目录1 前言 22 整体设计思想 23 防爆柴油机的技术要求和选型 33.1 防爆柴油机的技术要求33.2 防爆柴油机的功率选择33.3 防爆前柴油机的主要技术参数34 防爆柴油机的设计要点 44.1 防爆柴油机的起动44.2 进气系统的设计44.3 排气系统的设计54.4 冷却系统的设计54.5 配套零部件的选用64.6 其他附件的设计及选取65 设计成型的防爆柴油机的组成及性能参数 66 试验验证 77 结语 7参考文献 8新型防爆柴油机设计杨建伟【摘要】 结合我国煤炭辅助运输设备的发展状况,针对煤矿井下大型物料运输设备动力 装置的特殊要求，从系统设计匹配的角度出发，严格按照国家行业标准要求,开发了新型防 爆柴油机系统。将防爆柴油机的有效动力、排放指标及防爆性能进一步提升，达到业内领先 水准。关键词：新型防爆柴油机 系统 设计 匹配1 前言防爆柴油机是一种用于爆炸性气体环境的柴油机。这种柴油机具有防爆性能，在爆炸性 环境中工作不会点燃环境气体，且排放气体指标符合MT 220的要求。近年来，随着与国际市场的接轨，国外的先进煤矿设备陆续涌人中国，在一定程度上促 进了我国煤矿开采技术的进步和矿井建设的扩大，但矿井运输设备整体老化落后的局面，特 别是井下无轨运输设备滞后，仍然制约着我国煤炭工业的发展。在我国煤矿无轨设备从上个 世纪八十年代研制开始，到现在已经经历了二三十年的发展历程，但发展依旧缓慢，主要表 现为它的牵引动力防爆柴油机的研制还没有形成系统的理论，主要是在现有柴油机的基 础上加以改造而成，这样就造成各系统与柴油机不能达到最佳匹配，防爆后的柴油机动力性、 排放性能均较差，无法满足煤矿井下实际工作环境要求。结合此种情况，我们在防爆柴油机 领域内进行了积极的尝试和摸索，力求为我国传统工业的发展做出我们应有的贡献，共同促 进煤矿辅助运输设备的现代化建设。防爆柴油机的开发是一个系统工程，存在诸多难点，其主要原因：一方面，在国内防爆 柴油机的研发处于起步阶段，没有成熟的理论和经验可以借鉴；另一方面，防爆柴油机的防 爆降温性能实质是“违背”能量守恒原则，希望得到最大的动力性的同时又要抑制柴油机表 面产生的热量，因此，防爆柴油机的表面降温成为最大的难点。我们通过对东风康明斯柴油 机进行的系统匹配设计，从进气系统、排气系统、冷却系统、润滑系统等方面入手，进行了 大量计算和仿真分析，成功开发了具有领先水准的新型防爆柴油机。2 整体设计思想防爆柴油机的开发设计主要集中在机体表面降温、排气降温、冷却系统热平衡设计以及 整体优化设计布置等工作。其中，机体表面降温主要采用在高温部位设计水套，采用水冷的 方式降温。目前在我国煤矿井下使用的防爆柴油机排放标准一般为欧I或更低的排放级别,大都为 自然吸气方式，也有少量的增压型防爆柴油机，但水冷增压器的设计开发一般都未经过系统 匹配，进气也没有经过中间冷却，因此，造成最终的防爆柴油机不仅动力满足不了煤矿井下 连续坡道的路况环境，排放性能更是严重危害着井下矿工的身心健康。凭借东风康明斯的资源优势，我们选取了东风康明斯欧II以上排放指标的柴油机作为开 发原型机，从主机的缸盖、排气歧管、增压器、冷却水泵进行系统的匹配设计，并采用模具 生产制造，在缸盖的排气口端部设计冷却水套，对缸盖高温部位进行降温；在排气系统末端 设计了废气处理箱，对废气进行水洗降温；同时对进气采用中间冷却，进一步提高进气量， 这样不仅可有效提升防爆柴油机功率20%以上,同时也最大程度的降低了排气中的碳粒及烟 度。另外，采用两套独立的冷却系统分别对防爆柴油机的机体热量及排气系统热量进行冷却，这样在不破坏原机冷却系统的同时，可提升冷却能力50%以上，使排气温度有效控制在70C以下。