防爆柴油機(jī)的電控技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用分析

柏 陸

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)設(shè)備管理中心, 陜西 榆林719315)

隨著綜采運(yùn)輸設(shè)備的快速發(fā)展,煤礦運(yùn)輸工作效率越來(lái)越高,對(duì)各種輔助煤礦運(yùn)輸工具的技術(shù)支持服務(wù)需求迅速擴(kuò)大。然而,防爆新型柴油機(jī)配套的大量無(wú)軌燃油運(yùn)輸設(shè)備已經(jīng)使得國(guó)內(nèi)煤礦井下的大氣環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越突出,煤礦工人的人身安全也因此受到嚴(yán)重影響。目前國(guó)內(nèi)煤礦大量開(kāi)始使用無(wú)軌膠爆新型柴油車(chē),采用液壓機(jī)械方式噴射渦輪增壓的防爆燃油,而大量的無(wú)軌防爆新型柴油機(jī)都是采用自然氣的吸氣式內(nèi)燃柴油機(jī),產(chǎn)品廢氣排放低,特別是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后,柴油機(jī)的廢氣排放和燃油動(dòng)力穩(wěn)定性能?chē)?yán)重下降,在柴油車(chē)輛的一些燃油重點(diǎn)排放區(qū)域,CO也很有可能?chē)?yán)重超標(biāo)。在神東的煤礦區(qū),有不少國(guó)產(chǎn)進(jìn)口柴油車(chē)輛已經(jīng)配備了防爆液壓傳動(dòng)單體噴油器檢測(cè)系統(tǒng)(heui),雖然它的排放量和性能較國(guó)產(chǎn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不具有明顯提升優(yōu)勢(shì),但由于防爆新型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)液壓傳感器容易發(fā)生損壞,且車(chē)輛使用后期維護(hù)管理成本過(guò)高,使得大多數(shù)煤礦用戶因此不愿選擇。開(kāi)發(fā)一種廢氣排放量低、性能好、穩(wěn)定性好、成本低的新型電控高壓防爆內(nèi)燃柴油機(jī)系統(tǒng)具有重要意義。

1.防爆電控柴油機(jī)電控系統(tǒng)的功能

防爆柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)應(yīng)具有電保護(hù)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的功能，防爆機(jī)電保護(hù)系統(tǒng)是對(duì)礦山安全生產(chǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，只要其中一項(xiàng)超過(guò)mt990-2006《爆炸性柴油機(jī)通用技術(shù)條件》的要求，電氣保護(hù)系統(tǒng)能自動(dòng)停止防爆柴油機(jī)的運(yùn)行，保證礦井生產(chǎn)安全；此外，還會(huì)增加柴油機(jī)功率，減少振動(dòng)；提高噴射壓力，改善霧化效果，改善燃燒，降低油耗，減少煙塵和顆粒物排放；還可靈活精確地控制噴油時(shí)間和噴油量，降低HC和NOx排放，提高燃油經(jīng)濟(jì)性；防爆電控系統(tǒng)是電氣保護(hù)系統(tǒng)和電子燃油噴射系統(tǒng)的組合，電氣保護(hù)系統(tǒng)是電子燃油噴射系統(tǒng)，它不僅可以提高防爆柴油機(jī)的性能，減少有害氣體的排放，而且可以使防爆柴油機(jī)安全工作。國(guó)產(chǎn)電控防爆柴油機(jī)的電氣保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)品的可靠性及穩(wěn)定性很高，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.防爆柴油機(jī)電控技術(shù)的特點(diǎn)

防爆柴油機(jī)的電控系統(tǒng)共分為兩種，即電子泵和高壓共軌系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)并無(wú)優(yōu)劣之分，而且各有不同的功能，在應(yīng)用范圍和領(lǐng)域上也有較大的差異，因此，這兩種電控系統(tǒng)要分情況進(jìn)行選用。

