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矿用防爆柴油机四元组合式尾气后处理系统设计及性能试验
防爆柴油机以压缩比高、输出功率大、动力性强等优点，成为煤矿井下无轨胶轮车、单轨吊等辅助运输车辆的主要动力源之一，在煤矿生产中发挥着至关重要的作用。2020−12−28，生态环境部正式批准发布《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求(发布稿)》，规定了第四阶段非道路柴油移动机械及其装用的柴油机污染物排放控制技术要求，并明确非道路柴油机自2022年12月起实施国IV排放标准。据此估计，煤矿井下防爆柴油机将于2025年前后开始实施非道路国IV排放标准。
为满足煤矿井下的特殊环境和防爆要求，防爆柴油机在普通柴油机的结构基础上，增加了进/排气阻火器、水洗箱等防爆部件，增加了进排气阻力，使发动机进气量减少，排气严重受阻，缸内燃烧恶化，导致防爆柴油机排放性能劣化，不仅有悖于国家“双碳”战略和“绿色”矿山发展导向，而且也无法满足数年后即将在煤矿实施的非道路国IV排放要求。
柴油机尾气污染物成分主要包括：CO、HC、NOx、碳烟颗粒物等，为消除或净化这些污染物，目前国内外主流高压共轨柴油机多采用“三元”催化尾气后处理工艺，其由氧化催化器(DOC)、颗粒捕集器(DPF)与选择性催化还原器(SCR)三大部件组成，可满足非道路国IV排放要求。
在国外因欧盟排放法规(欧V)十分严苛，不仅对尾气污染物排放限值要求极高，还规定尾气后处理系统必须具有排放控制策略与故障诊断等功能，因此国外多集中于常规道路柴油机智能控制策略的研究，例如JOONSOO等针对共轨直喷式柴油机SCR部件，开发了尿素喷射控制策略，提高了对NOx的还原率；FERDINANDO等构建了基于神经网络预测模型的柴油机尾气净化控制策略，通过实时预测柴油机排气颗粒尺寸来调节SCR的尿素喷射情况，进而保证尾气净化效率；TAE等针对瞬态循环工况设计了一种SCR热管理控制策略，其通过控制柴油机废气处理液剂量来提高废气温度，保证了SCR还原反应的效率。而因国外矿山装备智能化水平发展不足，因此对于煤矿井下非道路防爆柴油机尾气净化技术的研究较少。
在我国煤矿井下防爆柴油机领域，由于现行排放标准仍处于非道路国III阶段，严重滞后于包括工程机械、农业机械在内的其他领域非道路柴油机，导致当前所采用的尾气净化技术以电控燃油喷射、废气再循环(EGR)与增压水冷等机内净化前处理技术为主，少数采用DOC+DPF尾气净化后处理技术。如：范江鹏设计了一种“防爆柴油电控燃油喷射+防爆水洗箱”的尾气净化技术路线，在减少了尾气污染物的排放量的同时实现了消焰降温的要求；王晓等针对高压共轨防爆柴油机设计了一种防爆柴油机废气再循环尾气净化技术，通过将部分废气经EGR阀进入进气系统重新参与燃烧过程，进而降低了燃烧时的最高温度，抑制了污染物生成；张翠平等研究了DOC/CDPF对防爆柴油机性能的影响，为其在防爆柴油机应用提供了理论参考。但以上研究均局限于满足现行国III排放标准，即无法满非道路国IV标准对于HC、NOx与PM污染物排放限值的要求，也无法解决由此带来的高反应温度(200～350 °C)与尾气后处理系统外壳低表面温度(150 ℃)之间的矛盾。
针对当前研究不足，为解决井下防爆柴油机尾气污染问题，保护井下人员身心健康，面向非道路柴油机国IV排放标准，提出了防爆柴油机四元组合式尾气后处理工艺，开展尾气后处理系统结构参数设计，并通过仿真与台架试验对尾气后处理系统的尾气净化性能以及加装尾气后处理系统对防爆柴油机动力性与经济性的影响进行研究，以期为矿用防爆柴油机更高标准尾气净化技术的发展及应用提供参考。
防爆柴油机是矿井辅助运输车辆使用最为广泛的动力源之一，受防爆改造以及井下恶劣环境的影响，导致其尾气污染问题严重，有悖于绿色矿山发展战略。煤矿井下自2020年12月开始实施非道路国III排放标准，但现阶段矿用防爆柴油机尾气净化多采用机内前处理技术，无法满足非道路国IV及更高标准的排放要求。针对防爆柴油机尾气污染严重及净化技术滞后的问题，设计了一种新型四元组合式尾气后处理系统，并通过仿真和台架试验开展了关键部件结构参数优化及尾气污染物净化性能研究。首先，按照煤矿井下防爆要求，超前面向非道路国IV尾气排放标准，设计了一种由氧化催化剂(DOC)、颗粒捕集器(DPF)、选择性催化还原器(SCR)和防爆温控装置(EPTC)组成的防爆柴油机四元组合式尾气后处理系统；采用STAR-CCM+仿真软件对防爆温控装置结构进行传热分析。
