新型防爆柴油机设计概论

目录

1 前言 (2)

2 整体设计思想 (2)

3 防爆柴油机的技术要求和选型 (3)

3.1防爆柴油机的技术要求 (3)

3.2防爆柴油机的功率选择 (3)

3.3 防爆前柴油机的主要技术参数 (3)

4 防爆柴油机的设计要点 (4)

4.1防爆柴油机的起动 (4)

4.2进气系统的设计 (4)

4.3排气系统的设计 (5)

4.4冷却系统的设计 (5)

4.5 配套零部件的选用 (6)

4.6其他附件的设计及选取 (6)

5 设计成型的防爆柴油机的组成及性能参数 (6)

6 试验验证 (7)

7 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70℃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：

①进气系统防爆；

②排气系统防爆；

③废气净化；

④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150℃；

⑤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 max=l/ηr (m a gf r Va max/3600+C D AVa3max/76140)

Pe max——最大功率

ηr——传动效率

m a——汽车总质量

g ——重力加速度

f r——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、气压等有关

C D——空气阻力系数

A——汽车迎风面积

Va max——最高车速

根据经验推荐，一般发动机辅助系统会造成发动机功率2O%～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。