劉繼全

(中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 太原 030006)

無軌膠輪車作為高產(chǎn)高效煤礦設(shè)備之一，在世界上采煤發(fā)達(dá)國家得到了廣泛運(yùn)用，極大地提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益，降低了工人的勞動強(qiáng)度[1-4]。無軌膠輪車的動力源現(xiàn)在主要有兩大類：一類是防爆電機(jī)，另一類是防爆柴油機(jī)。為了滿足長距離運(yùn)輸，防爆電機(jī)驅(qū)動的膠輪車都配帶大型的防爆蓄電池，無污染是其主要優(yōu)點，但蓄電池價格昂貴，井下充電困難——井下充電必須建立專門的充電站或者在地面充電；配備防爆柴油機(jī)的膠輪車卻無需使用專門的設(shè)備，可以做到隨加隨走，但主要缺點是具有污染的尾氣排放，因此開發(fā)新型低污染防爆柴油機(jī)變得尤為迫切。渦輪增壓是柴油機(jī)提高動力性減低排放的有效方法之一，煤礦井下通常是借用車用增壓器與臺架實驗結(jié)合的方法進(jìn)行匹配，得到比較優(yōu)秀的匹配性能結(jié)果，但太過于繁瑣費(fèi)時，而且必須經(jīng)過大量的實驗，耗費(fèi)財力巨大，不適用于現(xiàn)今防爆柴油機(jī)系統(tǒng)開發(fā)。廢氣渦輪增壓器的合理匹配已經(jīng)成為開發(fā)防爆柴油機(jī)最突出的問題[5-10]。數(shù)值方法已經(jīng)成為現(xiàn)今設(shè)計工作的必備手段，本研究采用參數(shù)分析的方法，研究分析防爆柴油機(jī)廢氣渦輪增壓器的合理匹配，提高開發(fā)防爆柴油機(jī)系統(tǒng)的動力性、經(jīng)濟(jì)性，縮短開發(fā)周期。

1 防爆柴油機(jī)廢氣渦輪增壓器匹配原理

在防爆柴油機(jī)廢氣渦輪增壓器匹配參數(shù)化分析研究中，假定氣體在進(jìn)氣道與排氣道內(nèi)壓力損失不計，氣體流速穩(wěn)定不變，為穩(wěn)態(tài)理想狀態(tài)，將廢氣渦輪增壓器作為一個相對獨立子系統(tǒng)研究，它與防爆柴油機(jī)通過壓縮空氣的流動實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換傳遞，其最終目的是實現(xiàn)進(jìn)氣壓力增高，提高進(jìn)氣量，即：

m空氣=λ0·V氣缸·P增壓P0=π增壓·λ0·V氣缸

(1)

式中：m空氣為進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣量；λ0為空氣增壓前密度，采用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓密度；P增壓為空氣增壓后壓力，即壓氣機(jī)出口壓力，理想狀態(tài)下等于缸內(nèi)進(jìn)氣壓；P0為空氣增壓前壓力，即壓氣機(jī)進(jìn)口壓力，采用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值；π增壓為壓氣機(jī)壓比；V氣缸為氣缸容積。

廢氣渦輪增壓器由壓氣機(jī)、渦輪及中間支撐等三部分組成，它們之間是機(jī)械傳動關(guān)系。廢氣渦輪增壓器工作原理是渦輪葉輪吸收一部分防爆柴油機(jī)的廢氣能量，渦輪旋轉(zhuǎn)帶動壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)，壓氣機(jī)葉輪壓縮空氣，增壓進(jìn)氣壓力，實現(xiàn)進(jìn)氣量的提高。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中廢氣渦輪增壓器子系統(tǒng)內(nèi)部可以認(rèn)為是理想狀態(tài)，從運(yùn)動學(xué)方面分析，其渦輪轉(zhuǎn)速等于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速——二者同軸連接；從能量轉(zhuǎn)換分析，渦輪吸收廢氣能量等于壓氣機(jī)壓縮空氣消耗能量與機(jī)械損失之和；從流體流量分析，進(jìn)入氣缸的氣體流量與排出氣缸的氣體流量相等——相同氣缸排量相同，也即通過渦輪的流量等于通過壓氣機(jī)的流量，即建立數(shù)學(xué)基本方程為：

1) 廢氣渦輪增壓器渦輪與壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速相等

n渦輪=n壓氣機(jī)

