WC55Y型支架車電噴化升級及排放性能比較

王連柱

(山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

隨著煤礦開采效率越來越高，深度逐漸加深，輔助運輸距離也逐漸加長，以柴油機為動力的輔助運輸的車輛逐年增加，尾氣污染越來越嚴重，已經影響到了井下工人的工作環境。本著以人為本的生產理念，國家煤礦安全監察局于2018年12月28日下發文要求，排氣標準在國二及以下的防爆柴油機，自發布之日起禁止新選用、采購，在用設備自發布之日起2年后禁止使用，要求使用排放標準達到國三及以上的柴油機[1]。2019年3月27日，國家安標中心發布《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)》中規定的國三及以上排放限值的要求[2]。

而目前，國內大部分煤礦在用以柴油機為動力的設備均無法達到國三排放要求。2年內完全淘汰，必將導致極大的浪費，而車輛動力系統的改造升級就成了一項快速有效的解決方式。

1 新規之前的防爆柴油機排放現狀

依據新規之前的行業標準，新裝配的礦用柴油機，在正常運行條件下，在標定輸出功率的范圍內，吸入空氣成分中CH4含量為零時，未經稀釋的排氣中CO、NOx的排放濃度不得超過下列允許限值,即CO為1 000 ppm，NOx為800 ppm[3]。該標準僅對CO和NOx的體積濃度要求作出了限制，并且要求較低，未考慮到碳煙排放對環境造成的影響，對發動機的功率段以及檢測工況也未作出要求。總體來說,排放要求較低，監控的排放數據不夠全面，檢測方法相對單一，已經不能滿足井下的環保要求。

目前，國內在用的無軌膠輪車均滿足上述標準，以前使用的礦井較少，數量也不多，排放物能夠快速地稀釋，對井下空氣的污染相對較小。但隨著車輛使用數量越來越多，甚至某些礦井在用車輛已經超過100臺，原有的風量已經不能快速稀釋如此多的排放物，經常導致CO濃度超標報警，同時也極大地影響了井下工人的身心健康。

2 防爆柴油機排放降低的技術方案

無軌膠輪車的防爆發動機多采用的機械式噴油泵來控制噴油,其特點是機體大，排放差，無法根據車輛實時運行的參數，精確控制噴油量和噴油壓力，導致柴油在氣缸內燃燒不充分，進而使排放污染物增多[4-5]。

為提高防爆柴油機的排放性能，渦輪增壓技術、進氣中冷技術、電控噴油技術等相繼應用。尤其是防爆電噴柴油機的研發成功，使得排放污染物大幅降低，達到了國三排放標準的要求。電噴技術是集機、電、磁、液于一體的高新技術，將電子與通信技術應用于傳統的柴油機上，提高燃油噴射壓力，精確控制噴油，霧化效果更加均勻，從而實現對噴油定時和噴油量的實時控制，對柴油機的噴油系統及燃燒組織進行了優化，進而在很大程度上改善了防爆柴油機燃油消耗大、尾氣排放嚴重等問題[6-7]。

3 WC55Y型支架車的改造方案

中煤華晉王家嶺礦在用2臺車號分別為JZ207和JZ209的WC55Y型支架搬運車，如圖1所示。安裝著型號為TDE6V132QLQFB防爆機械泵柴油機，排放污染較為嚴重。為了降低污染，現對JZ209動力系統及相關附件進行電噴化改造，見表1，選用了TDE6V132DLQFB防爆電噴柴油機，在發動機升級的同時，還相應地對車輛保護系統、電氣系統以及前后機架等結構件部分進行了升級改造，從而達到有效控制尾氣排放污染物的目的。

圖1 WC55Y型框架式支架搬運車

表1 WC55Y型電噴化改造升級配件明細

4 排放檢測試驗

為了便于對改造前后的車輛排放數據進行對比，分別對未進行改造的JZ207和改造完成的JZ209兩臺車的排放進行了檢測。

對于在非恒定轉速下工作的防爆柴油機，尾氣要按照不同轉速和負荷下的8種工況，對CO、HC+NOx、PM循環進行試驗檢測，綜合進行評定。[8]上述的檢測試驗，必須在發動機測功機上才能實現。限于現場條件，這里僅對怠速和最高轉速下，CO、NOx、PM的排放進行檢測。

