共軌柴油防爆發(fā)動機的開發(fā)

馬星海 孔凡志 楊文萍 劉俊鋒 劉旗

摘要：根據(jù)《煤礦安全規(guī)程（2016）》第378條規(guī)定：井下使用礦用防爆柴油機動力裝置，在正常運行條件下尾氣排放應(yīng)當(dāng)符合有關(guān)規(guī)定，排放標(biāo)準(zhǔn)達到非道路國Ⅲ及以上。為滿足該要求，在本公司現(xiàn)有發(fā)動機基礎(chǔ)上，公司聯(lián)合某礦用機械公司開發(fā)國內(nèi)首款高壓共軌柴油煤礦用發(fā)動機，這款發(fā)動機的額定功率為60kW，最大扭矩260N·m，滿足《MT220-2006 防爆柴油機通用技術(shù)條件》設(shè)計要求，防爆發(fā)動機整機表溫低于150℃，防爆后發(fā)動機排放達到非道路國Ⅲ要求。

Abstract： According to Article 378 of the "Coal Mine Safety Regulations （2016）"： the use of mine explosion-proof diesel engine power plants in underground mines， under normal operating conditions， the exhaust emissions should meet the relevant regulations， and the emission standards should reach non-road country III and above. In order to meet this requirement， based on the company's existing engine， the company cooperated with a mining machinery company to develop the country's first high-pressure common rail diesel coal mine engine. This engine has a rated power of 60KW and a maximum torque of 260Nm. 2006 Explosion-proof Diesel Engine General Technical Requirements" design requirements， the surface temperature of the explosion-proof engine is lower than 150℃， and the engine emission after explosion-proof meets the requirements of non-road country III.

關(guān)鍵詞：防爆柴油機;高壓共軌;非道路國Ⅲ排放;整機表溫;環(huán)保

Key words： explosion-proof diesel engine;high-pressure common rail;non-road national III emission;machine surface temperature; environmental protection

中圖分類號：S219.031? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0063-03

0? 引言

在國家低碳環(huán)保及藍天保衛(wèi)戰(zhàn)的政策引導(dǎo)下，國家對汽車排放法規(guī)要求越來越嚴(yán)格，國家對煤礦柴油機動力裝置排放法規(guī)也提出新要求，高效、低碳、環(huán)保已經(jīng)成為開發(fā)一款全新礦用防爆柴油機產(chǎn)品的必要條件。高壓共軌增壓中冷柴油機具備高功率、低油耗、低排放，且整套燃油系統(tǒng)受ECU控制，對發(fā)動機燃燒優(yōu)化及排放優(yōu)化精度高、易操作，綜上，高壓共軌發(fā)動機必然會成為未來礦用防爆柴油發(fā)動機未來產(chǎn)品開發(fā)中的主流產(chǎn)品。為了更好的推動企業(yè)開發(fā)節(jié)能環(huán)保煤礦防爆柴油發(fā)動機，2018年12月28日發(fā)布國家煤礦安全監(jiān)察局文件【煤安監(jiān)技（2018）38號】要求，對于技術(shù)落后，環(huán)保性差，尾氣中有害氣體嚴(yán)重超標(biāo)，對井下環(huán)境造成嚴(yán)重污染的柴油發(fā)動機，自2020年12月28日起禁止使用。對煤礦用柴油機排放限值應(yīng)滿足三階段非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放要求如表1所示。

1? 高壓共軌柴油煤礦防爆發(fā)動機的主要參數(shù)和開發(fā)目標(biāo)

發(fā)動機主要參數(shù)和性能目標(biāo)如表2所示。

2? 高壓共軌柴油防爆發(fā)動機設(shè)計

根據(jù)《MT220-2006防爆柴油機通用技術(shù)條件》中的防爆結(jié)合面、排氣道壁厚通過改進缸蓋進排氣防爆結(jié)合面，優(yōu)化缸蓋內(nèi)部水道，并增加除氣孔，增加清砂工藝孔。通過流動分析水套的冷卻效果，評估缸體、缸蓋流動分布情況和換熱效率，以及可能存在的流動死區(qū)，對發(fā)動機缸蓋水套流場速度分布及缸蓋CFD進行分析，分析結(jié)果如圖1和圖2所示，缸蓋水套流場速度分布均勻，各缸火力面排、進側(cè)鼻梁區(qū)均滿足設(shè)計要求HTC>10000W/m2k。