2.1 防爆電控柴油機(jī)的型式

防爆電控柴油機(jī)的發(fā)展歷史相對(duì)漫長(zhǎng)，雖然技術(shù)不斷完善，但從其使用情況來(lái)看，仍舊存在著比較凸顯的問(wèn)題。首先,煤礦井下作業(yè)生產(chǎn)大氣環(huán)境比較惡劣,主要是由于煤塵來(lái)源距離大氣工作面較近,空氣中惰性煤塵含量增多,環(huán)境濕度必然增大,會(huì)直接增加柴油機(jī)井下排氣處理系統(tǒng)和燃油發(fā)電系統(tǒng)空氣污染的發(fā)生可能性。其次,我國(guó)精煉柴油中含硫雜質(zhì)和氧化硫含量高,為有效節(jié)約精煉成本,有的石油礦區(qū)甚至只能采用柴油局部精煉,凈化效果差。高壓煤礦共軌輪式柴油機(jī)對(duì)瓦斯油敏感,不容易重復(fù)使用,因此,選擇一種燃油變化適應(yīng)性強(qiáng)的高壓電子燃油泵系統(tǒng)作為一種電子燃油適應(yīng)系統(tǒng)，更好地符合目前我國(guó)高壓煤礦的使用需要。

2.2 防爆電控單體泵系統(tǒng)的特點(diǎn)

電控單體泵類似于燃油的機(jī)械噴射泵，它由凸輪軸和活塞產(chǎn)生高壓燃油。不過(guò)，該機(jī)組的電子泵是基于啟動(dòng)高速電磁閥來(lái)精確控制噴油量的。此外，它還具有以下特點(diǎn)：第一，電控單體泵的凸輪軸是進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)的，這就使機(jī)組泵的燃油壓力曲線具有先降后升的特點(diǎn)，預(yù)測(cè)角度靈活，噴射次數(shù)準(zhǔn)確；并且經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電控單體泵系統(tǒng)的柴油機(jī)在降低NOx生成量方面具有較為凸顯的效果，非常符合柴油機(jī)燃燒特性；此外，電控單體泵可以針對(duì)柴油燃燒過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，用霧化效果降低CO的生成量，在一定程度上保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。第二，電控單體泵的產(chǎn)生歷史雖然較短，但是基于我國(guó)的國(guó)情，需要這種系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化柴油機(jī)，因此發(fā)展十分迅速，特別是涌現(xiàn)出了南越電控、成都威特、江西志方等這樣優(yōu)秀的國(guó)產(chǎn)廠家，讓電控單體泵的發(fā)展更上一層樓，并且由于國(guó)產(chǎn)廠家產(chǎn)品生產(chǎn)的成本較低，銷(xiāo)售價(jià)格方面更有優(yōu)勢(shì)，而且維護(hù)起來(lái)也十分方便。

2.3 防爆柴油機(jī)電保護(hù)系統(tǒng)特點(diǎn)

防爆柴油機(jī)由于其特殊的柴油使用工作環(huán)境,其安全性和試驗(yàn)柴油特性是為了滿足國(guó)家煤礦安全防爆標(biāo)準(zhǔn)所必需的,防爆柴油機(jī)應(yīng)同時(shí)配備獨(dú)立的防爆保護(hù)檢測(cè)系統(tǒng),當(dāng)保護(hù)系統(tǒng)中的檢測(cè)員感到柴油表面溫度、排氣管道溫度和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)可燃?xì)怏w含油濃度明顯超標(biāo)時(shí),便自動(dòng)切斷燃機(jī)油氣,防爆試驗(yàn)柴油機(jī)完全停止正常工作。當(dāng)人體檢測(cè)檢查到人體有其他超標(biāo)項(xiàng)時(shí),電子控制系統(tǒng)就會(huì)向ECU開(kāi)關(guān)發(fā)送信息,使柴油機(jī)在爆炸試驗(yàn)中停止。在制動(dòng)系統(tǒng)中通過(guò)增加一個(gè)防爆電子制動(dòng)泵,防爆型的電控制動(dòng)柴油機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)其制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)生故障,并將系統(tǒng)故障排查數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)狡?chē)儀表板,使汽車(chē)駕駛員平時(shí)能夠快速準(zhǔn)確了解和及時(shí)排除故障,縮短駕駛車(chē)輛的系統(tǒng)故障排查空閑處理時(shí)間。

