李熙光

摘要：鐵路運(yùn)輸?shù)母咚侔l(fā)展，給了人們的工作和出行生活帶來(lái)了便利。隨著當(dāng)今世界的經(jīng)濟(jì)和各國(guó)各種新型鐵路列車的不斷投入生產(chǎn)和制造，環(huán)境污染的嚴(yán)重問(wèn)題已不容小視。在我國(guó)高速鐵路的運(yùn)輸系統(tǒng)中，調(diào)車機(jī)車的噴油器起著了編組、改線、摘掛、推峰以及解體的重要關(guān)鍵作用。如何節(jié)能低碳減排和極大地提高調(diào)車機(jī)車的利用率和性能已經(jīng)逐漸發(fā)展成為這個(gè)鐵路運(yùn)輸時(shí)代的新技術(shù)要求，本文主要根據(jù)我國(guó)鐵路調(diào)車型柴油機(jī)車的實(shí)際運(yùn)用技術(shù)特點(diǎn)，在對(duì)其相關(guān)理論及應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)研究分析的基礎(chǔ)上，對(duì)調(diào)車柴油機(jī)車的應(yīng)用和節(jié)能低碳減排相關(guān)技術(shù)以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)問(wèn)題進(jìn)行了深入的介紹和研究分析，重點(diǎn)地研究了調(diào)車機(jī)車噴油器應(yīng)用方面的節(jié)能減排相關(guān)理論和技術(shù)，并且闡述了一種噴油器針閥偶件改進(jìn)方法，為我國(guó)鐵路調(diào)車機(jī)車噴油器的節(jié)能減排及噴油器應(yīng)用的發(fā)展提供了技術(shù)性依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：調(diào)車機(jī)車;噴油器;節(jié)能減排;技術(shù)分析;發(fā)展趨勢(shì);最優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U284.48? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）22-0005-02

0? 引言

隨著當(dāng)前我國(guó)的鐵路運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展進(jìn)入快速健康發(fā)展的新時(shí)期，能源和環(huán)保的問(wèn)題越來(lái)越多地受到國(guó)家和社會(huì)的廣泛重視關(guān)注，軌道交通的綠色、安全的發(fā)展優(yōu)勢(shì)日益得到凸顯，因此對(duì)于鐵道電力貨運(yùn)車輛的節(jié)能與減排的技術(shù)研究和應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。中鐵十六局集團(tuán)的薛鵬對(duì)我國(guó)鐵道電力貨運(yùn)機(jī)車車輛輪軌的磨損及其采用的節(jié)能降耗管理策略的研究進(jìn)行了深入的詳細(xì)分析[1]，上海汽車集團(tuán)股份有限公司的伍賽特介紹了我國(guó)鐵路機(jī)車電力貨運(yùn)柴油機(jī)的主要工作原理特點(diǎn)及其節(jié)能技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，并重點(diǎn)從如何降低燃油的消耗率及實(shí)現(xiàn)代用柴油機(jī)車燃料的節(jié)能技術(shù)開(kāi)發(fā)兩方面的角度出發(fā)，闡述了其應(yīng)用相關(guān)的節(jié)能減排技術(shù)[2]。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司的高志遠(yuǎn)通過(guò)對(duì)我國(guó)鐵道電力貨運(yùn)柴油機(jī)車的運(yùn)行階段特點(diǎn)和其過(guò)程規(guī)律進(jìn)行了分析，利用極大的數(shù)值動(dòng)力學(xué)原理求解了不同類型機(jī)車運(yùn)行階段的最優(yōu)節(jié)能減排模式[3]。湖南永安鐵路機(jī)務(wù)段的陳桂福對(duì)電力機(jī)車主對(duì)變壓器溫升控制與冷卻節(jié)能減排問(wèn)題進(jìn)行了的研究[4]，柳州鐵路局調(diào)車機(jī)務(wù)處柳州鐵路局機(jī)務(wù)處的廖克讓等對(duì)電力機(jī)車牽引柴油機(jī)的冷卻節(jié)能減排進(jìn)行了的探討[5]。但是這些研究方法都沒(méi)有對(duì)調(diào)車電力機(jī)車自身進(jìn)行專門的冷卻節(jié)能與減排的研究，調(diào)車組電力機(jī)車除偶爾需要操作一些小運(yùn)轉(zhuǎn)的作業(yè)外，基本上都是完全局限于調(diào)車機(jī)車編組站有限的電氣化線路內(nèi)，其基本的大運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)主要是進(jìn)行牽出機(jī)車的編組、改線、摘掛、推峰以及解體等等。并且由于調(diào)車組電力機(jī)車的運(yùn)用性能特點(diǎn)主要是頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間的惰轉(zhuǎn)等，而且其牽引柴油機(jī)經(jīng)常需要處于嚴(yán)重的空載或低運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷下的工作。調(diào)車組電力機(jī)車的缺點(diǎn)是柴油機(jī)自身具有高速性能差、噪聲大、排放污染嚴(yán)重和維修不便等缺點(diǎn)[6]，因此對(duì)調(diào)車機(jī)車的節(jié)能減排進(jìn)行研究具有重要的意義，本文對(duì)目前的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分析，為調(diào)車機(jī)車節(jié)能減排及應(yīng)用方面的研究提供技術(shù)參考。