(2)

在穩(wěn)態(tài)理想工況下，假定防爆柴油機(jī)工作循環(huán)過程轉(zhuǎn)速穩(wěn)定——活塞勻速上升，排氣流速穩(wěn)定，渦輪吸收能量穩(wěn)定，因此渦輪轉(zhuǎn)速n渦輪保持恒定不變。因為壓氣機(jī)和渦輪同軸剛性傳動，所以兩者轉(zhuǎn)速相等保持恒定不變。

2) 廢氣渦輪增壓器子系統(tǒng)渦輪吸收能量等于消耗功

W壓氣機(jī)=W渦輪+W損失=W渦輪·η增壓

(3)

式中：W渦輪為渦輪吸收廢氣能量，即廢氣對渦輪做的功；η增壓為廢氣渦輪增壓器機(jī)械效率；W壓氣機(jī)為壓氣機(jī)對空氣做的壓縮功；W損失為增壓器旋轉(zhuǎn)摩擦損失的能量。

3) 通過渦輪與壓氣機(jī)的流量相等

V渦輪=V壓氣機(jī)

(4)

式中：V渦輪為通過渦輪的廢氣流量；V壓氣機(jī)為通過壓氣機(jī)的空氣流量。

空氣在進(jìn)氣沖程經(jīng)過壓氣機(jī)壓縮進(jìn)入氣缸內(nèi)，在壓縮沖程末端噴入柴油與壓縮空氣混合燃燒，排氣沖程廢氣在活塞上移的作用下排出,進(jìn)入廢氣渦輪增壓器,因此可以認(rèn)為進(jìn)排氣系統(tǒng)、氣缸及增壓器工作過程中不存在漏泄的空氣,通過渦輪與壓氣機(jī)的氣體流量相等。進(jìn)入氣缸內(nèi)的物質(zhì)燃燒前后遵守質(zhì)量守恒定律，即空氣質(zhì)量和柴油質(zhì)量等于廢氣質(zhì)量。

2 廢氣渦輪增壓器性能參數(shù)

廢氣渦輪增壓器子系統(tǒng)由壓氣機(jī)和廢氣渦輪共同組成。參數(shù)化分析過程中把廢氣渦輪作為一個吸收能量的元器件，根據(jù)氣缸內(nèi)氣體的壓力、溫度和渦輪的效率，采用微分疊加分析計算通過渦輪的廢氣流量和廢氣對渦輪做功。把壓氣機(jī)作為一個做功元器件，根據(jù)已知的壓氣機(jī)性能曲線和廢氣渦輪做功，分析計算壓氣機(jī)出口氣體的壓力、溫度、流量。

2.1 廢氣渦輪性能參數(shù)

建立廢氣渦輪增壓器的渦輪等效模型，主要為了算出渦輪輸出功WT。

1) 廢氣渦輪當(dāng)量流通面積

假定不考慮廢氣壓力波動，作為一個穩(wěn)定流動狀態(tài)，把整個渦輪作為一個節(jié)流噴嘴，噴嘴中的絕熱焓降等于實際渦輪中噴嘴及工作輪的絕熱焓降之和，并假定流體不可壓縮，則其當(dāng)量流通面積為

(5)

式中：SN為噴嘴環(huán)出口通流面積；SB為渦輪工作輪出口喉口面積。

2) 廢氣渦輪質(zhì)量流量

徑流式渦輪廢氣的質(zhì)量流量為：

(6)

式中：ρ渦輪為廢氣密度；μ渦輪為流量系數(shù)；π膨脹為修正渦輪膨脹比。廢氣渦輪流量系數(shù)可采用經(jīng)驗公式，即：

μ渦輪=1.1787-1.6074/(20π膨脹-16)+

4.608e-18(π膨脹-1.01)×(π膨脹-1.05)

(7)

3) 廢氣渦輪效率

廢氣渦輪的效率是指實際過程氣體對渦輪做功與理想過程氣體對渦輪做功的最大可用能量之比，是渦輪的主要性能參數(shù)。廢氣渦輪效率經(jīng)驗公式，即：

η渦輪=ηmax·(-0.105+2.685λ渦輪-

(8)

式中：ηTmax為渦輪效率的最大值；λ渦輪為渦輪氣流速比，即渦輪邊界切向流速與氣流流速比。

4) 廢氣渦輪吸收能量

一定時間t內(nèi)渦輪吸收能量為

(9)

