论文部分内容阅读
摘要：铁路运输的高速发展，给了人们的工作和出行生活带来了便利。随着当今世界的经济和各国各种新型铁路列车的不断投入生产和制造，环境污染的严重问题已不容小视。在我国高速铁路的运输系统中，调车机车的喷油器起着了编组、改线、摘挂、推峰以及解体的重要关键作用。如何节能低碳减排和极大地提高调车机车的利用率和性能已经逐渐发展成为这个铁路运输时代的新技术要求，本文主要根据我国铁路调车型柴油机车的实际运用技术特点，在对其相关理论及应用进行试验研究分析的基础上，对调车柴油机车的应用和节能低碳减排相关技术以及未来发展趋势问题进行了深入的介绍和研究分析，重点地研究了调车机车喷油器应用方面的节能减排相关理论和技术，并且阐述了一种喷油器针阀偶件改进方法，为我国铁路调车机车喷油器的节能减排及喷油器应用的发展提供了技术性依据和参考。
关键词：调车机车;喷油器;节能减排;技术分析;发展趋势;最优化
中图分类号：U284.48 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2020）22-0005-02
0 引言
随着当前我国的铁路运输技术发展进入快速健康发展的新时期，能源和環保的问题越来越多地受到国家和社会的广泛重视关注，轨道交通的绿色、安全的发展优势日益得到凸显，因此对于铁道电力货运车辆的节能与减排的技术研究和应用具有重要的指导意义。中铁十六局集团的薛鹏对我国铁道电力货运机车车辆轮轨的磨损及其采用的节能降耗管理策略的研究进行了深入的详细分析[1]，上海汽车集团股份有限公司的伍赛特介绍了我国铁路机车电力货运柴油机的主要工作原理特点及其节能技术发展的现状，并重点从如何降低燃油的消耗率及实现代用柴油机车燃料的节能技术开发两方面的角度出发，阐述了其应用相关的节能减排技术[2]。中国铁道科学研究院集团有限公司的高志远通过对我国铁道电力货运柴油机车的运行阶段特点和其过程规律进行了分析，利用极大的数值动力学原理求解了不同类型机车运行阶段的最优节能减排模式[3]。湖南永安铁路机务段的陈桂福对电力机车主对变压器温升控制与冷却节能减排问题进行了的研究[4]，柳州铁路局调车机务处柳州铁路局机务处的廖克让等对电力机车牵引柴油机的冷却节能减排进行了的探讨[5]。但是这些研究方法都没有对调车电力机车自身进行专门的冷却节能与减排的研究，调车组电力机车除偶尔需要操作一些小运转的作业外，基本上都是完全局限于调车机车编组站有限的电气化线路内，其基本的大运转作业主要是进行牵出机车的编组、改线、摘挂、推峰以及解体等等。并且由于调车组电力机车的运用性能特点主要是频繁的起动、制动、长时间的惰转等，而且其牵引柴油机经常需要处于严重的空载或低运转负荷下的工作。调车组电力机车的缺点是柴油机自身具有高速性能差、噪声大、排放污染严重和维修不便等缺点[6]，因此对调车机车的节能减排进行研究具有重要的意义，本文对目前的相关技术进行了分析，为调车机车节能减排及应用方面的研究提供技术参考。
1 调车机车常见的节能减排技术
1.1 混合柴油动力机车采用交流传动调车车辆和电力机车的控制技术
就现阶段的情况来看，在内燃机车市场上目前应用范围比较广泛的柴油发动机行业节能减排的技术主要是采用了混合动力的技术。混合动力技术交流传动电力调车内燃机车的混合动力是由较小的交流柴油发电机组和可以用较大功率的蓄电池共同驱动和组成，牵引和制动的辅助电力发电装置全部可以采用较大的交流柴油发电机进行驱动，调车和牵引作业时既可以用较大的柴油机车和交流发电机组进行供电，也在作业时可以用较小的蓄电池组进行供电或两者同时进行供电，节能减排效果显著。高速列车的交流传动调车和牵引作业通常由内燃机车来辅助完成。在调车作业间歇期间，内燃机车柴油机不能停机。
