廢氣處理水箱對(duì)防爆柴油機(jī)的性能影響

王登化 尹小定 黃瓊

摘 要：以某型防爆柴油機(jī)為例，對(duì)其進(jìn)行加裝廢氣處理水箱前后的外特性和十一工況對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)出防爆柴油機(jī)輸出扭矩、輸出功率與十一工況下廢氣中主要成份CO、NOX及HC含量、排氣溫度與油耗率，從而得出廢氣處理水箱對(duì)防爆柴油機(jī)動(dòng)力性、排放特性與經(jīng)濟(jì)性的影響。測(cè)試結(jié)果顯示：加裝廢氣處理水箱后，動(dòng)力性有所降低，在最大扭矩處，輸出扭矩和輸出功率均下降2.3%；CO排放量在高負(fù)荷工況下有所增加，最大增幅為24.9%；NOX排放有很大的改善，最大排放降幅為19.5%；HC排放量變化不大；排氣溫度不高于60℃，降溫效果顯著；油耗率最大增加4.6%，經(jīng)濟(jì)性下降。

關(guān)鍵詞：防爆柴油機(jī)；廢氣處理水箱；排放特性；動(dòng)力性

中圖分類號(hào)：U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-7988（2018）12-65-03

Abstract： Take a certain type of explosion-proof diesel engine as an example， The comparative test of the external characteristics and 11 working conditions before and after installing the waste gas treatment tank was carried out， The output torque， output power and CO， NOX and HC contents， exhaust temperature and fuel consumption of the main components of the exhaust gas under the condition of 11 were measured， Therefore， the influence of waste gas treatment tank on the dynamic performance， emission characteristics and economy of explosion-proof diesel engine is obtained. Test results show： After installing the waste gas treatment tank， the dynamic performance is reduced， and at the maximum torque， the output torque and output power are both decreased by 2.3%. CO emissions increased at high load conditions， with a maximum increase of 24.9%. NOX emissions have improved significantly， with a maximum emission reduction of 19.5%. HC emissions did not change much； Exhaust temperature is not higher than 60 ℃， the cooling effect is remarkable； The fuel consumption rate increased by 4.6% and the economy decreased.

Keywords： explosion-proof diesel engine； waste gas treatment tank； emission characteristics； dynamic

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-65-03

引言

目前，煤礦輔助運(yùn)輸車輛在煤礦井下使用廣泛，其動(dòng)力主要是防爆柴油機(jī)，然而煤礦井下由于空間有限，通風(fēng)條件差，路況復(fù)雜，故對(duì)防爆柴油機(jī)的動(dòng)力性、排放特性及經(jīng)濟(jì)性均有一定的要求，時(shí)下，防爆柴油機(jī)一般在其排氣系統(tǒng)中加裝一廢氣處理水箱，布置在排氣系統(tǒng)最后端，對(duì)其尾氣起到凈化和降溫的目的。防爆柴油機(jī)的性能在加裝廢氣處理水箱后會(huì)受到一定程度的影響，本研究以某型防爆柴油機(jī)為例，研究加裝廢氣處理水箱后，對(duì)防爆柴油機(jī)動(dòng)力性、排放特性及經(jīng)濟(jì)性的影響，為廢氣處理水箱的優(yōu)化明確優(yōu)化方向。

1 試驗(yàn)安排情況

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況如圖1所示，試驗(yàn)中所使用的儀器如下表1。試驗(yàn)中通過型號(hào)為ECK500的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)測(cè)功機(jī)，以使柴油機(jī)能在所需工況下穩(wěn)定工作。試驗(yàn)中使用奧地利AVL公司的SESAM 4.0多組份排放分析儀對(duì)柴油機(jī)排氣中的各種氣體組份進(jìn)行采集和分析。

測(cè)試采用某公司型號(hào)為CKS6108QFB的防爆柴油機(jī)，表2為主要技術(shù)參數(shù)。

在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行外特性試驗(yàn)，并測(cè)試十一工況點(diǎn)排放，十一工況點(diǎn)情況見表3。

2 試驗(yàn)情況與分析

2.1 動(dòng)力性受廢氣處理水箱的影響概述

在臺(tái)架上進(jìn)行外特性試驗(yàn)，測(cè)得防爆柴油機(jī)的輸出扭矩、輸出功率數(shù)據(jù)，如圖2所示。由圖2可知，添加廢氣處理水箱后，其輸出扭矩、輸出功率都有所下降；輸出扭矩平均下降率為2.7%，轉(zhuǎn)速為2200r/min 時(shí)下降率最大，為3.1%；在輸出扭矩最大處，輸出扭矩、輸出功率下降率均為2.3%。簡(jiǎn)言之，添加廢氣處理水箱后柴油機(jī)的動(dòng)力性降低。

