防爆柴油機國Ⅲ排放設備的應用及研究

王淵

（河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺054000）

0 引 言

在煤礦井下輔助運輸作業中，柴油機作為重要的動力系統具有適用性強、維護成本低、輸出扭矩大及續航作業時間長等特點，在煤礦井下作業中，防止瓦斯爆炸及降低柴油機尾氣對井下作業人員健康的危害也就成了柴油機必須要改進的地方，由此而來國家發布了MT990-2006《礦用防爆柴油機通用技術條件》，為礦井使用的柴油機提供了明確的技術要求。

隨著生產工藝的進步和國家排放法規的不斷趨嚴，防爆柴油機的排放問題也逐漸被重視起來。2018年12月28日，國家煤礦安全監察局下發《國家煤礦安監局關于發布禁止井工煤礦使用的設備及工藝目錄（第四批）的通知》，淘汰排氣標準在國Ⅱ以下的防爆柴油機，要求防爆柴油機的排放標準達到國Ⅲ及以上。2019年3月27日，安標國家礦用產品安全標志中心有限公司發布《執行煤礦防爆柴油機排放新要求的安全標志管理方案》，明確指出防爆柴油機的排放性能必須符合GB20891-2014《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）》中規定的國Ⅲ及以上排放限值的要求。

隨著新標準要求的改變和防爆柴油機生產技術的改進，符合新形勢的檢驗檢測方法和設備顯得格外重要。河北煤科院檢測中心根據防爆柴油機的特殊結構和GB20891-2014《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）》的相關要求，構建了以西門子電力測功機、AVL氣態污染物采樣分析系統及CVS全流稀釋采樣系統為核心的煤礦用防爆柴油機國Ⅲ排放標準檢測系統。本文根據新標準及要求下的實際防爆柴油機廢氣成分檢驗，對這一系統進行分析和討論。

1 主要組成系統

煤礦用防爆柴油機國Ⅲ排放標準檢測系統主要由測功機系統、氣態污染物分析系統、顆粒物控制及稱重系統、進氣系統、數采箱系統、燃油控制系統、CVS全流控制系統及冷卻系統組成。

1.1 測功機系統

測功機系統主要由電力測功機和HBM扭矩儀組成。根據煤礦用防爆柴油機的功率范圍，選定了西門子電力測功機，測試功率范圍在30～400 kW，該測功機具有適應功率范圍大、精度高、維護方便成本低等特點，滿足非道路國Ⅲ測試階段的排放要求，并且可模擬瞬態試驗工況，為以后升級國Ⅳ測試階段提前做好了設備儲備。

目前國內扭矩最大的防爆柴油機的最大扭矩在1 800 Nm左右，HBM公司提供的T40B型扭矩傳感器最大測量扭矩為2 000 Nm，其精度可達1 Nm，完全滿足非道路國Ⅲ測試階段的精度要求。

1.2 氣態污染物分析系統

氣態污染物分析系統由AVL排放分析柜、AVL前置取樣器及標氣工作氣系統組成。其中AVL前置取樣器主要負責將提供分析的樣氣在標準要求的185°溫度下送進分析柜，并且起到一定的過濾除濕作用。標氣工作氣系統主要提供足夠壓力下的高純氧、氫氣、合成空氣、氮氣等工作氣及一定濃度下的丙烷、一氧化碳、一氧化氮、氧氣、二氧化碳等標準量距氣，來保證排放分析柜的正常工作和試驗數據有效性。AVL排放分析柜為此系統的核心部件，由FID、CLD、IRD及氣體分割器組成。其中FID為氫火焰離子化分析儀，測量樣氣中碳氫的含量。CLD為化學發光檢測器，帶有NO2/NO的轉化功能，測量樣氣中氮氧化物的含量。IRD為不分光紅外線吸收性分析儀，測量樣氣中一氧化碳、二氧化碳及氧氣的含量。氣體分割器配合量距氣可調配各個需要的量距氣濃度，檢驗分析儀測量的線性化狀態。

