基于不同標準對防爆柴油機排放性能試驗對比分析

宋坤昊

（1.河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000；2.河北邁安檢測服務有限公司，河北 邢臺 054000）

1 概 況

目前我國防爆柴油機認證執行標準為MT990-2006《礦用防爆柴油機通用技術條件》，其對尾氣排放的要求較低，內容也不夠完善，難以滿足日益嚴格的環保法規要求。為此，2019 年3 月，我國發布了關于煤礦井下防爆柴油機排放性能必須符合《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》標準的規定，促使國內防爆柴油機全面升級，進入國三時代。相比而言，國外非道路柴油機排放法規的制定和實施起步較早，內容更加完善，技術也更加成熟，因此，本文對國際排放標準與國內標準進行對比分析和研究，找到我國與國外排放標準之間的差異，以期更好地促進我國煤礦井下防爆柴油機的發展。

2 國內外排放標準限值要求對比

通過調研，本文列出了我國、澳大利亞、美國、印度在煤礦井下防爆柴油機排放標準限值的要求，具體見表1 和表2。

表1 國外防爆柴油機排放限值要求對比Table 1 Comparison of foreign explosion-proof diesel engine emission limit requirements

表2 我國防爆柴油機排放限值要求Table 2 Emission limit requirements of explosion-proof diesel engine in China

從表1、表2 對比發現，各個國家執行標準對排放污染物的要求主要體現在CO、HC、NOx、PM四個方面，由于各個國家測量方法不同，計量單位也不盡相同，我國和澳大利亞排放計量單位為g/kWh，而印度使用的計量單位為ppm，美國在CO 和NOx 方面采用的是百分比，在PM 方面采用mg/m3。在HC 排放標準中美國和印度均無要求，且印度在PM排放標準中也無要求，而美國在排放標準中專門針對柴油機的用途分別列出了不同情況下的排放限值。

從表2 可看出我國在CO、HC、NOx、PM 四大方面都有嚴格的要求，且分為3 種不同的功率段，每個功率段對CO、HC、NOx、PM 要求各不相同，并且在PM排放要求方面，我國比其他3 個國家要求更高，由此可以看出我國現行防爆柴油機排氣污染物的排放指標已達到國際先進水平，依據的標準法規也更加完善。

3 與澳大利亞排放標準進行對比和分析

目前，我國煤礦用防爆柴油機尾氣排放執行《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》標準（排放試驗不包含耐久和劣化修正）。與澳大利亞執行標準MDG 43 相比，兩者對排放測量結果的計量單位相同，且均按照ISO 8178 標準中非恒定轉速穩態試驗循環（NRSC） 規定的八工況進行檢測，并對測量結果進行加權計算，最終得出排放值。因此本文針對煤礦井下用防爆柴油機排氣污染物排放限值及測量方法與澳大利亞進行數據對比和分析。

此次試驗選用卡特彼勒c9 防爆柴油機，該柴油機在澳大利亞已經做過相關的排放試驗，并有相應的試驗數據；國內試驗基于國三排放試驗平臺，對該防爆柴油機進行尾氣排放試驗。卡特彼勒c9防爆柴油機的基本參數如下：

4 尾氣排放實驗數據對比與分析

為了體現一致性，此次實驗選用的卡特彼勒c9 防爆柴油機主要組成部分與其在澳大利亞檢測實驗室采用的相同，主要包含進氣系統（進氣管、進氣阻火器、空氣關斷閥）、排氣系統（排氣管、水冷增壓器、廢氣凈化水箱、排氣阻火器）、冷卻系統及電控燃油噴射系統，所用柴油為0 號柴油，所用機油為15W-40 號柴油機油，同時試驗條件完全滿足ISO 8178 規定要求。本文基于澳大利亞測試環境對測試環境參數微調，詳見表3。

表3 試驗平臺內環境參數Table 3 Environmental parameters in test platform

4.1 負載速度特性試驗

通過試驗數據分析，負載速度特性曲線對比如圖1 所示。

圖1 中國- 澳大利亞柴油機外特性曲線對比Fig.1 Comparison of external characteristic curves of China-Australia diesel engines

當柴油機噴油泵在最大供油量時，其功率、扭矩隨轉速而連續變化的表現稱之為發動機速度特性。從圖1 可看出，防爆柴油機輸出功率隨著轉速的增加而增大，在轉速1 000～1400 prm 時，輸出功率幾乎為線性增長；在轉速1 600～2 200 prm時，輸出功率基本保持不變；在轉速1 000～1 600 prm 時，防爆柴油機的扭矩隨轉速的增加而增加。在高轉速工況下，扭矩開始降低，這說明在轉速增加的過程中，柴油機內的負載能力先增加后降低，符合柴油機燃油消耗規律，即在低轉速工況下柴油機的工作效率較低，隨轉速提高工作效率有所提高，但隨著高轉速工況進一步上升，柴油機的工作效率有所下降。

圖1 顯示中澳2 個不同實驗室中尾氣排放測試的發動機功率和扭矩的曲線整體變化基本一致，額定轉速、最大扭矩轉速及怠速基本相同，按照ISO8178 標準要求，兩國排放性能試驗的8 個工況一致，具體見表4。

表4 非恒定轉速NRSC 測試循環Table 4 Non-constant speed NRSC test cycle

4.2 排放結果對比與分析

邢臺實驗室主要由西門子電力測功機系統、AVL 氣態污染物采樣分析系統、CVS 全流稀釋采樣系統、顆粒物控制及稱重系統、進氣系統、冷卻恒溫系統及燃油控制系統組成，特定試驗條件由全室空調控制，能滿足GB 20891 對尾氣性能試驗的檢驗要求。兩國尾氣排放結果數據見表5。

表5 中國與澳大利亞試驗結果Table 5 Test results of China and Australia

通過表5 中數據對比可以發現，在試驗環境及測試工況保持一致的情況下，同一柴油機在中澳兩國各自實驗室設備上測出的結果差別不大，充分證明了我國現階段對防爆柴油機排放性能的檢驗方法及實施手段已達到了國際先進水平。

5 結 語

中國與澳大利亞兩國在防爆柴油機排放檢測依據標準、控制指標、檢測方法及實施手段等多方面存在很多共同點，通過同一防爆柴油機排放試驗結果的對比分析，可以看出我國現階段防爆柴油機排放性能檢驗依據標準及檢測方法和手段已經達到國際先進水平，為未來開展防爆柴油國際互認，推進行業國際化進程提供了依據。