調車機車節能減排技術設計研究

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摘要：鐵路運輸的高速發展，給了人們的工作和出行生活帶來了便利。隨著當今世界的經濟和各國各種新型鐵路列車的不斷投入生產和制造，環境污染的嚴重問題已不容小視。在我國高速鐵路的運輸系統中，調車機車的噴油器起著了編組、改線、摘掛、推峰以及解體的重要關鍵作用。如何節能低碳減排和極大地提高調車機車的利用率和性能已經逐漸發展成為這個鐵路運輸時代的新技術要求，本文主要根據我國鐵路調車型柴油機車的實際運用技術特點，在對其相關理論及應用進行試驗研究分析的基礎上，對調車柴油機車的應用和節能低碳減排相關技術以及未來發展趨勢問題進行了深入的介紹和研究分析，重點地研究了調車機車噴油器應用方面的節能減排相關理論和技術，并且闡述了一種噴油器針閥偶件改進方法，為我國鐵路調車機車噴油器的節能減排及噴油器應用的發展提供了技術性依據和參考。

關鍵詞：調車機車；噴油器；節能減排；技術分析；發展趨勢；最優化

隨著當前我國的鐵路運輸技術發展進入快速健康發展的新時期，能源和環保的問題越來越多地受到國家和社會的廣泛重視關注，軌道交通的綠色、安全的發展優勢日益得到凸顯，因此對于鐵道電力貨運車輛的節能與減排的技術研究和應用具有重要的指導意義。中鐵十六局集團的薛鵬對我國鐵道電力貨運機車車輛輪軌的磨損及其采用的節能降耗管理策略的研究進行了深入的詳細分析[1]，上海汽車集團股份有限公司的伍賽特介紹了我國鐵路機車電力貨運柴油機的主要工作原理特點及其節能技術發展的現狀，并重點從如何降低燃油的消耗率及實現代用柴油機車燃料的節能技術開發兩方面的角度出發，闡述了其應用相關的節能減排技術[2]。中國鐵道科學研究院集團有限公司的高志遠通過對我國鐵道電力貨運柴油機車的運行階段特點和其過程規律進行了分析，利用極大的數值動力學原理求解了不同類型機車運行階段的最優節能減排模式[3]。湖南永安鐵路機務段的陳桂福對電力機車主對變壓器溫升控制與冷卻節能減排問題進行了的研究[4]，柳州鐵路局調車機務處柳州鐵路局機務處的廖克讓等對電力機車牽引柴油機的冷卻節能減排進行了的探討[5]。但是這些研究方法都沒有對調車電力機車自身進行專門的冷卻節能與減排的研究，調車組電力機車除偶爾需要操作一些小運轉的作業外，基本上都是完全局限于調車機車編組站有限的電氣化線路內，其基本的大運轉作業主要是進行牽出機車的編組、改線、摘掛、推峰以及解體等等。并且由于調車組電力機車的運用性能特點主要是頻繁的起動、制動、長時間的惰轉等，而且其牽引柴油機經常需要處于嚴重的空載或低運轉負荷下的工作。調車組電力機車的缺點是柴油機自身具有高速性能差、噪聲大、排放污染嚴重和維修不便等缺點[6]，因此對調車機車的節能減排進行研究具有重要的意義，本文對目前的相關技術進行了分析，為調車機車節能減排及應用方面的研究提供技術參考。