1? 調(diào)車機(jī)車常見(jiàn)的節(jié)能減排技術(shù)

1.1 混合柴油動(dòng)力機(jī)車采用交流傳動(dòng)調(diào)車車輛和電力機(jī)車的控制技術(shù)

就現(xiàn)階段的情況來(lái)看，在內(nèi)燃機(jī)車市場(chǎng)上目前應(yīng)用范圍比較廣泛的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)節(jié)能減排的技術(shù)主要是采用了混合動(dòng)力的技術(shù)。混合動(dòng)力技術(shù)交流傳動(dòng)電力調(diào)車內(nèi)燃機(jī)車的混合動(dòng)力是由較小的交流柴油發(fā)電機(jī)組和可以用較大功率的蓄電池共同驅(qū)動(dòng)和組成，牽引和制動(dòng)的輔助電力發(fā)電裝置全部可以采用較大的交流柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，調(diào)車和牽引作業(yè)時(shí)既可以用較大的柴油機(jī)車和交流發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電，也在作業(yè)時(shí)可以用較小的蓄電池組進(jìn)行供電或兩者同時(shí)進(jìn)行供電，節(jié)能減排效果顯著。高速列車的交流傳動(dòng)調(diào)車和牽引作業(yè)通常由內(nèi)燃機(jī)車來(lái)輔助完成。在調(diào)車作業(yè)間歇期間，內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)不能停機(jī)。

1.2 柴油機(jī)機(jī)內(nèi)措施

1.2.1 柴油機(jī)內(nèi)常見(jiàn)節(jié)能減排技術(shù)

延遲噴油定時(shí)延遲可以有效地減少燃燒室內(nèi)參與預(yù)燃燒的混合氮氧化物燃燒的時(shí)間和燃油量，從而大幅降低初始燃燒的排放熱率，降低預(yù)混合燃燒室內(nèi)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(jù)美國(guó)GE公司12-7fdl型機(jī)車柴油機(jī)的燃燒室運(yùn)用試驗(yàn)結(jié)果表明，噴油定時(shí)延遲4°時(shí)，NOX的排放溫度平均值降低18%。

采用Mimiller循環(huán)進(jìn)氣門技術(shù)意味著不需要像通常的情況下在柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)那樣在進(jìn)入燃燒狀態(tài)的過(guò)程中才需要提前關(guān)閉了進(jìn)氣門，而是要在提前進(jìn)氣門到達(dá)的下止點(diǎn)前將進(jìn)氣門關(guān)閉。如果進(jìn)氣門關(guān)閉定時(shí)的這種溫度改變，會(huì)直接導(dǎo)致柴油氣缸內(nèi)工質(zhì)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(tǒng)再循環(huán)技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)節(jié)能減排的再循環(huán)功能，將渦輪增壓柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)工作在廢氣再循環(huán)之后（即渦輪增壓器進(jìn)入渦輪前）的部分燃燒廢氣按一定的比例完全可控地經(jīng)再循環(huán)返回輸送到渦輪增壓柴油機(jī)的進(jìn)氣燃燒系統(tǒng)，使部分增壓柴油機(jī)的空氣與其他廢氣燃燒系統(tǒng)混合，由此燃燒廢氣會(huì)直接或局部地降低柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)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(jī)燃燒系統(tǒng)的溫度。

采用高效空氣增壓器配套的高效增壓柴油機(jī)，可以有效地降低柴油機(jī)工作空氣循環(huán)的溫度，從而有效減少NOX的排放，同時(shí)有利于提高了柴油機(jī)的功率和輔助制動(dòng)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(jī)燃燒的工作空氣循環(huán)溫度，從而同時(shí)可有效抑制NOX的廢氣生成。

1.2.2 噴油器改進(jìn)技術(shù)

