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摘要:

為實現柴油機使用過程中油耗少、污染小這一目標，提出一種高效節能減排方法，從機前柴油磁化處理、機內潤滑油改善以及機后尾氣處理3個方面對柴油機的工作過程進行改善處理。通過搭建具有測量油耗以及尾氣分析等功能的柴油機實驗臺架，探究所采用的技術對柴油機節能減排的作用效果。研究表明，采用可控磁強磁化器對燃油進行磁化處理后，在中等負載的情況下對降低油耗的作用更明顯，也能減少煙霧的排放;性能優良的潤滑油能有效減少摩擦因數，降低柴油機油耗;采用固體顆粒凈化器能減少尾氣中的固體顆粒物的排放，達到減排的目的。

關鍵詞:

柴油機;節能減排;磁化;潤滑油;顆粒凈化器

柴油機由于扭矩大、動力強、經濟性能好，廣泛應用于大型機械裝備中。其中，以航海船只最為明顯，其一般都是采用柴油機作為動力裝置［1］。隨著技術的發展，對節能環保要求的提高，對柴油機的性能要求越來越高［2－3］。據統計，采用技術先進的柴油機能夠減少油耗30%左右，且尾氣中有害氣體的排放量有明顯下降［4］。因此，研究柴油機的節能減排技術顯得尤為重要。

目前，對于柴油機的節能減排技術主要是從柴油燃燒前處理、機內燃燒處理以及機后尾氣處理3個方面進行考慮［5－6］，分別從燃油的燃燒情況、柴油機的磨損情況以及柴油機的尾氣處理與余熱回收利用等方面進行研究［7］。日本大半府立大學的Okubo等［8］研究了關于減少尾氣中NOx排放的課題，通過運用低溫等離子廢氣循環技術，從吸收、冷卻、加熱3個方面對尾氣進行處理，取得了較好的效果。世界先進柴油機廠商積極開展了各種燃燒控制技術研究及應用。瓦錫蘭集團和MAN柴油機公司都成功開發出新型的渦輪增壓技術，使發動機中的燃料更充分燃燒，不僅降低了油耗，而且也減少了有害氣體的排放［9］。本文作者主要是從機前、機內、機后3個方面對柴油機的節能減排技術進行探究，設計一種可控磁強磁化器對柴油進行磁化，開發一種潤滑油改善柴油機的潤滑，采用一種顆粒凈化器對尾氣中的固體顆粒物進行處理。通過臺架實驗，探究了所用技術對柴油機節能減排的作用效果。

1節能減排技術

1.1機前處理機前處理采用的是磁化處理的方法。通過使用磁化器將柴油磁化，達到提高柴油的燃燒效率、降低油耗的目的。對于通過將柴油磁化能夠節省油耗的原理，可以從霧化理論［10］、磁滯伸縮原理［11］、量子理論［12］等多方面進行解釋。燃油霧化理論是從宏觀層面上解釋了磁化節能的原理。霧化是指通過噴嘴或用高速氣流使液體分散成微小液滴的操作［10］。油液在霧化成霧狀后，燃燒更充分，不僅效率高，還能減少尾氣中有毒氣體的排放。由式(1)可知，柴油經過磁化后，黏度變低，即表面張力σ減小，而其他參數不變，故油滴的平均直徑d也變小，霧化效果更佳，燃燒也更充分。

1.2機內處理在機內處理方面，采用自主研發的精鋼盾潤滑油，通過對潤滑油性能的改善，減少柴油機的摩擦磨損，不僅降低油耗，也可以增加柴油機的使用壽命。柴油機是一個復雜的機械結構，在使用過程中各個摩擦副之間的接觸磨損會影響其使用壽命，潤滑油不僅可以實現潤滑，還有冷卻、清潔等作用，在工作工程中通過本身的流動清洗廢屑、冷卻柴油機的溫度。選擇合適的潤滑油不僅能夠減少摩擦磨損，還能優化柴油燃燒過程，達到節能減排的目的。

1.3機后處理機后處理主要包括尾氣處理和余熱回收利用2個方面［13］。本文作者主要探討柴油機尾氣中的固體顆粒物的處理。固體顆粒物的處理主要是采用一種自主設計的顆粒凈化器。該顆粒凈化器由離心力分離機構以及二次過濾機構兩部分組成。工作時，尾氣進入凈化器，通過離心力分離機構高速旋轉，產生足夠的離心力，使得尾氣中的固體顆粒物在離心力和自身重力的作用下跌落在管壁，而尾氣再通過二次過濾機構排出，從而達到分離固體顆粒物的目的。

2實驗臺的搭建與實驗方案

2.1實驗臺的搭建為了驗證所設計的節能減排技術方法對柴油機的作用效果，搭建了實驗臺架。臺架系統設計框圖如圖1所示，實驗臺架實物圖如圖2所示。實驗采用的是4100新型柴油機(缸數為4，缸徑為100mm)，采用電子秤對油耗情況進行測量，分別采用一種永磁式磁化器和一種可控磁強磁化器對柴油進行磁化。由FC2000型測功機對其工況進行控制。采用FGA4100性尾氣分析儀對尾氣中的氣體成分進行測量分析。采用FBY201型煙度計測量尾氣中煙度值的大小。

