高频噪声。

在废气涡轮增压柴油机中，由于部分废气能境在涡轮增压器中转变为机械能，使涡轮出口排气气流比较稳定，排气噪声有所下降，因而其时进气噪声成为主要噪声源，而且随着压比及进气流速的增大，进气噪声也相应增大。

冷却风扇噪声也是气体动力噪声的一个组成部分，它是因风扇叶轮周期性地击打空气质点，引起空气压力脉动与涡流运动而形成的气流噪声。

控制气体动力噪声的主要措施有：①合理地确定进排气流道的结构参数（如管径、长度、流道截面的变化及其折转等），防止气流速度过大，控制气流压力脉动强度，避免气流产生共振与涡流；②采用排气消声器，必要时加装进气消声器；③正确选择冷却风扇的结构参数（如叶片型式、叶距等），适当降低风扇转速，采用非金属材料制造风扇等。

(3）机械噪声。

机械噪声是柴油机在运转中，周期性变化的工质压力与机械作用力在曲柄连杆机构、配气机构中传递时，因在相关零部件的间隙中存在冲击碰撞以及有关零部件发生的弹性变形所导致的振动而伴随产生的噪声。

机械噪声一般都具有高频特性，而且有关配合零部件的间隙愈大，机械噪声愈大；柴油机转速愈高，机械噪声也愈强。

控制机械噪声的基本措施是：①合理选用材料，提高设计、制造水平，适当减小各有关配合零部件的装配间隙；②增加配气机构、缸套、机体等零部件的刚度；③采取减振、隔振措施来控制噪声。

2．降低柴油机的振动强度
柴油机是往复式运动机械，在其能量转换过程中，存在着交变的气体压力和不平衡的往复运动质量惯性力，若这些作用力的变化频率
与柴油机曲轴轴系的固有自振频率泪等或有整数倍关系时，将发生共振，不仅影响柴油机工作过程的正常进行，使曲轴转速下稳定，而且会破坏柴油机的平衡，使柴油机产生剧烈的振动，并发出很大的噪声，最后因交变扭转应力的增大，会导致轴系的疲劳损坏。

为了防止发生井振，保证柴油机的正常运转，其基本措施是：①改变轴系结构参数，调整轴系自振频率，使其共振临界转速在柴油机工作转速范围之外；
②改变曲柄排列或改变发火顺序，以减少输入轴系的激振力矩的能量,限制扭振振幅；③在轴系中安装减振设备，以吸收部分振动能量,减弱轴系的振动；④即使在不产生共振的前提下,对作用在轴系内的不平衡的往复运动质量惯性力玉旋转运动质量惯性力,都应注意加以适当平衡,适柴油机具有较好的内部平衡能与外部平衡性能,最大限度减小柴油机的振动,以提高柴油机工作可靠性,改善柴油机的工作环境。