基于不同标准对防爆柴油机排放性能试验对比分析

宋坤昊

（1.河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000；2.河北迈安检测服务有限公司，河北 邢台 054000）

1 概 况

目前我国防爆柴油机认证执行标准为MT990-2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》，其对尾气排放的要求较低，内容也不够完善，难以满足日益严格的环保法规要求。为此，2019 年3 月，我国发布了关于煤矿井下防爆柴油机排放性能必须符合《GB 20891-2014 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》标准的规定，促使国内防爆柴油机全面升级，进入国三时代。相比而言，国外非道路柴油机排放法规的制定和实施起步较早，内容更加完善，技术也更加成熟，因此，本文对国际排放标准与国内标准进行对比分析和研究，找到我国与国外排放标准之间的差异，以期更好地促进我国煤矿井下防爆柴油机的发展。

2 国内外排放标准限值要求对比

通过调研，本文列出了我国、澳大利亚、美国、印度在煤矿井下防爆柴油机排放标准限值的要求，具体见表1 和表2。

表1 国外防爆柴油机排放限值要求对比Table 1 Comparison of foreign explosion-proof diesel engine emission limit requirements

表2 我国防爆柴油机排放限值要求Table 2 Emission limit requirements of explosion-proof diesel engine in China

从表1、表2 对比发现，各个国家执行标准对排放污染物的要求主要体现在CO、HC、NOx、PM四个方面，由于各个国家测量方法不同，计量单位也不尽相同，我国和澳大利亚排放计量单位为g/kWh，而印度使用的计量单位为ppm，美国在CO 和NOx 方面采用的是百分比，在PM 方面采用mg/m3。在HC 排放标准中美国和印度均无要求，且印度在PM排放标准中也无要求，而美国在排放标准中专门针对柴油机的用途分别列出了不同情况下的排放限值。

从表2 可看出我国在CO、HC、NOx、PM 四大方面都有严格的要求，且分为3 种不同的功率段，每个功率段对CO、HC、NOx、PM 要求各不相同，并且在PM排放要求方面，我国比其他3 个国家要求更高，由此可以看出我国现行防爆柴油机排气污染物的排放指标已达到国际先进水平，依据的标准法规也更加完善。

3 与澳大利亚排放标准进行对比和分析

目前，我国煤矿用防爆柴油机尾气排放执行《GB 20891-2014 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》标准（排放试验不包含耐久和劣化修正）。与澳大利亚执行标准MDG 43 相比，两者对排放测量结果的计量单位相同，且均按照ISO 8178 标准中非恒定转速稳态试验循环（NRSC） 规定的八工况进行检测，并对测量结果进行加权计算，最终得出排放值。因此本文针对煤矿井下用防爆柴油机排气污染物排放限值及测量方法与澳大利亚进行数据对比和分析。

此次试验选用卡特彼勒c9 防爆柴油机，该柴油机在澳大利亚已经做过相关的排放试验，并有相应的试验数据；国内试验基于国三排放试验平台，对该防爆柴油机进行尾气排放试验。卡特彼勒c9防爆柴油机的基本参数如下：

4 尾气排放实验数据对比与分析

为了体现一致性，此次实验选用的卡特彼勒c9 防爆柴油机主要组成部分与其在澳大利亚检测实验室采用的相同，主要包含进气系统（进气管、进气阻火器、空气关断阀）、排气系统（排气管、水冷增压器、废气净化水箱、排气阻火器）、冷却系统及电控燃油喷射系统，所用柴油为0 号柴油，所用机油为15W-40 号柴油机油，同时试验条件完全满足ISO 8178 规定要求。本文基于澳大利亚测试环境对测试环境参数微调，详见表3。

表3 试验平台内环境参数Table 3 Environmental parameters in test platform

4.1 负载速度特性试验

通过试验数据分析，负载速度特性曲线对比如图1 所示。

图1 中国- 澳大利亚柴油机外特性曲线对比Fig.1 Comparison of external characteristic curves of China-Australia diesel engines

当柴油机喷油泵在最大供油量时，其功率、扭矩随转速而连续变化的表现称之为发动机速度特性。从图1 可看出，防爆柴油机输出功率随着转速的增加而增大，在转速1 000～1400 prm 时，输出功率几乎为线性增长；在转速1 600～2 200 prm时，输出功率基本保持不变；在转速1 000～1 600 prm 时，防爆柴油机的扭矩随转速的增加而增加。在高转速工况下，扭矩开始降低，这说明在转速增加的过程中，柴油机内的负载能力先增加后降低，符合柴油机燃油消耗规律，即在低转速工况下柴油机的工作效率较低，随转速提高工作效率有所提高，但随着高转速工况进一步上升，柴油机的工作效率有所下降。

图1 显示中澳2 个不同实验室中尾气排放测试的发动机功率和扭矩的曲线整体变化基本一致，额定转速、最大扭矩转速及怠速基本相同，按照ISO8178 标准要求，两国排放性能试验的8 个工况一致，具体见表4。

表4 非恒定转速NRSC 测试循环Table 4 Non-constant speed NRSC test cycle

4.2 排放结果对比与分析

邢台实验室主要由西门子电力测功机系统、AVL 气态污染物采样分析系统、CVS 全流稀释采样系统、颗粒物控制及称重系统、进气系统、冷却恒温系统及燃油控制系统组成，特定试验条件由全室空调控制，能满足GB 20891 对尾气性能试验的检验要求。两国尾气排放结果数据见表5。

表5 中国与澳大利亚试验结果Table 5 Test results of China and Australia

通过表5 中数据对比可以发现，在试验环境及测试工况保持一致的情况下，同一柴油机在中澳两国各自实验室设备上测出的结果差别不大，充分证明了我国现阶段对防爆柴油机排放性能的检验方法及实施手段已达到了国际先进水平。

5 结 语

中国与澳大利亚两国在防爆柴油机排放检测依据标准、控制指标、检测方法及实施手段等多方面存在很多共同点，通过同一防爆柴油机排放试验结果的对比分析，可以看出我国现阶段防爆柴油机排放性能检验依据标准及检测方法和手段已经达到国际先进水平，为未来开展防爆柴油国际互认，推进行业国际化进程提供了依据。