廢氣處理水箱對防爆柴油機的性能影響

王登化 尹小定 黃瓊

摘 要：以某型防爆柴油機為例，對其進行加裝廢氣處理水箱前后的外特性和十一工況對比試驗，測出防爆柴油機輸出扭矩、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防爆柴油機動力性、排放特性與經濟性的影響。測試結果顯示：加裝廢氣處理水箱后，動力性有所降低，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%，經濟性下降。

關鍵詞：防爆柴油機；廢氣處理水箱；排放特性；動力性

中圖分類號：U467 文獻標識碼：B 文章編號：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，煤礦輔助運輸車輛在煤礦井下使用廣泛，其動力主要是防爆柴油機，然而煤礦井下由于空間有限，通風條件差，路況復雜，故對防爆柴油機的動力性、排放特性及經濟性均有一定的要求，時下，防爆柴油機一般在其排氣系統中加裝一廢氣處理水箱，布置在排氣系統最后端，對其尾氣起到凈化和降溫的目的。防爆柴油機的性能在加裝廢氣處理水箱后會受到一定程度的影響，本研究以某型防爆柴油機為例，研究加裝廢氣處理水箱后，對防爆柴油機動力性、排放特性及經濟性的影響，為廢氣處理水箱的優化明確優化方向。

1 試驗安排情況

現場試驗情況如圖1所示，試驗中所使用的儀器如下表1。試驗中通過型號為ECK500的發動機測控系統調節測功機，以使柴油機能在所需工況下穩定工作。試驗中使用奧地利AVL公司的SESAM 4.0多組份排放分析儀對柴油機排氣中的各種氣體組份進行采集和分析。

測試采用某公司型號為CKS6108QFB的防爆柴油機，表2為主要技術參數。

在試驗臺架上進行外特性試驗，并測試十一工況點排放，十一工況點情況見表3。

2 試驗情況與分析

2.1 動力性受廢氣處理水箱的影響概述

在臺架上進行外特性試驗，測得防爆柴油機的輸出扭矩、輸出功率數據，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%，轉速為2200r/min 時下降率最大，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%。簡言之，添加廢氣處理水箱后柴油機的動力性降低。

2.2 廢氣處理水箱對防爆柴油機排放特性之影響

2.2.1 廢氣排出溫度

防爆柴油機做外特性實驗，其廢氣排出溫度見圖3。根據MT990-2006《礦用防爆柴油機通用技術條件》規定：防爆柴油機廢氣排出口溫度不得超過70℃。而柴油機的排氣溫度高達550℃，所以必須由水冷排氣岐管降溫后，還要經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

在大多數工況下，防爆柴油機CO排放較低。但在高負荷工況下，由于燃料與空氣混合不均，且燃燒室內存在低溫處和局部缺氧，過量空氣系數Φa=1.2-1.3情況下，會大大提高CO排放量，試驗數據如圖4。

由圖4看出，CO質量分數在第4，7，8工況點出現峰值，第4，7，8工況點特點為各轉速下的高負荷工況。此3個工況點的CO質量分數分別增加了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工況點下影響最大。內在原因是加裝廢氣處理水箱后，排氣背壓增大，致使氣缸內殘余廢氣增加很多，燃燒加劇惡化，同時氣缸內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、低負荷工況下排放量變化很小。在第4工況點NOX排放量影響很大，NOX排放量降幅達19.5%；在第6、第7工況點NOX排放量降幅分別為8.9%、8.7%。

NO是NOX中的主要成份，富氧、高溫和足夠的反應時間是其產生條件。防爆柴油機在低負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排放量變化很小；加裝廢氣處理水箱后，在中高轉速、高負荷工況下會增加排氣阻力，致使殘余排氣在機內增加，對NOX的生成不利；缸內溫度在高轉速、高負荷工況下升高相當多，循環頻次也增多，導致排氣中NOX增多，同時應考慮到排氣背壓對NOX產生的克制效應，綜合結果為NOX排放量有一定上升。

2.2.4 HC排放情況

防爆柴油機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 防爆柴油機經濟性受廢氣處理水箱的影響情況

在轉速為1400r/min時，對防爆柴油機在臺架上進行負荷特性試驗，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；在防爆柴油機轉矩最大時，油耗率在加裝廢氣處理水箱后較先前增加4.6%。故防爆柴油機添加廢氣處理水箱后，其經濟性有一定程度下降。

3 小結

（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NOX排放在絕大多數工況下得到改善，在第4工況點，NOX排放量改善最大，NOX排放量降幅達19.5%，HC排放量有一定變化，但變化量很少；

（3）防爆柴油機加裝廢氣處理水箱后，其動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）在轉矩最大時，防爆柴油機油耗率增加4.6%。故防爆柴油機添加廢氣處理水箱后，其經濟性下降一部分；

（5）廢氣處理水箱優化設計時，應著重考慮其對防爆柴油機動力性及排放特性的影響。

參考文獻

[1] 初曉亮，李寶林，陳琳.防爆膠輪車尾氣冷卻凈化箱結構改進及試驗[J].煤礦機械，2011，32（1）：164-166.

[2] 崔希海，鄧齊齊，任建棚.防爆柴油機進排氣系統的研發[J].煤礦機械，2013（4）：202-203.

[3] 王清燕.煤礦用運輸車輛排氣防爆技術研究[D].武漢：武漢理工大學碩士論文，2013：16-19.

[4] 李強強，張翠平，張瑞亮等.冷卻凈化水箱對防爆柴油機的影響研究[J].工況自動化，2017，（3）：35-39.