0 引 言
目前各大煤矿都以防爆车辆为井下无轨辅助运输的主要设备[1-2]，因其灵活高效的特点应用越来越广泛，但防爆车辆的动力源为防爆柴油机，其排出的尾气对煤矿井下工作人员的身心健康造成了很大的危害，严重污染了煤矿井下的作业环境[3-6]。而尾气排放中NOx和微粒对人体的危害更大，煤矿用防爆柴油机的尾气排放物主要是NOx和微粒[7-8]，国内和国外公认，废气再循环(EGR)技术是降低柴油机排出尾气中NOx排放的有效手段之一。
对EGR进行防爆改造和将EGR引入的废气进行冷却降温都可以使防爆柴油机进气的混合气体温度降低，更有利于降低NOx。且适当的降低混合气体的温度，可以提高进气量，使燃烧更加充分，降低微粒的排放。所以将EGR进行防爆改造，并设计合适的冷却系统在保证原机型的动力性和经济性的前提下，可大幅改善车用防爆柴油机的尾气排放。这对大幅降低车用防爆柴油机的尾气排放有着非常重要的现实意义。同时将该技术的研究对防爆车辆用防爆柴油机技术的发展起到积极的推进作用。
国外在20世纪70年代就开始了EGR技术的研究，被认为是柴油机达到欧Ⅲ排放标准的一项必要措施。目前该技术已经比较成熟，并且采用了电控技术，控制更加精密，EGR效率更好。对于重型柴油机，普遍采用了冷却EGR技术，这样可以在保证排放废气中的其他成分保持在较低水平，NOx排放降低明显。
国内对EGR技术的研究较晚且大部分只是停留在理论上的研究。锐彬等[9]进行了EGR系统在发动机上的台架试验，研究了EGR技术对NOx、CO及HC的影响。胡晖等[10]提出了冷却的EGR技术是降低柴油机NOx排放的发展方向。常英杰等[11]探讨了冷却的EGR是中、小排量柴油机满足欧Ⅲ排放标准的一种非常重要的技术措施。李爱娟[12]对柴油机电控EGR冷却系统进行了研究，通过台架试验研究了EGR冷却温度对柴油机排放的影响。为更好地实现EGR冷却系统，降低柴油机排放提供了理论支持。基于此，笔者设计了煤矿井下矿用防爆柴油机防爆EGR冷却系统，并进行了台架试验，较好地解决了矿用防爆柴油机排放污染问题。
1 防爆EGR冷却系统设计
防爆EGR冷却系统属于防爆柴油机冷却系统的一个分支，由于防爆柴油机排出的废气温度高，且MT 990—2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》[13]规定防爆柴油机及其部件的表面温度不超过150 ℃，因此采用水冷。由于煤矿车辆一般空间有限，防爆柴油机布置紧凑，采用防爆柴油机自身的冷却系统可使防爆EGR结构紧凑，还能提高防爆柴油机原冷却系统的使用效率，降低成本。
防爆EGR冷却系统为闭式冷却循环系统，其驱动力由防爆电动水泵提供。ECU根据防爆柴油机的实际工况来控制柴油机水泵的转速，以此来控制循环水的水量，以便控制循环废气的温度。防爆柴油机EGR冷却系统原理如图1所示。防爆式电动水泵将循环冷却水从防爆柴油机的水散热器的出水口处引出，经过EGR冷却器对通过的循环再利用的废气进行冷却后，通过单向阀最后流回到防爆柴油机散热器的进水口。防爆柴油机到防爆EGR阀之间应增加一个滤网，以防止废气中的微粒再次进入缸内。为了提高EGR系统冷却效率、减少EGR系统中废气带走的热量，应在滤网之后EGR冷却器之前安装防爆EGR阀，通过控制阀的开度来控制废气的通过量，从而达到控制进入防爆柴油机缸内废气温度的高低。在散热器和EGR冷却器之间安装单向阀是为了防止因循环冷却水回流对循环再利用的废气冷却带来不利的影响。
图1 防爆柴油机EGR冷却系统原理示意
Fig.1 Schematic of EGR cooling system for flameproof diesel engine
2 文丘里管设计
防爆柴油机文丘里管的结构如图2所示。防爆柴油机EGR系统中文丘里管结构分为收缩腔、混合腔和扩压腔3段。具体原理如下：防爆柴油机进气文丘里管的收缩腔内流动时，气体的流速增加，压力降低。气体流入扩压腔时，由于截面突然增加，气体的流速降低，导致气体压力增加。由于防爆柴油机进气在收缩腔时压力降低，因此进入混合腔时气体的压力也较低，这样就能充分保证防爆柴油机排出的废气能顺利进入到混合腔内，保证废气再循环的正常工作。由于进气和废气混合后在扩压腔内压力增加，流动带来的能量损失很小，因此文丘里管不但具有引射功能，而且还不损耗防爆柴油机本身的输出机械功率[14-15]。
