进气流量对防爆柴油机动力及排放性能的影响.pdf

第 4 2卷 第 3期 2 01 6年 3月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 2 NO ．3 M a r ． 2 0 1 6 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O 1 6 O 3 0 0 2 1 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 3 ． 0 0 5 张钰栋 ， 张翠平 ， 张瑞亮 ， 等． 进气流量对防爆 柴油机动力及排放性能的影响E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 3 2 1 2 4． 进气流量对防爆柴油机动力及排放性能的影响 张钰 栋 ， 张翠 平 ， 张瑞 亮 ， 孙 秀全 ， 李强 强 ， 孙丹 丹 太原 理工 大 学 机 械 工程 学 院 ，山西 太 原0 3 0 0 2 4 摘要 为了改善井下工人工作环境 ， 减 少井下柴油机 NO ， C O，Hc等污染物的排放 ， 根据 防爆柴油机 的 工作 环境 及排 放 法规要 求 ， 针 对某 型 防爆 柴 油机 不 同进 气流量 下 的动 力性和排 放 性进行 了试验研 究 ， 确定 了适 当的 防爆 柴 油机 进 气 流量 。试验 结果 表 明 ， 减 小进 气流量使 防爆 柴 油机动 力性 有一 定 降低 ， 也使 得排 放 中的烟 度略 有 增加 ， 但却 一 定程度 上 降低 了 N 的排 放 。 关 键词 防爆 柴 油机 ；进 气流 量 ；动 力性 ；排放 性 能 中图分类号 TD 6 8 4 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 3 0 7 1 5 1 4 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 3 0 7 ． 1 5 1 4 ． 0 0 5 ． h t ml Th e e f f e c t o f a i r i n t a ke f l o w o n p o we r a n d e mi s s i o n pe r f o r ma nc e s o f e x pl o s i o n pr o o f d i e s e l ZHANG Yu do ng， ZH ANG Cui p i ng， ZHANG Ru i l i a ng， SUN Xi uq u a n， LI Qi a n g q i a n g． S UN Da n d a n Col l e g e of M e c h a ni c a l Engi ne e r i ng，Ta i y u a n Un i ve r s i t y of Te c hno l o gy，Ta i yu a n 0 3 00 2 4，Ch i na Abs t r a c t I n o r d e r t o i mpr o v e wo r ki ng e n v i r o n m e n t o f u nde r gr o un d c oa l m i ne r s a nd r e d uc e e mi s s i on s o f p ol l ut a nt s s uc h a s NO ，CO， HC，e t c． ，p owe r a nd e mi s s i o n pe r f or ma nc e s o f a c e r t a i n t y pe o f e x pl o s i o n p r oo f di e s e l und e r di f f e r e nt a i r i n t a ke f l ow we r e s t ud i e d a c c o r d i ng t o wor ki ng e nv i r o nme nt o f e x pl o s i o n p r oo f di e s e l a nd e m i s s i o n r e g ul a t i on s， a n d t he a pp r op r i a t e a i r i nt a ke f l o w o f e x pl os i o n pr o o f d i e s e l wa s d e t e r mi n e d．Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t r e d u c i n g a i r i n t a k e f l o w wi l l r e d u c e p o we r p e r f o r ma n c e o f e x pl os i o n pr o of d i e s e l ，a n d i nc r e a s e s mok e s l i g ht l y，but i t wi l l a l s o r e du c e t he e m i s s i o ns o f NO ． Ke y wo r d s e x pl o s i on p r oo f di e s e l ；a i r i nt a ke f l o w ；p owe r pe r f o r m a nc e；e mi s s i o n pe r f o r m a n c e 0 引 言 随着 煤 炭 开采 技 术 越 来 越成 熟 ， 井 下 无 轨 辅 助 运 输 系统 得 到迅 速 发 展 。但 由于 井 下 通 风 条 件 有 限， 且柴油机经过防爆改造后排放性能有所降低 ， 对 井 下 工人健 康 造成 了危 害 ， 对 井 下 安 全 生 产 造 成 了 隐患 。柴 油机 进气 流 量对 柴油 机燃烧 和排放 性 能都 有 着 十分 明显 的影 响 。因此 ， 为 了有 效 减 少 井 下 防 爆 柴 油机 尾气 排 放 中 的 No 和 C O 等有 害物 质 ， 改 善井下工人工作环境 ， 同时维持防爆 柴油机 的动力 性 ， 本文 通过 试验 讨 论 进 气 流量 对 防爆 柴 油 机 动力 和排放 性能 的影 响 。 1试 验设 备及 条件 本 文试 验 使 用 的 是 F D E 4 1 0 0 QF B型 防爆 柴 油 机 ， 主要参 数 见 表 1 。根 据 MT 9 9 0 -- 2 0 0 6 矿 用 防 爆柴 油机 通用技 术 条件 l 1 的要 求 ， 本 次试 验 的条 件 如下 ① 排气 温度 达 到 6 8 2 ℃ ； ② 表 面 温 度 达 到 1 4 82 ℃ ； ③ 冷却 水温 度 达到 8 5 2 ℃； ④ 废气处 理箱水位低 于最低设定水位 ； ⑤ 机油压 收稿 日期 2 0 1 5 1 1 2 O ； 修 回 日期 2 0 1 6 - 0 1 0 4 ； 责 任编 辑 胡 娴 。 基金项 目 山西省煤基重点科技攻关项 目 MJ 2 0 1 4 1 4 。 作者简介 张钰栋 1 9 9 0 一 ， 男 ， 山西夏县人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为防爆柴油 机 ， E ma i l 5 1 7 2 8 5 7 9 0 q q ． c o rn。通信 作者 张翠 平 1 9 6 4 一 ， 女 ， 山西万荣人 ， 教授 ， 硕士研究生导师 ， 研究方 向为现代发动机关键零部件的分析 ， E - ma i l z h a n g c p 6 4 1 6 3 ． c o rn。 2 2 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2 卷 力 降至 O ． 1 5 _4 - 0 ． 0 2 MP a 。 表 1 F D E 4 1 0 0 F B防爆柴 油机 主要参数 项 目 参数 缸数 缸径 行程 活塞总排量 压 缩 比 额定转 速 额定功率 最大转矩／ 转速 表面温度 排 气 温 度 4 1 0 0 m m X 1 2 7 mm 3 ． 9 9 L 1 6 ． 5 2 2 0 0 r ／ rai n 4 5 k W 2 2 0 N m／ 1 4 O O ～ 1 6 0 0 r ／ rai n ≤ 1 5 0℃ ≤ 7 O℃ 试验 设备及 仪器 见表 2 。 表 2 试验所用设备及仪器 设备及仪器 型号 防爆柴油机 电涡流测 功机 发动机测控 系统 5组分尾气排放仪 不透光烟度计 TDE4 1 00 QFB DW 3 2 O ET2 1 0 0 AVI DI C0M 4 0 0 0 AVLDI S M 0KE 4 8 0 2试 验方 法 2 ． 1 防爆 柴 油机性 能测试 进气管管径为 6 7 mm， 进气温度为恒定 1 8℃， 进气 压力 实 时测 量 ， 在保证 其他 条件 不变 的情况 下 ， 改变进气管进气面积 ， 将进气 口面积分别变为原来 的 1 ／ 4 ， 1 ／ 8 ， 1 ／ 1 6 。在这 几种 不 同进 气 面积 下 ， 测 量 和计算进气流量， 并确定在进气 口面积不同的情况 下 对应 的防爆 柴油 机动力 性 。 