矿用柴油机进排气系统防爆前后的性能分析1.doc

矿用柴油机进排气系统防爆前后的性能分析摘要：针对矿用柴油机在煤矿井下应用时防爆性的要求，在发动机试验台架上进行了进排气系统经防爆后不同程度增大的进、排气阻力对CAT3306型防爆柴油机性能影响的试验分析。结果表明：矿用柴油机因进、排气防爆装置的添加，使得进气不畅，排气困难，并进而带来燃烧变差，性能恶化。且进排气阻力越大，动力性下降越明显，燃油经济性恶化越严重。关键词：矿用防爆柴油机；进排气阻力；性能； Analysis on the Intake and Exhaust System Performance of Mine Diesel Engine before and after Explosion-proofAbstract: According to the explosion-proof requirements when the diesel engine used in the coal mine, this paper studies the effects of intake and exhaust systems added flameproof on power and brake specific fuel consumption(BSFC) of CAT3306 mine diesel by increasing intake and exhaust resistance on the engine test bench .The experimental results indicate that: the intake air is not smooth, the exhaust is difficult, the combustion becomes worse, the performance will deteriorate after adding explosion-proof device. In addition, the intake and exhaust resistance is greater, the performance deterioration is more.Keywords: Mine explosion-proof Diesel；Intake and Exhaust Resistance; Performance鉴于煤矿井下工作环境的通性：瓦斯浓度高；粉尘积聚和通风性差，因此必须要求矿用柴油机在工作时防止可能产生进、排气回火和排气温度高，点燃井下巷道中的可燃气体和煤粉等易燃物体。而煤矿井下用柴油机是在普通车用柴油机基础上，对柴油机本机、进气系统、排气系统及外围辅助装置按煤矿井下防爆安全性要求进行重新设计和改造后，增加了安全保护功能，在超过安全规定允许值时能自动停机保护的装置1。因此研究不同进、排气防爆装置添加前后产生的阻力对矿用柴油机性能影响的分析很有必要。1 矿用柴油机的工作原理 1.1 矿用柴油机的防爆安全系统矿用柴油机的防爆安全系统有：(1)防爆柴油机的进、排气系统均加装了阻火器来有效地防止进气回火或气门叠开期间气缸内高温高压废气中的火焰通向大气，并阻灭高温废气中的火焰与火花；(2)在排气系统中加装双层式水冷排气套管和水浴式废气处理箱来降低最终的排气温度，并消除火花和减少烟尘，达到冷却和净化的目的2；(3)对涡轮增压器进行强制冷却是降低矿用柴油机的表面温度；(4)在进气系统中装入风门阻断缸和在燃油供给管路中增装的柴油灭火缸可在紧急状况出现时能够及时可靠的停机，来提高矿用柴油机井下作业时的安全性。矿用柴油机整体防爆结构示意图如图1所示。图1矿用柴油机防爆系统结构示意简图1.2 矿用柴油机的工作过程矿用柴油机的工作过程：新鲜充量流经空气过滤器滤除吸自空气中的杂质或粉尘后，经风门阻断缸和进气防爆栅栏后进入符合防爆要求的本机系统中。柴油机本机及配套系统的冷却采用闭式强制液冷系统，从膨胀水箱处加注冷却液（或防冻液），采用大容量的散热器，对本机及水冷排气歧管和软连接管、增压器处等进行冷却。燃烧后的废气通过水冷式排气歧管、软连接水冷式排气管和废气处理箱后实现降温、洗涤、消声的目的，并在废气处理箱内经过水中的一两个挡板阻隔后，再经排气防爆栅栏排出箱外3。2 试验方案 2.1 试验方案外部条件相同时，测试原机裸机（未防爆时）和原机进气系统防爆、排气系统不防爆时进气不同阻力对柴油机动力性、经济性的影响；以及外特性工况下柴油机进气系统防爆、排气系统不防爆和进、排气系统均加装防爆措施时的不同排气阻力对柴油机性能的影响规律。2.2 试验装置台架试验所用的样机机型为CAT3306直列六缸、强制水冷矿用防爆柴油机，主要参数如下表1所示，其它试验测试仪器见表2。表1 CAT3306矿用柴油机主要参数型号CAT3306形式直列、四冲程、增压中冷、直接喷射缸径行程121 mm152 mm排量10.45 （L）压缩比15:1标定功率/转速160kW/1500 rpm表2 试验测试仪器设备及仪器型 号生产厂家矿用柴油机CAT3306卡特彼勒测功机DW320四川诚邦五组分尾气排放检测仪DICOM 4000AVL不透光烟度计DISMOKE 480AVL防爆系统在设计时，根据MT 990-2006矿用防爆柴油机通用技术条件的规定保柴油机的防爆系统设计符合规范要求。3 试验结果及分析3.1 不同进气阻力对防爆柴油机性能的影响柴油机的进、排气系统均加装防爆措施后，在台架上监测全工况范围内的试验过程，确保矿用柴油机的表面温度不高于148，排气温度低于68，否则视为不合格的防爆系统，必须进行整改4。