防爆膠輪車柴油機臺架試驗測試分析

王富強

(中煤科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

防爆柴油機無軌膠輪車是一種以柴油機為動力、液力機械傳動的煤礦井下無軌式運輸機械，主要用于巷道坡度不超過25°的有瓦斯煤礦井下運輸作業,具有結構緊湊、操作方便、轉彎半徑小、爬坡能力強、污染低、運輸效率高等特點。

近期多臺某型號無軌膠輪車在礦作業時頻繁出現膠輪車動力不足，發動機冒黑煙的情況。為對該批車輛出現上述故障的原因進行系統診斷和深入研究分析，對這批車輛進行了臺架試驗，找出了故障原因，為后續的改進設計提供技術支持。

1 膠輪車的結構組成

煤礦井下無軌膠輪車通常由動力系統、傳動系統、液壓系統、前機架、后機架、車廂、電氣系統、氣啟動系統等部分組成,其結構如圖1所示。

膠輪車動力系統由柴油機、廢氣處理箱、廢氣波紋管、進氣波紋管、進氣箱、水油散熱器、空氣濾清器等組成，如圖2所示。其中，柴油機是動力系統的關鍵元部件，其性能直接影響到整車的動力性能和行車可靠性。

1-動力系統;2-前車架;3-傳動系統;4-轉向制動液壓系統;5-行駛液壓系統;6-電氣系統;7-后車架;8-車廂；9-氣啟動系統。

1-水油散熱器;2-防爆柴油機;3-進氣波紋管;4-防爆進氣箱;5-空氣濾清器;6-防爆廢氣處理箱;7-廢氣波紋管。

2 膠輪車故障現象及可能原因分析

本批膠輪車在煤礦井下使用過程中，在坡度小于8°時便發生整車動力不足，發動機冒黑煙現象，這與整車設計出廠的爬坡能力可達14°不相符。經過仔細排查與研究分析，排除整車傳動系統的變矩器和變速箱故障的可能性，初步判斷為柴油機本身出了故障。

根據柴油發動機動力不足，冒黑煙故障的經驗分析，常見的故障原因包括以下幾種。

2.1 進排氣系統原因

1) 進排氣系統漏氣，包括：

(1) 增壓器后端進氣管路密封不良漏氣(膠管與金屬管連接部分、中冷器連接管路，中冷器沙眼或裂紋)。

(2) 排氣管路密封不良漏氣(排氣管路連接接口墊漏氣)。

(3) 進氣補償管(真空管)漏氣(連接進氣管和噴油泵兩端接頭密封失效，漏氣，進氣補償管有裂紋或斷裂)。

2) 進排氣系統堵塞，包括：

(1) 空濾器濾芯堵塞。

(2) 進氣管路堵塞(進氣管路彎折角度過大、彎折部分過多，造成進氣負壓過大；進氣膠管在增壓壓力過大時吸癟，或內部脫層起皮造成進氣堵塞)。

(3) 排氣管路、消音器積碳堵塞，排氣制動閥未完全關閉。

3) 增壓器故障。增壓器葉輪掃膛，軸向間隙、徑向間隙過大，造成增壓壓力不足。

2.2 燃油系統原因

1) 燃油系統堵塞，包括：油箱堵塞(進油管、通氣管、回油管堵塞)；低壓油路堵塞(油箱至輸油泵之間管路壓扁、彎折)；燃油濾清器堵塞。

2) 燃油壓力不足，包括：輸油泵故障(止回閥密封不良內部泄漏，造成提升壓力不足)；回油閥故障(彈簧壓力降低或斷裂、球體卡滯，造成泄壓，燃油供給壓力降低)。

3) 噴油泵故障或調整故障，包括：

(1) 油門拉線調整不當(油門拉桿不能達到高速限位螺釘，造成無法達到最大供油量)。

(2) 停油拉線調整不當(停油拉桿不能完全回位，造成油量不能完全輸出，處于半供油半停油狀態，供油量不足)。

(3) 噴油泵故障。

2.3 噴射系統、配氣系統、汽缸壓力原因

1) 噴油器故障。針閥磨損、卡滯，造成燃油霧化不良、噴射壓力降低，燃油燃燒不良。

2) 配氣機構故障。氣門間隙誤差過大，影響氣缸換氣效果、空燃比，燃油燃燒不良。

3) 氣缸壓縮壓力不足。活塞環對口、活塞環無間隙、活塞環與缸套磨損、氣門與座圈漏氣。[1-5]

3 膠輪車柴油機臺架試驗測試

經過研究與論證，排除了傳動系統的變矩器和變速箱故障的可能性，初步判斷為柴油機故障，故對柴油機進行發動機臺架試驗。

3.1 柴油機臺架試驗測試儀器

柴油機臺架試驗測試儀器如表1所示。油耗儀、數據采集儀、發動機控制儀、油門勵磁驅動單元、電渦流測功機采用湘儀動力測試儀器有限公司設備，全自動煙度計采用佛山市佛分環保儀器有限公司生產。