在發(fā)動機高速高負荷運轉(zhuǎn)過程中，發(fā)動機排氣端及增壓器渦輪端最高溫度可達到500℃以上，為滿足防爆處理后的發(fā)動機整機表面溫度小于150℃要求，對增壓器渦輪端及排氣歧管外加水冷裝置，在發(fā)動機正常運行過程中，發(fā)動機驅(qū)動外接水泵運轉(zhuǎn)，外部水冷系統(tǒng)對增壓器渦輪端、排氣系統(tǒng)等高溫零部件進行冷卻，在發(fā)動機高速高負荷運轉(zhuǎn)工況下，對外接水冷裝置后的發(fā)動機排氣端及增壓器渦輪端溫度進行實際測量，增壓器本體表面最高溫度低于135℃，排氣歧管最高溫度低于130℃，整機最高溫度點為增壓器與排氣歧管連接的法蘭面，整機最高溫度為142℃，滿足防爆設(shè)計要求;由于增壓器渦輪端增加了水冷裝置，增壓器在使用過程中會受到冷熱沖擊，在冷熱沖擊條件下，對增壓器進行熱疲勞有限元分析，分析結(jié)果如圖3所示，該防爆后增壓器強度設(shè)計滿足要求。

為滿足防爆后發(fā)動機性能要求，對增壓器增壓能力進行分析，增壓器在發(fā)動機萬有特性中的工作區(qū)域如圖4所示，喘振余量>50%，轉(zhuǎn)速余量>25%，發(fā)動機進氣能力可滿足性能設(shè)計要求。

3? 高壓共軌柴油防爆發(fā)動機燃燒及排放數(shù)據(jù)標(biāo)定優(yōu)化

基于共軌柴油發(fā)動機燃燒機排放數(shù)據(jù)標(biāo)定經(jīng)驗，在典型工況和排放權(quán)重點工況，使用平臺數(shù)據(jù)的HFM轉(zhuǎn)化曲線標(biāo)定，標(biāo)定HFM測量值的修正系數(shù)，保證發(fā)動機實測空氣量與臺架實測空氣量偏差在±5%以內(nèi)，空氣量的瞬態(tài)跟隨性滿足NRTC排放需求;通過標(biāo)定燃油噴射策略，高壓共軌軌壓，發(fā)動機預(yù)噴1油量，發(fā)動機外特性油量等燃燒相關(guān)數(shù)據(jù)，優(yōu)化各種燃燒參數(shù)的組合，摸索發(fā)動機的排放、油耗、性能和煙度等特性，經(jīng)過分析對比，最終選擇適合的燃燒參數(shù)組合應(yīng)用于該防爆發(fā)動機。

根據(jù)《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）（GB 20891-2014）》規(guī)定的排放物測量方法，對防爆處理后發(fā)動機進行臺架NRSC及NRTC排放測量，該防爆處理后的發(fā)動機排放結(jié)果可滿足非道路國Ⅲ排放要求（如表3發(fā)動機排放結(jié)果）。

4? 結(jié)論

本論文基于發(fā)動機零部件設(shè)計理論分析、燃燒數(shù)據(jù)分析及臺架測量發(fā)動機原始排放結(jié)果進行研究，提出了高壓共軌柴油發(fā)動機在防爆領(lǐng)域中應(yīng)用開發(fā)技術(shù)路線：①通過對高壓共軌柴油發(fā)動機缸蓋、增壓器總成及進排氣系統(tǒng)等相關(guān)零部件優(yōu)化分析及試驗驗證，保證防爆處理后的發(fā)動機滿足《MT220-2006防爆柴油機通用技術(shù)條件》要求;②通過在典型工況和排放權(quán)重點工況下，優(yōu)化各種燃燒參數(shù)的組合，保證防爆處理后的發(fā)動機滿足非道路國Ⅲ排放要求;③本論文提出的技術(shù)方案可以為共軌柴油防爆發(fā)動機開發(fā)及應(yīng)用提供一定的借鑒及參考。

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