防爆胶轮车柴油机台架试验测试分析

王富强

(中煤科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

防爆柴油机无轨胶轮车是一种以柴油机为动力、液力机械传动的煤矿井下无轨式运输机械，主要用于巷道坡度不超过25°的有瓦斯煤矿井下运输作业,具有结构紧凑、操作方便、转弯半径小、爬坡能力强、污染低、运输效率高等特点。

近期多台某型号无轨胶轮车在矿作业时频繁出现胶轮车动力不足，发动机冒黑烟的情况。为对该批车辆出现上述故障的原因进行系统诊断和深入研究分析，对这批车辆进行了台架试验，找出了故障原因，为后续的改进设计提供技术支持。

1 胶轮车的结构组成

煤矿井下无轨胶轮车通常由动力系统、传动系统、液压系统、前机架、后机架、车厢、电气系统、气启动系统等部分组成,其结构如图1所示。

胶轮车动力系统由柴油机、废气处理箱、废气波纹管、进气波纹管、进气箱、水油散热器、空气滤清器等组成，如图2所示。其中，柴油机是动力系统的关键元部件，其性能直接影响到整车的动力性能和行车可靠性。

1-动力系统;2-前车架;3-传动系统;4-转向制动液压系统;5-行驶液压系统;6-电气系统;7-后车架;8-车厢；9-气启动系统。

1-水油散热器;2-防爆柴油机;3-进气波纹管;4-防爆进气箱;5-空气滤清器;6-防爆废气处理箱;7-废气波纹管。

2 胶轮车故障现象及可能原因分析

本批胶轮车在煤矿井下使用过程中，在坡度小于8°时便发生整车动力不足，发动机冒黑烟现象，这与整车设计出厂的爬坡能力可达14°不相符。经过仔细排查与研究分析，排除整车传动系统的变矩器和变速箱故障的可能性，初步判断为柴油机本身出了故障。

根据柴油发动机动力不足，冒黑烟故障的经验分析，常见的故障原因包括以下几种。

2.1 进排气系统原因

1) 进排气系统漏气，包括：

(1) 增压器后端进气管路密封不良漏气(胶管与金属管连接部分、中冷器连接管路，中冷器沙眼或裂纹)。

(2) 排气管路密封不良漏气(排气管路连接接口垫漏气)。

(3) 进气补偿管(真空管)漏气(连接进气管和喷油泵两端接头密封失效，漏气，进气补偿管有裂纹或断裂)。

2) 进排气系统堵塞，包括：

(1) 空滤器滤芯堵塞。

(2) 进气管路堵塞(进气管路弯折角度过大、弯折部分过多，造成进气负压过大；进气胶管在增压压力过大时吸瘪，或内部脱层起皮造成进气堵塞)。

(3) 排气管路、消音器积碳堵塞，排气制动阀未完全关闭。

3) 增压器故障。增压器叶轮扫膛，轴向间隙、径向间隙过大，造成增压压力不足。

2.2 燃油系统原因

1) 燃油系统堵塞，包括：油箱堵塞(进油管、通气管、回油管堵塞)；低压油路堵塞(油箱至输油泵之间管路压扁、弯折)；燃油滤清器堵塞。

2) 燃油压力不足，包括：输油泵故障(止回阀密封不良内部泄漏，造成提升压力不足)；回油阀故障(弹簧压力降低或断裂、球体卡滞，造成泄压，燃油供给压力降低)。

3) 喷油泵故障或调整故障，包括：

(1) 油门拉线调整不当(油门拉杆不能达到高速限位螺钉，造成无法达到最大供油量)。

(2) 停油拉线调整不当(停油拉杆不能完全回位，造成油量不能完全输出，处于半供油半停油状态，供油量不足)。

(3) 喷油泵故障。

2.3 喷射系统、配气系统、汽缸压力原因

1) 喷油器故障。针阀磨损、卡滞，造成燃油雾化不良、喷射压力降低，燃油燃烧不良。

2) 配气机构故障。气门间隙误差过大，影响气缸换气效果、空燃比，燃油燃烧不良。

3) 气缸压缩压力不足。活塞环对口、活塞环无间隙、活塞环与缸套磨损、气门与座圈漏气。[1-5]

3 胶轮车柴油机台架试验测试

经过研究与论证，排除了传动系统的变矩器和变速箱故障的可能性，初步判断为柴油机故障，故对柴油机进行发动机台架试验。

3.1 柴油机台架试验测试仪器

柴油机台架试验测试仪器如表1所示。油耗仪、数据采集仪、发动机控制仪、油门励磁驱动单元、电涡流测功机采用湘仪动力测试仪器有限公司设备，全自动烟度计采用佛山市佛分环保仪器有限公司生产。

