防爆柴油机改造方

• 在防爆柴油机在标定输出功率范围内： 未经稀释排气中CO的排放浓度不得超过1000pm 未经稀释排气中NOx的排放浓度不得超过800pm 对发动机排放性能的改造一般从以下三个方面入手： 1.机前处理净化技术 2.机内处理净化技术（改善燃烧） 3.机外后处理净化技术（DOC、废气处理箱、EGR）
3.1 机前处理净化技术----清洁燃料
2.1 进气系统
• 对进气、排气系统主要部件的改造和供油量的调 整可以改善发动机的动力性能和尾气的排放性能, 但是这种改造始终无法摆脱其改造后柴油机进气、 排气系统的阻力大于原柴油机的进气、排气系统 的阻力,也就是无法接近或达到原柴油机的性能, 因此可利用强制进气来代替自然吸气的形式。 • 措施： • 自然吸气柴油机：增加扫气泵 • 增压柴油机：提高增压比
3.3 机外后处理装置—废气处理箱
• 国内防爆柴油机尾气控制主要是水洗法,是一种 尾气后处理方法。就是尾气排放到大气前要经过 废气处理箱,处理箱内有一定高度的水,废气经过 水以后排入到大气中,因氮氧化物易溶于水,水洗 法主要用来净化氮氧化物,其次对CH化合物也起 净化作用（由于这些物质溶于水后会产生酸性物 质，因此适当在水中添加碱性溶剂会有利于增强 其净化作用），还可以洗去油烟、碳粒及易溶于 水的其它有害物质及去掉排气中的气味。这种方 法结构简单、零件少,可以起到废气净化效果
1 对策：
• 由于金属材料的摩擦、碰撞可能产生机械火花， 因此对其有如下要求： • 1.外露金属零件为避免碰撞产生电火花应尽量不 用轻金属。表面喷涂不小于0.2mm的防护层或设 置钢质防护罩； • 2.含轻金属外壳的材料,按质量百分比,铝、钛和 镁的总含量不允许大于15%,并且镁和钛的总含量 不允许大于6%；
3.2 机内处理净化技术（改善燃烧）
• 防爆柴油机改善燃烧围绕着一个核心展开，那就是针对防 爆改造后带来的进排气阻力增加，如何提高进气量，并使 喷油系统和目前的进气量，进气压力及流速匹配。如此， 便能很好的起到改善燃烧，降低排放的作用。
• • 1.使用扫气泵以增加进气量，提高进气压力和充量系数 2.使用涡轮增压中冷技术可以增加进入柴油机汽缸内的空气密度 和将压缩后的空气温度降低,可以增加进气量、缩短滞燃期，在 稀烯火焰熄灭区内积压的燃油量较少，从而减少排气中有害成分 碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOx)的生成 3.适当减少供油量，使喷入缸内的柴油充分燃烧以降低排放污染 4.将供油提前角适当提前，可以明显降低NOx的排放 5.提高喷油压力和喷油速率，降低NOx和颗粒 6.合理设置配气相位
5.2.4 扫气泵
• 原因：对进、排气系统主要部件改造始终无法使改造后柴
油机进排气系统的阻力大于原柴油机的进、排气系统的阻 力,也就是无法接近或达到原柴油机的性能。因此要想达到 原柴油机的性能必须增大柴油机的进气量 。
• 效果：对于自然吸气式柴油机通过增加扫气泵增加进气的
动力，克服进气道、进气栅栏所产生的阻力,使进气歧管内 新鲜气体的压力大于排气后期气缸内废气的压力,将气缸内 的废气充分排出气缸，提高充量系数。 • 同时通过改变配气相位使进排气门的重叠角度增加,如此就 会有少量的新鲜空气随废气一起排出,这样不仅使气缸内的 残余废气尽可能减少,而且可以带走气缸内的部分热量,改善 燃烧室内的燃烧情况 。
5.1启动装置的改造
• 《煤矿用防爆柴油机技术检验规范》中规定： 柴油机的起动方式可采用 • 1.弹簧起动; • 2.液压起动; • 3.压缩空气起动等方式。
• 压缩空气起动方式具有防爆性好、安全可靠、起动 力矩大、可过载保护及动力清洁等优点。 • 或者采用防爆电启动机，这两者都是目前应用较多 的启动方式。
• 隐患5：电火花 • 对策：
• 所有电气元件必须符合GB3836.2《爆炸性气体环境用电 器设备第2部分:隔爆型“d”》或GB3836.4《爆炸性气体 环境用电器设备第4部分:本质安全型“i”》的有关规定,并 取得煤矿安全标志准用证。并且做到以下几点 • 1）采用隔爆型电气元件 • 2）采用本质安全型电气元件 • 3）尽量使用非电气元件替代 • 4）连接电气设备的电缆,除应符合MT818的有关规定外, 还应具有耐油性能,并应可靠固定和保护 •
• • • • 措施： 排气门晚关，即排气门的迟闭角适当推迟一个角度 进气门早开：即进气门提前角相应提前一个角度， 如此，进排气门的重叠角度增加可使废气的排出量增加， 减少燃烧室中残余废气量，同时增加了新鲜空气的进入量， 有效地提高充量系数。
第三部分：排放性能
• 煤炭行业标准中对防爆柴油的排放性能有 如下规定：
5.2.2 进气防火栅栏
