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(jī)動(dòng)力裝置，在正常運(yùn)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(dá)到非道路國(guó)Ⅲ及以上。為滿足該要求，在本公司現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，公司聯(lián)合某礦用機(jī)械公司開(kāi)發(fā)國(guó)內(nèi)首款高壓共軌柴油煤礦用發(fā)動(dòng)機(jī)，這款發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率為60kW，最大扭矩260N·m，滿足《MT220-2006 防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》設(shè)計(jì)要求，防爆發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)表溫低于150℃，防爆后發(fā)動(dòng)機(jī)排放達(dá)到非道路國(guó)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(jī);高壓共軌;非道路國(guó)Ⅲ排放;整機(jī)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(hào)：S219.031? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）18-0063-03

0? 引言

在國(guó)家低碳環(huán)保及藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的政策引導(dǎo)下，國(guó)家對(duì)汽車排放法規(guī)要求越來(lái)越嚴(yán)格，國(guó)家對(duì)煤礦柴油機(jī)動(dòng)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(kāi)發(fā)一款全新礦用防爆柴油機(jī)產(chǎn)品的必要條件。高壓共軌增壓中冷柴油機(jī)具備高功率、低油耗、低排放，且整套燃油系統(tǒng)受ECU控制，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)必然會(huì)成為未來(lái)礦用防爆柴油發(fā)動(dòng)機(jī)未來(lái)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的主流產(chǎn)品。為了更好的推動(dòng)企業(yè)開(kāi)發(fā)節(jié)能環(huán)保煤礦防爆柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，2018年12月28日發(fā)布國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局文件【煤安監(jiān)技（2018）38號(hào)】要求，對(duì)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(duì)井下環(huán)境造成嚴(yán)重污染的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，自2020年12月28日起禁止使用。對(duì)煤礦用柴油機(jī)排放限值應(yīng)滿足三階段非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)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(dòng)機(jī)的主要參數(shù)和開(kāi)發(fā)目標(biāo)

發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)《MT220-2006防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》中的防爆結(jié)合面、排氣道壁厚通過(guò)改進(jìn)缸蓋進(jìn)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(guò)流動(dòng)分析水套的冷卻效果，評(píng)估缸體、缸蓋流動(dòng)分布情況和換熱效率，以及可能存在的流動(dòng)死區(qū)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋水套流場(chǎng)速度分布及缸蓋CFD進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖1和圖2所示，缸蓋水套流場(chǎng)速度分布均勻，各缸火力面排、進(jìn)側(cè)鼻梁區(qū)均滿足設(shè)計(jì)要求HTC>10000W/m2k。

在發(fā)動(dòng)機(jī)高速高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣端及增壓器渦輪端最高溫度可達(dá)到500℃以上，為滿足防爆處理后的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)表面溫度小于150℃要求，對(duì)增壓器渦輪端及排氣歧管外加水冷裝置，在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)外接水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，外部水冷系統(tǒng)對(duì)增壓器渦輪端、排氣系統(tǒng)等高溫零部件進(jìn)行冷卻，在發(fā)動(dòng)機(jī)高速高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，對(duì)外接水冷裝置后的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣端及增壓器渦輪端溫度進(jìn)行實(shí)際測(cè)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(jī)最高溫度點(diǎn)為增壓器與排氣歧管連接的法蘭面，整機(jī)最高溫度為142℃，滿足防爆設(shè)計(jì)要求;由于增壓器渦輪端增加了水冷裝置，增壓器在使用過(guò)程中會(huì)受到冷熱沖擊，在冷熱沖擊條件下，對(duì)增壓器進(jìn)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(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足要求。

為滿足防爆后發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求，對(duì)增壓器增壓能力進(jìn)行分析，增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)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(dòng)機(jī)進(jìn)氣能力可滿足性能設(shè)計(jì)要求。

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

基于共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒機(jī)排放數(shù)據(jù)標(biāo)定經(jīng)驗(yàn)，在典型工況和排放權(quán)重點(diǎn)工況，使用平臺(tái)數(shù)據(jù)的HFM轉(zhuǎn)化曲線標(biāo)定，標(biāo)定HFM測(cè)量值的修正系數(shù)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)空氣量與臺(tái)架實(shí)測(cè)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(guò)標(biāo)定燃油噴射策略，高壓共軌軌壓，發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)噴1油量，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的排放、油耗、性能和煙度等特性，經(jīng)過(guò)分析對(duì)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(dòng)機(jī)。

根據(jù)《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第三、四階段）（GB 20891-2014）》規(guī)定的排放物測(cè)量方法，對(duì)防爆處理后發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架NRSC及NRTC排放測(cè)量，該防爆處理后的發(fā)動(dòng)機(jī)排放結(jié)果可滿足非道路國(guó)Ⅲ排放要求（如表3發(fā)動(dòng)機(jī)排放結(jié)果）。

4? 結(jié)論

本論文基于發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)理論分析、燃燒數(shù)據(jù)分析及臺(tái)架測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放結(jié)果進(jìn)行研究，提出了高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在防爆領(lǐng)域中應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)路線：①通過(guò)對(duì)高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、增壓器總成及進(jìn)排氣系統(tǒng)等相關(guān)零部件優(yōu)化分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，保證防爆處理后的發(fā)動(dòng)機(jī)滿足《MT220-2006防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》要求;②通過(guò)在典型工況和排放權(quán)重點(diǎn)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(dòng)機(jī)滿足非道路國(guó)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(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用提供一定的借鑒及參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙昌普，宋崇林，李曉娟，等.燃油系統(tǒng)參數(shù)與柴油機(jī)燃燒及排放影響研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2008，26（6）：505-512.

[2]殷玉恩，康彥紅，劉勝，等.基于CFD的柴油排氣道仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].柴油機(jī)，2010，32（5）：31-33.

[3]Klar，H; Klages，B; Gundel， D.? Automation of Model-Based Calibration in Engine Development. Berlin：Expert Verlag 2011.