3 防爆柴油机的技术要求和选型3.1防爆柴油机的技术要求防爆柴油机应满足的技术要求如下： 进气系统防爆； 排气系统防爆； 废气净化； 提高冷却系统的冷却能力，以便使柴油机的机体表面温度低于150C ； 配套零部件具备防爆功能或采用措施后具备防爆功能。除此之外，防爆柴油机多在井 下系统中应用，巷道空间狭小，这就要求防爆柴油机结构要紧凑，各系统合理布置，进行整 体优化设计。3.2防爆柴油机的功率选择发动机作为整车的心脏部分，它性能的优劣将会直接影响整车的动力性能及可靠性。而 且作为整车的一大部件其成本的高低也将直接影响全车价格。车辆的动力性主要取决于发动 机功率的大小。发动机功率越大，其后备功率愈大，加速与爬坡能力就越好，整车的动力性 也越好。但发动机功率选择得太大，会造成不必要的功率浪费和燃油消耗，导致经济性能下 降。通过下列方法可以估算发动机的功率大小。由公式：Pe =l/n（mgfVa /3600+C AVa3 /76140）max r a r maxD maxPe 最大功率maxn 传动效率rm汽车总质量ag 重力加速度f滚动阻力系数，滚动阻力系数与路面的种类、行驶速度以及轮胎的构造、材料、r气压等有关CD空气阻力系数A汽车迎风面积Va 最高车速max根据经验推荐，一般发动机辅助系统会造成发动机功率20%25%的损失。我们以8吨无轨胶轮车参数进行防爆柴油机的研发，通过计算选择东风康明斯功率为153kW的柴油机作为防爆柴油机系统的主机。3.3 防爆前柴油机的主要技术参数目前，我国煤矿在用的井下无轨胶轮车用防爆柴油机大部分是非增压型，我们所开发的 防爆柴油机具有低油耗、高动力、低排放的优点，能满足井下辅助运输需求。柴油机主要技 术参数见表1 。表1项目规格缸径X冲程（mm）102X120排量（L）5.9进气方式涡轮增压额定功率/转速(kW/rpm)153/2200最大扭矩/转速(N.m/rpm)870/1400排放EPA Tier2进气冷却方式空空中冷4 防爆柴油机的设计要点按照防爆柴油机的开发要求，以3.3所述柴油机为基本型,对柴油机的起动方式、进排气 系统、冷却系统、配套零部件的选用等进行了匹配设计及严格选取，以此来满足防爆要求4.1 防爆柴油机的起动传统的防爆柴油机一般采用电启动的方式启动，起动马达起动瞬间所需要的电流高达几 百安培，有可能产生较强的电火花，从而引起煤矿井下易燃易爆气体或粉尘的爆炸。为了杜 绝高电流电火花的产生，我们采用压缩空气启动的方式，选用大扭矩、低压启动的涡轮启动 马达，该气马达不仅体积小，启动噪声也只有95分贝，适合煤矿井下的恶劣环境。防爆柴油 机的起动示意图如图1所示。图1 防爆柴油机启动示意图4.2进气系统的设计为最大化提升防爆柴油机的动力并改善排放性能，我们对进行系统采用空气冷却的方 式，以期最大限度增加进气量。经增压后的压缩空气温度一般高达150C，经柴油机自带的 吸风式风扇进行冷却后一般可达60C左右，这样在进入燃烧室的空气量明显可增加50%以上， 从而可有效提高防爆柴油机功率20%以上。同时，为提高防爆柴油机的进气空气质量，我们选取了带有旋风初滤的大流量沙漠空滤 器，不仅可降低进气阻力，同时也可延长空滤的更换周期，对防爆柴油机的使用寿命有一定 好处。另外，为降低防爆柴油机进气系统回火造成的引爆可能，我们在进气盖板上设计了阻火 栅栏及空气关断装置，阻火栅栏能防止火星从进气系统中窜出，避免了引起可燃物燃烧的可 能性；空气关断装置采用气缸控制，在出现事故或防爆指标超标时，可切断防爆柴油机的空 气供给，并及时停车。4.3排气系统的设计防爆柴油机最关键的防爆措施之一就是降低柴油机机体的表面温度，使之低于150C。 