3.電子防爆柴油機(jī)的應(yīng)用

3.1 電控防爆柴油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

實(shí)際上，機(jī)械泵與電控泵發(fā)動(dòng)機(jī)在柴油機(jī)上的安裝流程幾乎沒(méi)有區(qū)別，因此當(dāng)出現(xiàn)機(jī)械泵的柴油機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，完全可以用相同的組裝方式將電控泵發(fā)動(dòng)機(jī)安裝上去，這樣完全不影響整機(jī)的結(jié)構(gòu)。基于這種情況，WC5E、WC20 R以及WC55基礎(chǔ)功能已經(jīng)成功進(jìn)行互換，這使得防爆柴油機(jī)的很多功能方面得到了明顯改善，在某些特殊工況下,特別是燃油過(guò)渡階段工況下(此時(shí)即上下開(kāi)油門(mén)和直接關(guān)閉下油門(mén)的持續(xù)時(shí)間),用大型機(jī)械燃?xì)鈬娚浔弥苯舆M(jìn)行燃?xì)獗ㄅ欧旁囼?yàn)的防爆柴油機(jī)對(duì)其排放和排出煙度的數(shù)值都比較高,采用ECU技術(shù)后,ECU的相關(guān)控制策略會(huì)對(duì)燃油入缸進(jìn)行嚴(yán)格的控制，一旦超過(guò)上限，就會(huì)進(jìn)行限制。當(dāng)然，電控防爆柴油機(jī)同樣需要定期進(jìn)行維護(hù)，保證其功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在實(shí)際操作過(guò)程中，要盡量避免多次踩油門(mén)來(lái)增加工作效率,即使沒(méi)有踩油門(mén),ECU也依然會(huì)按照操作程序的規(guī)定方法繼續(xù)噴射大量燃油,不會(huì)輕易讓汽車(chē)駕駛者一時(shí)感到渾身無(wú)力或不會(huì)產(chǎn)生大量的固體煙塵和油顆粒;電控防爆內(nèi)燃柴油機(jī)的最大CO和NOx廢氣排放總量指標(biāo)也已經(jīng)得到了廣大煤礦企業(yè)用戶的一致認(rèn)可。