1.2 柴油机机内措施
1.2.1 柴油机内常见节能减排技术
延迟喷油定时延迟可以有效地减少燃烧室内参与预燃烧的混合氮氧化物燃烧的时间和燃油量，从而大幅降低初始燃烧的排放热率，降低预混合燃烧室内的最高氮氧化物燃烧热率和温度，抑制NOX的氮氧化物生成。根据美国GE公司12-7fdl型机车柴油机的燃烧室运用试验结果表明，喷油定时延迟4°时，NOX的排放温度平均值降低18%。
采用Mimiller循环进气门技术意味着不需要像通常的情况下在柴油机正常运转时那样在进入燃烧状态的过程中才需要提前关闭了进气门，而是要在提前进气门到达的下止点前将进气门关闭。如果进气门关闭定时的这种温度改变，会直接导致柴油气缸内工质额外的膨胀，压缩压力减小，燃烧温度的降低，从而大大减少了COX的生成量。燃烧温度的降低，从而大大减少了COX的生成量。
废气燃烧系统再循环技术也可以实现柴油机节能减排的再循环功能，将涡轮增压柴油机燃烧系统工作在废气再循环之后（即涡轮增压器进入涡轮前）的部分燃烧废气按一定的比例完全可控地经再循环返回输送到涡轮增压柴油机的进气燃烧系统，使部分增压柴油机的空气与其他废气燃烧系统混合，由此燃烧废气会直接或局部地降低柴油机进气系统中的氧气含量和氮浓度，改变其氧/氮的比值并大大降低柴油机燃烧系统的温度。
采用高效空气增压器配套的高效增压柴油机，可以有效地降低柴油机工作空气循环的温度，从而有效减少NOX的排放，同时有利于提高了柴油机的功率和辅助制动效率。与高效涡轮增压相配合，降低中冷水温，意味着大大降低了参与柴油机燃烧的工作空气循环温度，从而同时可有效抑制NOX的废气生成。 1.2.2 喷油器改进技术
燃料在柴油机气缸内进行燃烧的过程是一个复杂的物理化学性质变化的过程，燃烧化学变化过程的复杂和完善的程度，直接的影响着柴油发动机的实际工作功能力、热效率和发动机使用期限，其在气缸内燃烧的过程可以划分为四个主要的阶段：滞燃期、急燃期、缓燃期、后燃期。滞燃期对于气缸内燃烧的过程和对柴油机各种性能的控制有着一个极为重要的作用和影响，因此通过控制喷入的燃油量来改变和控制滞燃期可以很好地减少滞燃期的时间，其目的在于控制滞燃期内参与物理、化学准备的油量，从而控制参与燃期燃烧的油量。这一点主要从采取合适的喷油规律入手，而先少后多的喷油规律为最佳[7]。喷油器作为其中的最关键的部件，其工作过程直接决定喷油器效率，而喷油器的针阀运动对喷油器起着关键的作用[8]。中国第一汽车股份有限公司无锡油泵油嘴研究所的高广新等人对内置式电磁铁、分级节流孔板及长针阀直驱油嘴等关键零部件进行了结构设计和性能研发，使该喷油器开启延迟小于400μs[9]。大连交通大学的楚家旺等人对柴油机的针阀偶件进行改进从而减少了燃油压力损失并且有效避免了针阀卡死的问题[10]，从而通过改进喷油器结构实现了调车机车节能减排的功能。
2 喷油器针阀偶件的改进
本文论述了一种喷油器新型针阀偶件的改进方法， 改进后的喷油器针阀偶件如图1所示。采用了变刚度弹簧措施，圆锥形螺旋弹簧设置为在针阀偶件的第一段升程时的刚度小于第二段升程时的刚度。其刚度是由小到大非线性变化的，因此针阀偶件上端的圆锥形螺旋弹簧喷油器能够实现先缓后急的喷油速率，在一个工作循环周期里，减少了滞燃时间，降低了低速时的燃烧噪声以及NOX、碳烟和颗粒物等的排放量。使在气缸燃烧的滞燃期内喷入少量的燃油，降低了低速时的燃烧噪声以及NOX、碳烟和颗粒物等的排放量，从而实现了节能减排的功能。