表1 臺架試驗用測試儀器

3.2 柴油機臺架試驗測試

在試驗測試之前，首先更換了新的空氣濾清器，對進排氣系統通道進行檢查，確保進排氣系統通暢，同時對氣門間隙進行了測定也符合設計規范。

設計標定的發動機性能參數如表2所示。

表2 設計發動機標定性能參數

試驗內容包括兩項：驗證市場返回機型原始性能；更換美國stanadyne泵性能測試。

試驗采用符合GB 17691—2005附錄C規定的0#柴油，符合GB 11122—2006規定15W/40 CF-4級柴油機油，試驗邊界條件如表3所示。

表3 臺架試驗試驗邊界條件

在供油提前角為4.5°CA時，測得發動機性能參數如表4所示。對照表2可見，在標定工況下，發動機功率明顯達不到設計功率；油耗達到255 g/kWh，高于設計油耗；煙度超標。在扭矩工況下，扭矩為355 Nm，低于設計要求；煙度同樣超標。

表4 供油提前角為4.5°CA時性能參數

初步推測，供油提前角為4.5°CA時，扭矩偏低，煙度超標是出現發動機冒黑煙，動力不足的主要因素。柴油機的供油提前角偏小，燃油噴入氣缸時錯過了最佳時機，使柴油機后燃增多，大量燃油還未充分燃燒便被排出氣缸，導致冒黑煙。供油提前角偏小除了會導致柴油機冒黑煙外，還會導致排氣溫度高，柴油機整體溫度高，柴油機因后燃增多而過熱，柴油機功率不足，燃油消耗量明顯增加。

提高供油提前角為6°CA，測得發動機性能參數如表5所示[6-8]。對照表2可見，在標定工況下，發動機各項性能參數符合要求。在扭矩工況下，發動機各項性能參數也符合要求。

表5 供油提前角為6°CA時性能參數

圖3所示為柴油機在供油提前角分別為4.5°CA和6°CA時的功率曲線。由圖3可知,供油提前角為6°CA時的功率曲線明顯優于供油提前角為4.5°CA時的功率曲線，柴油機在各個轉速下均可獲得較好的功率輸出。

圖3 功率曲線

圖4所示為柴油機在供油提前角分別為4.5°CA和6°CA時的煙度曲線。由圖4可知,供油提前角為6°CA時的煙度曲線隨著轉速的提高呈現下降趨勢，轉速大于1 300 r/min時，煙度曲線近似水平；而供油提前角為4.5°CA時的煙度曲線呈現先上升后下降趨勢，且在轉速為1 600 r/min時達到最大。可見，供油提前角為6°CA時的煙度曲線明顯較優。

圖4 煙度曲線

圖5所示為柴油機在供油提前角分別為4.5°CA和6°CA時的油耗曲線。由圖5可知,供油提前角為6°CA時的油耗曲線呈現V字形，轉速在1 800 r/min時油耗最低；而供油提前角為4.5°CA時的油耗曲線呈近似水平，且在6°CA時的油耗曲線上方。可見，供油提前角為6°CA時擁有更低的油耗。

圖5 油耗曲線

圖6所示為柴油機供油提前角分別為4.5°CA和6°CA時的扭矩曲線。由圖6可知,供油提前角為6°CA和4.5°CA時的扭矩曲線走勢相似，轉速在1 600 r/min扭矩達到最大，但在供油提前角為6°CA時擁有更大扭矩。

4 測試結果

通過測試分析可知,這批柴油機動力不足，冒黑煙主要是由于供油提前角偏小造成的。

本次試驗中發現，即使供油提前角調整合適，煙度值也僅僅是達標，要想減少柴油機向巷道內的尾氣排放，得從柴油機的結構優化改進著手。同時，本次試驗測得的發動機功率為裸機功率，在發動機進行防爆處理后，其功率會有很大的損失，后續測得實際防爆后發動機功率約為70 kW。因此，如何在提高發動機功率，增加發動機扭矩的同時，降低發動機尾氣排放，降低發動機油耗，成為未來防爆柴油機的發展方向。目前主要有兩種方式：一種是采用高壓共軌電噴技術，一種是采用四氣門增壓中冷技術。目前對四氣門增壓中冷技術的研究已取得一定的進展，其扭矩可提高15%，煙度可降低為0.6 Bosch，油耗可降低13%，與傳統柴油發動機相比，優勢明顯。

圖6 扭矩曲線

5 結論

柴油機是無軌膠輪車的主要動力源，其運行的可靠性直接影響無軌膠輪車的正常運輸作業，近期多臺某型號無軌膠輪車在礦作業時頻繁出現膠輪車動力不足、發動機冒黑煙的情況，排除了傳動系統的變矩器和變速箱故障的可能性后，針對性地對柴油機進行了臺架試驗測試，在測試過程中發現供油提前角偏小是造成膠輪車動力不足，發動機冒黑煙主要原因，為后續無軌膠輪車的發動機調校提供了實驗數據。

但在實驗過程中，也發現傳統柴油機存在動力偏弱、尾氣排放的煙度較高、油耗較大等諸多缺點。因而，需要繼續深入研究和研發新型高效節能環保發動機，以提升無軌膠輪車的整機性能。