共轨柴油防爆发动机的开发

马星海 孔凡志 杨文萍 刘俊锋 刘旗

摘要：根据《煤矿安全规程（2016）》第378条规定：井下使用矿用防爆柴油机动力装置，在正常运行条件下尾气排放应当符合有关规定，排放标准达到非道路国Ⅲ及以上。为满足该要求，在本公司现有发动机基础上，公司联合某矿用机械公司开发国内首款高压共轨柴油煤矿用发动机，这款发动机的额定功率为60kW，最大扭矩260N·m，满足《MT220-2006 防爆柴油机通用技术条件》设计要求，防爆发动机整机表温低于150℃，防爆后发动机排放达到非道路国Ⅲ要求。

Abstract： According to Article 378 of the "Coal Mine Safety Regulations （2016）"： the use of mine explosion-proof diesel engine power plants in underground mines， under normal operating conditions， the exhaust emissions should meet the relevant regulations， and the emission standards should reach non-road country III and above. In order to meet this requirement， based on the company's existing engine， the company cooperated with a mining machinery company to develop the country's first high-pressure common rail diesel coal mine engine. This engine has a rated power of 60KW and a maximum torque of 260Nm. 2006 Explosion-proof Diesel Engine General Technical Requirements" design requirements， the surface temperature of the explosion-proof engine is lower than 150℃， and the engine emission after explosion-proof meets the requirements of non-road country III.

關键词：防爆柴油机;高压共轨;非道路国Ⅲ排放;整机表温;环保

Key words： explosion-proof diesel engine;high-pressure common rail;non-road national III emission;machine surface temperature; environmental protection

中图分类号：S219.031                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）18-0063-03

0  引言

在国家低碳环保及蓝天保卫战的政策引导下，国家对汽车排放法规要求越来越严格，国家对煤矿柴油机动力装置排放法规也提出新要求，高效、低碳、环保已经成为开发一款全新矿用防爆柴油机产品的必要条件。高压共轨增压中冷柴油机具备高功率、低油耗、低排放，且整套燃油系统受ECU控制，对发动机燃烧优化及排放优化精度高、易操作，综上，高压共轨发动机必然会成为未来矿用防爆柴油发动机未来产品开发中的主流产品。为了更好的推动企业开发节能环保煤矿防爆柴油发动机，2018年12月28日发布国家煤矿安全监察局文件【煤安监技（2018）38号】要求，对于技术落后，环保性差，尾气中有害气体严重超标，对井下环境造成严重污染的柴油发动机，自2020年12月28日起禁止使用。对煤矿用柴油机排放限值应满足三阶段非道路移动机械用柴油机排气污染物排放要求如表1所示。

1  高压共轨柴油煤矿防爆发动机的主要参数和开发目标

发动机主要参数和性能目标如表2所示。

2  高压共轨柴油防爆发动机设计

根据《MT220-2006防爆柴油机通用技术条件》中的防爆结合面、排气道壁厚通过改进缸盖进排气防爆结合面，优化缸盖内部水道，并增加除气孔，增加清砂工艺孔。通过流动分析水套的冷却效果，评估缸体、缸盖流动分布情况和换热效率，以及可能存在的流动死区，对发动机缸盖水套流场速度分布及缸盖CFD进行分析，分析结果如图1和图2所示，缸盖水套流场速度分布均匀，各缸火力面排、进侧鼻梁区均满足设计要求HTC>10000W/m2k。

在发动机高速高负荷运转过程中，发动机排气端及增压器涡轮端最高温度可达到500℃以上，为满足防爆处理后的发动机整机表面温度小于150℃要求，对增压器涡轮端及排气歧管外加水冷装置，在发动机正常运行过程中，发动机驱动外接水泵运转，外部水冷系统对增压器涡轮端、排气系统等高温零部件进行冷却，在发动机高速高负荷运转工况下，对外接水冷装置后的发动机排气端及增压器涡轮端温度进行实际测量，增压器本体表面最高温度低于135℃，排气歧管最高温度低于130℃，整机最高温度点为增压器与排气歧管连接的法兰面，整机最高温度为142℃，满足防爆设计要求;由于增压器涡轮端增加了水冷装置，增压器在使用过程中会受到冷热冲击，在冷热冲击条件下，对增压器进行热疲劳有限元分析，分析结果如图3所示，该防爆后增压器强度设计满足要求。

為满足防爆后发动机性能要求，对增压器增压能力进行分析，增压器在发动机万有特性中的工作区域如图4所示，喘振余量>50%，转速余量>25%，发动机进气能力可满足性能设计要求。

3  高压共轨柴油防爆发动机燃烧及排放数据标定优化

基于共轨柴油发动机燃烧机排放数据标定经验，在典型工况和排放权重点工况，使用平台数据的HFM转化曲线标定，标定HFM测量值的修正系数，保证发动机实测空气量与台架实测空气量偏差在±5%以内，空气量的瞬态跟随性满足NRTC排放需求;通过标定燃油喷射策略，高压共轨轨压，发动机预喷1油量，发动机外特性油量等燃烧相关数据，优化各种燃烧参数的组合，摸索发动机的排放、油耗、性能和烟度等特性，经过分析对比，最终选择适合的燃烧参数组合应用于该防爆发动机。

根据《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）（GB 20891-2014）》规定的排放物测量方法，对防爆处理后发动机进行台架NRSC及NRTC排放测量，该防爆处理后的发动机排放结果可满足非道路国Ⅲ排放要求（如表3发动机排放结果）。

4  结论

本论文基于发动机零部件设计理论分析、燃烧数据分析及台架测量发动机原始排放结果进行研究，提出了高压共轨柴油发动机在防爆领域中应用开发技术路线：①通过对高压共轨柴油发动机缸盖、增压器总成及进排气系统等相关零部件优化分析及试验验证，保证防爆处理后的发动机满足《MT220-2006防爆柴油机通用技术条件》要求;②通过在典型工况和排放权重点工况下，优化各种燃烧参数的组合，保证防爆处理后的发动机满足非道路国Ⅲ排放要求;③本论文提出的技术方案可以为共轨柴油防爆发动机开发及应用提供一定的借鉴及参考。

参考文献：

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[3]Klar，H; Klages，B; Gundel， D.  Automation of Model-Based Calibration in Engine Development. Berlin：Expert Verlag 2011.