改善机车柴油机排放（2）

表3  喷油提前角改变时NO_X排放值的变化

(8240ZJ型柴油机)    g／kWh

喷油提前角	标准喷油提前角	延尺3°	延尺6°
NOX	13.8	11.4	9.5

表4  喷油提前角度改变时NO_X排放值的变化

喷油提前角	标准喷油提前角	延尺2°
NOX	12.0	9.8

　　试验证明，延迟喷油能大幅度改善NO_X排放。国外已经将延迟喷油运用到实际铁路运营中，取得了良好的效果，美国的EMD12-645E3B机车柴油机在喷油定时延迟4°时，NO_X排放值降低了16％；GE12-TFDL机车柴油机在喷油定时延迟40时，NO_X排放值降低了18％。但是，延迟喷油定时会使柴油机的经济性变差，在8缸机上的试验结果表明，喷油提前角延迟3°，燃油消耗率上升约1．4％；在12缸机上的试验结果表明，喷油提前角延迟20，燃油消耗率提高约1％。为解决延迟喷油带来的经济性变差问题，采用提高压缩比可补偿因定时延迟而引起的燃油消耗率损失，在不超过最大爆发压力限值的前提下充分利用所容许的结构能力。另外，采用高压喷射技术，可以缩短喷油持续期，减少初期喷油量与后期喷油量之比，以保证不降低柴油机的经济性。

　　3．2改变喷油器结构

　　我们对一台CO排放值超标的8240ZJ型柴油机，更换了一种大连机车研究所研制的小压力室喷嘴偶件，它具有喷嘴压力室容积减小一半(与原机相比)、喷孔数增加、喷孔直径减小、针阀惯量小、对喷油泵响应特性好等特点。表5给出两种喷嘴比较试验结果。采用新喷嘴时CO排放值降低了59％，该试验结果令人振奋，可见改善喷油系统结构带来的效果非常明显。

 

表5装用两种喷嘴时C0排放值的比较  g／kWh

喷嘴	原机喷嘴	更换新喷嘴
CO	5.2	2.1

 

　　另外，采用单排停缸系统、相继增压技术，都可以达到降低排放的目的。MTU为满足标准要求，对12V956TBll型柴油机进行改造，采用单排停缸系统，并对喷油系统、活塞和增压器进行优化，使得有害排放物减少了80％，燃油消耗率降低了约10％(见表6)。

表6优化前后排放值及燃油消耗率对比g／kWh

	排放值			燃油消耗率
	CO	HC	PM
优化前	5.3	2.06	0.29	230.6
优化后	1.96	0.32	0.04	216.5

 

　　3．3改变中冷水温

　　降低中冷水温，意味着降低了参与燃烧的空气温度，气缸内燃烧温度也随之得到降低，从而抑制了氮氧化物的生成。在12缸机和8缸机上的试验充分证明了这一点。如表7和表8所列，这一结果与美国西南研究所在GEl2．7FDL和EMDl2·645E3B型柴油机上进行的加强中冷试验得出的结果相类似。GE12—7FDL型柴油机中冷后空气温度由85℃降低到77 ℃时，NO_X排放值减少了5％；EMD12-645E3B型柴油机中冷后空气温度由99℃降低到91℃时，NO_X排放值减少了9％。中冷水温降低不仅改善了排放性能，而且柴油机的其它性能不会恶化，其缺点是增加机车的辅助功率消耗。

 

表7中冷水温改变时NO_X排放值的变化

(12V240ZJ型柴油机)    g／kWh

中冷水温/℃	50	45
NOX/g(kWh)-1	12.0	11.0

 

表8  中冷水温改变时NO_X排放值的变化

 