3.2 防爆電控柴油機(jī)的問(wèn)題

電控防爆柴油機(jī)要想發(fā)揮作用，首先就要對(duì)其基本功能進(jìn)行設(shè)置，但由于現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法對(duì)電子泵和保護(hù)程序之間形成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，只有兩個(gè)系統(tǒng)徹底融合，協(xié)調(diào)良好，才能完全實(shí)現(xiàn)保護(hù)和防護(hù)功能。此外，安全傳感器的正常運(yùn)行也會(huì)受到一些因素的影響。即使這樣不會(huì)直接造成整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)高速燃燒,也可能會(huì)使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣噴射啟動(dòng)時(shí)間不精確,從而也會(huì)大大降低了碳排放處理效率,只有在自動(dòng)飛輪殼上預(yù)先設(shè)置一個(gè)安裝點(diǎn)的位置,使速度傳感器在自動(dòng)飛輪殼與自動(dòng)變速箱之間形成一種完全密封式的空間,才能有效率地避免因高速度運(yùn)動(dòng)傳感器安裝發(fā)生嚴(yán)重故障;由于使用防爆型的電控車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)中速度傳感器數(shù)量較多,整個(gè)電控車(chē)輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)中速度傳感器連接線路的安裝布置較為復(fù)雜,這也會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題。主要故障原因之一是每個(gè)電纜傳感器必須通過(guò)每個(gè)喇叭口分別直接進(jìn)入每個(gè)電控箱,因此我們無(wú)法同時(shí)進(jìn)行電纜線路約束化保護(hù)處理,要注意防止每個(gè)傳感器的電纜螺紋與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和泵的冷卻水傳動(dòng)回路直接發(fā)生接觸,防止導(dǎo)線電纜被堅(jiān)硬的地下水和環(huán)境侵蝕損壞,只有用鋼絲纏繞管才能保護(hù)每個(gè)傳感器的每根電纜螺紋管,且每根螺紋管也必須用鋼絲扎帶緊緊固定在電纜框架內(nèi)壁上;在防爆機(jī)械泵大型柴油機(jī)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,采用防爆機(jī)械泵大型柴油機(jī)的機(jī)械燃油充電濾清器當(dāng)作底座,研制了一臺(tái)防爆大型電控機(jī)械柴油機(jī),用戶在石油礦區(qū)進(jìn)行檢修時(shí),在采用電控控制系統(tǒng)的兩臺(tái)柴油機(jī)上分別安裝了一個(gè)帶防爆機(jī)械柴油泵的大型柴油機(jī)充電濾芯,采用這種電子滅火防爆技術(shù)控制的大型柴油機(jī)組在充電后容易迅速發(fā)生燃燒火焰導(dǎo)致停電,且對(duì)于采用這種電子滅火防爆技術(shù)控制的大型柴油機(jī)充電需要較大的機(jī)械燃油輸出流量。當(dāng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)需要加大液壓油門(mén)時(shí),通過(guò)驅(qū)動(dòng)燃油氣體濾清器的氣體燃油不能完全滿足柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的最大燃燒動(dòng)力需求,導(dǎo)致功率不足甚至熄火。因此,防爆危險(xiǎn)柴油機(jī)所用小型燃油空氣濾清器的技術(shù)要求一般應(yīng)嚴(yán)格按照產(chǎn)品使用技術(shù)說(shuō)明書(shū)要求執(zhí)行;用于爆炸危險(xiǎn)試驗(yàn)用的柴油機(jī)一般應(yīng)盡量采用單體電控泵的工作形式,為有效降低技術(shù)開(kāi)發(fā)成本,單體電控泵一般需要采用電控外置式。因此,電子傳動(dòng)防爆內(nèi)燃柴油機(jī)在正常工作時(shí)的聲音噪聲較大,與使用帶傳動(dòng)機(jī)械泵和噴射泵的內(nèi)燃柴油機(jī)在正常工作時(shí)相比沒(méi)有明顯的噪音改善。

4.應(yīng)用展望

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，柴油機(jī)的環(huán)境污染問(wèn)題正在逐步解決，與傳統(tǒng)的機(jī)械泵柴油機(jī)相比，電控防爆柴油機(jī)的NOx、CO和顆粒度等都得到了有效的降低，因此使用電控柴油機(jī)是大勢(shì)所趨，對(duì)于改善生產(chǎn)環(huán)境具有至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義。電控柴油機(jī)不僅方便工作人員借助信息技術(shù)可以方便掌控其運(yùn)行狀況，對(duì)潛在的爆炸危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)防，極大地增加了人機(jī)交互的體驗(yàn)感，還能對(duì)其他電氣設(shè)備的創(chuàng)新加入柴油機(jī)拓展了新的思路，因此，先進(jìn)的電控防爆柴油機(jī)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)軌運(yùn)輸車(chē)輛的智能化發(fā)展。

5.結(jié)語(yǔ)

在柴油機(jī)爆炸試驗(yàn)電氣保護(hù)系統(tǒng)和柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文提出了柴油機(jī)爆炸試驗(yàn)電控系統(tǒng)的組成和工作原理，通過(guò)取消保護(hù)裝置的主機(jī)控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置主機(jī)的功能，氣缸的燃油切斷功能應(yīng)由高壓噴油泵和噴油器執(zhí)行。ECU、保護(hù)傳感器、信息顯示和報(bào)警、制動(dòng)缸組成保護(hù)控制電路，與電氣保護(hù)系統(tǒng)和電子燃油噴射控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，它是與電子防爆柴油機(jī)相結(jié)合的完整的電控系統(tǒng)，為進(jìn)一步研究電子防爆柴油機(jī)電控系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。