魏肖， 鮑久圣， 譚飛， 袁曉明， 陰妍， 張磊

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116； 2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

防爆柴油機(jī)以功率大、適用性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、運(yùn)輸效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]，成為目前應(yīng)用廣泛的井下輔助運(yùn)輸設(shè)備動(dòng)力裝置之一[2]。與穩(wěn)態(tài)工況相比，瞬態(tài)工況下防爆柴油機(jī)性能會(huì)出現(xiàn)明顯的劣化[3-7]，防爆柴油機(jī)的油耗、煙度及CO排放急劇升高，并伴隨轉(zhuǎn)矩遲滯等現(xiàn)象，而造成防爆柴油機(jī)瞬態(tài)工況性能劣變的主要原因是供氣量延遲導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒惡化、油耗和排放增加[8]?，F(xiàn)有防爆柴油機(jī)是在地面柴油機(jī)的基礎(chǔ)上，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9]進(jìn)行進(jìn)排氣防爆改造研制而成，進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)加裝防爆阻火器是改造的關(guān)鍵。相較于地面道路，煤礦井下工況更加復(fù)雜，防爆柴油機(jī)經(jīng)常處于啟停、加減速等瞬態(tài)工況，而防爆阻火器的加裝導(dǎo)致柴油機(jī)進(jìn)排氣嚴(yán)重受阻[10-12]，瞬態(tài)工況下進(jìn)排氣系統(tǒng)遲滯加重，瞬態(tài)工況特性惡化嚴(yán)重。因此，深入研究防爆柴油機(jī)瞬態(tài)工況特性對(duì)解決防爆柴油機(jī)性能惡化問題具有積極意義。本文通過(guò)建立礦用防爆柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)仿真模型和瞬態(tài)仿真模型，對(duì)礦用防爆柴油機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速和恒轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩2種典型瞬態(tài)工況下的動(dòng)力和排放性能進(jìn)行仿真分析，并對(duì)噴油提前角和防爆阻火器柵欄數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化。

1 防爆柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)仿真模型

1.1 模型建立

本文以YCD4J22T-100型4缸自吸柴油機(jī)(基本技術(shù)參數(shù)見表1)為樣機(jī)進(jìn)行防爆改造。根據(jù)防爆改造前柴油機(jī)基本技術(shù)參數(shù)(表1)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)模擬軟件GT-POWER建立防爆改造前柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)仿真模型，在此基礎(chǔ)上增加進(jìn)排氣防爆阻火器模型。防爆改造后柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)仿真模型主要包括進(jìn)排氣系統(tǒng)、氣缸、曲軸箱系統(tǒng)、噴油器及進(jìn)排氣防爆阻火器，如圖1所示。

表1 防爆改造前柴油機(jī)基本技術(shù)參數(shù)Table 1 Basic technical parameters of diesel engine before explosion-proof transformation

圖1 防爆柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)仿真模型Fig.1 Steady state simulation model of explosion- proof diesel engine

1.2 模型驗(yàn)證

通過(guò)防爆柴油機(jī)測(cè)控平臺(tái)[13]進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，得到柴油機(jī)燃油消耗率，并計(jì)算柴油機(jī)單循環(huán)噴油量：

(1)

式中：Be為柴油機(jī)燃油消耗率臺(tái)架試驗(yàn)值，g/(kW·h)；Ne為柴油機(jī)功率，kW；δ為噴油量修正系數(shù)，取值范圍為1.10～1.14；i為柴油機(jī)氣缸數(shù)；n為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

將單循環(huán)噴油量的值賦給防爆改造前后柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)仿真模型，通過(guò)仿真計(jì)算獲取柴油機(jī)防爆改造前后轉(zhuǎn)矩、功率等仿真值，并與臺(tái)架試驗(yàn)獲得的試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示?？煽闯鲎畲笳`差均在5%以內(nèi)，說(shuō)明防爆柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)仿真模型及其相關(guān)參數(shù)設(shè)置較合理。