表1 台架试验用测试仪器

3.2 柴油机台架试验测试

在试验测试之前，首先更换了新的空气滤清器，对进排气系统通道进行检查，确保进排气系统通畅，同时对气门间隙进行了测定也符合设计规范。

设计标定的发动机性能参数如表2所示。

表2 设计发动机标定性能参数

试验内容包括两项：验证市场返回机型原始性能；更换美国stanadyne泵性能测试。

试验采用符合GB 17691—2005附录C规定的0#柴油，符合GB 11122—2006规定15W/40 CF-4级柴油机油，试验边界条件如表3所示。

表3 台架试验试验边界条件

在供油提前角为4.5°CA时，测得发动机性能参数如表4所示。对照表2可见，在标定工况下，发动机功率明显达不到设计功率；油耗达到255 g/kWh，高于设计油耗；烟度超标。在扭矩工况下，扭矩为355 Nm，低于设计要求；烟度同样超标。

表4 供油提前角为4.5°CA时性能参数

初步推测，供油提前角为4.5°CA时，扭矩偏低，烟度超标是出现发动机冒黑烟，动力不足的主要因素。柴油机的供油提前角偏小，燃油喷入气缸时错过了最佳时机，使柴油机后燃增多，大量燃油还未充分燃烧便被排出气缸，导致冒黑烟。供油提前角偏小除了会导致柴油机冒黑烟外，还会导致排气温度高，柴油机整体温度高，柴油机因后燃增多而过热，柴油机功率不足，燃油消耗量明显增加。

提高供油提前角为6°CA，测得发动机性能参数如表5所示[6-8]。对照表2可见，在标定工况下，发动机各项性能参数符合要求。在扭矩工况下，发动机各项性能参数也符合要求。

表5 供油提前角为6°CA时性能参数

图3所示为柴油机在供油提前角分别为4.5°CA和6°CA时的功率曲线。由图3可知,供油提前角为6°CA时的功率曲线明显优于供油提前角为4.5°CA时的功率曲线，柴油机在各个转速下均可获得较好的功率输出。

图3 功率曲线

图4所示为柴油机在供油提前角分别为4.5°CA和6°CA时的烟度曲线。由图4可知,供油提前角为6°CA时的烟度曲线随着转速的提高呈现下降趋势，转速大于1 300 r/min时，烟度曲线近似水平；而供油提前角为4.5°CA时的烟度曲线呈现先上升后下降趋势，且在转速为1 600 r/min时达到最大。可见，供油提前角为6°CA时的烟度曲线明显较优。

图4 烟度曲线

图5所示为柴油机在供油提前角分别为4.5°CA和6°CA时的油耗曲线。由图5可知,供油提前角为6°CA时的油耗曲线呈现V字形，转速在1 800 r/min时油耗最低；而供油提前角为4.5°CA时的油耗曲线呈近似水平，且在6°CA时的油耗曲线上方。可见，供油提前角为6°CA时拥有更低的油耗。

图5 油耗曲线

图6所示为柴油机供油提前角分别为4.5°CA和6°CA时的扭矩曲线。由图6可知,供油提前角为6°CA和4.5°CA时的扭矩曲线走势相似，转速在1 600 r/min扭矩达到最大，但在供油提前角为6°CA时拥有更大扭矩。

4 测试结果

通过测试分析可知,这批柴油机动力不足，冒黑烟主要是由于供油提前角偏小造成的。

本次试验中发现，即使供油提前角调整合适，烟度值也仅仅是达标，要想减少柴油机向巷道内的尾气排放，得从柴油机的结构优化改进着手。同时，本次试验测得的发动机功率为裸机功率，在发动机进行防爆处理后，其功率会有很大的损失，后续测得实际防爆后发动机功率约为70 kW。因此，如何在提高发动机功率，增加发动机扭矩的同时，降低发动机尾气排放，降低发动机油耗，成为未来防爆柴油机的发展方向。目前主要有两种方式：一种是采用高压共轨电喷技术，一种是采用四气门增压中冷技术。目前对四气门增压中冷技术的研究已取得一定的进展，其扭矩可提高15%，烟度可降低为0.6 Bosch，油耗可降低13%，与传统柴油发动机相比，优势明显。

图6 扭矩曲线

5 结论

柴油机是无轨胶轮车的主要动力源，其运行的可靠性直接影响无轨胶轮车的正常运输作业，近期多台某型号无轨胶轮车在矿作业时频繁出现胶轮车动力不足、发动机冒黑烟的情况，排除了传动系统的变矩器和变速箱故障的可能性后，针对性地对柴油机进行了台架试验测试，在测试过程中发现供油提前角偏小是造成胶轮车动力不足，发动机冒黑烟主要原因，为后续无轨胶轮车的发动机调校提供了实验数据。

但在实验过程中，也发现传统柴油机存在动力偏弱、尾气排放的烟度较高、油耗较大等诸多缺点。因而，需要继续深入研究和研发新型高效节能环保发动机，以提升无轨胶轮车的整机性能。