防爆柴油机国Ⅲ排放设备的应用及研究

王渊

（河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台054000）

0 引 言

在煤矿井下辅助运输作业中，柴油机作为重要的动力系统具有适用性强、维护成本低、输出扭矩大及续航作业时间长等特点，在煤矿井下作业中，防止瓦斯爆炸及降低柴油机尾气对井下作业人员健康的危害也就成了柴油机必须要改进的地方，由此而来国家发布了MT990-2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》，为矿井使用的柴油机提供了明确的技术要求。

随着生产工艺的进步和国家排放法规的不断趋严，防爆柴油机的排放问题也逐渐被重视起来。2018年12月28日，国家煤矿安全监察局下发《国家煤矿安监局关于发布禁止井工煤矿使用的设备及工艺目录（第四批）的通知》，淘汰排气标准在国Ⅱ以下的防爆柴油机，要求防爆柴油机的排放标准达到国Ⅲ及以上。2019年3月27日，安标国家矿用产品安全标志中心有限公司发布《执行煤矿防爆柴油机排放新要求的安全标志管理方案》，明确指出防爆柴油机的排放性能必须符合GB20891-2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）》中规定的国Ⅲ及以上排放限值的要求。

随着新标准要求的改变和防爆柴油机生产技术的改进，符合新形势的检验检测方法和设备显得格外重要。河北煤科院检测中心根据防爆柴油机的特殊结构和GB20891-2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段）》的相关要求，构建了以西门子电力测功机、AVL气态污染物采样分析系统及CVS全流稀释采样系统为核心的煤矿用防爆柴油机国Ⅲ排放标准检测系统。本文根据新标准及要求下的实际防爆柴油机废气成分检验，对这一系统进行分析和讨论。

1 主要组成系统

煤矿用防爆柴油机国Ⅲ排放标准检测系统主要由测功机系统、气态污染物分析系统、颗粒物控制及称重系统、进气系统、数采箱系统、燃油控制系统、CVS全流控制系统及冷却系统组成。

1.1 测功机系统

测功机系统主要由电力测功机和HBM扭矩仪组成。根据煤矿用防爆柴油机的功率范围，选定了西门子电力测功机，测试功率范围在30～400 kW，该测功机具有适应功率范围大、精度高、维护方便成本低等特点，满足非道路国Ⅲ测试阶段的排放要求，并且可模拟瞬态试验工况，为以后升级国Ⅳ测试阶段提前做好了设备储备。

目前国内扭矩最大的防爆柴油机的最大扭矩在1 800 Nm左右，HBM公司提供的T40B型扭矩传感器最大测量扭矩为2 000 Nm，其精度可达1 Nm，完全满足非道路国Ⅲ测试阶段的精度要求。

1.2 气态污染物分析系统

气态污染物分析系统由AVL排放分析柜、AVL前置取样器及标气工作气系统组成。其中AVL前置取样器主要负责将提供分析的样气在标准要求的185°温度下送进分析柜，并且起到一定的过滤除湿作用。标气工作气系统主要提供足够压力下的高纯氧、氢气、合成空气、氮气等工作气及一定浓度下的丙烷、一氧化碳、一氧化氮、氧气、二氧化碳等标准量距气，来保证排放分析柜的正常工作和试验数据有效性。AVL排放分析柜为此系统的核心部件，由FID、CLD、IRD及气体分割器组成。其中FID为氢火焰离子化分析仪，测量样气中碳氢的含量。CLD为化学发光检测器，带有NO2/NO的转化功能，测量样气中氮氧化物的含量。IRD为不分光红外线吸收性分析仪，测量样气中一氧化碳、二氧化碳及氧气的含量。气体分割器配合量距气可调配各个需要的量距气浓度，检验分析仪测量的线性化状态。

1.3 颗粒物控制及称重系统

颗粒物控制及称重系统由西门子采样控制柜、颗粒物采样箱及称重环境仓组成。西门子采样控制柜控制并测量样气通过滤纸的时间及质量，使各个工况下通过滤纸的样气质量符合各工况加权系数的要求。颗粒物采样箱保证滤纸测量状态下的温度和湿度符合标准要求，其中压差传感器测量通过滤纸时的压力差，保证取样的有效性。称重环境仓为其中的称重天平提供相应稳定的温度和湿度，称重天平采用赛托利斯的精度为0.1μg，满足标准的要求。

1.4 进气系统

进气系统主要由进气空调、发动机空气流量计、温湿度变送器组成。进气空调根据发动机空气流量计及温湿度变送器所反馈的进气状态数据来调节发动机进气的温度和湿度，使其符合大气因子fa的有效性判定：

1.5 数采箱系统

数采箱系统主要由温度传感器、压力传感器及数据采集装置构成。其主要测量发动机机油温度、水温、机油压力、进气阻力、排气背压等发动机工作状态的参数及表面温度和排气温度等是否符合标准要求的测量数据，并且检测各个仪器的工作温度，提供反馈，对仪器进行保护。

1.6 燃油控制系统

燃油控制系统包括上位油箱和瞬态油耗仪。主要的目的是提供和测量发动机消耗的燃油，使其在一定的温度和压力下进入燃油泵。

1.7 CVS全流控制系统

CVS全流控制系统主要由罗斯风机、稀释过滤装置、文丘里装置及丙烷喷射装置组成。罗斯风机为整个全流控制系统提供稀释的动力。稀释过滤装置保证了稀释空气的相对洁净和稳定。文丘里装置通过V7.5、V15、V30、V60四个气动阀门调节CVS全流系统的流量，可以根据发动机功率及排量的大小选择相应的流量。丙烷喷射装置可以对整个系统的密闭性进行检查，检验在稀释过程中是否发生泄漏。

1.8 冷却系统

冷却系统除了为发动机进行冷却，提供合适的运转条件外，也为各个检验设备提供冷却。其中水恒温冷却系统和中冷恒温系统可以调节发动机运转过程中冷却水的温度、中冷气温度和中冷压降，使检测结果具有可溯性。

2 主要问题及解决方法

防爆柴油机与普通柴油机在构造上的主要区别在于增加了进气阻火器、排气净化水箱及排气阻火器，改变了防爆柴油机的进排气阻力并且增加了各个法兰面，排气漏气现象严重。且排气净化水箱中的冷却净化水在吸收了一部分颗粒物的同时也使样气中的水含量显著增加，对各个采样分析设备产生危害。

针对防爆柴油机排放的特点，做出如下解决的方法。

（1）加入进气真空度传感器，监测进气阻力，在进气阻力过大的情况下增加进气阻火器进气面积，使其满足柴油机源机的要求。

（2）加入排气背压传感器，测量防爆柴油机在正常的工作状态下的排气背压，然后去掉排气净化水箱，使用排气背压模拟器来模拟背压。

（3）在加入排气净化水箱的实验条件下，使用CVS全流控制系统，增加稀释比，将样气中的水含量降到采样分析设备的可承受范围内。

3 结 语

煤矿用防爆柴油机国Ⅲ排放标准检测系统在原有的标准检测系统中针对防爆柴油机的特点进行了相应的变化，满足防爆柴油机国Ⅲ排放阶段的检验要求，并且通过了中国检测机构和实验室强制认证（CMA），达到了业内先进水平。