(a) 轉(zhuǎn)矩

(b) 功率

2 防爆柴油機(jī)瞬態(tài)仿真模型

恒轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩工況和恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速工況是2種典型的瞬態(tài)工況，啟停、加減速等復(fù)雜的瞬變過(guò)程從微觀上均可由這2種工況組合而成[14]。為實(shí)現(xiàn)防爆柴油機(jī)瞬態(tài)工況的仿真控制，利用Simulink建立防爆柴油機(jī)瞬態(tài)工況控制模型，并與防爆柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)仿真模型耦合形成防爆柴油機(jī)瞬態(tài)仿真模型。

2.1 模型建立

防爆柴油機(jī)瞬態(tài)仿真模型如圖3所示。曲軸箱系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)矩的模擬與輸出；防爆柴油機(jī)瞬態(tài)工況控制模型可對(duì)曲軸箱系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行采集，并利用測(cè)功機(jī)模塊對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行PID控制；測(cè)功機(jī)模塊通過(guò)測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器接收防爆柴油機(jī)瞬態(tài)工況控制模型發(fā)出的信號(hào)，調(diào)整測(cè)功機(jī)載荷[15]。

防爆柴油機(jī)瞬態(tài)工況控制模型如圖4所示。通過(guò)MS開關(guān)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速/恒轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩控制模式切換。恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速控制將測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)矩保持在目標(biāo)值，調(diào)節(jié)油門開度即可調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速；恒轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩控制是根據(jù)柴油機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速之間差值，通過(guò)PID控制測(cè)功機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩保持一致，調(diào)節(jié)油門開度即可調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩并保持轉(zhuǎn)速不變[16]。

圖3 防爆柴油機(jī)瞬態(tài)仿真模型Fig.3 Transient simulation model of explosion- proof diesel engine

圖4 防爆柴油機(jī)瞬態(tài)工況控制模型Fig.4 Transient condition control model of explosion- proof diesel engine

2.2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證防爆柴油機(jī)瞬態(tài)仿真模型模擬的準(zhǔn)確性，以恒轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩工況為例進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。首先，柴油機(jī)以1 400 r/min的恒定轉(zhuǎn)速持續(xù)運(yùn)行5 s，之后開始轉(zhuǎn)矩變化過(guò)程，在15 s內(nèi)防爆柴油機(jī)油門開度從50%增長(zhǎng)到90%并保持20 s，接著在15 s內(nèi)油門開度從90%降到50%。防爆柴油機(jī)仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比如圖5所示?？煽闯稣麄€(gè)過(guò)程中柴油機(jī)轉(zhuǎn)速保持在1 400 r/min左右，波動(dòng)不大；在油門開度變化過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩仿真值與試驗(yàn)值最大誤差在5%以內(nèi)，且轉(zhuǎn)矩變化趨勢(shì)基本與實(shí)際工況變化趨勢(shì)相符，說(shuō)明防爆柴油機(jī)瞬態(tài)仿真模型具有較高的瞬態(tài)響應(yīng)速度，精準(zhǔn)度較高。

3 防爆柴油機(jī)瞬態(tài)工況特性分析

3.1 防爆柴油機(jī)恒轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)工況特性

設(shè)置防爆柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2 400 r/min，轉(zhuǎn)矩變化范圍為該轉(zhuǎn)速下最大轉(zhuǎn)矩的10%～90%，轉(zhuǎn)矩變化時(shí)間分別為5，15 s。