2.2實驗方案設計實驗模擬大型柴油機的節能減排技術，從機前處理、機內處理以及機后尾氣處理3個方面進行分析，實驗探究對柴油機節能減排效果的影響。首先，在機前處理部分，采用可控磁強的磁化器對燃油施加不同強度的磁場進行磁化。分別采用0.1、0.2和0.3T磁場強度磁化后的燃油作為實驗組，采用不施加磁強的燃油作為對照組。采用油耗以及煙度值作為試驗指標，探究磁場強度對燃油燃燒過程的影響。在機內處理部分，采用自主研發的精鋼盾潤滑油對柴油機進行潤滑，并與殼牌潤滑油和一汽潤滑油進行對比實驗，探究不同潤滑油對柴油機摩擦磨損以及對燃油油耗等的影響。在機后尾氣處理部分，采用自制的固體顆粒凈化器裝置對柴油機排放的尾氣進行過濾處理。同時，使用不安裝尾氣處理裝置的排氣管進行對比實驗，用煙度計進行煙度值的測量，探究凈化器對柴油尾氣顆粒物的影響。

3實驗結果及分析

3.1磁場的作用效果圖3(a)示出了柴油機燃燒不同磁強磁化后燃油時，在不同扭矩作用下工作30min的油耗量。可以看出，油耗量隨著扭矩的增大而增加;在扭矩較小時，燃油磁化效果對油耗的影響不明顯，且磁強越大，油耗呈增加的趨勢;在扭矩較大時，磁場對于油耗的作用效果明顯，如在100N•m時，油耗隨著磁場的增大而減少，最高節油率為4.17%;而扭矩很大時，如在180N•m時，油耗的減少量也不明顯。圖3(b)示出了柴油機燃燒不同磁強磁化后燃油時，在不同扭矩作用下的煙度值變化趨勢。可以看出，隨著扭矩的增大，煙度值越來越大，在扭矩較小時，磁場的增加反而增大了煙的排放，在扭矩為100N•m時，煙度值隨著磁場的增加而明顯減少，但在大扭矩作用時磁場的作用效果又不明顯。由實驗結果分析可得，在小負載的作用下，磁化后的燃油對于油耗及尾氣煙度值有負作用;而在負載較適中的情況下，對油耗以及煙度值有一定的作用效果，但作用效果不是很明顯，可以配合其他技術手段一起使用。造成上述現象的原因可能是燃油磁化后表面張力變小，在負載適中的情況下，燃油表面分子可以鋪展開，表面積更多，燃燒也更完全;而在小負載作用時燃油分子間很多重合在一起，不利于燃燒，因此造成了油耗量以及尾氣煙度的不同。

3.2潤滑油的作用效果將自主研發的精鋼盾潤滑油與殼牌潤滑油、一汽潤滑油進行對比。通過理化性能指標測試，精鋼盾的性能要好于一汽潤滑油的性能。其運動黏度較殼牌潤滑油更低，利于散熱;摩擦因數和磨斑直徑與殼牌潤滑油相近，能夠有效地起到減摩抗磨和延長零部件壽命的作用。圖4(a)示出了3種潤滑油的摩擦因數隨時間變化曲線。可知，隨著使用時間的增加，精鋼盾和殼牌潤滑油的摩擦因數穩中有降，并且低于一汽潤滑油。圖4(b)示出了柴油機分別使用3種潤滑油的油耗變化情況。可知，柴油機油耗呈波浪形變化，并且使用精鋼盾潤滑油比使用其他2種潤滑油時油耗量相對較低，說明精鋼盾潤滑油能夠降低油耗。由實驗結果分析可知，精鋼盾潤滑油的摩擦因數較低，柴油機在使用時能夠減少摩擦磨損，延長其使用壽命;同時，使用精鋼盾潤滑油時的燃油油耗相對較少。說明精鋼盾潤滑油在柴油機的工作過程中起到了良好的潤滑作用，改善了柴油機的工作條件。

3.3固體顆粒凈化器的作用效果表1表示的是固體顆粒凈化器對柴油機煙度的影響。可以看出，隨著柴油機轉速的增加，尾氣中的固體顆粒物呈減少的趨勢，并且使用凈化器能夠明顯改善尾氣中的顆粒物。在轉速為1200r/min時，煙度值的改善量最大達到了1.65FSN。實驗結果說明，使用自制的尾氣顆粒凈化器裝置對柴油機尾氣中的固體顆粒物有明顯的作用效果。并且，柴油機的轉速越低，裝置的作用效果越明顯。這是由于凈化器是采用離心力的方式將固體顆粒物分離，由于顆粒物質量較大，故處理效果較明顯。同時，在低轉速時，柴油的燃燒速度相對較低，尾氣排出的速率也相對較慢，加長了凈化器對固體顆粒物的處理時間。

4結論

(1)采用可控磁強磁化器對燃油進行磁化處理后，在中等負載的情況下對降低油耗的作用更明顯，也能減少煙霧的排放。(2)自主設計的精鋼盾潤滑油能夠有效減少摩擦因數，降低柴油機的摩擦磨損，延長其使用壽命，并且在降低油耗方面也相對較優。(3)設計的固體顆粒凈化器結構簡單，對尾氣中的固體顆粒物有良好的凈化效果，尤其是在柴油機低轉速時，凈化效果更好。

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作者：黃恒 謝小鵬 劉輝龍 單位：華南理工大學機械與汽車工程學院