试验时先测出柴油机裸机时（原排气系统不作任何改变，同时进气不装防爆系统）的外特性工况下进气管的压力值，并与在进气总管上添装不同防爆系统后不同工况下进气防爆系统后端的压力值相比较，差值即为进气阻力。图2所示为矿用柴油机外特性工况下进气安装防爆系统后产生的不同进气阻力对柴油机性能的影响。由图中可知，与原机未防爆时相比，进气系统防爆后，在标定工况转速点2200r/min，平均进气阻力增大11.1kPa时，输出扭矩降低5.7%，燃油消耗率上升4.5%，当进气平均阻力增大24.9kPa时，相比原机输出扭矩下降8.9%，燃油消耗率增大11.7%。即柴油机在进气系统防爆后，整机性能呈恶化趋势：输出扭矩下降，油耗增加。且进气阻力越大，柴油机的动力性和经济性下降越明显。图2不同进气防爆系统阻力对柴油机性能的影响这是因为柴油机进气加装防爆系统后，气流方向变化大，涡流引起的局部阻力加大而引起进气不畅，这在一方面增加了柴油机工作时的泵吸功，增大了机械损失；另一方面单位时间内进气量的减少，降低了气缸内的过量空气系数，因此带来缸内的混合气燃烧不充分，因而矿用柴油机的动力性下降，燃油经济性恶化5。因此，矿用柴油机进气系统在不影响防爆安全性的基础上，需选用低阻力的进气防爆系统，以满足动力性的需求。3.2 不同排气阻力对防爆柴油机性能的影响在矿用柴油机台架试验测试过程中，记录进气系统防爆，而排气系统不防爆时的排气歧管出口端压力值，并与在排气系统加装不同防爆措施后不同工况下排气尾管末端的压力值相比较，差值为排气阻力。图3所示为外特性工况下柴油机进气系统防爆后，并加装不同排气防爆系统后产生的不同排气阻力对柴油机动力性和经济性的影响。图3 不同排气防爆系统阻力对防爆柴油机性能的影响由图3中可以看出，当柴油机转速在标定工况点2200r/min时，与原排气系统未防爆时相比，当加装防爆排气系统后，平均排气阻力增大2.1kPa时，柴油机输出扭矩降低4.3%，燃油消耗率升高4.2%；当平均排气阻力增大8.5kPa时，输出扭矩减小5.1%，油耗增大7.5%。即发动机加装排气防爆系统后柴油机的性能变差，且排气阻力越大，矿用柴油机的性能恶化越严重。这是因为矿用柴油机排气防爆栅栏和废气处理箱的添加，造成了柴油机排气背压增大，排气受阻，这样会阻碍换气过程，不利于扫气过程的进行，进而增大了柴油机缸内的残余废气系数。因而导致了矿用柴油机扭矩的下降，经济性变差6。3.3 矿用防爆柴油机与原机未防爆时万有特性对比综上可知，矿用柴油机的防爆系统的设计在兼顾防爆性要求的同时，应尽量满足动力性的需求。在柴油机加装满足防爆性要求后的较低进、排气阻力的防爆装置后，测试外特性工况下，经防爆后的柴油机性能，并与原机进行对比。图4所示为原机进排气系统均未防爆时的万有特性曲线；图5所示为柴油机添装防爆系统后的万有特性曲线。对比图4与图5可以发现，在燃油消耗率相同的情况下，与防爆前相比，防爆后的矿用柴油机在部分负荷工况运行时，经济运行范围收窄较多，并体现在从低速到高速的整个运行区间范围内。因此，矿用柴油机经防爆后，与未防爆时相比，经济性明显恶化。从发动机转速和燃油消耗率相同时对应的纵轴输出转矩和输出功率看，以标定功率点转速2200r/min为例，相比未防爆时，防爆后的矿用柴油机输出转矩降低了114.6N.m；在最大扭矩点转速1600r/min处，输出转矩降低了136N.m。即相同工作条件下无防爆时柴油机动力性要好于经防爆后的矿用柴油机。图4 原机进排气系统均未防爆时的万有特性曲线图5 进排气系统防爆后的矿用柴油机万有特性曲线这是因为，矿用柴油机进气防爆栅栏和风门阻断缸等防爆装置的添加，新鲜进气在防爆栅栏处引起回流，气流发生紊乱，进而引发强烈的进气涡流，增大了进气流动阻力，降低了矿用柴油机的充气效率，进气质量减少；同时，排气防爆装置加装后，排气不畅，气缸内的残余废气压力升高，增大了泵气损失，降低了热效率。因此对柴油机的性能造成不利影响。3.4 矿用防爆柴油机与原机未防爆时排放性对比图6、图7所示为十一工况点下进、排气系统防爆前后CO和NOx排放对比。表3所示为十一工况点分布。从图中可以发现，经防爆后的矿用柴油机较原机未防爆时相比，CO和NOx排放均有所上升，但仍然满足MT 990-2006. 矿用防爆柴油机通用技术条件条件要求：CO0.1%；NOx0.08%。表3 尾气排放检测十一工况点工况序号转速 r/min负荷百分数 %17500210000310005041000100515000615007571500100822001009220075102200501122000图6 进排气系统防爆前后CO排放对比图7 进排气系统防爆前后NOX排放对比4结论1) 矿用柴油机经防爆改造后，使得进气受阻，排气不畅。新鲜充量不易进入气缸中，降低了柴油机的充气效率。同时排气困难，增加了缸内残余废气扫气难度，使得过量空气系数降低，泵气损失增加，热效率降低，因此带来发动机燃烧变差，性能恶化。并随着进、排气防爆阻力的增大矿用柴油机的动力性下降越多，燃油经济性恶化越明显。2) 经防爆改造的矿用柴油机在设计防爆系统时应尽可能的选用低阻力的进、排气防爆装置和可靠、有效的启动、停机保护装置来确保矿用防爆柴油机使用安全性。并尽量不影响发动机的燃烧过程，保证矿用柴油机具备较好的综合性能。 参考文献1 中华人民共和国国家发展和改革委员会发布.MT90-2006矿用防爆柴油机通用技术条件s. 北京:煤炭工业出版社，2006.2 魏永刚，赵明岗，孟国营. 煤