(a) 轉(zhuǎn)速

(b) 轉(zhuǎn)矩

防爆改造前后柴油機(jī)瞬態(tài)工況下各參數(shù)變化曲線如圖6和圖7所示?？煽闯龇辣脑旌蟛裼蜋C(jī)空燃比會(huì)有一定程度的下降，主要是因?yàn)榧友b進(jìn)氣防爆阻火器后進(jìn)氣量減小，加裝排氣防爆阻火器后排氣受阻，缸內(nèi)殘余廢氣量增加，導(dǎo)致空燃比下降，同時(shí)循環(huán)噴油量的增加，也會(huì)導(dǎo)致空燃比下降；在柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩變化過(guò)程中，相比防爆改造前，防爆改造后柴油機(jī)空燃比下降更快，主要原因是加裝進(jìn)排氣防爆阻火器導(dǎo)致柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)遲滯加重，無(wú)法與不斷增長(zhǎng)的循環(huán)噴油量匹配；在轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間升高階段，當(dāng)循環(huán)噴油量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的2 s左右，轉(zhuǎn)矩才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，存在轉(zhuǎn)矩遲滯現(xiàn)象，該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要是燃燒室內(nèi)存在溫度遲滯效應(yīng)[17]和進(jìn)排氣系統(tǒng)存在響應(yīng)延遲；轉(zhuǎn)矩變化時(shí)間為15 s時(shí)，循環(huán)噴油量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的1 s左右，轉(zhuǎn)矩就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明在同一轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩升高越快，遲滯效應(yīng)越嚴(yán)重。

防爆改造前后柴油機(jī)缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力變化曲線如圖8所示。從整體趨勢(shì)來(lái)看，在轉(zhuǎn)速一定的情況下，隨著轉(zhuǎn)矩升高，柴油機(jī)缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力升高；相同轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩下，防爆改造后柴油機(jī)缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力比防爆改造前的低；防爆改造后柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩變化時(shí)間為15 s時(shí)，轉(zhuǎn)矩為152 N·m后缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力就基本保持在11.5 MPa不變，而轉(zhuǎn)矩變化時(shí)間為5 s時(shí)，轉(zhuǎn)矩增至213 N·m后缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力才基本保持在11.5 MPa左右，這主要是加裝進(jìn)排氣防爆阻火器后進(jìn)排氣系統(tǒng)遲滯造成的。

(a) 循環(huán)噴油量與空燃比

(b) 轉(zhuǎn)矩

(a) 循環(huán)噴油量與空燃比

(b) 轉(zhuǎn)矩

圖8 防爆改造前后柴油機(jī)缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力變化曲線Fig.8 Variation curves of the maximum burst pressure in diesel engine cylinder before and after explosion- proof transformation

3.2 防爆柴油機(jī)恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速瞬態(tài)工況特性

設(shè)置轉(zhuǎn)矩分別為120，240 N·m，轉(zhuǎn)速為1 000～2 400 r/min，轉(zhuǎn)速變化時(shí)間分別為5，15 s。

防爆改造前后柴油機(jī)空燃比變化曲線如圖9所示。從整體來(lái)看，柴油機(jī)空燃比隨著轉(zhuǎn)速升高而下降，加裝進(jìn)排氣防爆阻火器后空燃比隨著轉(zhuǎn)速升高而下降更多；轉(zhuǎn)速變化時(shí)間為15 s時(shí)的空燃比比轉(zhuǎn)速變化時(shí)間為5 s時(shí)的大；在轉(zhuǎn)矩為240 N·m的恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速過(guò)程中，空燃比較120 N·m恒轉(zhuǎn)矩時(shí)下降很多，主要是由循環(huán)噴油量增加造成的，說(shuō)明小負(fù)荷增轉(zhuǎn)速過(guò)程對(duì)空燃比的影響較小。

(a) 轉(zhuǎn)矩為120 N·m

(b) 轉(zhuǎn)矩為240 N·m

4 防爆柴油機(jī)參數(shù)優(yōu)化

防爆改造后柴油機(jī)特性會(huì)有所改變，因此需要對(duì)防爆柴油機(jī)部分參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定。噴油提前角對(duì)防爆柴油機(jī)性能影響很大：噴油提前角過(guò)小，會(huì)使柴油機(jī)油耗增加，排溫升高，噪聲增大，甚至可能燒毀機(jī)件；噴油提前角過(guò)大，會(huì)使柴油機(jī)動(dòng)力下降，可靠性降低。進(jìn)排氣防爆阻火器的柵欄數(shù)量也會(huì)對(duì)防爆柴油機(jī)產(chǎn)生較大影響：柵欄數(shù)量過(guò)少，起不到防爆效果；柵欄數(shù)量過(guò)多，會(huì)使防爆柴油機(jī)進(jìn)排氣阻力增大，缸內(nèi)燃燒惡化，動(dòng)力性能下降，排放性能變差。

