共軌柴油防爆發(fā)動機的開發(fā)

馬星海 孔凡志 楊文萍 劉俊鋒 劉旗

摘要：根據《煤礦安全規(guī)程（2016）》第378條規(guī)定：井下使用礦用防爆柴油機動力裝置，在正常運行條件下尾氣排放應當符合有關規(guī)定，排放標準達到非道路國Ⅲ及以上。為滿足該要求，在本公司現(xiàn)有發(fā)動機基礎上，公司聯(lián)合某礦用機械公司開發(fā)國內首款高壓共軌柴油煤礦用發(fā)動機，這款發(fā)動機的額定功率為60kW，最大扭矩260N·m，滿足《MT220-2006 防爆柴油機通用技術條件》設計要求，防爆發(fā)動機整機表溫低于150℃，防爆后發(fā)動機排放達到非道路國Ⅲ要求。

Abstract： According to Article 378 of the "Coal Mine Safety Regulations （2016）"： the use of mine explosion-proof diesel engine power plants in underground mines， under normal operating conditions， the exhaust emissions should meet the relevant regulations， and the emission standards should reach non-road country III and above. In order to meet this requirement， based on the company's existing engine， the company cooperated with a mining machinery company to develop the country's first high-pressure common rail diesel coal mine engine. This engine has a rated power of 60KW and a maximum torque of 260Nm. 2006 Explosion-proof Diesel Engine General Technical Requirements" design requirements， the surface temperature of the explosion-proof engine is lower than 150℃， and the engine emission after explosion-proof meets the requirements of non-road country III.

關鍵詞：防爆柴油機;高壓共軌;非道路國Ⅲ排放;整機表溫;環(huán)保

Key words： explosion-proof diesel engine;high-pressure common rail;non-road national III emission;machine surface temperature; environmental protection

中圖分類號：S219.031? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0063-03

0? 引言

在國家低碳環(huán)保及藍天保衛(wèi)戰(zhàn)的政策引導下，國家對汽車排放法規(guī)要求越來越嚴格，國家對煤礦柴油機動力裝置排放法規(guī)也提出新要求，高效、低碳、環(huán)保已經成為開發(fā)一款全新礦用防爆柴油機產品的必要條件。高壓共軌增壓中冷柴油機具備高功率、低油耗、低排放，且整套燃油系統(tǒng)受ECU控制，對發(fā)動機燃燒優(yōu)化及排放優(yōu)化精度高、易操作，綜上，高壓共軌發(fā)動機必然會成為未來礦用防爆柴油發(fā)動機未來產品開發(fā)中的主流產品。為了更好的推動企業(yè)開發(fā)節(jié)能環(huán)保煤礦防爆柴油發(fā)動機，2018年12月28日發(fā)布國家煤礦安全監(jiān)察局文件【煤安監(jiān)技（2018）38號】要求，對于技術落后，環(huán)保性差，尾氣中有害氣體嚴重超標，對井下環(huán)境造成嚴重污染的柴油發(fā)動機，自2020年12月28日起禁止使用。對煤礦用柴油機排放限值應滿足三階段非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放要求如表1所示。

1? 高壓共軌柴油煤礦防爆發(fā)動機的主要參數(shù)和開發(fā)目標

發(fā)動機主要參數(shù)和性能目標如表2所示。

2? 高壓共軌柴油防爆發(fā)動機設計

根據《MT220-2006防爆柴油機通用技術條件》中的防爆結合面、排氣道壁厚通過改進缸蓋進排氣防爆結合面，優(yōu)化缸蓋內部水道，并增加除氣孔，增加清砂工藝孔。通過流動分析水套的冷卻效果，評估缸體、缸蓋流動分布情況和換熱效率，以及可能存在的流動死區(qū)，對發(fā)動機缸蓋水套流場速度分布及缸蓋CFD進行分析，分析結果如圖1和圖2所示，缸蓋水套流場速度分布均勻，各缸火力面排、進側鼻梁區(qū)均滿足設計要求HTC>10000W/m2k。

在發(fā)動機高速高負荷運轉過程中，發(fā)動機排氣端及增壓器渦輪端最高溫度可達到500℃以上，為滿足防爆處理后的發(fā)動機整機表面溫度小于150℃要求，對增壓器渦輪端及排氣歧管外加水冷裝置，在發(fā)動機正常運行過程中，發(fā)動機驅動外接水泵運轉，外部水冷系統(tǒng)對增壓器渦輪端、排氣系統(tǒng)等高溫零部件進行冷卻，在發(fā)動機高速高負荷運轉工況下，對外接水冷裝置后的發(fā)動機排氣端及增壓器渦輪端溫度進行實際測量，增壓器本體表面最高溫度低于135℃，排氣歧管最高溫度低于130℃，整機最高溫度點為增壓器與排氣歧管連接的法蘭面，整機最高溫度為142℃，滿足防爆設計要求;由于增壓器渦輪端增加了水冷裝置，增壓器在使用過程中會受到冷熱沖擊，在冷熱沖擊條件下，對增壓器進行熱疲勞有限元分析，分析結果如圖3所示，該防爆后增壓器強度設計滿足要求。

為滿足防爆后發(fā)動機性能要求，對增壓器增壓能力進行分析，增壓器在發(fā)動機萬有特性中的工作區(qū)域如圖4所示，喘振余量>50%，轉速余量>25%，發(fā)動機進氣能力可滿足性能設計要求。

3? 高壓共軌柴油防爆發(fā)動機燃燒及排放數(shù)據標定優(yōu)化

基于共軌柴油發(fā)動機燃燒機排放數(shù)據標定經驗，在典型工況和排放權重點工況，使用平臺數(shù)據的HFM轉化曲線標定，標定HFM測量值的修正系數(shù)，保證發(fā)動機實測空氣量與臺架實測空氣量偏差在±5%以內，空氣量的瞬態(tài)跟隨性滿足NRTC排放需求;通過標定燃油噴射策略，高壓共軌軌壓，發(fā)動機預噴1油量，發(fā)動機外特性油量等燃燒相關數(shù)據，優(yōu)化各種燃燒參數(shù)的組合，摸索發(fā)動機的排放、油耗、性能和煙度等特性，經過分析對比，最終選擇適合的燃燒參數(shù)組合應用于該防爆發(fā)動機。

根據《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）（GB 20891-2014）》規(guī)定的排放物測量方法，對防爆處理后發(fā)動機進行臺架NRSC及NRTC排放測量，該防爆處理后的發(fā)動機排放結果可滿足非道路國Ⅲ排放要求（如表3發(fā)動機排放結果）。

4? 結論

本論文基于發(fā)動機零部件設計理論分析、燃燒數(shù)據分析及臺架測量發(fā)動機原始排放結果進行研究，提出了高壓共軌柴油發(fā)動機在防爆領域中應用開發(fā)技術路線：①通過對高壓共軌柴油發(fā)動機缸蓋、增壓器總成及進排氣系統(tǒng)等相關零部件優(yōu)化分析及試驗驗證，保證防爆處理后的發(fā)動機滿足《MT220-2006防爆柴油機通用技術條件》要求;②通過在典型工況和排放權重點工況下，優(yōu)化各種燃燒參數(shù)的組合，保證防爆處理后的發(fā)動機滿足非道路國Ⅲ排放要求;③本論文提出的技術方案可以為共軌柴油防爆發(fā)動機開發(fā)及應用提供一定的借鑒及參考。

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