2.2 壓氣機(jī)性能參數(shù)

1) 壓氣機(jī)壓比

壓比是壓氣機(jī)出口壓力與進(jìn)口壓力之比。以p0、p壓氣機(jī)表示壓氣機(jī)進(jìn)口、出口壓力，即：

(10)

2) 壓氣機(jī)質(zhì)量流量

流量表示壓氣機(jī)的通流能力，管道內(nèi)定常流動質(zhì)量流量的連續(xù)方程為：

(11)

式中：ρ壓氣機(jī)為管道中的氣體密度；V壓氣機(jī)為管道中氣體的體積流量。

3) 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速

壓氣機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)速

n壓氣機(jī)=n渦輪

(12)

由于壓氣機(jī)是裝在渦輪軸上，壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速就是渦輪的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速很高。

4) 壓氣機(jī)壓縮功

壓氣機(jī)對氣體壓縮功為：

(13)

5) 壓氣機(jī)效率

有用的壓縮功與輸入壓氣機(jī)的功的比值為壓氣機(jī)的效率，離心式壓氣機(jī)的η壓氣機(jī)一般為0.78～0.85。

6) 壓氣機(jī)出口空氣溫度

空氣經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后，溫度由T0升高至TK，出口溫度TK為：

(14)

式中，τ為考慮向外散熱的冷卻系數(shù)，τ=1.04～1.1。

7) 壓氣機(jī)流量特性

壓氣機(jī)的流量特性，是表示壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速不變時，壓氣機(jī)的壓比和絕熱效率隨空氣流量的變化關(guān)系，壓氣機(jī)特性曲線大多由實驗方法得出，圖1為某增壓器壓氣機(jī)的流量特性曲線。

3 防爆柴油機(jī)氣缸熱力過程

防爆柴油機(jī)氣缸熱力過程和普通柴油機(jī)氣缸熱力過程一樣，做如下假設(shè)：氣缸中的工質(zhì)是均勻的；系統(tǒng)內(nèi)部工質(zhì)不受空間影響，僅隨時間變化，符合定常、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程；不考慮氣體在高溫時的離解作用

防爆柴油機(jī)氣缸內(nèi)熱力過程遵循下列基本方程，即：

1) 熱力學(xué)第一定律方程

dQ=dU+pdV

(15)

2) 質(zhì)量平衡方程

dm/dφ=dm進(jìn)/dφ+dm油/dφ-dm出/dφ

(16)

3) 能量平衡方程

dE/dφ=u·dm/dφ+m·du/dφ

(17)

4) 比熱力學(xué)能方程

u=f(T,α)

(18)

圖1 某壓氣機(jī)的流量特性曲線

4 程序流程

工作流程如表1所示。

表1 工作流程

5 輸出結(jié)果

將廢氣渦輪增壓器子系統(tǒng)模型與防爆柴油機(jī)聯(lián)接起來可進(jìn)行增壓匹配模擬計算，得到以下結(jié)果：

1) 氣缸壓力、溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系；

2) 增壓壓力、空氣流量、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速、壓氣機(jī)效率參數(shù)；

3) 防爆柴油機(jī)功率、燃油消耗率、機(jī)械效率、熱效率、最高溫度等，分別如圖2、圖3所示。

圖2 缸內(nèi)壓力變化曲線

圖3 缸內(nèi)溫度變化曲線

6 結(jié)論

通過開發(fā)前期的參數(shù)分析計算在柴油機(jī)選型、廢氣渦輪增壓器的選型階段縮短選型時間，節(jié)約成本，大幅度的縮短防爆柴油機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的周期。目前通過參數(shù)匹配優(yōu)選后的機(jī)型在臺架實驗上已經(jīng)獲得理想的防爆柴油機(jī)系統(tǒng)的性能，在動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等方面優(yōu)于傳統(tǒng)的借鑒匹配模式。

通過參數(shù)化分析計算匹配的防爆柴油機(jī)系統(tǒng)已裝備在膠輪車上，在煤礦井下使用，它極大地降低污染排放，提高了動力性能，改善了燃油經(jīng)濟(jì)性，改善井下工作環(huán)境，降低工人勞動強(qiáng)度，提高整車的使用經(jīng)濟(jì)性，同時也提高了膠輪車在市場中的競爭力，提高銷售量，創(chuàng)造更高的利潤。