4.1 噴油提前角優(yōu)化

防爆改造前柴油機(jī)噴油提前角為15°CA，仿真設(shè)置防爆改造后柴油機(jī)噴油提前角為13～25°CA，取值間隔2°CA。以轉(zhuǎn)速變化時(shí)間為15 s、轉(zhuǎn)矩為120 N·m的恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速工況為例，研究噴油提前角對(duì)加裝進(jìn)排氣防爆阻火器后的防爆柴油機(jī)主要參數(shù)的影響，結(jié)果如圖10所示。

從圖10(a)可看出，相同轉(zhuǎn)速下，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力隨著噴油提前角增大而增大，噴油提前角每增加2°CA，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力增加4.5～5.5 MPa。原因是隨著噴油提前角增大，滯燃期變長(zhǎng)，在滯燃期噴入燃燒室的燃料增多，當(dāng)著火時(shí)，不同氣體在急燃期幾乎同時(shí)燃燒，使缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力增大[18-19]。從圖10(b)可看出，噴油提前角增大會(huì)使最高燃燒溫度增加。從圖10(c)可看出，摩擦轉(zhuǎn)矩隨噴油提前角增大而增大，噴油提前角每增加2°CA，摩擦轉(zhuǎn)矩增加0.5～1.5 N·m。從圖10(d)可看出，噴油提前角增大對(duì)功率的影響較小。從圖10(e)可看出，CO體積分?jǐn)?shù)隨噴油提前角增大而減小；當(dāng)噴油提前角為19～25°CA時(shí)，CO體積分?jǐn)?shù)隨轉(zhuǎn)速的變化幅度較??；當(dāng)噴油提前角小于17°CA時(shí)，CO體積分?jǐn)?shù)隨轉(zhuǎn)速的變化幅度較大。從圖10(f)可看出，隨著噴油提前角增大，HC體積分?jǐn)?shù)減小，但增大噴油提前角對(duì)HC體積分?jǐn)?shù)的影響越來(lái)越小。從圖10(g)可看出，NOx體積分?jǐn)?shù)隨噴油提前角增大而增大。綜合考慮，在保證防爆柴油機(jī)各參數(shù)變化在一定范圍內(nèi)且尾氣排放較少的情況下，認(rèn)為在轉(zhuǎn)速變化時(shí)間為15 s、轉(zhuǎn)矩為120 N·m的恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速工況下，防爆柴油機(jī)噴油提前角設(shè)置為19°CA較合適。

4.2 進(jìn)排氣防爆阻火器柵欄數(shù)量?jī)?yōu)化

根據(jù)流體力學(xué)原理，氣體流動(dòng)阻力與氣體流速的平方成正比，而加裝進(jìn)排氣防爆阻火器后，進(jìn)排氣氣體同時(shí)受到管道壁面和防爆阻火器柵欄產(chǎn)生的摩擦阻力[20]，因此防爆改造后進(jìn)排氣阻力大大增加，在轉(zhuǎn)速變化過(guò)程中氣體流速不斷變化，進(jìn)排氣阻力也在不斷變化。以直圓管代替進(jìn)排氣防爆阻火器柵欄(直圓管數(shù)量表示進(jìn)排氣防爆阻火器柵欄數(shù)量)，模擬進(jìn)排氣防爆阻火器對(duì)柴油機(jī)進(jìn)排氣的影響。仿真設(shè)置直圓管數(shù)量為160～280個(gè)，取值間隔為20個(gè)，增大直圓管數(shù)量主要目的是降低直圓管中氣體流速，進(jìn)而減小進(jìn)排氣阻力。在轉(zhuǎn)速變化時(shí)間為15 s、轉(zhuǎn)矩為120 N·m的恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速工況下，不同進(jìn)排氣防爆阻火器柵欄數(shù)量下防爆柴油機(jī)主要參數(shù)變化如圖11所示。