3 调车机车能减排技术的未来发展趋势
铁路调车机车作为一种非常重要的铁路运输和交通方式，速度快，实用性强是它的一个重要优点，因此，减少能源消耗，节能减排，便是现今铁路调车柴油机车的技术发展重要方向。如今我国对此的认识和研究还不是很透彻，我们都非常希望能够有一种智能化和质变的技术突破。在空气动力学，热学，机械等应用技术方面的研究和学习;在gt-suite，fluent等应用软件的学习和使用;在喷油针阀偶件，喷油嘴等应用技术方面在结构和尺寸上的改变或者在结构上的改变和创新，终究会成功的使调车机车节能减排的最大程度达到我们的用户满意和价值。随着最近几年我国的科学发展和技术的不断进步，智能化的机车标签也慢慢的进入到了人们的工作和日常生活，调车机车的发动机在现今的节能减排方面可能会面向网络与智能的方向发展，智能的各种新型技术会取代以往的工业加工。
参考文献：
[1]田栋栋.探析铁道机车车辆轮轨的磨损及其节能降耗策略[J].内燃机与配件，2019：174-175.
[2]伍赛特.机车柴油机的节能研究及展望[J].节能，2018，37：60-63.
[3]高志远.铁路电力机车节能优化操纵研究[J].铁道运输与经济，2018，40：99-103，110.
[4]陈桂福，万典照.电力机车主变压器温升控制与节能[J].电力机车与城轨车辆，2004：65-66.
[5]廖克让，李宝华.机车柴油机冷却节能的探讨[J].内燃机车，2000：29-30.
[6]易浩.针阀式喷油器失效因素研究[C].重庆理工大学，2019.
[7]伍赛特.柴油机燃烧过程的主要影响因素及改善措施[J].能源与节能，2019：69-70，77.
[8]刘天翔.高压共轨喷油器针阀运动的特性研究[C].北京工业大学，2018.
[9]高广新，袁竹林，王仁辉，张建剛，朱君亮.高速大功率柴油机共轨喷油器关键结构设计与参数匹配[D].机械工业出版社，2019.
[10]楚家旺，李晓军，李明海.新型针阀偶件的设计及三维流场分析[J].大连交通大学学报，2018，39：51-55.
关键词：调车机车;喷油器;节能减排;技术分析;发展趋势;最优化
中图分类号：U284.48 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2020）22-0005-02
0 引言
随着当前我国的铁路运输技术发展进入快速健康发展的新时期，能源和環保的问题越来越多地受到国家和社会的广泛重视关注，轨道交通的绿色、安全的发展优势日益得到凸显，因此对于铁道电力货运车辆的节能与减排的技术研究和应用具有重要的指导意义。中铁十六局集团的薛鹏对我国铁道电力货运机车车辆轮轨的磨损及其采用的节能降耗管理策略的研究进行了深入的详细分析[1]，上海汽车集团股份有限公司的伍赛特介绍了我国铁路机车电力货运柴油机的主要工作原理特点及其节能技术发展的现状，并重点从如何降低燃油的消耗率及实现代用柴油机车燃料的节能技术开发两方面的角度出发，阐述了其应用相关的节能减排技术[2]。中国铁道科学研究院集团有限公司的高志远通过对我国铁道电力货运柴油机车的运行阶段特点和其过程规律进行了分析，利用极大的数值动力学原理求解了不同类型机车运行阶段的最优节能减排模式[3]。湖南永安铁路机务段的陈桂福对电力机车主对变压器温升控制与冷却节能减排问题进行了的研究[4]，柳州铁路局调车机务处柳州铁路局机务处的廖克让等对电力机车牵引柴油机的冷却节能减排进行了的探讨[5]。