進(jìn)氣流量對(duì)防爆柴油機(jī)動(dòng)力及排放性能的影響

張鈺棟，　張翠平，　張瑞亮，　孫秀全，　李強(qiáng)強(qiáng)，　孫丹丹

(太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山西 太原　030024)

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進(jìn)氣流量對(duì)防爆柴油機(jī)動(dòng)力及排放性能的影響

張鈺棟，張翠平，張瑞亮，孫秀全，李強(qiáng)強(qiáng)，孫丹丹

(太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山西 太原030024)

摘要：為了改善井下工人工作環(huán)境，減少井下柴油機(jī)NOspan, CO, HC等污染物的排放，根據(jù)防爆柴油機(jī)的工作環(huán)境及排放法規(guī)要求，針對(duì)某型防爆柴油機(jī)不同進(jìn)氣流量下的動(dòng)力性和排放性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，確定了適當(dāng)?shù)姆辣裼蜋C(jī)進(jìn)氣流量。試驗(yàn)結(jié)果表明，減小進(jìn)氣流量使防爆柴油機(jī)動(dòng)力性有一定降低，也使得排放中的煙度略有增加，但卻一定程度上降低了NOspan的排放。

關(guān)鍵詞：防爆柴油機(jī)； 進(jìn)氣流量； 動(dòng)力性； 排放性能

0引言

隨著煤炭開采技術(shù)越來越成熟，井下無軌輔助運(yùn)輸系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。但由于井下通風(fēng)條件有限，且柴油機(jī)經(jīng)過防爆改造后排放性能有所降低，對(duì)井下工人健康造成了危害，對(duì)井下安全生產(chǎn)造成了隱患。柴油機(jī)進(jìn)氣流量對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放性能都有著十分明顯的影響。因此，為了有效減少井下防爆柴油機(jī)尾氣排放中的NOx和CO等有害物質(zhì)，改善井下工人工作環(huán)境，同時(shí)維持防爆柴油機(jī)的動(dòng)力性，本文通過試驗(yàn)討論進(jìn)氣流量對(duì)防爆柴油機(jī)動(dòng)力和排放性能的影響。

1試驗(yàn)設(shè)備及條件

本文試驗(yàn)使用的是FDE4100QFB型防爆柴油機(jī)，主要參數(shù)見表1。根據(jù)MT 990—2006《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》[1]的要求，本次試驗(yàn)的條件如下：① 排氣溫度達(dá)到(68±2) ℃；② 表面溫度達(dá)到(148±2)℃；③ 冷卻水溫度達(dá)到(85±2) ℃；④ 廢氣處理箱水位低于最低設(shè)定水位；⑤ 機(jī)油壓力降至(0.15±0.02)MPa。

表1　FDE4100FB防爆柴油機(jī)主要參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備及儀器見表2。

表2　試驗(yàn)所用設(shè)備及儀器

2試驗(yàn)方法

2.1防爆柴油機(jī)性能測試

進(jìn)氣管管徑為67 mm，進(jìn)氣溫度為恒定18 ℃，進(jìn)氣壓力實(shí)時(shí)測量，在保證其他條件不變的情況下，改變進(jìn)氣管進(jìn)氣面積，將進(jìn)氣口面積分別變?yōu)樵瓉淼?/4，1/8，1/16。在這幾種不同進(jìn)氣面積下，測量和計(jì)算進(jìn)氣流量，并確定在進(jìn)氣口面積不同的情況下對(duì)應(yīng)的防爆柴油機(jī)動(dòng)力性。

防爆柴油機(jī)中11工況點(diǎn)下的測量是衡量防爆柴油機(jī)動(dòng)力和排放性能的重要指標(biāo)之一，按照MT 220—1990《煤礦用防爆柴油機(jī)械排氣中CO、氮氧化合物檢驗(yàn)規(guī)范》[2]，測量水洗箱前防爆柴油機(jī)11工況點(diǎn)下的尾氣排放，對(duì)比不同進(jìn)氣流量下防爆柴油機(jī)的性能，結(jié)果見表3。

2.2進(jìn)氣流量計(jì)算

自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)四沖程進(jìn)氣流量公式為[3]

式中：Qin為發(fā)動(dòng)機(jī)每分鐘進(jìn)氣流量；Vst為發(fā)動(dòng)機(jī)的總排量；R為發(fā)動(dòng)機(jī)每分鐘最大轉(zhuǎn)速；ηv為發(fā)動(dòng)機(jī)的容積效率；i為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程。

