废气处理水箱对防爆柴油机的性能影响

王登化 尹小定 黄琼

摘 要：以某型防爆柴油机为例，对其进行加装废气处理水箱前后的外特性和十一工况对比试验，测出防爆柴油机输出扭矩、输出功率与十一工况下废气中主要成份CO、NOX及HC含量、排气温度与油耗率，从而得出废气处理水箱对防爆柴油机动力性、排放特性与经济性的影响。测试结果显示：加装废气处理水箱后，动力性有所降低，在最大扭矩处，输出扭矩和输出功率均下降2.3%；CO排放量在高负荷工况下有所增加，最大增幅为24.9%；NOX排放有很大的改善，最大排放降幅为19.5%；HC排放量变化不大；排气温度不高于60℃，降温效果显著；油耗率最大增加4.6%，经济性下降。

关键词：防爆柴油机；废气处理水箱；排放特性；动力性

中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）12-65-03

Abstract： Take a certain type of explosion-proof diesel engine as an example， The comparative test of the external characteristics and 11 working conditions before and after installing the waste gas treatment tank was carried out， The output torque， output power and CO， NOX and HC contents， exhaust temperature and fuel consumption of the main components of the exhaust gas under the condition of 11 were measured， Therefore， the influence of waste gas treatment tank on the dynamic performance， emission characteristics and economy of explosion-proof diesel engine is obtained. Test results show： After installing the waste gas treatment tank， the dynamic performance is reduced， and at the maximum torque， the output torque and output power are both decreased by 2.3%. CO emissions increased at high load conditions， with a maximum increase of 24.9%. NOX emissions have improved significantly， with a maximum emission reduction of 19.5%. HC emissions did not change much； Exhaust temperature is not higher than 60 ℃， the cooling effect is remarkable； The fuel consumption rate increased by 4.6% and the economy decreased.

Keywords： explosion-proof diesel engine； waste gas treatment tank； emission characteristics； dynamic

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-65-03

引言

目前，煤礦辅助运输车辆在煤矿井下使用广泛，其动力主要是防爆柴油机，然而煤矿井下由于空间有限，通风条件差，路况复杂，故对防爆柴油机的动力性、排放特性及经济性均有一定的要求，时下，防爆柴油机一般在其排气系统中加装一废气处理水箱，布置在排气系统最后端，对其尾气起到净化和降温的目的。防爆柴油机的性能在加装废气处理水箱后会受到一定程度的影响，本研究以某型防爆柴油机为例，研究加装废气处理水箱后，对防爆柴油机动力性、排放特性及经济性的影响，为废气处理水箱的优化明确优化方向。

1 试验安排情况

现场试验情况如图1所示，试验中所使用的仪器如下表1。试验中通过型号为ECK500的发动机测控系统调节测功机，以使柴油机能在所需工况下稳定工作。试验中使用奥地利AVL公司的SESAM 4.0多组份排放分析仪对柴油机排气中的各种气体组份进行采集和分析。

测试采用某公司型号为CKS6108QFB的防爆柴油机，表2为主要技术参数。

在试验台架上进行外特性试验，并测试十一工况点排放，十一工况点情况见表3。

2 试验情况与分析

2.1 动力性受废气处理水箱的影响概述

在台架上进行外特性试验，测得防爆柴油机的输出扭矩、输出功率数据，如图2所示。由图2可知，添加废气处理水箱后，其输出扭矩、输出功率都有所下降；输出扭矩平均下降率为2.7%，转速为2200r/min 时下降率最大，为3.1%；在输出扭矩最大处，输出扭矩、输出功率下降率均为2.3%。简言之，添加废气处理水箱后柴油机的动力性降低。

2.2 废气处理水箱对防爆柴油机排放特性之影响

2.2.1 废气排出温度

防爆柴油机做外特性实验，其废气排出温度见图3。根据MT990-2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》规定：防爆柴油机废气排出口温度不得超过70℃。而柴油机的排气温度高达550℃，所以必须由水冷排气岐管降温后，还要经废气处理水箱的降温作用才能满足煤矿防爆要求。由图3得知，在经过废气处理水箱后，其废气温度均下降到60℃以下，满足防爆要求。