结果表明：管壁面温度均小于150 ℃，可满足煤矿安全规程防爆要求。其次，以某型60 kW防爆柴油机为研究对象，基于GT-Power软件分别搭建了DOC、SCR和DPF后处理部件的仿真模型，并对其关键结构参数及净化性能开展正交试验进行优化，确定了尾气后处理系统关键部件的最优结构参数，得到如下规律：污染物的净化效率随DOC和SCR的载体直径、载体长度和通道密度的增大而提高；载体长度和载体直径对DPF捕集效率与DOC和SCR规律一致，而DPF因其特殊的壁流式载体结构，随着通道密度增加，PM颗粒物的捕集效率可始终维持在96%附近。在此基础上，建立了防爆柴油机和后处理系统的耦合模型，开展了防爆柴油机尾气排放污染物净化效率、动力性与经济性仿真试验。最后，研制了四元组合式尾气后处理系统样机并开展台架试验，将试验数据与仿真数据对比分析，结果表明：尾气后处理系统对CO、NO、HC与颗粒物的净化效率分别大于95%、90%、83%以及95%，可满足非道路国IV排放要求；加装尾气后处理系统的防爆柴油机整体输出扭矩平均下降4.83%，整体燃油消耗率平均增加1.19%，对防爆柴油机的动力性与经济性的实际影响较小。
图 1 柴油机三元催化反应模型
图 2 防爆水冷结构
图 3 水冷温控循环系统
图 4 排气管防爆水冷结构温度分布云图
图 5 防爆柴油机四元组合式尾气后处理系统
图 6 防爆柴电混合动力试验平台
图 7 DOC 仿真模型
图 8 关键参数对 DOC 性能的影响
图 9 正交试验方案计算结果
图 10 SCR 仿真模型
张磊，男（1994—），山西大同人，中国矿业大学机电工程学院机械工程专业博士生，研究方向为矿山运输装备智能驱动技术，作为项目骨干参与江苏省科技成果转化专项资金项目《露天矿百吨级无人驾驶新能源运输机器人研发及产业化》、徐州市重点研发计划项目《百吨级矿卡永磁同步式混合动力系统关键技术研发》、山西焦煤集团公司重点研发项目《无轨胶轮车防爆柴油机尾气后处理装置研制及应用》等10余项课题。主持中国矿业大学博士生“未来科学家计划”资助项目1项及江苏省研究生科研创新计划项目1项。以第一作者在《煤炭学报》《煤炭科学技术》《机械工程学报》与《中国机械工程》等国内知名领域EI期刊发表论文5篇，申请发明专利7项（排名第二）。
鲍久圣，男，1979年生，安徽桐城人，博士，中国矿业大学教授、博士生导师，国家第一批煤矿智能化专家（智能运输领域22人之一），全国煤炭工业技术委员会矿山机电与辅助运输专家委员会委员，中国自动化学会智慧矿山专业委员会委员，山西省煤炭学会千人智库高级专家，江苏省“333人才工程”中青年科学技术带头人，江苏省“六大高峰”和“双创博士”人才，兼任《煤炭学报》《绿色矿山》编委以及《煤炭科学技术》《深地科学（英文）》青年编委。主持科研项目40余项，出版《采矿运输技术与装备》等著作4部，发表学术论文130余篇，申请和授权发明专利120余件。曾多次作为行业专家接受CCTV采访和杂志专访，作为客座编辑组织策划了《煤炭学报》首期“煤矿智能化”专题和国际SCI期刊《Energies》"Intelligent Coal Mining Technology"特刊，受邀为《智能矿山》《绿色矿山》创刊号撰写专家述评，应邀在第九届能源资源环境与可持续发展国际会议(ERESD2022)、第2届深地科学前沿学术论坛、山西省智能煤机装备产业技术联盟成立大会等重要会议以及各大矿业集团煤矿智能化专题培训班上作学术报告累计已达50余场次。
研究方向
矿山运输及其智能化
主要成果
致力于矿山运输装备及其智能化技术研究，凝练提出了矿山运输系统“连续化、标准化、智能化、无人化”的“四化”型发展理念，创新开展了带式输送机全永磁直接驱动、井下辅助运输车辆防爆混合动力驱动、提升机高性能闸瓦材料及摩-磁复合制动技术等矿山运输装备智能驱动技术研究；率先开展了煤矿井下恶劣环境无人驾驶技术研究，与企业合作研制了我国首台煤矿井下无人驾驶无轨胶轮车、数字孪生无人驾驶单轨吊、露天矿百吨级新能源运输机器人等矿用车辆无人驾驶系统，提出了井下“三轨一地”自适应连续化辅助运输机器人系统；面向深地资源原位流态化开采科学前沿，创新开展了超深矿井管道垂直输送和重载无绳提升等新兴前沿技术研究。研究成果已获授权发明专利70余件，广泛应用于矿山装备及工程机械领域，与企业合作荣获绿色矿山科技进步一等奖、中国煤炭工业科学技术一等奖、教育部科技进步二等奖等省部级科技奖励10余项。
来源：
张磊，唐彬展，鲍久圣，等. 矿用防爆柴油机四元组合式尾气后处理系统设计及性能试验[J]. 煤炭学报，2024，49(5):2547−2560.