而排气系统也是柴油机机体最高温度所在地，普通柴油机的增压器排气出口温度高达600C, 因此，需要对缸盖的排气口、排气歧管、增压器进行全新的匹配设计，并设计冷却水套，为 不破坏原机的冷却性能，同时提高柴油机的排气冷却效果，我们采用两套独立的冷却系统， 即在轮系中增加一个水泵，同时增加一个散热器，对排气部分进行单独冷却。因增压器经过冷却后能量会有损失，不仅造成防爆柴油机的功率损失，同时对低速扭矩 的影响也较大，为了克服这一难点，我们通过设计经验及流体模态分析，将涡轮壳气体流道 进行更改，从而将损失的能量补偿回来，满足了低速扭矩性能。水冷排气歧管与水冷涡轮增 压器连接图如图2所示。图2 水冷排气歧管与水冷涡轮增压器连接图为使防爆柴油机的排气温度低于标准要求的70C,我们在排气总管后端设计了废气处理 箱，并在废气处理箱内部设计了排气阻火栅栏，可有效阻止排气火焰外泄引起的环境爆炸4.4冷却系统的设计为有效降低柴油机排气温度，不破坏原柴油机冷却系统，在柴油机上另行设计增加了一 个水泵，同时也增加了一个外循环散热器，该冷却系仅对排气歧管、增压器废气涡壳、排气 总管部分的废气温度进行冷却，不仅可降低零件表面温度，同时可有效降低废气温度。该系 统的设计，使柴油机的冷却系统在环境温度高达40C时也可趋于热平衡，而不影响柴油机正 常使用。其布置示意图如图3所示。图3 冷却系统布置示意图4.5 配套零部件的选用行业标准中防爆柴油机的技术要求中明确规定：(1)在防爆柴油机运转和维修期间，有 可能受到撞击的零部件的外壳均不允许采用轻金属制造。(2)防爆柴油机及其配套的非金属 材料零部件，采用电阻值小于1X109Q的不燃或阻燃性材料制造。(3)用于密封的垫衬，应 使用带有金属骨架或金属包封的不燃材料制造 。因此，对于防爆柴油机中不可避免的轻金 属部件外壳，除了加以有效防护外，我们采用表面喷涂改性的方式处理，并经过煤炭行业的 摩擦火花试验，均满足要求；对于非金属零部件如风扇、多楔带、各种胶管等均采用阻燃抗 静电材料全新设计开发，满足煤矿行业标准要求。4.6其他附件的设计及选取对于隔爆结合面的尺寸及有关要求，比如结合面的有效宽度、表面粗糙度、杆套配合的 长度及间隙等，均严格按照矿用防爆柴油机通用技术条件要求设计。燃油箱的设计远离 柴油机，以此减少热源的影响，油箱加油口、曲轴箱通气孔采用螺纹可靠连接，同时在油箱 和柴油机之问设置燃油停油机构，在出现故障时可及时关闭燃油供给。对于防爆柴油机采用的部分电器件，如发电机、调节器、温度传感器等，均采用有安标 认证的隔爆件，其中采用的隔爆兼本质安全型保护装置，可有效实现防爆柴油机的表面温度 超标、排气温度超标、散热器冷却液温度超标、机油压力低于设定值、废气处理箱水位低于 设定值以及矿井下瓦斯浓度超过设定值时发出声光报警信号，并在30秒内自动停机。5 设计成型的防爆柴油机的组成及性能参数通过对防爆柴油机的进气、排气、冷却系统等进行总体设计开发，并严格执行矿用防 爆柴油机通用技术条件的要求，开发出了具有领先性能的新型防爆柴油机，完全满足煤矿 井下辅助运输的要求，防爆后技术参数完全达到设计要求。防爆后技术参数见表2,新型防爆 柴油机系统图见图4。表 2项目参数额定功率/转速(kW/rpm)125/2200取大扭矩/转速(N.m/rpm)590/1600排放指标C0W0.1%785maxN0xW0.08%680max表面温度W150C128max排气温度W70C64max平衡后冷却液温度W98C96max1-进气系统 2-外循环水泵 3-外循环散热器 4-内循环散热器 5-中冷器6-柴油机 7-排气系统图4 新型防爆柴油机系统图6 试验验证防爆柴油机经过系统匹配