4.1 檢測前的準備

為了進行檢測，這里選擇了尾氣分析儀、不透光度計、硅整流快速充電機等檢測和供電設備，型號和圖片見表2和圖2，尾氣分析儀用于檢測CO、NOx的體積濃度，不透光度計用于檢測PM的排放值，硅整流快速充電機用于為尾氣分析儀、不透光度計提供12 V的供電電壓。

啟動車輛，待發動機水溫達到90℃，然后啟動尾氣分析儀、不透光度計，部分打開排氣柵欄，將檢測儀器的傳感器頭沿柵欄縫隙插入廢氣處理箱。

4.2 檢測方法和檢測數據

在怠速工況下，轉速為820 r/min，待尾氣分析儀、不透光度計的數據顯示穩定后，每隔1 min記錄一組數據，一共記錄3組。在最高轉速(油門到底)工況下，轉速為2 200 r/min，待尾氣分析儀、不透光度計的數據顯示穩定后，每隔1 min記錄一組數據，一共記錄3組。具體檢測現場見圖3，檢測數據見表3～表6。

表2 試驗儀器設備列表

1-尾氣分析儀;2-硅整流快速充電動機;3-燃油消耗測試儀;4-不透光度計;5-不透光度計2。

圖3 WC55Y型現場檢測

表3 JZ209怠速工況下的排放檢測數據 ppm

表4 JZ209最高轉速工況下的排放檢測數據 ppm

表5 JZ207怠速工況下的排放檢測數據 ppm

表6 JZ207最高轉速工況下的排放檢測數據 ppm

表7 JZ209與JZ207怠速工況排放降低對照表

表8 JZ209與JZ207最高轉速工況排放降低對照表

WC55Y型電噴化升級改造后，發動機在怠速工況下，CO排放降低了65 ppm，降幅21.3%；NOx排放降低68 ppm，降幅30.2%；煙度降幅66.7%。發動機最高轉速工況下CO排放降低了234 ppm，降幅33.6%；NOx排放降低177 ppm，降幅68.3%；煙度降幅55.7%，見表7～表8。

2019年底電噴化改造后的WC55Y型在王家嶺礦和韓咀礦全程參與了12309、32104兩個綜采工作面的安裝和一個綜采工作面32111的回撤工作，單趟往返運輸10 km，順利完成了300余架支架的搬運任務。經現場人員反饋，發動機的尾氣排放較之前有所緩解，尤其是車輛駕駛員的感覺最為直觀，當駕駛電噴化改造和未改造的車輛時，嗆人的體感明顯不同。

限于現場的條件，不能按照GB 20891—2014的要求對車輛的排放進行檢測。但經國家拖拉機質量監督檢驗中心檢驗，TDE6V132DLQFB防爆電噴柴油機CO、HC+NOx、PM的排放量分別為1.88 g/(kWh)、3.87 g/(kWh)、0.196 g/(kWh)，達到了國三排放標準的要求。

5 結論

通過電噴化改造及其后期的應用和檢測試驗,得出如下結論：

1)采用電噴柴油機的JZ209相較于采用機械泵柴油機的JZ207，CO、NOx和煙度排放均大幅降低，在最高轉速下的降幅明顯大于在怠速工況下的降幅，最高轉速下的NOx和煙度的降幅均超過了50%，CO的降幅也超過了1/3。

2)尾氣排放的絕對數量隨著轉速的提升逐漸增加，而排放的降幅也是隨著轉速的增加而逐漸增大，車輛大部分是在高轉速范圍內運行，因此在實際運行中，尾氣排放的降幅更大。

3)此次WC55Y型電噴柴油機升級改造的成功也必將產生良好的社會效益，為市場上現存約1萬多臺滿足國二排放標準的車輛起到積極的示范性作用，為下一步大批量的以發動機為動力的井下設備升級提供了一種更為經濟和快捷的方式。