防爆 柴油 机 中 1 1工况 点下 的测 量是 衡 量 防爆 柴 油 机 动 力 和 排 放 性 能 的 重 要 指 标 之 一 ， 按 照 MT 2 2 O 1 9 9 0 煤 矿 用 防 爆 柴 油 机 械 排 气 中 C O、 氮氧化 合物 检验规 范 ， 测量 水洗 箱前 防爆柴 油 机 1 1工况点下的尾气排放 ， 对 比不同进气流量下 防爆 柴油 机 的性 能 ， 结果 见表 3 。 2 ． 2 进 气流量计 算 自然吸气 式发 动机 四冲程 进气 流量公 式 为_ 3 Qi 一 2 V RV ／ i 式 中 Q 为发动 机 每 分钟 进 气 流 量 ； V 。 为发 动 机 的 总排 量 ； R 为 发 动 机 每 分 钟 最 大转 速 ； 仉 为 发 动 机 的容积效率 ； i 为发动机 冲程 。 根据 测 量 和计 算得 到不 同转 速 下 的进 气 流 量 ， 见表 4。 表 3防爆柴油机 l 1 工况点下 的测量结果 工况 转速／ 负荷／ 工况 转速／ 负荷／ 点 r rai n _‘ N m 点 r mi n N m 1 8 0 0 0 7 1 5 0 0 2 2 O 2 1 O O O 0 8 2 2 0 0 2 2 O 3 1 0 0 0 1 1 O 9 2 2 0 0 1 6 5 4 1 0 0 0 2 2 0 1 0 2 2 O O 1 1 O 5 1 5 0 0 0 1 1 2 2 0 0 0 6 1 5 0 0 1 6 5 表 4 不 同转速下 的进气流量 转速／ 进气 流量／ 转速／ 进气流量／ rrai n 1 L rai n rrai n 1 L mi n 1 0 0 0 1 6 9 5 ． 7 5 1 8 0 0 3 05 2 ． 3 5 1 2 0 0 2 0 3 4 ． 9 0 2 0 0 0 3 39 1 ．5 0 1 4 00 2 3 7 4 ． 0 5 2 2 0 0 3 73 o ． 6 5 1 6 0 0 2 71 3 ． 2 0 3试验 分析 3 ． 1 外 特 性 测 量 防爆 柴油 机外 特性下 动 力和排 放性 能随进 气流量 的改 变而 改 变 的情 况 ， 即保证 发 动 机 油 门全 开 ， 调 节不 同进 气 流 量 ， 测 量转 速 为 1 0 0 0 ， 1 2 0 0 ， 1 4 0 0 ， 1 6 0 0 ， 1 8 0 0 ， 2 0 0 0 ， 2 2 O 0 r ／ mi n时 发动 机 的 输 出转矩 ， 结果 如 图 1 所示 。 g 弓 丑 镰 8 0 0 1 2 0 0 l 6 0 0 2 0 0 0 2 4 0 0 输 出转i ／ r ． min 一 。 图 1 输 出转矩 随进气 口大小变化 曲线 从图 1可以看出， 进气口变小 ， 使得防爆柴油机 的输出转矩有降低 的趋势。在 1 ／ 4进气 口和 1 ／ 8进 气 口的输 出转矩 虽然 都 比进气 口全 开 有 所 降低 ， 但 是转矩 降低 值不 大 ； 1 ／ 4和 1 ／ 8进 气 口之 间对 比， 输 出转矩没有 明显变化 ， 但是在使用 1 ／ 1 6进气 口时， 防爆 柴油 机 的输 出转 矩有 明显 降低 。这是 因为柴 油 机 的进气 流量 通常 是过量 的 ， 在进气 口变小 之初 ， 进 2 0 1 6年 第 3期 张钰 栋等 进 气流 量对 防爆 柴 油机动 力及 排放 性 能的影 响 2 3 气流量虽然有所减少 ， 但还满足发动机燃烧要求 ， 所 以输 出转 矩 减 低 并 不 明显 。 当进 气 口减 小 到 一 定 量 ， 使得进气流量小到一定程度时 ， 进气流量不能满 足燃烧需要 ， 发动机输出转矩就会明显降低。 3 ． 2进 气 流量对 各 气体排 放 量 的影响 3 ． 2 ． 1 NO 随进气 流 量 的变化 防爆 柴油 机排 放 的 NO 体 积 分 数 随 进 气 流 量 的改变 如 图 2所 示 。从 图 2可 以看 出 ， 当进 气 口变 小 时 ， 排放 物 中 NO 体 积分 数 有 不 同程 度 的 波 动 。 这 是 由于 No 易 在 高 温 富氧 条 件 下 生成 ] ， 在 1 ／ 4 进气 口时进气流量虽然有所降低 ， 但是燃烧室温度 略有增 加 ， 所 以产 生 的 NO 并 无 明显 变 化 。在 1 ／ 8 进 气 口时进 气 流量 降低 更多 ， 燃烧 室 温度 对 NO 的 产 生影 响 也 不 明 显 ， 所 以 NO 体 积 分 数 有 一 定 降 低 。而在 1 ／ 1 6进气 口时进气流量明显降低 ， 直接影 响柴油机燃烧 ， 使得 NO 体积分数明显降低 。 宝 Z 图 2 NO 体 积分数随进气流量变化 曲线 3 ． 2 ． 2 C o 随进气 流 量 的变化 防 爆柴 油机 排放 的 C O 随进气 流 量 的变 化 曲线 如图 3所示 。