根據(jù)測量和計(jì)算得到不同轉(zhuǎn)速下的進(jìn)氣流量，見表4。

表3　防爆柴油機(jī)11工況點(diǎn)下的測量結(jié)果

表4　不同轉(zhuǎn)速下的進(jìn)氣流量

3試驗(yàn)分析

3.1外特性

測量防爆柴油機(jī)外特性下動(dòng)力和排放性能隨進(jìn)氣流量的改變而改變的情況，即保證發(fā)動(dòng)機(jī)油門全開，調(diào)節(jié)不同進(jìn)氣流量，測量轉(zhuǎn)速為1 000，1 200，1 400，1 600，1 800，2 000，2 200 r/min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，結(jié)果如圖1所示。

圖1　輸出轉(zhuǎn)矩隨進(jìn)氣口大小變化曲線

從圖1可以看出，進(jìn)氣口變小，使得防爆柴油機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有降低的趨勢。在1/4進(jìn)氣口和1/8進(jìn)氣口的輸出轉(zhuǎn)矩雖然都比進(jìn)氣口全開有所降低，但是轉(zhuǎn)矩降低值不大；1/4和1/8進(jìn)氣口之間對(duì)比，輸出轉(zhuǎn)矩沒有明顯變化，但是在使用1/16進(jìn)氣口時(shí)，防爆柴油機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有明顯降低。這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)的進(jìn)氣流量通常是過量的，在進(jìn)氣口變小之初，進(jìn)氣流量雖然有所減少，但還滿足發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒要求，所以輸出轉(zhuǎn)矩減低并不明顯。當(dāng)進(jìn)氣口減小到一定量，使得進(jìn)氣流量小到一定程度時(shí)，進(jìn)氣流量不能滿足燃燒需要，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩就會(huì)明顯降低。

3.2進(jìn)氣流量對(duì)各氣體排放量的影響

3.2.1NOx隨進(jìn)氣流量的變化

防爆柴油機(jī)排放的NOx體積分?jǐn)?shù)隨進(jìn)氣流量的改變?nèi)鐖D2所示。從圖2可以看出，當(dāng)進(jìn)氣口變小時(shí)，排放物中NOx體積分?jǐn)?shù)有不同程度的波動(dòng)。這是由于NOx易在高溫富氧條件下生成[4]，在1/4進(jìn)氣口時(shí)進(jìn)氣流量雖然有所降低，但是燃燒室溫度略有增加，所以產(chǎn)生的NOx并無明顯變化。在1/8進(jìn)氣口時(shí)進(jìn)氣流量降低更多，燃燒室溫度對(duì)NOx的產(chǎn)生影響也不明顯，所以NOx體積分?jǐn)?shù)有一定降低。而在1/16進(jìn)氣口時(shí)進(jìn)氣流量明顯降低，直接影響柴油機(jī)燃燒，使得NOx體積分?jǐn)?shù)明顯降低。

圖2　NOx體積分?jǐn)?shù)隨進(jìn)氣流量變化曲線

3.2.2CO隨進(jìn)氣流量的變化

防爆柴油機(jī)排放的CO隨進(jìn)氣流量的變化曲線如圖3所示。從圖3可看出，進(jìn)氣口減小使得CO排放有增加趨勢，在負(fù)荷增加時(shí)，CO體積分?jǐn)?shù)隨進(jìn)氣口減小有明顯增加，但是在低負(fù)荷狀態(tài)下，CO的排放隨進(jìn)氣口大小的變化并不明顯。在大負(fù)荷下，1/16進(jìn)氣口時(shí)CO排放有十分明顯的增加，說明進(jìn)氣流量的減少對(duì)柴油機(jī)CO排放有一定影響。

圖3　CO體積分?jǐn)?shù)隨進(jìn)氣流量變化曲線

3.2.3HC隨進(jìn)氣流量的變化

防爆柴油機(jī)排放的HC隨進(jìn)氣流量的變化曲線如圖4所示。從圖4可以看出，進(jìn)氣口的改變對(duì)防爆柴油機(jī)的HC排放量的影響是十分復(fù)雜的。在1/4和1/8進(jìn)氣口的情況下，柴油機(jī)的HC排放量是波動(dòng)的；在有負(fù)荷的情況下，雖然個(gè)別工況HC體積分?jǐn)?shù)有所增加，但是大部分情況下HC排放量還是有所減少；在1/16進(jìn)氣口的情況下，HC排放量的趨勢是總體增加的，HC排放量的波動(dòng)十分明顯，這是由于進(jìn)氣流量減小，混合物濃度過濃，造成燃料不能完全燃燒，導(dǎo)致HC排放量增加[5]。