燃料在柴油機(jī)氣缸內(nèi)進(jìn)行燃燒的過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)性質(zhì)變化的過(guò)程，燃燒化學(xué)變化過(guò)程的復(fù)雜和完善的程度，直接的影響著柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作功能力、熱效率和發(fā)動(dòng)機(jī)使用期限，其在氣缸內(nèi)燃燒的過(guò)程可以劃分為四個(gè)主要的階段：滯燃期、急燃期、緩燃期、后燃期。滯燃期對(duì)于氣缸內(nèi)燃燒的過(guò)程和對(duì)柴油機(jī)各種性能的控制有著一個(gè)極為重要的作用和影響，因此通過(guò)控制噴入的燃油量來(lái)改變和控制滯燃期可以很好地減少滯燃期的時(shí)間，其目的在于控制滯燃期內(nèi)參與物理、化學(xué)準(zhǔn)備的油量，從而控制參與燃期燃燒的油量。這一點(diǎn)主要從采取合適的噴油規(guī)律入手，而先少后多的噴油規(guī)律為最佳[7]。噴油器作為其中的最關(guān)鍵的部件，其工作過(guò)程直接決定噴油器效率，而噴油器的針閥運(yùn)動(dòng)對(duì)噴油器起著關(guān)鍵的作用[8]。中國(guó)第一汽車股份有限公司無(wú)錫油泵油嘴研究所的高廣新等人對(duì)內(nèi)置式電磁鐵、分級(jí)節(jié)流孔板及長(zhǎng)針閥直驅(qū)油嘴等關(guān)鍵零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能研發(fā)，使該噴油器開(kāi)啟延遲小于400μs[9]。大連交通大學(xué)的楚家旺等人對(duì)柴油機(jī)的針閥偶件進(jìn)行改進(jìn)從而減少了燃油壓力損失并且有效避免了針閥卡死的問(wèn)題[10]，從而通過(guò)改進(jìn)噴油器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了調(diào)車機(jī)車節(jié)能減排的功能。

2? 噴油器針閥偶件的改進(jìn)

本文論述了一種噴油器新型針閥偶件的改進(jìn)方法， 改進(jìn)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(shè)置為在針閥偶件的第一段升程時(shí)的剛度小于第二段升程時(shí)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?qū)崿F(xiàn)先緩后急的噴油速率，在一個(gè)工作循環(huán)周期里，減少了滯燃時(shí)間，降低了低速時(shí)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(nèi)噴入少量的燃油，降低了低速時(shí)的燃燒噪聲以及NOX、碳煙和顆粒物等的排放量，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的功能。

3? 調(diào)車機(jī)車能減排技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

鐵路調(diào)車機(jī)車作為一種非常重要的鐵路運(yùn)輸和交通方式，速度快，實(shí)用性強(qiáng)是它的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)，因此，減少能源消耗，節(jié)能減排，便是現(xiàn)今鐵路調(diào)車柴油機(jī)車的技術(shù)發(fā)展重要方向。如今我國(guó)對(duì)此的認(rèn)識(shí)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(zhì)變的技術(shù)突破。在空氣動(dòng)力學(xué)，熱學(xué)，機(jī)械等應(yīng)用技術(shù)方面的研究和學(xué)習(xí);在gt-suite，fluent等應(yīng)用軟件的學(xué)習(xí)和使用;在噴油針閥偶件，噴油嘴等應(yīng)用技術(shù)方面在結(jié)構(gòu)和尺寸上的改變或者在結(jié)構(gòu)上的改變和創(chuàng)新，終究會(huì)成功的使調(diào)車機(jī)車節(jié)能減排的最大程度達(dá)到我們的用戶滿意和價(jià)值。隨著最近幾年我國(guó)的科學(xué)發(fā)展和技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能化的機(jī)車標(biāo)簽也慢慢的進(jìn)入到了人們的工作和日常生活，調(diào)車機(jī)車的發(fā)動(dòng)機(jī)在現(xiàn)今的節(jié)能減排方面可能會(huì)面向網(wǎng)絡(luò)與智能的方向發(fā)展，智能的各種新型技術(shù)會(huì)取代以往的工業(yè)加工。

參考文獻(xiàn)：

[1]田棟棟.探析鐵道機(jī)車車輛輪軌的磨損及其節(jié)能降耗策略[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019：174-175.

[2]伍賽特.機(jī)車柴油機(jī)的節(jié)能研究及展望[J].節(jié)能，2018，37：60-63.

[3]高志遠(yuǎn).鐵路電力機(jī)車節(jié)能優(yōu)化操縱研究[J].鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2018，40：99-103，110.

[4]陳桂福，萬(wàn)典照.電力機(jī)車主變壓器溫升控制與節(jié)能[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2004：65-66.

[5]廖克讓，李寶華.機(jī)車柴油機(jī)冷卻節(jié)能的探討[J].內(nèi)燃機(jī)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(xué)，2019.

[7]伍賽特.柴油機(jī)燃燒過(guò)程的主要影響因素及改善措施[J].能源與節(jié)能，2019：69-70，77.

[8]劉天翔.高壓共軌噴油器針閥運(yùn)動(dòng)的特性研究[C].北京工業(yè)大學(xué)，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(jī)共軌噴油器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)匹配[D].機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

[10]楚家旺，李曉軍，李明海.新型針閥偶件的設(shè)計(jì)及三維流場(chǎng)分析[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，39：51-55.