煤矿用防爆柴油机废气涡轮增压器匹配参数分析

刘继全

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 太原 030006)

无轨胶轮车作为高产高效煤矿设备之一，在世界上采煤发达国家得到了广泛运用，极大地提高矿井的经济效益，降低了工人的劳动强度[1-4]。无轨胶轮车的动力源现在主要有两大类：一类是防爆电机，另一类是防爆柴油机。为了满足长距离运输，防爆电机驱动的胶轮车都配带大型的防爆蓄电池，无污染是其主要优点，但蓄电池价格昂贵，井下充电困难——井下充电必须建立专门的充电站或者在地面充电；配备防爆柴油机的胶轮车却无需使用专门的设备，可以做到随加随走，但主要缺点是具有污染的尾气排放，因此开发新型低污染防爆柴油机变得尤为迫切。涡轮增压是柴油机提高动力性减低排放的有效方法之一，煤矿井下通常是借用车用增压器与台架实验结合的方法进行匹配，得到比较优秀的匹配性能结果，但太过于繁琐费时，而且必须经过大量的实验，耗费财力巨大，不适用于现今防爆柴油机系统开发。废气涡轮增压器的合理匹配已经成为开发防爆柴油机最突出的问题[5-10]。数值方法已经成为现今设计工作的必备手段，本研究采用参数分析的方法，研究分析防爆柴油机废气涡轮增压器的合理匹配，提高开发防爆柴油机系统的动力性、经济性，缩短开发周期。

1 防爆柴油机废气涡轮增压器匹配原理

在防爆柴油机废气涡轮增压器匹配参数化分析研究中，假定气体在进气道与排气道内压力损失不计，气体流速稳定不变，为稳态理想状态，将废气涡轮增压器作为一个相对独立子系统研究，它与防爆柴油机通过压缩空气的流动实现能量的转换传递，其最终目的是实现进气压力增高，提高进气量，即：

m空气=λ0·V气缸·P增压P0=π增压·λ0·V气缸

(1)

式中：m空气为进入气缸内的空气量；λ0为空气增压前密度，采用标准大气压密度；P增压为空气增压后压力，即压气机出口压力，理想状态下等于缸内进气压；P0为空气增压前压力，即压气机进口压力，采用标准大气压值；π增压为压气机压比；V气缸为气缸容积。

废气涡轮增压器由压气机、涡轮及中间支撑等三部分组成，它们之间是机械传动关系。废气涡轮增压器工作原理是涡轮叶轮吸收一部分防爆柴油机的废气能量，涡轮旋转带动压气机旋转，压气机叶轮压缩空气，增压进气压力，实现进气量的提高。在稳态运行过程中废气涡轮增压器子系统内部可以认为是理想状态，从运动学方面分析，其涡轮转速等于压气机转速——二者同轴连接；从能量转换分析，涡轮吸收废气能量等于压气机压缩空气消耗能量与机械损失之和；从流体流量分析，进入气缸的气体流量与排出气缸的气体流量相等——相同气缸排量相同，也即通过涡轮的流量等于通过压气机的流量，即建立数学基本方程为：

1) 废气涡轮增压器涡轮与压气机的转速相等

n涡轮=n压气机

(2)

在稳态理想工况下，假定防爆柴油机工作循环过程转速稳定——活塞匀速上升，排气流速稳定，涡轮吸收能量稳定，因此涡轮转速n涡轮保持恒定不变。因为压气机和涡轮同轴刚性传动，所以两者转速相等保持恒定不变。

2) 废气涡轮增压器子系统涡轮吸收能量等于消耗功

W压气机=W涡轮+W损失=W涡轮·η增压

(3)

式中：W涡轮为涡轮吸收废气能量，即废气对涡轮做的功；η增压为废气涡轮增压器机械效率；W压气机为压气机对空气做的压缩功；W损失为增压器旋转摩擦损失的能量。

3) 通过涡轮与压气机的流量相等

V涡轮=V压气机

(4)

式中：V涡轮为通过涡轮的废气流量；V压气机为通过压气机的空气流量。

空气在进气冲程经过压气机压缩进入气缸内，在压缩冲程末端喷入柴油与压缩空气混合燃烧，排气冲程废气在活塞上移的作用下排出,进入废气涡轮增压器,因此可以认为进排气系统、气缸及增压器工作过程中不存在漏泄的空气,通过涡轮与压气机的气体流量相等。进入气缸内的物质燃烧前后遵守质量守恒定律，即空气质量和柴油质量等于废气质量。

2 废气涡轮增压器性能参数

废气涡轮增压器子系统由压气机和废气涡轮共同组成。参数化分析过程中把废气涡轮作为一个吸收能量的元器件，根据气缸内气体的压力、温度和涡轮的效率，采用微分叠加分析计算通过涡轮的废气流量和废气对涡轮做功。把压气机作为一个做功元器件，根据已知的压气机性能曲线和废气涡轮做功，分析计算压气机出口气体的压力、温度、流量。

