说明书

柴油发动机的热管预、加热装置 沈阳化工大学

目录

1能源、环境问题

1.1能源问题

世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。因而它是建筑在化石能源基础之上的一种经济。 然而，由于这一经济的资源载体将在21世纪上半叶迅速地接近枯竭。化石能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终葬送现代市场经济。事实上，近10年来，中东及海湾地区与非洲的战争都是由化石能源的重新配置与分配而引发。这种军事冲突，今后还将更猛烈、更频繁；在国内，也可能出现由于能源基地工人下岗而引发的许多新的矛盾和冲突。

从整体上看，中国的能源消费基本形成以煤为基础、多元发展的能源消费结构。随着中国工业化、城市化进程的加快以及居民消费结构的升级，石油、天然气等清洁高效能源在未来中国能源消费结构中将会占据越来越重要的地位。20世纪的最后二十年里，中国国内生产总值GDP翻了两番，但是能源消费仅翻了一番，平均的能源消费弹性仅为0.5左右。然而自2002年进入新一轮的高速增长周期后，中国能源强度却不断上升，中国并不是一个能源富裕的国家，经济发展开始频频受到能源瓶颈问题的困扰：最近几年，国际石油价格大幅震荡、不断攀升，给我国经济社会发展带来多方面的影响。中国目前已是原油净进口国，也是仅次于美国的全球第二大

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原油消费国。现在中国的能源消耗虽然仅占全球需求总量的8％左右，但需求正在迅猛扩张之中，近年来，“电荒”、“煤荒”、“油荒”的呼声一浪高过一浪，随着经济的不断增长，能源消费将进一步增加。

1.2环境问题

进入80年代以来，随着经济的发展，具有全球性影响的环境问题日益突出。不仅发生了区域性的环境污染和大规模的生态破坏，而且出现了温室效应、臭氧层破坏、全球气候变化、酸雨、物种灭绝、土地沙漠化、森林锐减、越境污染、海洋污染、野生物种减少、热带雨林减少、土壤侵蚀等大范围的和全球性环境危机，严重威胁着全人类的生存和发展。国际社会在经济、政治、科技、贸易等方面形成了广泛的合作关系，并建立起了一个庞大的国际环境条约体系，联合治理环境问题。我国的生物多样性在世界上占有相当重要的位置，但据科学家统计，我国同世界很多地区一样，物种正在以惊人的速度灭绝和丧失。因此，保护生物多样性、保证生物资源的永续利用是我国的一项重要任务，也是全球环境保护行动计划的重要组成部分。

我国大气环境面临的形势非常严峻。大气污染物排放总量居高不下。2011年全国二氧化硫年排放量高达1857万吨，烟尘1159万吨，工业粉尘1175万吨，大气污染仍然十分严重。全国大多数城市的大气环境质量超过国家规定的标准。全国47个重点城市中，约70%以上的城市大气环境质量达不到国家规定的二级标准；参加环境统计的338个城市中，137个城市空气环境质量超过国家三级标

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准，占统计城市的40%，属于严重污染型城市。大气污染是中国目前第一大环境问题。

因此，节能、环保是维持可持续发展、保证人们自身健康的重要紧迫任务。

2柴油发动机相关问题探讨

2.1柴油机车的普遍化

1882年德国人狄赛尔（Rudolf Diesel）提出了柴油机工作原理，1896年制成了第一台四冲程柴油机。一百多年来，柴油机技术得以全面的发展，应用领域越来越广泛。大量研究成果表明，柴油机是目前被产业化应用的各种动力机械中热效率最高、能量利用率最好、最节能的机型。

装备了最先进技术的柴油机，升功率可达到30～50kWh/L，扭矩储备系数可达到0.35以上，最低燃油耗可达到198g/kWh，标定功率油耗可达到204g/kWh；柴油机被广泛应用于船舶动力、发电、灌溉、车辆动力等广阔的领域，尤其在车用动力方面的优势最为明显，全球车用动力“柴油化”趋势已形成。柴油机汽车因压缩比高，燃油消耗平均比汽油机汽车低30%左右，所以燃油经济性较好。7升柴油轿车比1.6升汽油轿车每百公里可节约2升油。通常，柴油发动机与汽油发动机相比热效率高30%，因而从节约能源、降低燃料成本角度上讲，柴油发动机轿车的推广使用具有重大

