煤礦用防爆柴油機廢氣渦輪增壓器匹配參數分析

劉繼全

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 太原 030006)

無軌膠輪車作為高產高效煤礦設備之一，在世界上采煤發達國家得到了廣泛運用，極大地提高礦井的經濟效益，降低了工人的勞動強度[1-4]。無軌膠輪車的動力源現在主要有兩大類：一類是防爆電機，另一類是防爆柴油機。為了滿足長距離運輸，防爆電機驅動的膠輪車都配帶大型的防爆蓄電池，無污染是其主要優點，但蓄電池價格昂貴，井下充電困難——井下充電必須建立專門的充電站或者在地面充電；配備防爆柴油機的膠輪車卻無需使用專門的設備，可以做到隨加隨走，但主要缺點是具有污染的尾氣排放，因此開發新型低污染防爆柴油機變得尤為迫切。渦輪增壓是柴油機提高動力性減低排放的有效方法之一，煤礦井下通常是借用車用增壓器與臺架實驗結合的方法進行匹配，得到比較優秀的匹配性能結果，但太過于繁瑣費時，而且必須經過大量的實驗，耗費財力巨大，不適用于現今防爆柴油機系統開發。廢氣渦輪增壓器的合理匹配已經成為開發防爆柴油機最突出的問題[5-10]。數值方法已經成為現今設計工作的必備手段，本研究采用參數分析的方法，研究分析防爆柴油機廢氣渦輪增壓器的合理匹配，提高開發防爆柴油機系統的動力性、經濟性，縮短開發周期。

1 防爆柴油機廢氣渦輪增壓器匹配原理

在防爆柴油機廢氣渦輪增壓器匹配參數化分析研究中，假定氣體在進氣道與排氣道內壓力損失不計，氣體流速穩定不變，為穩態理想狀態，將廢氣渦輪增壓器作為一個相對獨立子系統研究，它與防爆柴油機通過壓縮空氣的流動實現能量的轉換傳遞，其最終目的是實現進氣壓力增高，提高進氣量，即：

m空氣=λ0·V氣缸·P增壓P0=π增壓·λ0·V氣缸

(1)

式中：m空氣為進入氣缸內的空氣量；λ0為空氣增壓前密度，采用標準大氣壓密度；P增壓為空氣增壓后壓力，即壓氣機出口壓力，理想狀態下等于缸內進氣壓；P0為空氣增壓前壓力，即壓氣機進口壓力，采用標準大氣壓值；π增壓為壓氣機壓比；V氣缸為氣缸容積。

廢氣渦輪增壓器由壓氣機、渦輪及中間支撐等三部分組成，它們之間是機械傳動關系。廢氣渦輪增壓器工作原理是渦輪葉輪吸收一部分防爆柴油機的廢氣能量，渦輪旋轉帶動壓氣機旋轉，壓氣機葉輪壓縮空氣，增壓進氣壓力，實現進氣量的提高。在穩態運行過程中廢氣渦輪增壓器子系統內部可以認為是理想狀態，從運動學方面分析，其渦輪轉速等于壓氣機轉速——二者同軸連接；從能量轉換分析，渦輪吸收廢氣能量等于壓氣機壓縮空氣消耗能量與機械損失之和；從流體流量分析，進入氣缸的氣體流量與排出氣缸的氣體流量相等——相同氣缸排量相同，也即通過渦輪的流量等于通過壓氣機的流量，即建立數學基本方程為：

1) 廢氣渦輪增壓器渦輪與壓氣機的轉速相等

n渦輪=n壓氣機

(2)

在穩態理想工況下，假定防爆柴油機工作循環過程轉速穩定——活塞勻速上升，排氣流速穩定，渦輪吸收能量穩定，因此渦輪轉速n渦輪保持恒定不變。因為壓氣機和渦輪同軸剛性傳動，所以兩者轉速相等保持恒定不變。

2) 廢氣渦輪增壓器子系統渦輪吸收能量等于消耗功

W壓氣機=W渦輪+W損失=W渦輪·η增壓

(3)

式中：W渦輪為渦輪吸收廢氣能量，即廢氣對渦輪做的功；η增壓為廢氣渦輪增壓器機械效率；W壓氣機為壓氣機對空氣做的壓縮功；W損失為增壓器旋轉摩擦損失的能量。

3) 通過渦輪與壓氣機的流量相等

V渦輪=V壓氣機

(4)

式中：V渦輪為通過渦輪的廢氣流量；V壓氣機為通過壓氣機的空氣流量。

空氣在進氣沖程經過壓氣機壓縮進入氣缸內，在壓縮沖程末端噴入柴油與壓縮空氣混合燃燒，排氣沖程廢氣在活塞上移的作用下排出,進入廢氣渦輪增壓器,因此可以認為進排氣系統、氣缸及增壓器工作過程中不存在漏泄的空氣,通過渦輪與壓氣機的氣體流量相等。進入氣缸內的物質燃燒前后遵守質量守恒定律，即空氣質量和柴油質量等于廢氣質量。

2 廢氣渦輪增壓器性能參數

廢氣渦輪增壓器子系統由壓氣機和廢氣渦輪共同組成。參數化分析過程中把廢氣渦輪作為一個吸收能量的元器件，根據氣缸內氣體的壓力、溫度和渦輪的效率，采用微分疊加分析計算通過渦輪的廢氣流量和廢氣對渦輪做功。把壓氣機作為一個做功元器件，根據已知的壓氣機性能曲線和廢氣渦輪做功，分析計算壓氣機出口氣體的壓力、溫度、流量。