2.1 废气涡轮性能参数

建立废气涡轮增压器的涡轮等效模型，主要为了算出涡轮输出功WT。

1) 废气涡轮当量流通面积

假定不考虑废气压力波动，作为一个稳定流动状态，把整个涡轮作为一个节流喷嘴，喷嘴中的绝热焓降等于实际涡轮中喷嘴及工作轮的绝热焓降之和，并假定流体不可压缩，则其当量流通面积为

(5)

式中：SN为喷嘴环出口通流面积；SB为涡轮工作轮出口喉口面积。

2) 废气涡轮质量流量

径流式涡轮废气的质量流量为：

(6)

式中：ρ涡轮为废气密度；μ涡轮为流量系数；π膨胀为修正涡轮膨胀比。废气涡轮流量系数可采用经验公式，即：

μ涡轮=1.1787-1.6074/(20π膨胀-16)+

4.608e-18(π膨胀-1.01)×(π膨胀-1.05)

(7)

3) 废气涡轮效率

废气涡轮的效率是指实际过程气体对涡轮做功与理想过程气体对涡轮做功的最大可用能量之比，是涡轮的主要性能参数。废气涡轮效率经验公式，即：

η涡轮=ηmax·(-0.105+2.685λ涡轮-

(8)

式中：ηTmax为涡轮效率的最大值；λ涡轮为涡轮气流速比，即涡轮边界切向流速与气流流速比。

4) 废气涡轮吸收能量

一定时间t内涡轮吸收能量为

(9)

2.2 压气机性能参数

1) 压气机压比

压比是压气机出口压力与进口压力之比。以p0、p压气机表示压气机进口、出口压力，即：

(10)

2) 压气机质量流量

流量表示压气机的通流能力，管道内定常流动质量流量的连续方程为：

(11)

式中：ρ压气机为管道中的气体密度；V压气机为管道中气体的体积流量。

3) 压气机转速

压气机每分钟转速

n压气机=n涡轮

(12)

由于压气机是装在涡轮轴上，压气机的转速就是涡轮的转速，转速很高。

4) 压气机压缩功

压气机对气体压缩功为：

(13)

5) 压气机效率

有用的压缩功与输入压气机的功的比值为压气机的效率，离心式压气机的η压气机一般为0.78～0.85。

6) 压气机出口空气温度

空气经压气机压缩后，温度由T0升高至TK，出口温度TK为：

(14)

式中，τ为考虑向外散热的冷却系数，τ=1.04～1.1。

7) 压气机流量特性

压气机的流量特性，是表示压气机转速不变时，压气机的压比和绝热效率随空气流量的变化关系，压气机特性曲线大多由实验方法得出，图1为某增压器压气机的流量特性曲线。

3 防爆柴油机气缸热力过程

防爆柴油机气缸热力过程和普通柴油机气缸热力过程一样，做如下假设：气缸中的工质是均匀的；系统内部工质不受空间影响，仅随时间变化，符合定常、准稳态过程；不考虑气体在高温时的离解作用

防爆柴油机气缸内热力过程遵循下列基本方程，即：

1) 热力学第一定律方程

dQ=dU+pdV

(15)

2) 质量平衡方程

dm/dφ=dm进/dφ+dm油/dφ-dm出/dφ

(16)

3) 能量平衡方程

dE/dφ=u·dm/dφ+m·du/dφ

(17)

4) 比热力学能方程

u=f(T,α)

(18)

图1 某压气机的流量特性曲线

4 程序流程

工作流程如表1所示。

表1 工作流程

5 输出结果

将废气涡轮增压器子系统模型与防爆柴油机联接起来可进行增压匹配模拟计算，得到以下结果：

1) 气缸压力、温度随曲轴转角的关系；

2) 增压压力、空气流量、涡轮增压器转速、压气机效率参数；

3) 防爆柴油机功率、燃油消耗率、机械效率、热效率、最高温度等，分别如图2、图3所示。

图2 缸内压力变化曲线

图3 缸内温度变化曲线

6 结论

通过开发前期的参数分析计算在柴油机选型、废气涡轮增压器的选型阶段缩短选型时间，节约成本，大幅度的缩短防爆柴油机系统开发的周期。目前通过参数匹配优选后的机型在台架实验上已经获得理想的防爆柴油机系统的性能，在动力性、经济性、排放性等方面优于传统的借鉴匹配模式。

通过参数化分析计算匹配的防爆柴油机系统已装备在胶轮车上，在煤矿井下使用，它极大地降低污染排放，提高了动力性能，改善了燃油经济性，改善井下工作环境，降低工人劳动强度，提高整车的使用经济性，同时也提高了胶轮车在市场中的竞争力，提高销售量，创造更高的利润。