图2 防爆柴油机文丘里管的结构示意
Fig.2 Structural schematic of venturi tube for flameproof diesel engine
3 EGR防爆电动水泵的选型与计算
3.1 循环冷却水量的计算
防爆EGR冷却系统所需的循环冷却水量由EGR中废气带入冷却系统的热量来确定的，因此需先计算冷却系统散走的散热量[16-17]，再计算水泵的消耗功率。
影响防爆EGR冷却系统散走的热量QL的因素很多，很难做到精确计算，根据实验室试验可知，在该型防爆柴油机的最大换热量，防爆柴油机50%负荷且转速为2 200 r/min时，防爆EGR冷却循环系统的热流量为9 000 W，此时为防爆柴油机EGR热流量最高点。因此防爆柴油机EGR废气进入冷却系统中的热量取9 000 W。
防爆EGR冷却系统所需循环冷却水量Vl可由系统散出的热量QL计算。
(1)
式中：Δt1为循环冷却水在EGR冷却系统中进出口的温度差，对强制闭式循环冷却系统，根据大量试验结果取5～10 ℃，取10 ℃；γl为水的密度，近似取1 000 kg/m3；cl为水的比热容，近似取4.2 kJ/(kg·℃)。
防爆水泵的泵水量为
(2)
式中：ηs为防爆EGR冷却系统中防爆水泵的容积效率，由厂家提供，取0.8～0.95，本文取0.85。
3.2 防爆EGR系统的防爆水泵选型
防爆水泵电动机消耗的功率为
(3)
式中：Vv为防爆水泵的泵水量；Pb为防爆水泵的泵水压力，由厂家提供,取0.1×106 Pa；ηh为防爆水泵的液力效率，由厂家提供，取0.6～0.7；根据防爆水泵型号和结构取0.7；ηj为防爆水泵的机械效率，由厂家提供，取0.9～0.95，根据防爆水泵型号和结构取0.9；ηv为防爆水泵的容积效率，由厂家提供，取0.6～0.8，根据防爆水泵型号和结构取0.7。
防爆EGR冷却系统的水是从该防爆柴油机的外循环冷却系统中引入，外循环冷却系统中其他部分经计算可知，所需防爆水泵的功率为2.4 kW。结合防爆柴油机发电动机、电保护和控制器等部件对电源电压的要求选择某公司生产的电压为12 V、最大功率为2.5 kW，最大流量为260 L/min，最大扬程为14.5 m的防爆直流电动水泵，该防爆直流电动水泵能够满足防爆柴油机的外循环系统及EGR冷却系统的冷却水温度为80～95 ℃的要求。
4 试验装置和试验方法
4.1 试验装置及试验台现场
试验测试设备见表1。
表1 试验测试设备
Table 1 Test equipment
设备型号规格设备型号规格油耗仪FC2210油门驱动装置FC2110AVL烟度计415S测功机Z4-225-11T数据采集仪器FC2020尾气排放仪DiGas4000L发动机控制仪FC2010——
集成EGR系统的防爆柴油机台架试验现场如图3所示。
图3 集成EGR系统的防爆柴油机台架试验现场
Fig.3 Test site of flameproof diesel engine with Integrated EGR System
4.2 试验方法
在中煤科工集团太原研究院的防爆发动机性能实验室进行试验，根据《防爆柴油机试验大纲》、MT 220—1990《煤矿用防爆柴油机械排气中一氧化碳、氮氧化物检验规范》、HJ/T 395—2007《压燃式发动机汽车自由加速法排气烟度测量设备技术要求》对该型防爆柴油机进行了台架试验[18-19]，并对加装防爆EGR系统前后的数据进行比较研究。
4.3 试验原理
集成EGR系统的防爆柴油机台架试验原理如图4所示。测功机的工作原理是通过传动轴连接到被测防爆柴油机，启动防爆柴油机后，通过调整负荷来测量被测防爆柴油机的输出功率和输出转矩[20]。防爆柴油机测控系统(包括油耗仪、数据采集仪、发动机控制仪和油门励磁驱动单元等)通过温度传感器、高精度的空气流量计和专用的压力传感器来实时测量防爆柴油机及其外围件的水压、气压和表面温度、气体温度、气体流量等参数。试验通过尾气排放仪和烟度计可测出防爆柴油机排气出口处的CO和NOx等尾气排放的体积浓度。