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意义。柴油发动机与汽油发动机相比具有功率大，寿命长，动力性能好的特点，它排放产生的温室效应比汽油低45%，一氧化碳与碳氢排放也低，在整车的使用寿命期氮氧化合物排放略大于汽油机。柴油机的不足之处是有害颗粒物排放大，柴油发动机采用涡轮增压、中冷、直喷、尾气催化转换和颗粒捕集器等先进技术，柴油发动机汽车的排放已达到欧III、欧IV排放标准。在欧洲，柴油轿车比较普及，随着环保与节能可持续发展的严格要求，今后汽车，特别是柴油小轿车将是一个发展趋势。目前我国一汽大众已经开发出捷达、宝来柴油轿车，并已在国内部分城市上市。

据专家预测，在今后20年，甚至更长的时间内柴油机将成为世界车用动力的主流。世界汽车工业发达国家政府对柴油机发展也给予了高度重视，从税收、燃料供应等方面采取措施促进柴油机的普及与发展。

2.2柴油的使用简介

柴油分为轻柴油（沸点范围约180-370℃）和重柴油（沸点范围约350-410℃）两大类。柴油按凝点分级，轻柴油有5#，0#，-10#，-20#，-35#，-50#六个牌号，重柴油有10#，20#，30#三个牌号。六个牌号的轻柴油凝点分别不高于5℃，0℃，-10℃，-20℃，-35℃，-50℃。

凝点（SP）是表明柴油在低温环境中失去流动性的最高温度；其定义为：是指在规定的冷却条件下一切液态流体停止流动的最高温度。油品的凝固和纯化合物的凝固有很大的不同。油品并没有明确的凝固温度，所谓“凝固”只是作为整体来看失去了流动性，并

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不是所有的组分都变成了固体。柴油在较低温度下之所以凝固，是由于柴油中含有一定量的蜡（即正构烷烃），当温度降低时，这些蜡会逐渐析出，并形成蜡晶。最终把油包在其中，使油失去流动性而呈现凝固状态。冷滤点（CFPP）则可表明柴油通过柴油发动机供油系统时能造成滤网堵塞的最高温度。其定义为：是指在规定条件下，当试油通过过滤器每分钟不足20ml时的最高温度（即流动点使用的最低环境温度）。对轻柴油而言，冷滤点比凝点指标在实际使用中显得更加重要。这是因为冷滤点与柴油的低温使用性能直接相关，而凝点主要是与柴油的贮存、运输有关。

我们平时说的0#柴油，说的是凝点，即当温度降到0℃时，该油会失去流动性而呈现凝固状态。而实际上我们平时使用中冷滤点这个指标意义最大。0#柴油对应的冷滤点指标为不高于+4℃（实际上可能还要高些）。通常，在冷滤点及其以下的温度时，该柴油已经不能通过滤清器（结蜡）。所以，对轻柴油而言，冷滤点比凝点指标在实际使用中显得更加重要。

在选用柴油牌号时，应同时兼顾当地气温和柴油牌号对应的冷滤点。一般来讲，所用柴油的凝点应低于季节最低温度3~5℃。5#柴油适合于气温在8℃以上时使用；0# 柴油适用于气温在8℃至4℃时使用；－10#柴油适用于气温在4℃至－5℃时使用；－20#柴油适用于气温在－5℃至－14℃时使用；－35#柴油适用于气温在－14℃至－29℃时使用；－50#柴油适用于气温在－29℃至－44℃或者低于该温度时使用。

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2.3柴油机车存在的问题

然而柴油机在低温环境下启动困难，不能保证柴油机能立即起动并加载运行。且需要长时间空载跑温才能加载运行，引起噪声污染并增加废气排放；加大运动零部件的磨损、降低零部件的使用寿命；浪费大量的燃油。目前现有的低温预热启动方式虽有一定的效果，但都不是很理想。

因此研制柴油机的预、加热装置，保证柴油机在低温环境下随时起动加载、持续保温，并能有效地降低柴油机的运行成本，减少污染，成为我们亟待解决的问题。

3柴油发动机的热管预、加热装置

3.1基于DF4型内燃机车预热系统的分析 3.1.1实用性分析

DF4型内燃机车预热系统原理图如下:

图1 DF4型内燃机车预热系统原理

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该预热系统主要包括预热器、温度控制阀、电热套。当温度未达要求时油水预热器就会对柴油进行加热，来达到预定的要求。但是，在寒冷气候条件下，油箱内的油会结蜡，预热器需要长时间的工作来达到要求，预热效果不好，所以还是使用高标号的-10#柴油。