• 燃烧室高温引起进气道中可燃混合空气着火迅速反扑向空气 滤清器，进而窜向外界有可燃气体的环境，增加进气栅栏可 以起到迅速阻熄此部分气体燃烧的作用。 • 由于增加进气栅栏后会增加进气阻力，为了使这一影响降到 最低，进气栅栏灭火片进口端磨成椭圆或削成尖角以减小进 气阻力。并且在满足阻火器阻火功能的前提下，尽可能减小 栅栏片的厚度和长度，这些改造可以有效减小尾气中有害气 体的含量、提高柴油机动力性能。
• 燃油的品质对柴油机有害物的排放有着重要的影 响，减少燃油中氮、硫的含量，提高燃油十六烷 值等措施均能降低柴油机有害物的排放。 • 其次在燃料中加入添加剂，能有效地降低炭烟。 燃油添加剂实际上是一种助燃剂，它促进燃烧过 程中炭分子的氧化。目前使用的消烟剂中以含锰 的化合物最为有效，含铁、镍、钴、铜等过渡类 金属元素的有机物也能有效地降低炭烟。 • 还有乳化油技术，即在柴油中掺入一定量的水， 使柴油变为乳化油，也能降低柴油机有害物的排 放。
• • • •
3.3 机外后处理装置—DOC
• 和普通柴油车上使用的DOC没有区别。
3.3 机外后处理装置—EGR
• 废气再循环（EGR）作为控制柴油机排气污染的 一种有效措施，已越来越受到人们的高度重视。 由于它使预混合燃烧峰值降低，滞燃期缩短，氧 气浓度下降，火焰温度下降，因而它能显著地降 低NOx。该系统可使NOx排放量降低20%，对 NOx的控制优于延迟喷油效果
• • • •
叠片宽不少于50mm（增加热传导面积） 叠片厚不低于1.25mm（保证必要的换热能力） 两叠片间的间隙不大于0.5mm（利用狭隙效应迅速降温） 叠片间隙不能因为弯曲而使得间隙扩大（保证有效结构）
5.2.3 空气关断阀
• 空气关断阀是为了安全而设置的，它安装在前喇 叭口上。当柴油机关断柴油后还停不下车时（柴 油机在切断供油后进气中的瓦斯能使其继续运 转），则关闭此阀，断绝柴油机气缸进入空气， 迫使柴油机停车。 • 空气关断阀的安装位置一般是在进气栅栏之前。 该阀的安装和密封应能在柴油机超过额定转速的 20%（有的也设计成10%）时保证自动干脆地切 断空气的供给，使柴油机立即停车。
第二部分：动力性能
• 防爆柴油的防爆性能是关乎生产安全的硬性指标，为了满足 防爆性能必须对发动机会进行一系列的改造，这些改造会影 响到柴油车自身的动力性能，为了使防爆改造对柴油车性能 的影响降至最低，因而需要在此基础上对柴油车进行进一步 的改造和调整，总体而言，会涉及到以下几个方面：
• 1. 进气系统 • 2. 供油系统 • 3. 配气相位
废气处理箱的形式
废气处理箱的形式
第四部分：防爆柴油机各系统结构
• 为了满足防爆性能、动力性能和排放性能的要求，一台防爆柴油机所 需包含的各基本系统结构如下：
第五部分：改造
• 一款普通柴油机如果需要用作防爆发动机， 通常将会涉及到改变的部分有：
• • • • • • • 1. 启动装置 2. 进气系统 3. 冷却系统 4. 排气系统 5 .报警控制系统 6. 燃油系统 7. 各零部件所用到的材料
1.1普通柴油车存在的防爆隐患
• 1.热表面：
• 排气系统热表面300-500℃； • 其他元件表面温度也超过了起燃温度
• 2.火焰火星和热气体：
• 排气温度高达650℃； • 火焰可能通过进气系统高速回流至大气； • 柴油机零部件结合面泄露的热气体和火焰、火星
• 3.机械火花：摩擦、碰撞产生 • 4.静电：非金属材料产生 • 5.电火花：电气元件工作过程中产生的电弧和电火花
2.2 供油系统
• 对柴油机进行防爆改造（增加进排气栅栏）后， 无论是进气阻力还是排气阻力都显著增加，如此 便使得气缸的进气压力下降，每次进入气缸的新 鲜空气量较改造前将会明显减少，即使加装了扫 气泵或涡轮增压装置，仍然不能弥补这部分进气 量的损失，因此，为了使得柴油机燃烧更加充分， 需要对供油量和供油提前角进行调整。 • 措施： • 防爆发动机的供油量需适当减小（具体实验确定） • 供油提前角的调整须由实验确定。
5.2 进气系统的改造
• 综合考虑防爆性、动力性和排放性能三个 条件对柴油机的约束，对进气系统的改造 将会涉及到以下部分：
• • • • • 1. 空气滤清器 2. 进气防火栅栏 3. 空气关断阀 4. 扫气泵 5. 涡轮增压器
5.2.1 空气滤清器的改造
• 一般柴油车上所采用的滤清器均为油润 式的湿式滤清器，由于其不符合防爆要 求，一般不予采用，如有特殊情况需要 采用的，必须配备防火液。 • 通常为了使柴油机在煤尘较大的环境中 工作时，进入气缸的空气清洁，最好采 用双级干式滤清器这样可以延长柴油机 使用寿命。
防爆柴油机改造方法
武汉理工大学
2011年10月
总体目标
• 防爆性能——必须绝对保证！ • 动力性能——满足使用要求 • 排放性能——符合相关法规
第一部分：防爆性能
• • • • 国家防爆规程的规定： 1）防爆柴油机任一部位表面温度不得超过150℃ 2）柴油机最终排气温度不得超过70℃ 3）任何通气部位不得有明火喷出
5.2.4扫气泵
5.2.5 涡轮增压器
• 原因：
• 同上
• 效果：
• 增加进气量，提高进气压力和充量系数，降低进气温度，改善燃烧， 增加动力，减少排放。