礦用低污染防爆柴油機的研制

王 曉

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

1 引言

近些年我國煤礦得到了迅猛的發(fā)展，各個小煤礦經整改合并后形成了越來越多的超大型煤礦。為提高煤礦井下工作效率，無軌膠輪輔助運輸設備也得到了長足的發(fā)展。其中以防爆柴油發(fā)動機為動力的防爆車輛因其動力足，操作靈活，效率高，成本低等優(yōu)點在各個大型煤礦得到了普遍的應用。但是隨著防爆車輛在煤礦井下越來越多，很多排放較差的防爆柴油機排出的廢氣污染物也相應增大，由于煤礦井下通風較為困難，通風條件較差[1-6]。

這些污染物越聚越多造成了煤礦井下的污染，對煤礦井下的工作人員的身心健康造成了危害，使煤礦進行作業(yè)人員患頭暈眼花、嘔吐等職業(yè)病的風險加大［7-8］。因此對現有的防爆柴油機進行技術分析并研制出排放低、扭矩大的防爆柴油機是非常重要和有意義的，對煤礦井下作業(yè)環(huán)境的凈化降污也有著一定的現實意義。

各大煤礦所用防爆車輛的動力系統(tǒng)防爆柴油機多為道路柴油機防爆改造而成。由于防爆柴油機數量少，改造工藝復雜，成本高，所以防爆柴油機生產廠家少，周期長且產品型號少。這就造成了很多防爆車輛所匹配的防爆柴油機輸出動力不足且排放很差，嚴重的甚至有冒黑煙的現象。

如某煤礦所用的某型拉貨防爆車輛所用的防爆柴油機就存在此問題。這里在該車所用的自然吸氣防爆柴油機上增加水冷增壓和空-空中冷技術使新設計的防爆柴油機在保證動力的情況下排放遠遠低于國家標準規(guī)范的規(guī)定，為煤礦井下車輛提供一款低污染、高安全性的防爆柴油機[9-10]。

2 防爆柴油機參數

自然吸氣式防爆柴油機各工況下主要技術參數，如表1所示。

表1 煤礦用防爆柴油機主要技術參數Tab.1 Main Eechnical Parameters of Explosion-Proof Diesel Engine for Coal Mine

3 防爆柴油機優(yōu)化改進

3.1 優(yōu)化結構組成

原防爆柴油機基本構成為自然吸氣式防爆柴油機，如圖1所示。優(yōu)化設計是在原來的狀態(tài)下增加增壓器和空空中冷器，增壓器需進行防爆設計，在增壓器外側增加水套使其符合防爆要求和表溫要求。然后在增壓狀態(tài)基礎上更換整套進、排氣工裝（包括風扇、排氣冷卻、廢氣處理箱等）。優(yōu)化后的防爆柴油機組成，如圖2所示。

圖1 原防爆柴油機結構組成Fig.1 Structure of the Original Explosion-Proof Diesel Engine

圖2 優(yōu)化設計后防爆柴油機結構組成Fig.2 Structure Composition of Explosion-Proof Diesel Engine after Optimized Design

3.2 防爆水冷式渦輪增壓器的選型

渦輪增壓器是利用發(fā)動機排出的廢氣推動渦輪旋轉，然后帶動同軸的壓氣機的葉輪旋轉把新鮮空氣從進氣口強制吸進，提高進氣量從而達到提升燃燒效率的目的。

然而道路用渦輪增壓器的渦輪部分溫度很高，遠遠高于MT990-2006《礦用防爆柴油機通用技術條件》要求的表面溫度不超過150℃，不能滿足煤礦井下使用要求。

為滿足煤礦井下對防爆柴油機零部件表面溫度的要求，設計時渦輪增壓器的外殼采用雙層式，在兩層殼體之間引入防爆柴油機本體的冷卻水對其進行冷卻，使其滿足MT990-2006的要求。本防爆柴油機選型J80型水冷式渦輪增壓器。

3.3 中冷器的設計與選型

根據MT990-2006《礦用防爆柴油機通用技術條件》中對防爆柴油機零部件不允許使用輕金屬的要求，道路上常用的鋁制中冷器不適用于煤礦井下。防爆柴油機應選用散熱材料為銅的中冷器。

防爆式中冷器所需散熱量：Qz=GCp（ti-to），

式中：G—通過防爆式中冷器內部的氣體總量，廠家推薦0.365kg/s；Cp—通過防爆式中冷器內部氣體的比熱容，取1.009J/kg·℃；ti—氣體進入防爆式中冷器入口處的溫度；取165℃；to—氣體流出防爆式中冷器出口處的溫度；取50℃，計算可得防爆式中冷器所需散熱量Qz=42kW。

由于煤礦井下通風條件差且工況惡劣，中冷器通常布置在車頭的最前端，很容易沾染粉塵和煤泥，根據經驗應選用安全系統(tǒng)大于2的中冷器。該防爆柴油機選用散熱功率為90kW的銅制空空中冷器。