但是这些研究方法都没有对调车电力机车自身进行专门的冷却节能与减排的研究，调车组电力机车除偶尔需要操作一些小运转的作业外，基本上都是完全局限于调车机车编组站有限的电气化线路内，其基本的大运转作业主要是进行牵出机车的编组、改线、摘挂、推峰以及解体等等。并且由于调车组电力机车的运用性能特点主要是频繁的起动、制动、长时间的惰转等，而且其牵引柴油机经常需要处于严重的空载或低运转负荷下的工作。调车组电力机车的缺点是柴油机自身具有高速性能差、噪声大、排放污染严重和维修不便等缺点[6]，因此对调车机车的节能减排进行研究具有重要的意义，本文对目前的相关技术进行了分析，为调车机车节能减排及应用方面的研究提供技术参考。
1 调车机车常见的节能减排技术
1.1 混合柴油动力机车采用交流传动调车车辆和电力机车的控制技术
就现阶段的情况来看，在内燃机车市场上目前应用范围比较广泛的柴油发动机行业节能减排的技术主要是采用了混合动力的技术。混合动力技术交流传动电力调车内燃机车的混合动力是由较小的交流柴油发电机组和可以用较大功率的蓄电池共同驱动和组成，牵引和制动的辅助电力发电装置全部可以采用较大的交流柴油发电机进行驱动，调车和牵引作业时既可以用较大的柴油机车和交流发电机组进行供电，也在作业时可以用较小的蓄电池组进行供电或两者同时进行供电，节能减排效果显著。高速列车的交流传动调车和牵引作业通常由内燃机车来辅助完成。在调车作业间歇期间，内燃机车柴油机不能停机。
1.2 柴油机机内措施
1.2.1 柴油机内常见节能减排技术
延迟喷油定时延迟可以有效地减少燃烧室内参与预燃烧的混合氮氧化物燃烧的时间和燃油量，从而大幅降低初始燃烧的排放热率，降低预混合燃烧室内的最高氮氧化物燃烧热率和温度，抑制NOX的氮氧化物生成。根据美国GE公司12-7fdl型机车柴油机的燃烧室运用试验结果表明，喷油定时延迟4°时，NOX的排放温度平均值降低18%。
采用Mimiller循环进气门技术意味着不需要像通常的情况下在柴油机正常运转时那样在进入燃烧状态的过程中才需要提前关闭了进气门，而是要在提前进气门到达的下止点前将进气门关闭。如果进气门关闭定时的这种温度改变，会直接导致柴油气缸内工质额外的膨胀，压缩压力减小，燃烧温度的降低，从而大大减少了COX的生成量。燃烧温度的降低，从而大大减少了COX的生成量。
废气燃烧系统再循环技术也可以实现柴油机节能减排的再循环功能，将涡轮增压柴油机燃烧系统工作在废气再循环之后（即涡轮增压器进入涡轮前）的部分燃烧废气按一定的比例完全可控地经再循环返回输送到涡轮增压柴油机的进气燃烧系统，使部分增压柴油机的空气与其他废气燃烧系统混合，由此燃烧废气会直接或局部地降低柴油机进气系统中的氧气含量和氮浓度，改变其氧/氮的比值并大大降低柴油机燃烧系统的温度。
采用高效空气增压器配套的高效增压柴油机，可以有效地降低柴油机工作空气循环的温度，从而有效减少NOX的排放，同时有利于提高了柴油机的功率和辅助制动效率。与高效涡轮增压相配合，降低中冷水温，意味着大大降低了参与柴油机燃烧的工作空气循环温度，从而同时可有效抑制NOX的废气生成。 1.2.2 喷油器改进技术