圖4　HC體積分?jǐn)?shù)隨進(jìn)氣流量變化曲線

3.2.4煙度隨進(jìn)氣流量的變化

防爆柴油機(jī)煙度隨進(jìn)氣流量的變化曲線如圖5所示。從圖5可看出，進(jìn)氣口改變對(duì)防爆柴油機(jī)煙度有一定影響，會(huì)在一定程度上增加煙度的排放量，但是影響并不大，產(chǎn)生的煙度百分比變化不明顯。

圖5　煙度隨進(jìn)氣流量變化曲線

4結(jié)語

通過試驗(yàn)討論了進(jìn)氣流量對(duì)防爆柴油機(jī)動(dòng)力及排放性能的影響。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，改變進(jìn)氣口的大小即改變防爆柴油機(jī)的進(jìn)氣流量對(duì)防爆柴油機(jī)動(dòng)力和排放性能有一定的影響：① 通常柴油機(jī)進(jìn)氣流量是過量的，在進(jìn)氣口減小到一定程度之前，進(jìn)氣流量對(duì)防爆柴油機(jī)動(dòng)力和排放性能的影響都不明顯。② 當(dāng)進(jìn)氣口減小到一定程度時(shí)，進(jìn)氣流量對(duì)防爆柴油機(jī)有一定的影響，動(dòng)力性略有降低，除NOx排放量明顯降低、HC適量降低外，其余排放物都有一定的增加。將進(jìn)氣口面積減小到原進(jìn)氣口面積的1/8～1/4時(shí)，既滿足動(dòng)力性要求，又滿足排放要求。③ 當(dāng)進(jìn)氣口過量減小時(shí)，進(jìn)氣流量對(duì)防爆柴油機(jī)性能有明顯的影響，防爆柴油機(jī)動(dòng)力性明顯降低，除了NOx排放量降低外，其余氣體排放量都大幅度升高，尤其是CO排放量增加十分明顯。

在實(shí)際生產(chǎn)中，要保持防爆柴油機(jī)進(jìn)氣口的暢通，時(shí)常清洗，防止進(jìn)氣口堵塞，避免由于進(jìn)氣流量過量減少而使防爆柴油機(jī)動(dòng)力性過分降低，以至于因不能滿足生產(chǎn)需求造成停機(jī)，引發(fā)事故。

參考文獻(xiàn)：

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[4]許洪軍,曹會(huì)智,劉伍權(quán),等. 柴油機(jī)尾氣氮氧化物的機(jī)外凈化技術(shù)研究(一)[J].內(nèi)燃機(jī),2004(6):36-38.

[5]張翠平,王鐵.內(nèi)燃機(jī)排放與控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

The effect of air intake flow on power and emission performances of explosion-proof diesel

ZHANG Yudong,ZHANG Cuiping,ZHANG Ruiliang,SUN Xiuquan,LI Qiangqiang,SUN Dandan

(College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

Abstract：In order to improve working environment of underground coal miners and reduce emissions of pollutants such as NOspan, CO, HC, etc., power and emission performances of a certain type of explosion-proof diesel under different air intake flow were studied according to working environment of explosion-proof diesel and emission regulations, and the appropriate air intake flow of explosion-proof diesel was determined. The test results show that reducing air intake flow will reduce power performance of explosion-proof diesel, and increase smoke slightly, but it will also reduce the emissions of NOspan.

Key words:explosion-proof diesel; air intake flow; power performance; emission performance

中圖分類號(hào)：TD684

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-03-07 15:14

作者簡介：張鈺棟(1990-)，男，山西夏縣人，碩士研究生，研究方向?yàn)榉辣裼蜋C(jī)，E-mail:517285790@qq.com。通信作者：張翠平(1964-)，女，山西萬榮人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的分析，E-mail:zhangcp64@163.com。

基金項(xiàng)目：山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(MJ2014-14)。

收稿日期：2015-11-20；修回日期：2016-01-04；責(zé)任編輯：胡嫻。

文章編號(hào)：1671-251X(2016)03-0021-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.03.005

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160307.1514.005.html

張鈺棟，張翠平，張瑞亮，等.進(jìn)氣流量對(duì)防爆柴油機(jī)動(dòng)力及排放性能的影響[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(3)：21-24.