2.1 廢氣渦輪性能參數

建立廢氣渦輪增壓器的渦輪等效模型，主要為了算出渦輪輸出功WT。

1) 廢氣渦輪當量流通面積

假定不考慮廢氣壓力波動，作為一個穩定流動狀態，把整個渦輪作為一個節流噴嘴，噴嘴中的絕熱焓降等于實際渦輪中噴嘴及工作輪的絕熱焓降之和，并假定流體不可壓縮，則其當量流通面積為

(5)

式中：SN為噴嘴環出口通流面積；SB為渦輪工作輪出口喉口面積。

2) 廢氣渦輪質量流量

徑流式渦輪廢氣的質量流量為：

(6)

式中：ρ渦輪為廢氣密度；μ渦輪為流量系數；π膨脹為修正渦輪膨脹比。廢氣渦輪流量系數可采用經驗公式，即：

μ渦輪=1.1787-1.6074/(20π膨脹-16)+

4.608e-18(π膨脹-1.01)×(π膨脹-1.05)

(7)

3) 廢氣渦輪效率

廢氣渦輪的效率是指實際過程氣體對渦輪做功與理想過程氣體對渦輪做功的最大可用能量之比，是渦輪的主要性能參數。廢氣渦輪效率經驗公式，即：

η渦輪=ηmax·(-0.105+2.685λ渦輪-

(8)

式中：ηTmax為渦輪效率的最大值；λ渦輪為渦輪氣流速比，即渦輪邊界切向流速與氣流流速比。

4) 廢氣渦輪吸收能量

一定時間t內渦輪吸收能量為

(9)

2.2 壓氣機性能參數

1) 壓氣機壓比

壓比是壓氣機出口壓力與進口壓力之比。以p0、p壓氣機表示壓氣機進口、出口壓力，即：

(10)

2) 壓氣機質量流量

流量表示壓氣機的通流能力，管道內定常流動質量流量的連續方程為：

(11)

式中：ρ壓氣機為管道中的氣體密度；V壓氣機為管道中氣體的體積流量。

3) 壓氣機轉速

壓氣機每分鐘轉速

n壓氣機=n渦輪

(12)

由于壓氣機是裝在渦輪軸上，壓氣機的轉速就是渦輪的轉速，轉速很高。

4) 壓氣機壓縮功

壓氣機對氣體壓縮功為：

(13)

5) 壓氣機效率

有用的壓縮功與輸入壓氣機的功的比值為壓氣機的效率，離心式壓氣機的η壓氣機一般為0.78～0.85。

6) 壓氣機出口空氣溫度

空氣經壓氣機壓縮后，溫度由T0升高至TK，出口溫度TK為：

(14)

式中，τ為考慮向外散熱的冷卻系數，τ=1.04～1.1。

7) 壓氣機流量特性

壓氣機的流量特性，是表示壓氣機轉速不變時，壓氣機的壓比和絕熱效率隨空氣流量的變化關系，壓氣機特性曲線大多由實驗方法得出，圖1為某增壓器壓氣機的流量特性曲線。

3 防爆柴油機氣缸熱力過程

防爆柴油機氣缸熱力過程和普通柴油機氣缸熱力過程一樣，做如下假設：氣缸中的工質是均勻的；系統內部工質不受空間影響，僅隨時間變化，符合定常、準穩態過程；不考慮氣體在高溫時的離解作用

防爆柴油機氣缸內熱力過程遵循下列基本方程，即：

1) 熱力學第一定律方程

dQ=dU+pdV

(15)

2) 質量平衡方程

dm/dφ=dm進/dφ+dm油/dφ-dm出/dφ

(16)

3) 能量平衡方程

dE/dφ=u·dm/dφ+m·du/dφ

(17)

4) 比熱力學能方程

u=f(T,α)

(18)

圖1 某壓氣機的流量特性曲線

4 程序流程

工作流程如表1所示。

表1 工作流程

5 輸出結果

將廢氣渦輪增壓器子系統模型與防爆柴油機聯接起來可進行增壓匹配模擬計算，得到以下結果：

1) 氣缸壓力、溫度隨曲軸轉角的關系；

2) 增壓壓力、空氣流量、渦輪增壓器轉速、壓氣機效率參數；

3) 防爆柴油機功率、燃油消耗率、機械效率、熱效率、最高溫度等，分別如圖2、圖3所示。

圖2 缸內壓力變化曲線

圖3 缸內溫度變化曲線

6 結論

通過開發前期的參數分析計算在柴油機選型、廢氣渦輪增壓器的選型階段縮短選型時間，節約成本，大幅度的縮短防爆柴油機系統開發的周期。目前通過參數匹配優選后的機型在臺架實驗上已經獲得理想的防爆柴油機系統的性能，在動力性、經濟性、排放性等方面優于傳統的借鑒匹配模式。

通過參數化分析計算匹配的防爆柴油機系統已裝備在膠輪車上，在煤礦井下使用，它極大地降低污染排放，提高了動力性能，改善了燃油經濟性，改善井下工作環境，降低工人勞動強度，提高整車的使用經濟性，同時也提高了膠輪車在市場中的競爭力，提高銷售量，創造更高的利潤。