燃料在柴油机气缸内进行燃烧的过程是一个复杂的物理化学性质变化的过程，燃烧化学变化过程的复杂和完善的程度，直接的影响着柴油发动机的实际工作功能力、热效率和发动机使用期限，其在气缸内燃烧的过程可以划分为四个主要的阶段：滞燃期、急燃期、缓燃期、后燃期。滞燃期对于气缸内燃烧的过程和对柴油机各种性能的控制有着一个极为重要的作用和影响，因此通过控制喷入的燃油量来改变和控制滞燃期可以很好地减少滞燃期的时间，其目的在于控制滞燃期内参与物理、化学准备的油量，从而控制参与燃期燃烧的油量。这一点主要从采取合适的喷油规律入手，而先少后多的喷油规律为最佳[7]。喷油器作为其中的最关键的部件，其工作过程直接决定喷油器效率，而喷油器的针阀运动对喷油器起着关键的作用[8]。中国第一汽车股份有限公司无锡油泵油嘴研究所的高广新等人对内置式电磁铁、分级节流孔板及长针阀直驱油嘴等关键零部件进行了结构设计和性能研发，使该喷油器开启延迟小于400μs[9]。大连交通大学的楚家旺等人对柴油机的针阀偶件进行改进从而减少了燃油压力损失并且有效避免了针阀卡死的问题[10]，从而通过改进喷油器结构实现了调车机车节能减排的功能。
2 喷油器针阀偶件的改进
本文论述了一种喷油器新型针阀偶件的改进方法， 改进后的喷油器针阀偶件如图1所示。采用了变刚度弹簧措施，圆锥形螺旋弹簧设置为在针阀偶件的第一段升程时的刚度小于第二段升程时的刚度。其刚度是由小到大非线性变化的，因此针阀偶件上端的圆锥形螺旋弹簧喷油器能够实现先缓后急的喷油速率，在一个工作循环周期里，减少了滞燃时间，降低了低速时的燃烧噪声以及NOX、碳烟和颗粒物等的排放量。使在气缸燃烧的滞燃期内喷入少量的燃油，降低了低速时的燃烧噪声以及NOX、碳烟和颗粒物等的排放量，从而实现了节能减排的功能。
3 调车机车能减排技术的未来发展趋势
铁路调车机车作为一种非常重要的铁路运输和交通方式，速度快，实用性强是它的一个重要优点，因此，减少能源消耗，节能减排，便是现今铁路调车柴油机车的技术发展重要方向。如今我国对此的认识和研究还不是很透彻，我们都非常希望能够有一种智能化和质变的技术突破。在空气动力学，热学，机械等应用技术方面的研究和学习;在gt-suite，fluent等应用软件的学习和使用;在喷油针阀偶件，喷油嘴等应用技术方面在结构和尺寸上的改变或者在结构上的改变和创新，终究会成功的使调车机车节能减排的最大程度达到我们的用户满意和价值。随着最近几年我国的科学发展和技术的不断进步，智能化的机车标签也慢慢的进入到了人们的工作和日常生活，调车机车的发动机在现今的节能减排方面可能会面向网络与智能的方向发展，智能的各种新型技术会取代以往的工业加工。
参考文献：
[1]田栋栋.探析铁道机车车辆轮轨的磨损及其节能降耗策略[J].内燃机与配件，2019：174-175.
[2]伍赛特.机车柴油机的节能研究及展望[J].节能，2018，37：60-63.
[3]高志远.铁路电力机车节能优化操纵研究[J].铁道运输与经济，2018，40：99-103，110.
[4]陈桂福，万典照.电力机车主变压器温升控制与节能[J].电力机车与城轨车辆，2004：65-66.
[5]廖克让，李宝华.机车柴油机冷却节能的探讨[J].内燃机车，2000：29-30.
[6]易浩.针阀式喷油器失效因素研究[C].重庆理工大学，2019.
[7]伍赛特.柴油机燃烧过程的主要影响因素及改善措施[J].能源与节能，2019：69-70，77.
[8]刘天翔.高压共轨喷油器针阀运动的特性研究[C].北京工业大学，2018.
[9]高广新，袁竹林，王仁辉，张建剛，朱君亮.高速大功率柴油机共轨喷油器关键结构设计与参数匹配[D].机械工业出版社，2019.
[10]楚家旺，李晓军，李明海.新型针阀偶件的设计及三维流场分析[J].大连交通大学学报，2018，39：51-55.