从 图 3可看 出， 进气 口减小使得 C O 排放 有 增 加趋 势 ， 在 负 荷增 加 时 ， C O 体积 分 数 随进 气 口减 小 有 明显 增 加 ， 但是 在 低 负荷 状 态 下 ， C O 的 排放 随进 气 口大小 的变 化 并 不 明显 。在 大 负 荷 下 ， 1 ／ 1 6 进 气 口时C O排放有 十分 明显 的增加 ， 说 明进 图 3 C O体 积分 数随进气流量变化 曲线 气 流量 的减少对 柴 油机 C O排 放有 一定影 响 。 3 ． 2 ． 3 HC随进 气流量 的变化 防爆 柴油机 排放 的 HC随进气 流量 的变化 曲线 如 图 4所示 。从 图 4可 以看 出 ， 进气 口的改 变 对 防 爆 柴 油机 的 HC排 放 量 的影 响是 十 分 复 杂 的 。在 1 ／ 4和 1 ／ 8 进 气 口 的情 况 下 ， 柴 油 机 的 HC排 放 量 是波动的； 在有负荷的情况下 ， 虽然个别工况 HC体 积分数 有所 增加 ， 但 是 大 部 分 情 况 下 HC排 放 量还 是有所 减 少 ； 在 1 ／ 1 6进 气 口的 情 况 下 ， HC排 放 量 的趋势 是 总体增 加 的 ， HC排放 量 的 波动 十 分 明显 ， 这是由于进气流量减小 ， 混合物浓度过浓 ， 造成燃料 不 能完 全燃 烧 ， 导致 HC排放 量增加 _ 5 ] 。 2 ＼ 垃 U 图 4 HC体积分数 随进气流量变化 曲线 3 ． 2 ． 4 烟度 随进 气 流量 的变化 防爆 柴 油机 烟度 随进气 流 量 的变 化 曲线如 图 5 所示。从 图 5可看出， 进气 口改变对 防爆柴油机烟 度 有一定 影 响 ， 会 在一 定程 度上 增加 烟度 的排 放量 ， 但 是影 响并 不大 ， 产 生的烟 度百 分 比变化 不 明显 。 、 、 骚 4 结语 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 工况点 图 5 烟度随进气流量变化 曲线 通过 试验讨 论 了进气 流 量对 防爆 柴油机 动力及 排放性 能 的影 响 。 由试 验 数据 可知 ， 改 变 进 气 口的 大小 即改 变 防爆 柴 油机 的进气 流量 对 防爆柴 油机 动 摹＼ 赣 0 u 第 4 2卷 第 3期 2 0 1 6年 3月 工矿 自 动化 I n du s t r y an d M i ne Au t oma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 3 M a r ． 2 0 1 6 文 章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 3 0 0 2 4 0 7 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 3 ． 0 0 6 朱晶晶， 田慕琴 ， 宋建成 ， 等． 谐波对矿用干式变压器损耗及温升的影响E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 3 2 4 3 0 ． 谐波对矿用干式变压器损耗及温升的影响 朱 晶晶 ， 田慕 琴 ， 宋建 成 ， 温敏敏 太原理工大学 煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘 要 为 了更准确地 分析谐 波 对 变压 器损耗 和 温升 的影 响 ， 首先 建 立 了干式 变压 器二 维 结构 模 型 ， 并对 干式 变压 器的漏磁 场 与谐 波损 耗进行 了仿 真计 算 ， 得 到 干式 变压 器 轴 向和径 向漏磁 场 分布 规律 及 谐 波损 耗 与谐波次数 、 谐波含有率、 谐波电流畸变率的关系； 然后利用 F l u e n t 对干式变压器二维温度场与流体场进行 了流 固耦合分析 ， 得到干式变压器温升与谐波次数及谐波电流畸变率的关系。仿真结果表明， 干式变压器的 谐 波铜损耗与谐波电流含有率的平方成正比， 且 当谐波电流含有率一定时， 近似与谐波电流次数的平方成正 比； 而谐波铁损耗与谐波电压含有率的平方成正比， 但 当谐波电压含有率一定时， 谐波铁损耗随谐 波次数的 增 大而减 小 ， 并逐 渐趋 于平缓 。 关键词 干式 变压器 ；谐 波 ；损 耗 ；温升 ；漏磁 场 ；温度场 中 图分 类号 T D6 1 1 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 0 3 0 7 1 5 1 5 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ w ww． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 3 0 7 ． 1 5 1 5 ． 0 0 6 ． h t ml I n f l u e nc e o f h a r mo n i c o n l O S S a n d t e mp e r a t ur e r i s e o f mi ne u s e d d r y t y p e t r a ns f o r me r Z HU J i n g J i n g， TI AN Mu q i n， S 0NG J i a n c h e n g ， WEN Mi n mi n Sh a nx i K e y La bo r a t o r y o f M i n i ng El e c t r i c a l Eq ui pme n t a nd I nt e l l i g e n t Co nt r o l ， Ta i y ua n Uni ve r s i t y o f Te c hn ol o g y，Ta i yu a n 0 3 0 02 4，Ch i na Ab s t r a c t I n or d e r t o a c c u r a t e l y a n a l y z e i nf l u e n c e of ha r mon i c on l os s a nd t e mpe r a t ur e r i s e o f t r a n s f or me r ， a t wo d i m e ns i o na l mod e l o f dr y t y p e t r a ns f o r me r wa s e s t a bl i s he d f i r s t l y， a nd l e a ka g e 收稿 日期 2 0 1 5 - 1 1 2 3 ； 修回 日期 2 O 1 6 0 1 1 1 ； 责任编辑 胡娴。 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 5 1 5 7 7 1 2 3 ， 5 1 3 7 7 1 1 3 ； 山西省科技厅 重大专项项 目 2 0 1 3 1 1 0 1 0 2 9 。 作者简介 朱晶晶 1 9 8 8 ， 女 ， 河北保定人 ， 硕 士研究生 ， 研究方向为矿用干式变压器状态监测与寿命评估 ， E - ma i l 1 3 0 2 7 0 7 2 8 2 7 l 6 3 ． c o rn。 力 和排 放性 能有一 定 的影响 ① 通 常柴 油机 进 气 流 量是过量的， 在进气 口减小到一定程度之前 ， 进气流 量 对 防爆柴 油机 动 力和 排 放 性 能 的影 响 都 不 明 显 。 ② 当进气 口减 小到 一定程 度 时 ， 进 气 流量 对 防爆 柴 油机 有一定 的影 响 ， 动力 性 略 有 降低 ， 除 No 排 放 量明显降低 、 HC适量降低外 ， 其余排放物都有一定 的增 加 。将 进 气 口 面 积 减 小 到 原 进 气 口 面 积 的 1 ／ 8 ～ 1 ／ 4时 ， 既满 足动 力性 要求 ， 又满 足 排放 要 求 。 ③ 当进 气 口过量减 小 时 ， 进 气流 量对 防 爆柴 油机 性 能有 明显 的影 响 ， 防爆柴 油机 动力性 明显 降低 ， 除 了 NO 排放量 降低外 ， 其余气 体排放 量都大 幅度升 高 ， 尤其 是 C O排放 量增加 十分 明显 。 在 实 际生 产 中 ， 要 保 持 防爆 柴 油 机进 气 口的 畅 通 ， 时常清洗 ， 防止进 气 口堵 塞 ， 避 免 由于 进 气 流量 过量减少而使防爆 柴油机动力性过分降低 ， 以至于 因不 能满 足生产需 求造 成停 机 ， 引发事 故 。 参 考 文 献 E l i MT9 9 0 2 0 0 6矿用防爆柴油机通用 技术 条件 [ s ] ． E e l MT2 2 0 1 9 9 0煤矿用防爆柴油机械排气 中一 氧化碳 、 氮氧化物检验规范E s ] ． [ 3 ] 黄粉莲 ， 纪威 ， 周炜．涡轮 增压柴油机进气 流量 的计算 与仿 真[ J ] ． 农业工程学报 ， 2 0 1 3 3 6 2 6 8 ． [ 4 ] 许 洪军 ， 曹会智 ， 刘伍权 ， 等．柴油 机尾气氮 氧化物 的 机外 净化技术研究 一 [ J ] ． 内燃机 ， 2 0 0 4 6 3 6 3 8 ． [ 5 3 张翠 平 ， 王铁． 内燃机排放与控制 [ M] ． 北 京 机械工 业 出 版 社 ， 2 0 1 2 ．