對新設計的增壓中冷防爆柴油機需先進行摸底試驗，試驗時需要測試的試驗數據有：轉速、功率、扭矩、排氣溫度、燃油進油溫度、進出水溫度、排氣背壓、進氣流量/壓差、機油壓力/溫度、油耗量、油耗率、水箱進出水溫度、表面溫度、排氣煙度等。然后對摸底試驗中測得的數據進行分析，調整防爆柴油機使其處于最佳狀態(tài)。

4 試驗裝置和試驗方法

4.1 試驗裝置

臺架試驗儀器表，如表2所示。

表2 臺架試驗儀器表Tab.2 Table of Bench Test Instruments

4.2 試驗方法

首先對原機進行性能試驗和排放試驗，然后對優(yōu)化后狀態(tài)良好的增壓中冷機型進行性能試驗，并安裝進氣柵欄工裝（其它都不變），進行外特性試驗，然后進行尾氣排放試驗。

圖3 臺架試驗現場Fig.3 Bench Test Site

4.3 試驗數據采集

試驗通過精度為≤±0.4%的GWD250型的電渦流測功機測量防爆柴油機的外特性，通過精度為0.1%排放煙度計和五組份尾氣排放儀測量防爆柴油機各個轉速下的CO和NOx排放，最后數據采集儀和電腦對測量所得的數據進行記錄和整理。

5 試驗結果與分析

原機及優(yōu)化后防爆柴油機的功率曲線對比，如圖4 所示。從圖中可以看出原機最大功率在2300 轉即最高轉速工況點。功率在1200 轉到1800 轉之間增幅較大，在低速和高速區(qū)功率較為平緩。

圖4 原機及優(yōu)化后防爆柴油機的功率曲線對比Fig.4 Comparison of Power Curves Between the Original Engine and the Optimized Engine

優(yōu)化后的防爆柴油機較原機在低速區(qū)時功率略有降低，但隨著轉速的增大功率逐漸靠近并超過原機功率，當到達高速區(qū)時優(yōu)化后的防爆柴油機的功率遠遠高于原機，防爆柴油機最大功率增幅較大。

原機及優(yōu)化后防爆柴油機的CO排放曲線對比，如圖5所示。從圖中可以看出，原機CO排放比較平緩，變化不大。原機排放最高為0.02%在1800轉工況點，最低為0在1200轉工況點。標準990-2006中規(guī)定防爆柴油機CO排放不得高于0.1%，原機在整個工況下CO排放遠遠低于標準值，所以優(yōu)化后的防爆柴油機主要工作用于使NOx化合物排放降低。優(yōu)化后的增壓中冷防爆柴油機CO 排放和原機相差不大，只是在1600轉和2000轉工況點時略有增加，在1800轉工況點時反而降低。

圖5 原機及優(yōu)化后防爆柴油機的CO排放對比Fig.5 Comparison of CO Emission Between the Original Engine and the Optimized Engine

原機及優(yōu)化后防爆柴油機的NOx排放曲線對比，如圖6 所示。從圖中可以看出，原機NOx排放隨著防爆柴油機轉動速度的增加而降低，這說明原機在高速工況下NOx排放效果較好。優(yōu)化后的增壓中冷機載各個工況點下NOx排放均得到了不同程度的降低。其中NOx排放值降的最多的工況點是在1200轉工況點，降低的最少的工況點是在1000轉和1600轉兩個工況點。但優(yōu)化后的增壓中冷防爆柴油機的NOx均符合煤礦標準的規(guī)定。

圖6 原機及優(yōu)化后防爆柴油機的NOx排放對比Fig.6 Comparison of NOx Emission Between the Original Engine and the Optimized Engine

優(yōu)化后不同提前角中冷增壓防爆柴油機排放值，如表3 所示。從表3中可以看出，提前角減少后CO排放在部分工況點略有升高，但NOx排放在11個工況點都有不同程度的降低，在（1～4）工況點NOx降幅較小，在6～10工況點NOx排放降幅較大，最高可達到55.2%，在5和11工況點略為增加。這說明減少防爆柴油機提前角，可使防爆柴油機的燃燒提前，缸內壓力和溫度降低導致NOx的大幅度減少。

表3 優(yōu)化后不同提前角中冷增壓防爆柴油機排放值表Tab.3 Emission Values of the Optimized Intercooled Explosion-Proof Diesel Engine with Different Advance Angles

6 結論

對原防爆柴油機采用增壓中冷技術、提前角的技術可以使防爆柴油機的排放得到大幅的降低。優(yōu)化后的防爆柴油機相較于原機：

（1）額定功率大幅度增大，低速時功率略有降低，保證了防爆柴油機在滿負荷工況下有足夠的動力輸出；

（2）優(yōu)化后的防爆柴油機CO排放在各個工況下變化不大，且都遠遠小于標準MT990-2006[4]所規(guī)定的0.1%；

（3）優(yōu)化后的防爆柴油機NOx排放在大部分工況下都有不同程度的降低，且降低后的排放值遠小于規(guī)定值，達到了凈化排放的目的，對煤礦井下節(jié)能減排具有現實意義。