(a) 缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力

(b) 最高燃燒溫度

(c) 摩擦轉(zhuǎn)矩

(d) 功率

(e) CO體積分?jǐn)?shù)

(f) HC體積分?jǐn)?shù)

(g) NOx體積分?jǐn)?shù)

從圖11(a)可看出，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力隨進(jìn)排氣防爆阻火器柵欄數(shù)量增多而增大，但增大幅度越來(lái)越小。從圖11(b)可看出，最高燃燒溫度隨進(jìn)排氣防爆阻火器柵欄數(shù)量增多而減小，但減小幅度越來(lái)越小。從圖11(c)、圖11(d)可看出，進(jìn)排氣防爆阻火器柵欄數(shù)量對(duì)摩擦轉(zhuǎn)矩與功率的影響幾乎可以忽略不計(jì)。從圖11(e)—圖11(g)可看出，進(jìn)排氣防爆阻火器柵欄數(shù)量增多對(duì)尾氣排放濃度均有一定的抑制作用，原因可能是隨著進(jìn)排氣防爆阻火器柵欄數(shù)量增多，排氣受阻，尾氣在凈化機(jī)構(gòu)內(nèi)停留時(shí)間增長(zhǎng)。綜合考慮，在保證防爆柴油機(jī)各參數(shù)變化在一定范圍內(nèi)且尾氣排放較少的情況下，認(rèn)為在轉(zhuǎn)速變化時(shí)間為15 s、轉(zhuǎn)矩為120 N·m的恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速工況下，防爆柴油機(jī)進(jìn)排氣防爆阻火器柵欄數(shù)量設(shè)置為260個(gè)較合適。

5 結(jié)論

(1) 恒轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)工況下，與防爆改造前柴油機(jī)相比，防爆柴油機(jī)空燃比下降更快，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力降低，轉(zhuǎn)矩遲滯現(xiàn)象更明顯，且轉(zhuǎn)矩升高越快，遲滯效應(yīng)越嚴(yán)重。恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速瞬態(tài)工況下，防爆柴油機(jī)空燃比隨著轉(zhuǎn)速增大而減小，但小負(fù)荷增轉(zhuǎn)速過(guò)程對(duì)空燃比的影響較小。

(2) 缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力、最高燃燒溫度、摩擦轉(zhuǎn)矩和功率均隨噴油提前角增大而增大，CO和HC體積分?jǐn)?shù)隨噴油提前角增大而減小,NOx體積分?jǐn)?shù)隨噴油提前角增大而增大。噴油提前角增大可提高防爆柴油機(jī)動(dòng)力性能，但考慮到尾氣排放，不能一味增大噴油提前角。因此，在轉(zhuǎn)速變化時(shí)間為15 s、轉(zhuǎn)矩為120 N·m的恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速工況下，防爆柴油機(jī)噴油提前角設(shè)置為19°CA較合適。

(3) 隨著進(jìn)排氣防爆阻火器柵欄數(shù)量增多，防爆柴油機(jī)缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力增大、最高燃燒溫度減小，進(jìn)排氣防爆阻火器柵欄數(shù)量增多對(duì)防爆柴油機(jī)摩擦轉(zhuǎn)矩和功率的影響幾乎可以忽略不計(jì)，但對(duì)尾氣排放濃度有一定的抑制作用。因此，在轉(zhuǎn)速變化時(shí)間為15 s、轉(zhuǎn)矩為120 N·m的恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速工況下，防爆柴油機(jī)進(jìn)排氣防爆阻火器柵欄數(shù)量設(shè)置為260個(gè)較合適。