2.2.2 CO排放情况

在大多数工况下，防爆柴油机CO排放较低。但在高负荷工况下，由于燃料与空气混合不均，且燃烧室内存在低温处和局部缺氧，过量空气系数Φa=1.2-1.3情况下，会大大提高CO排放量，试验数据如图4。

由图4看出，CO质量分数在第4，7，8工况点出现峰值，第4，7，8工况点特点为各转速下的高负荷工况。此3个工况点的CO质量分数分别增加了24.9%，12.8%，18.2%，可见添加废气处理水箱后，CO排放恶化很厉害，在第4工况点下影响最大。内在原因是加装废气处理水箱后，排气背压增大，致使气缸内残余废气增加很多，燃烧加剧恶化，同时气缸内O2浓度降低，从而生成更多的CO。

2.2.3 NOX排放情况

在添加废气处理水箱前后，NOX排放量见图5，从图5中可以看出，NOX在低速、低负荷工况下排放量变化很小。在第4工况点NOX排放量影响很大，NOX排放量降幅达19.5%；在第6、第7工况点NOX排放量降幅分别为8.9%、8.7%。

NO是NOX中的主要成份，富氧、高溫和足够的反应时间是其产生条件。防爆柴油机在低负荷工况下空燃比很大，故混合气在加装废气处理水箱前后稀释很小，因此，NOX排放量变化很小；加装废气处理水箱后，在中高转速、高负荷工况下会增加排气阻力，致使残余排气在机内增加，对NOX的生成不利；缸内温度在高转速、高负荷工况下升高相当多，循环频次也增多，导致排气中NOX增多，同时应考虑到排气背压对NOX产生的克制效应，综合结果为NOX排放量有一定上升。

2.2.4 HC排放情况

防爆柴油机在排气末端添加废气处理水箱前后，其HC排放量见图6。很明显，添加废气处理水箱后，防爆柴油机尾气中HC的排放量有所变化，然变化量很小，且HC排放总量很低。

2.3 防爆柴油机经济性受废气处理水箱的影响情况

在转速为1400r/min时，对防爆柴油机在台架上进行负荷特性试验，得到增加废气处理水箱前后的油耗率，见图7所示。由图7很明显看出，油耗率有所上升；在防爆柴油机转矩最大时，油耗率在加装废气处理水箱后较先前增加4.6%。故防爆柴油机添加废气处理水箱后，其经济性有一定程度下降。

3 小结

（1）排气在加装废气处理水箱后降温效果显著，排气温度全工况不高于60℃，满足煤矿防爆要求；

（2）添加废气处理水箱后，防爆柴油机NOX排放在绝大多数工况下得到改善，在第4工况点，NOX排放量改善最大，NOX排放量降幅达19.5%，HC排放量有一定变化，但变化量很少；

（3）防爆柴油机加装废气处理水箱后，其动力性有一定程度的降低，在输出扭矩最大处，输出扭矩、输出功率下降率均为2.3%；

（4）在转矩最大时，防爆柴油机油耗率增加4.6%。故防爆柴油机添加废气处理水箱后，其经济性下降一部分；

（5）废气处理水箱优化设计时，应着重考虑其对防爆柴油机动力性及排放特性的影响。

参考文献

[1] 初晓亮，李宝林，陈琳.防爆胶轮车尾气冷却净化箱结构改进及试验[J].煤矿机械，2011，32（1）：164-166.

[2] 崔希海，邓齐齐，任建棚.防爆柴油机进排气系统的研发[J].煤矿机械，2013（4）：202-203.

[3] 王清燕.煤矿用运输车辆排气防爆技术研究[D].武汉：武汉理工大学硕士论文，2013：16-19.

[4] 李强强，张翠平，张瑞亮等.冷却净化水箱对防爆柴油机的影响研究[J].工况自动化，2017，（3）：35-39.