于是一个创新性的、可以普遍应用的想法产生。我们可以利用热管来对预热器内的燃油进行预热，提高了预热效率，热管的蒸发段可以用机车自带电瓶，也可以用外接电源加热。起动起来后，冷却系统内的高温循环水可以通过热管对油箱加热，达到整个输油回路全面加热、保温，并将气缸的热量循环利用。在整个输油回路都加热、保温的基础上完全可以再提高一个标号，用0#柴油。

3.1.2可行性分析

DF4内燃机车投产使用期内一段时间的费用节省对比表如下：

图2 DF4内燃机车费用节省对比表

虽然本柴油发动机的高效热管装置与DF4内燃机的预热系统相比多了8根热管，按每根50元的话，多了400元左右，但相对于柴油又降低一个标号带来的节省完全可以忽略。

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所以，本套柴油发动机的热管预、加热装置实用、可行，其推广将为节能、环保做重大贡献。

3.2本柴油发动机的热管预、加热装置的详细说明

该装置利用热管的高效换热效率，集预热、加热于一体。对进油管、燃油旁通管和燃油系统回油管等输油管路用电热套保温，保证了整个回路不受外界低温环境的影响，为最低标号柴油的使用创造了条件。温度控制阀的运用大大节省了电能，减轻了蓄电电池的负担。加热段充分利用起动后气缸的余热，节省能源。

原理如下图所示：

电热套油箱循环水气缸喷油泵燃油精滤器燃油粗滤器燃油泵温度控制阀高于设定值 热管低于设定值预热器 图3柴油发动机的热管预、加热装置系统原理

该装置主要由热管预热器预热装置和热管油箱加热装置两部分组成。

预热装置（如下图）中装有4根热管，热管的蒸发段热量由机车自带电源或外接电源提供。

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进油口出油口 图4 柴油发动机的热管预、加热装置预热器

加热装置（如下图）中装有4根热管，热管的蒸发段热量由机车起动后冷却循环水提供，合理利用气缸余热，达到节能的效果。

压力安全阀出油口进水口出水口 图5 柴油发动机的热管预、加热装置加热器

温度控制阀（如下图）处于核心地位,它由阀体、感温元件、柱塞构成,工作在不大于300kPa的压力环境中;其感温元件由记忆合金

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的材料制作,动作温度提前设定(根据当地机车在库外打温的经验温度,对节约燃油方面有利)。

图6 柴油发动机的热管预、加热装置温度控制阀

利用温度控制阀具有的感温元件体积小、重量轻、测量温度准确和组装方便的特性,使用机械手段,当温度超过设定值时,感温元件将推动旁通阀开启,使部分燃油不经过预热器,以至于全部关断,而当温度下降至设定温度以下时,感温元件将回缩,旁通阀开路减小以至关闭,燃油全部经过燃油预热器加热,从而达到控制燃油温度的目的。电热套使用机车提供的电源，只要在初冬及初春人工开关,其它时间不需要人为监控。

仿真模型图如下：

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图7 柴油发动机的热管预、加热装置仿真模拟

3.2本柴油发动机的热管预、加热装置的创新点

1 利用热管的高效换热效率； 2 集预热、加热于一体；

3 在任何环境下都能顺利使用0#柴油；

4加热段充分利用起动后气缸的余热，节省能源。

4总结

该柴油发动机的预、加热装置结构简单，使用方便，牢固耐用，费用低廉，易于安装，便于维修，最主要的是其节能、环保功效，带来巨大的社会、经济效益。

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参考文献：

1 贺宁宁.从“柴油荒”中看国内能源问题； 2 周龙宝.内燃机学； 3 何学良.内燃机燃料；

4 庞海东、武建青、陈志刚.柴油机的低温启动； 5 刘道春.柴油机的几种预热装置分析； 6 吴社强.柴油机低温启动方法探讨； 7 姚楷.冬季柴油机冷启动困难的解决方法；

8 吴志新、王成名.关于内燃机车停放保温技术的探讨； 9 胡德忠.机车柴油机低温条件下使用低标号柴油的技术研究； 10 孙泽琛.内燃机车冬季“低烧技术”； 11 于丽萍.如何使柴油机燃油充分燃烧；

12 彭湘潍、姜春明.国内外关于“轻柴油”安全标准规范的概况与比较.安全、健康和环境；

13 王玉平、彭振纲.冬季使用低标号柴油的可行性研究； 14 王嘉波.低温预热启动研究；

15 张少元.DF_(11)型机车新型燃油预热系统设计与实践。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/i0w3.html