1調車機車常見的節能減排技術

1.1混合柴油動力機車采用交流傳動調車車輛和電力機車的控制技術。就現階段的情況來看，在內燃機車市場上目前應用范圍比較廣泛的柴油發動機行業節能減排的技術主要是采用了混合動力的技術。混合動力技術交流傳動電力調車內燃機車的混合動力是由較小的交流柴油發電機組和可以用較大功率的蓄電池共同驅動和組成，牽引和制動的輔助電力發電裝置全部可以采用較大的交流柴油發電機進行驅動，調車和牽引作業時既可以用較大的柴油機車和交流發電機組進行供電，也在作業時可以用較小的蓄電池組進行供電或兩者同時進行供電，節能減排效果顯著。高速列車的交流傳動調車和牽引作業通常由內燃機車來輔助完成。在調車作業間歇期間，內燃機車柴油機不能停機。1.2柴油機機內措施。1.2.1柴油機內常見節能減排技術。延遲噴油定時延遲可以有效地減少燃燒室內參與預燃燒的混合氮氧化物燃燒的時間和燃油量，從而大幅降低初始燃燒的排放熱率，降低預混合燃燒室內的最高氮氧化物燃燒熱率和溫度，抑制NOX的氮氧化物生成。根據美國GE公司12-7fdl型機車柴油機的燃燒室運用試驗結果表明，噴油定時延遲4°時，NOX的排放溫度平均值降低18%。采用Mimiller循環進氣門技術意味著不需要像通常的情況下在柴油機正常運轉時那樣在進入燃燒狀態的過程中才需要提前關閉了進氣門，而是要在提前進氣門到達的下止點前將進氣門關閉。如果進氣門關閉定時的這種溫度改變，會直接導致柴油氣缸內工質額外的膨脹，壓縮壓力減小，燃燒溫度的降低，從而大大減少了COX的生成量。燃燒溫度的降低，從而大大減少了COX的生成量。廢氣燃燒系統再循環技術也可以實現柴油機節能減排的再循環功能，將渦輪增壓柴油機燃燒系統工作在廢氣再循環之后（即渦輪增壓器進入渦輪前）的部分燃燒廢氣按一定的比例完全可控地經再循環返回輸送到渦輪增壓柴油機的進氣燃燒系統，使部分增壓柴油機的空氣與其他廢氣燃燒系統混合，由此燃燒廢氣會直接或局部地降低柴油機進氣系統中的氧氣含量和氮濃度，改變其氧/氮的比值并大大降低柴油機燃燒系統的溫度。采用高效空氣增壓器配套的高效增壓柴油機，可以有效地降低柴油機工作空氣循環的溫度，從而有效減少NOX的排放，同時有利于提高了柴油機的功率和輔助制動效率。與高效渦輪增壓相配合，降低中冷水溫，意味著大大降低了參與柴油機燃燒的工作空氣循環溫度，從而同時可有效抑制NOX的廢氣生成。1.2.2噴油器改進技術。燃料在柴油機氣缸內進行燃燒的過程是一個復雜的物理化學性質變化的過程，燃燒化學變化過程的復雜和完善的程度，直接的影響著柴油發動機的實際工作功能力、熱效率和發動機使用期限，其在氣缸內燃燒的過程可以劃分為四個主要的階段：滯燃期、急燃期、緩燃期、后燃期。滯燃期對于氣缸內燃燒的過程和對柴油機各種性能的控制有著一個極為重要的作用和影響，因此通過控制噴入的燃油量來改變和控制滯燃期可以很好地減少滯燃期的時間，其目的在于控制滯燃期內參與物理、化學準備的油量，從而控制參與燃期燃燒的油量。這一點主要從采取合適的噴油規律入手，而先少后多的噴油規律為最佳[7]。噴油器作為其中的最關鍵的部件，其工作過程直接決定噴油器效率，而噴油器的針閥運動對噴油器起著關鍵的作用[8]。中國第一汽車股份有限公司無錫油泵油嘴研究所的高廣新等人對內置式電磁鐵、分級節流孔板及長針閥直驅油嘴等關鍵零部件進行了結構設計和性能研發，使該噴油器開啟延遲小于400μs[9]。大連交通大學的楚家旺等人對柴油機的針閥偶件進行改進從而減少了燃油壓力損失并且有效避免了針閥卡死的問題[10]，從而通過改進噴油器結構實現了調車機車節能減排的功能。

2噴油器針閥偶件的改進

本文論述了一種噴油器新型針閥偶件的改進方法，改進后的噴油器針閥偶件如圖1所示。采用了變剛度彈簧措施，圓錐形螺旋彈簧設置為在針閥偶件的第一段升程時的剛度小于第二段升程時的剛度。其剛度是由小到大非線性變化的，因此針閥偶件上端的圓錐形螺旋彈簧噴油器能夠實現先緩后急的噴油速率，在一個工作循環周期里，減少了滯燃時間，降低了低速時的燃燒噪聲以及NOX、碳煙和顆粒物等的排放量。使在氣缸燃燒的滯燃期內噴入少量的燃油，降低了低速時的燃燒噪聲以及NOX、碳煙和顆粒物等的排放量，從而實現了節能減排的功能。

3調車機車能減排技術的未來發展趨勢

鐵路調車機車作為一種非常重要的鐵路運輸和交通方式，速度快，實用性強是它的一個重要優點，因此，減少能源消耗，節能減排，便是現今鐵路調車柴油機車的技術發展重要方向。如今我國對此的認識和研究還不是很透徹，我們都非常希望能夠有一種智能化和質變的技術突破。在空氣動力學，熱學，機械等應用技術方面的研究和學習；在gt-suite，fluent等應用軟件的學習和使用；在噴油針閥偶件，噴油嘴等應用技術方面在結構和尺寸上的改變或者在結構上的改變和創新，終究會成功的使調車機車節能減排的最大程度達到我們的用戶滿意和價值。隨著最近幾年我國的科學發展和技術的不斷進步，智能化的機車標簽也慢慢的進入到了人們的工作和日常生活，調車機車的發動機在現今的節能減排方面可能會面向網絡與智能的方向發展，智能的各種新型技術會取代以往的工業加工。

參考文獻：

[1]田棟棟.探析鐵道機車車輛輪軌的磨損及其節能降耗策略[J].內燃機與配件，2019：174-175.

[2]伍賽特.機車柴油機的節能研究及展望[J].節能，2018，37：60-63.

[3]高志遠.鐵路電力機車節能優化操縱研究[J].鐵道運輸與經濟，2018，40：99-103，110.

[4]陳桂福，萬典照.電力機車主變壓器溫升控制與節能[J].電力機車與城軌車輛，2004：65-66.

[5]廖克讓，李寶華.機車柴油機冷卻節能的探討[J].內燃機車，2000：29-30.

[6]易浩.針閥式噴油器失效因素研究[C].重慶理工大學，2019.

[7]伍賽特.柴油機燃燒過程的主要影響因素及改善措施[J].能源與節能，2019：69-70，77.

[8]劉天翔.高壓共軌噴油器針閥運動的特性研究[C].北京工業大學，2018.

[9]高廣新，袁竹林，王仁輝，張建剛，朱君亮.高速大功率柴油機共軌噴油器關鍵結構設計與參數匹配[D].機械工業出版社，2019.

[10]楚家旺，李曉軍，李明海.新型針閥偶件的設計及三維流場分析[J].大連交通大學學報，2018，39：51-55.

作者:李熙光 張文博 張鑫宇 單位:大連交通大學機車車輛工程學院