1.3 顆粒物控制及稱重系統

顆粒物控制及稱重系統由西門子采樣控制柜、顆粒物采樣箱及稱重環境倉組成。西門子采樣控制柜控制并測量樣氣通過濾紙的時間及質量，使各個工況下通過濾紙的樣氣質量符合各工況加權系數的要求。顆粒物采樣箱保證濾紙測量狀態下的溫度和濕度符合標準要求，其中壓差傳感器測量通過濾紙時的壓力差，保證取樣的有效性。稱重環境倉為其中的稱重天平提供相應穩定的溫度和濕度，稱重天平采用賽托利斯的精度為0.1μg，滿足標準的要求。

1.4 進氣系統

進氣系統主要由進氣空調、發動機空氣流量計、溫濕度變送器組成。進氣空調根據發動機空氣流量計及溫濕度變送器所反饋的進氣狀態數據來調節發動機進氣的溫度和濕度，使其符合大氣因子fa的有效性判定：

1.5 數采箱系統

數采箱系統主要由溫度傳感器、壓力傳感器及數據采集裝置構成。其主要測量發動機機油溫度、水溫、機油壓力、進氣阻力、排氣背壓等發動機工作狀態的參數及表面溫度和排氣溫度等是否符合標準要求的測量數據，并且檢測各個儀器的工作溫度，提供反饋，對儀器進行保護。

1.6 燃油控制系統

燃油控制系統包括上位油箱和瞬態油耗儀。主要的目的是提供和測量發動機消耗的燃油，使其在一定的溫度和壓力下進入燃油泵。

1.7 CVS全流控制系統

CVS全流控制系統主要由羅斯風機、稀釋過濾裝置、文丘里裝置及丙烷噴射裝置組成。羅斯風機為整個全流控制系統提供稀釋的動力。稀釋過濾裝置保證了稀釋空氣的相對潔凈和穩定。文丘里裝置通過V7.5、V15、V30、V60四個氣動閥門調節CVS全流系統的流量，可以根據發動機功率及排量的大小選擇相應的流量。丙烷噴射裝置可以對整個系統的密閉性進行檢查，檢驗在稀釋過程中是否發生泄漏。

1.8 冷卻系統

冷卻系統除了為發動機進行冷卻，提供合適的運轉條件外，也為各個檢驗設備提供冷卻。其中水恒溫冷卻系統和中冷恒溫系統可以調節發動機運轉過程中冷卻水的溫度、中冷氣溫度和中冷壓降，使檢測結果具有可溯性。

2 主要問題及解決方法

防爆柴油機與普通柴油機在構造上的主要區別在于增加了進氣阻火器、排氣凈化水箱及排氣阻火器，改變了防爆柴油機的進排氣阻力并且增加了各個法蘭面，排氣漏氣現象嚴重。且排氣凈化水箱中的冷卻凈化水在吸收了一部分顆粒物的同時也使樣氣中的水含量顯著增加，對各個采樣分析設備產生危害。

針對防爆柴油機排放的特點，做出如下解決的方法。

（1）加入進氣真空度傳感器，監測進氣阻力，在進氣阻力過大的情況下增加進氣阻火器進氣面積，使其滿足柴油機源機的要求。

（2）加入排氣背壓傳感器，測量防爆柴油機在正常的工作狀態下的排氣背壓，然后去掉排氣凈化水箱，使用排氣背壓模擬器來模擬背壓。

（3）在加入排氣凈化水箱的實驗條件下，使用CVS全流控制系統，增加稀釋比，將樣氣中的水含量降到采樣分析設備的可承受范圍內。

3 結 語

煤礦用防爆柴油機國Ⅲ排放標準檢測系統在原有的標準檢測系統中針對防爆柴油機的特點進行了相應的變化，滿足防爆柴油機國Ⅲ排放階段的檢驗要求，并且通過了中國檢測機構和實驗室強制認證（CMA），達到了業內先進水平。