2.2 廢氣處理水箱對(duì)防爆柴油機(jī)排放特性之影響

2.2.1 廢氣排出溫度

防爆柴油機(jī)做外特性實(shí)驗(yàn)，其廢氣排出溫度見圖3。根據(jù)MT990-2006《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》規(guī)定：防爆柴油機(jī)廢氣排出口溫度不得超過70℃。而柴油機(jī)的排氣溫度高達(dá)550℃，所以必須由水冷排氣岐管降溫后，還要經(jīng)廢氣處理水箱的降溫作用才能滿足煤礦防爆要求。由圖3得知，在經(jīng)過廢氣處理水箱后，其廢氣溫度均下降到60℃以下，滿足防爆要求。

2.2.2 CO排放情況

在大多數(shù)工況下，防爆柴油機(jī)CO排放較低。但在高負(fù)荷工況下，由于燃料與空氣混合不均，且燃燒室內(nèi)存在低溫處和局部缺氧，過量空氣系數(shù)Φa=1.2-1.3情況下，會(huì)大大提高CO排放量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4。

由圖4看出，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)在第4，7，8工況點(diǎn)出現(xiàn)峰值，第4，7，8工況點(diǎn)特點(diǎn)為各轉(zhuǎn)速下的高負(fù)荷工況。此3個(gè)工況點(diǎn)的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加了24.9%，12.8%，18.2%，可見添加廢氣處理水箱后，CO排放惡化很厲害，在第4工況點(diǎn)下影響最大。內(nèi)在原因是加裝廢氣處理水箱后，排氣背壓增大，致使氣缸內(nèi)殘余廢氣增加很多，燃燒加劇惡化，同時(shí)氣缸內(nèi)O2濃度降低，從而生成更多的CO。

2.2.3 NOX排放情況

在添加廢氣處理水箱前后，NOX排放量見圖5，從圖5中可以看出，NOX在低速、低負(fù)荷工況下排放量變化很小。在第4工況點(diǎn)NOX排放量影響很大，NOX排放量降幅達(dá)19.5%；在第6、第7工況點(diǎn)NOX排放量降幅分別為8.9%、8.7%。

NO是NOX中的主要成份，富氧、高溫和足夠的反應(yīng)時(shí)間是其產(chǎn)生條件。防爆柴油機(jī)在低負(fù)荷工況下空燃比很大，故混合氣在加裝廢氣處理水箱前后稀釋很小，因此，NOX排放量變化很?。患友b廢氣處理水箱后，在中高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷工況下會(huì)增加排氣阻力，致使殘余排氣在機(jī)內(nèi)增加，對(duì)NOX的生成不利；缸內(nèi)溫度在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷工況下升高相當(dāng)多，循環(huán)頻次也增多，導(dǎo)致排氣中NOX增多，同時(shí)應(yīng)考慮到排氣背壓對(duì)NOX產(chǎn)生的克制效應(yīng)，綜合結(jié)果為NOX排放量有一定上升。

2.2.4 HC排放情況

防爆柴油機(jī)在排氣末端添加廢氣處理水箱前后，其HC排放量見圖6。很明顯，添加廢氣處理水箱后，防爆柴油機(jī)尾氣中HC的排放量有所變化，然變化量很小，且HC排放總量很低。

2.3 防爆柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性受廢氣處理水箱的影響情況

在轉(zhuǎn)速為1400r/min時(shí)，對(duì)防爆柴油機(jī)在臺(tái)架上進(jìn)行負(fù)荷特性試驗(yàn)，得到增加廢氣處理水箱前后的油耗率，見圖7所示。由圖7很明顯看出，油耗率有所上升；在防爆柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩最大時(shí)，油耗率在加裝廢氣處理水箱后較先前增加4.6%。故防爆柴油機(jī)添加廢氣處理水箱后，其經(jīng)濟(jì)性有一定程度下降。

3 小結(jié)

（1）排氣在加裝廢氣處理水箱后降溫效果顯著，排氣溫度全工況不高于60℃，滿足煤礦防爆要求；

（2）添加廢氣處理水箱后，防爆柴油機(jī)NOX排放在絕大多數(shù)工況下得到改善，在第4工況點(diǎn)，NOX排放量改善最大，NOX排放量降幅達(dá)19.5%，HC排放量有一定變化，但變化量很少；

（3）防爆柴油機(jī)加裝廢氣處理水箱后，其動(dòng)力性有一定程度的降低，在輸出扭矩最大處，輸出扭矩、輸出功率下降率均為2.3%；

（4）在轉(zhuǎn)矩最大時(shí)，防爆柴油機(jī)油耗率增加4.6%。故防爆柴油機(jī)添加廢氣處理水箱后，其經(jīng)濟(jì)性下降一部分；

（5）廢氣處理水箱優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重考慮其對(duì)防爆柴油機(jī)動(dòng)力性及排放特性的影響。

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