图4 集成EGR系统的防爆柴油机台架试验原理
Fig.4 Bench test principle of flameproof diesel engine with integrated EGR System
5 试验结果及分析
5.1 EGR温度对NOx体积浓度的影响
防爆柴油机不同负荷下EGR温度对NOx排放的影响曲线如图5所示。从图5可以看出：①在额定转速下随着EGR温度的降低NOx排放也降低；②在同一EGR温度下，负荷降低，NOx排放也低；③NOx排放在160 ～130 ℃时降幅最大，70～40 ℃时降幅最小。这说明当EGR温度降低时，缸内燃烧温度和压力降低，NOx减少，但当温度降低到一定值时，NOx排放趋于稳定。
5.2 EGR温度对CO体积浓度的影响
图5 防爆柴油机不同负荷下EGR温度对NOx排放的影响曲线
Fig.5 Effect curves of EGR temperature on NOx emission of flameproof diesel engine under different loads
防爆柴油机不同负荷下EGR温度对CO排放的影响曲线如图6所示。从图6可以看出：①在额定转速下随着EGR温度的降低CO排放反而增加；②在同一EGR温度下，负荷降低，CO排放也低；③CO排放在100%负荷下，在160～130 ℃时增幅最大，在75%负荷下，在100～70 ℃时增幅最大。这说明当EGR温度降低时，缸内燃烧温度降低，CO反而增加。
图6 防爆柴油机不同负荷下EGR温度对CO排放的影响曲线
Fig.6 Effect curves of EGR temperature on CO emission of flameproof diesel engine under different loads
5.3 EGR温度对HC体积浓度的影响
防爆柴油机不同负荷下EGR温度对HC排放的影响曲线如图7所示。从图7可以看出：①在额定转速下随着EGR温度的降低HC排放呈上升趋势；②在相同EGR温度下，负荷降低，HC排放也随之降低；③HC排放在75%负荷下，在160～130 ℃时降幅最大，在100%负荷下，在70～40 ℃时降幅最小，且随着温度的降低HC的降幅也降低，HC排放趋于稳定。
图7 防爆柴油机不同负荷下EGR温度对HC排放的影响曲线
Fig.7 Effect curves of EGR temperature on HC emission of flameproof diesel engine under different loads
5.4 EGR温度对烟度的影响
防爆柴油机不同负荷下EGR温度对烟度排放的影响曲线如图8所示。从图8可以看出：①在额定转速下随着EGR温度的降低光吸收系数也降低；②在同一EGR温度下，负荷降低，光吸收系数也降低；③在75%负荷下，光吸收系数在130 ～100 ℃时降幅最大，且在100 ℃以下光吸收系数不再变化。
图8 防爆柴油机不同负荷下EGR温度对烟度排放的影响曲线
Fig.8 Effect curves of EGR temperature on smoke emission of flameproof diesel engine under different loads
6 结 论
综上所述安装了防爆EGR系统的防爆柴油机废气的排放比较理想，主要表现在：
1)NOx和碳烟大幅降低，且EGR温度越低，NOx和碳烟排放越低。
2)CO和HC随着温度的增加有所增加，但CO和HC本身排放很低，即使增加后也远低于MT 990—2006《防爆柴油机技术条件》的要求。
3)尾气排放物NOx、CO、HC及碳烟均符合MT 990—2006《防爆柴油机技术条件》的要求，符合煤矿井下工况对防爆车辆的要求。
4)不同工况，EGR温度在70～100 ℃范围内时，防爆柴油机获得良好的综合性能。
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