中冷水温/℃	60	50	40
NOX/g(kWh)-1	14.0	13.1	12.1

　　3．4采用高效率的增压器

　　我们将大连机车研究所研制的ZN270型增压器，在一台12缸机上进行了配机对比试验，表9所列是柴油机分别装用两种增压器的排放性能变化情况。通过比较可知，CO排放值下降了26．　7％，NO_X排放值下降了5．5％，HC排放值下降幅度最大，为30％。而且在柴油机排放得到大幅度降低的同时，柴油机的其它性能也得到改善，表10给出了两种增压器在柴油机标定工况时的性能参数。由该表可以看出，装配ZN270型增压器的柴油机各项性能指标均优于原机，其中油耗降低2．9 g／kWh，排温降低43℃。增压压力提高15．8 kPa，扫气压比与扫气压差都有上升，扫气能力提高，这是排温降低的主要原因。空气流量略有提高，过量空气系数提高，改善了缸内燃烧状况，不但得到低的排放，而且得到低的燃油消耗率。这是一种没有副作用的降低排放的措施，因此，这种方法应该积极推广应用。

 

表9  柴油机分别装用两种增压器时的排放性能变化    g／kWh

 

增压器	CO	NOX	HC
原机	1.5	12.8	1.0
ZN270型	1.1	12.1	0.7

表10  装配ZN270型增压器时的柴油机与原机的其它性能比较(标定工况)

 

装配的增压器	转速/r·min-1		功率/kW		油耗/g·(kW·h)-1			进气温度/℃		压气机出口温度/℃		中冷后空气/℃		机油出口温度/℃		柴油机出口水温/℃		中冷水进口温度/℃		涡轮进口温度/℃
ZN270	997		2200		210.3			27.2		162.2		53.8		75.6		78.1		49.8		574
原机	999		2198		213.2			27.2		158.4		53.1		70.2		79.0		49.7		617
装配的增压器	涡轮出口温度/℃	进气负压/kPa		增压压力/kPa		中冷后压力/kPa	涡轮进口压力/kPa		排气背压/kPa		增压器转速/r·min-1		空气流量/kg·s-1		大气压/kPa		扫气压比		扫气压差/kPa
ZN270	420	2.07		189.8		185.8	126.5		2.26		26947		2.02		100.8		1.47		59.4
原机	463	1.76		174.0		171.6	124.2		2.0		31977		1.95		100.5		1.38		47.4

 

　　4  结论及建议

　　延迟喷油定时是最容易实施的有效措施，但会恶化经济性；通过降低中冷水温来抑制NO_X的生成，会增加机车的辅助功率；采用高性能的增压器不仅降低了柴油机排放，而且也提高了柴油机的其它性能，这是我们进行排放研究的方向。如何设计、开发、研制既改善排放又提高柴油机性能的产品，是柴油机行业广大科技工作者努力的方向。

对于柴油机，最难控制的就是NO_X排放，延迟喷油和降低进气温度，最多可使NO_X排放值下降30％。国外的研究表明，将喷油压力提高到140MPa～160 MPa，不仅可以改善雾化质量，还可使喷油期不超过30。曲轴转角，同时采用可变喷油定时的油泵凸轮，或采用更先进的电控喷油系统，使喷油定时在起动时适当提前，在负荷增加时适当延迟，减少预混合阶段的燃油量，抑制NO_X的生成，这些方法可使NO_X排放值降低50％～60％。

　　如果要达到极低的NO_X排放值，使其减少80％～90％，可采取的措施有安装排气后处理器和采用代用燃料，燃烧稀天然气(空燃比约为30：1)，NO_X排放值可降到只有0．75 g／kWh。就目前的法规而言，只要优化柴油机的结构及参数，选用高性能的零配件，是可以达到标准要求的。在排放研究方面，我们虽然做了一些工作，但与发达国家相比还有很大差距，所以需要继续深入开展机车柴油机排放研究工作，通过对影响柴油机排放因素的分析和试验研究，提出适应我国实际状况的降低机车柴油机有害物排放的可行方案，通过技术引进、消化吸收，掌握国外先进技术，促进国产化的机车柴油机达到国外同期生产的机车柴油机的排放水平。