基于不同標準對防爆柴油機排放性能試驗對比分析

宋坤昊

（1.河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000；2.河北邁安檢測服務有限公司，河北 邢臺 054000）

1 概 況

目前我國防爆柴油機認證執(zhí)行標準為MT990-2006《礦用防爆柴油機通用技術條件》，其對尾氣排放的要求較低，內(nèi)容也不夠完善，難以滿足日益嚴格的環(huán)保法規(guī)要求。為此，2019 年3 月，我國發(fā)布了關于煤礦井下防爆柴油機排放性能必須符合《GB 20891-2014 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》標準的規(guī)定，促使國內(nèi)防爆柴油機全面升級，進入國三時代。相比而言，國外非道路柴油機排放法規(guī)的制定和實施起步較早，內(nèi)容更加完善，技術也更加成熟，因此，本文對國際排放標準與國內(nèi)標準進行對比分析和研究，找到我國與國外排放標準之間的差異，以期更好地促進我國煤礦井下防爆柴油機的發(fā)展。

2 國內(nèi)外排放標準限值要求對比

通過調(diào)研，本文列出了我國、澳大利亞、美國、印度在煤礦井下防爆柴油機排放標準限值的要求，具體見表1 和表2。

表1 國外防爆柴油機排放限值要求對比Table 1 Comparison of foreign explosion-proof diesel engine emission limit requirements

表2 我國防爆柴油機排放限值要求Table 2 Emission limit requirements of explosion-proof diesel engine in China

從表1、表2 對比發(fā)現(xiàn)，各個國家執(zhí)行標準對排放污染物的要求主要體現(xiàn)在CO、HC、NOx、PM四個方面，由于各個國家測量方法不同，計量單位也不盡相同，我國和澳大利亞排放計量單位為g/kWh，而印度使用的計量單位為ppm，美國在CO 和NOx 方面采用的是百分比，在PM 方面采用mg/m3。在HC 排放標準中美國和印度均無要求，且印度在PM排放標準中也無要求，而美國在排放標準中專門針對柴油機的用途分別列出了不同情況下的排放限值。

從表2 可看出我國在CO、HC、NOx、PM 四大方面都有嚴格的要求，且分為3 種不同的功率段，每個功率段對CO、HC、NOx、PM 要求各不相同，并且在PM排放要求方面，我國比其他3 個國家要求更高，由此可以看出我國現(xiàn)行防爆柴油機排氣污染物的排放指標已達到國際先進水平，依據(jù)的標準法規(guī)也更加完善。

3 與澳大利亞排放標準進行對比和分析

目前，我國煤礦用防爆柴油機尾氣排放執(zhí)行《GB 20891-2014 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》標準（排放試驗不包含耐久和劣化修正）。與澳大利亞執(zhí)行標準MDG 43 相比，兩者對排放測量結果的計量單位相同，且均按照ISO 8178 標準中非恒定轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)試驗循環(huán)（NRSC） 規(guī)定的八工況進行檢測，并對測量結果進行加權計算，最終得出排放值。因此本文針對煤礦井下用防爆柴油機排氣污染物排放限值及測量方法與澳大利亞進行數(shù)據(jù)對比和分析。

此次試驗選用卡特彼勒c9 防爆柴油機，該柴油機在澳大利亞已經(jīng)做過相關的排放試驗，并有相應的試驗數(shù)據(jù)；國內(nèi)試驗基于國三排放試驗平臺，對該防爆柴油機進行尾氣排放試驗。卡特彼勒c9防爆柴油機的基本參數(shù)如下：

4 尾氣排放實驗數(shù)據(jù)對比與分析

為了體現(xiàn)一致性，此次實驗選用的卡特彼勒c9 防爆柴油機主要組成部分與其在澳大利亞檢測實驗室采用的相同，主要包含進氣系統(tǒng)（進氣管、進氣阻火器、空氣關斷閥）、排氣系統(tǒng)（排氣管、水冷增壓器、廢氣凈化水箱、排氣阻火器）、冷卻系統(tǒng)及電控燃油噴射系統(tǒng)，所用柴油為0 號柴油，所用機油為15W-40 號柴油機油，同時試驗條件完全滿足ISO 8178 規(guī)定要求。本文基于澳大利亞測試環(huán)境對測試環(huán)境參數(shù)微調(diào)，詳見表3。

表3 試驗平臺內(nèi)環(huán)境參數(shù)Table 3 Environmental parameters in test platform

4.1 負載速度特性試驗

通過試驗數(shù)據(jù)分析，負載速度特性曲線對比如圖1 所示。

圖1 中國- 澳大利亞柴油機外特性曲線對比Fig.1 Comparison of external characteristic curves of China-Australia diesel engines

當柴油機噴油泵在最大供油量時，其功率、扭矩隨轉(zhuǎn)速而連續(xù)變化的表現(xiàn)稱之為發(fā)動機速度特性。從圖1 可看出，防爆柴油機輸出功率隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，在轉(zhuǎn)速1 000～1400 prm 時，輸出功率幾乎為線性增長；在轉(zhuǎn)速1 600～2 200 prm時，輸出功率基本保持不變；在轉(zhuǎn)速1 000～1 600 prm 時，防爆柴油機的扭矩隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。在高轉(zhuǎn)速工況下，扭矩開始降低，這說明在轉(zhuǎn)速增加的過程中，柴油機內(nèi)的負載能力先增加后降低，符合柴油機燃油消耗規(guī)律，即在低轉(zhuǎn)速工況下柴油機的工作效率較低，隨轉(zhuǎn)速提高工作效率有所提高，但隨著高轉(zhuǎn)速工況進一步上升，柴油機的工作效率有所下降。

圖1 顯示中澳2 個不同實驗室中尾氣排放測試的發(fā)動機功率和扭矩的曲線整體變化基本一致，額定轉(zhuǎn)速、最大扭矩轉(zhuǎn)速及怠速基本相同，按照ISO8178 標準要求，兩國排放性能試驗的8 個工況一致，具體見表4。

表4 非恒定轉(zhuǎn)速NRSC 測試循環(huán)Table 4 Non-constant speed NRSC test cycle

4.2 排放結果對比與分析

邢臺實驗室主要由西門子電力測功機系統(tǒng)、AVL 氣態(tài)污染物采樣分析系統(tǒng)、CVS 全流稀釋采樣系統(tǒng)、顆粒物控制及稱重系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、冷卻恒溫系統(tǒng)及燃油控制系統(tǒng)組成，特定試驗條件由全室空調(diào)控制，能滿足GB 20891 對尾氣性能試驗的檢驗要求。兩國尾氣排放結果數(shù)據(jù)見表5。

表5 中國與澳大利亞試驗結果Table 5 Test results of China and Australia

通過表5 中數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，在試驗環(huán)境及測試工況保持一致的情況下，同一柴油機在中澳兩國各自實驗室設備上測出的結果差別不大，充分證明了我國現(xiàn)階段對防爆柴油機排放性能的檢驗方法及實施手段已達到了國際先進水平。

5 結 語

中國與澳大利亞兩國在防爆柴油機排放檢測依據(jù)標準、控制指標、檢測方法及實施手段等多方面存在很多共同點，通過同一防爆柴油機排放試驗結果的對比分析，可以看出我國現(xiàn)階段防爆柴油機排放性能檢驗依據(jù)標準及檢測方法和手段已經(jīng)達到國際先進水平，為未來開展防爆柴油國際互認，推進行業(yè)國際化進程提供了依據(jù)。