煤矿井下防爆柴油发动机的设计特点分析

侯卫红

摘要：煤矿井下防爆柴油发动机是针对煤矿井下瓦斯浓度大、空间小、通风不顺畅环境特点所引进的一种特殊发动机，其设计结构比较复杂，一旦操作失误容易引发安全隐患。为此，文章在阐述柴油机原理、过程、构造的基础上，结合一般性柴油发动机使用缺陷来分析煤矿井下防爆柴油机的应用优势，并从温度、电气元件、火星消除、零部件材料的选择应用几个方面具体分析如何优化煤矿井下防爆柴油发动机的设计。

Abstract： Coal mine explosion proof diesel engine is a large space for the coal mine gas concentration small ventilation is not smooth environmental characteristics by introducing a special motor， its design structure is complex， once the error is easy to cause potential safety hazard to this end， this article expounds the principle of diesel engine， on the basis of process structure， combined with the general diesel engine using defects to the advantage of application of the coal mine explosion-proof diesel and temperature electrical components from Mars to eliminate of the component materials application aspects specific analysis how to optimize the design of the coal mine explosion-proof diesel engine.

關键词：煤矿井;防爆;柴油发动机;设计

Key words： coal mine well;explosion-proof;diesel engines;design

中图分类号：TM357                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）05-0121-02

0  引言

我国是世界上以煤炭作为重要能源的国家，煤炭在总体能源消费结构中占据七成以上的比例，且在未来很长一段时间内煤炭都会是我国发展的重要能源支柱产业，但是和发达国家的煤炭开采设备相比我国的煤炭加工生产技术以及设备使用处于落后的状态。柴油机作为动力机车，具备体积小、使用方便、适应性强、使用范围广的特点，但是想要实现井下柴油机车的大范围使用需要着重解决好柴油机的爆炸、废气净化和自动保护等问题。从实际应用情况来看，由于煤矿井下环境的特殊，一般的柴油机无法在煤矿井下工作，只有具备了防爆性能的柴油机才能够在煤矿井下使用。为此，文章结合煤矿资源开采实际要求就煤矿井下防爆柴油发动机的设计问题进行探究。

1  柴油机工作原理分析

柴油和空气在一定的环境作用下会燃烧产生热能，热能在累积到一定数量之后会转变为机械能。在柴油机的圆筒型气缸中存在活塞，在活塞稍和活塞铰的配合下完成连杆操作，柴油机的下端和曲轴连接在一起，会将直线来回运动的活塞和旋转运动的曲轴联系在一起，顺利将热能转变为机械能。

柴油机在工作的时候，燃烧室的燃烧气体温度最高可以达到两千到两千五摄氏度，燃烧的过程中还会产生热量，其中也会有一少部分转变为机械功，在机械功的作用下实现柴油机的运转，另外一部分的热量会通过多个类型的传热方式传送到对应柴油机的组件上，之后伴随气体温度的升高会被排放到大气环境中。柴油机在工作的时候会涉及到比较多的混合气体，在这个过程中会产生高温。

2  煤矿井下防爆柴油机发动机概述

根据煤矿井下防爆柴油机发动机的进气和排气原理不难发现在主机进气口上借助空气滤清器和进气箱会将外界的空气提供给柴油机，彻底过滤干净煤矿环境中的粉尘污染物。同时，在主机的排气口废气处理箱内部会放置一定数量水，废气经过废水过滤再次排出，高温废气和废气中的火星会通过废气处理箱内部的水进行降温处理，经过处理后的废气排放会达到防爆的作用。

第一，柴油机本体、防爆柴油机所用气缸盖。柴油机本体、防爆柴油机所用气缸盖需要按照规范的标准进行设计，在设计的过程中还需要对燃油箱的内部结构组成、基本材质、呼吸器的结构进行深入的分析，在分析之后总结出能够确保系统稳定运行的方法。第二，隔爆进排气系统。①安装在隔爆外壳开口的位置上，进出排气系统和外界相连的部分要额外安装阻火器和排火阻火器。②水夹层排气管和废气处理箱。在灌水层、夹水层的作用下将柴油机内部的废气排出，进排气系统连接法兰接口和螺纹接口，所有接口都需要使用隔爆结构。第三，防爆柴油机防爆电气系统一般由隔离发电机、隔爆启动机、隔爆电源箱共同组成，整个系统安全可靠，在自动保护装置的作用下能够保证柴油机表面温度、排气温度、冷却水的温度在规定的范围内。柴油机的防爆结构能够为整个机车系统的稳定运行提供支持，隔爆和安全结构会在最大限度上避免因为火花产生可能引起的爆炸问题，自动保护隔离装置还能够避免柴油机表面温度高可能引发的一系列机械动力不足、水位不到位等情况，进而避免因为柴油机表面温度过热而引爆周围的可燃气体。对于一些自动保护装置还需要额外设置瓦斯传感器，应用器械密切监测瓦斯传感器的使用，在巷道内部的瓦斯浓度超过规定的数值就及时启动应急停止装置，及时停止防爆柴油机的运转。第四，柴油机冷却系统。柴油机冷却系统在气缸中燃烧所产生的热量会使得发动机各个部位的温度提升。从实际构成上来看，柴油机由散热器、风扇、水泵、温度节省器等共同构成，在实际运作的时候要求气缸防爆柴油机表面的温度不能够超过150摄氏度，因为一旦柴油机表面温度超过规定的数值就会使得整个机械设备产生比较多的破坏环境的气体。

3  普通柴油机出现燃烧爆炸的因素

第一，热表面。如果柴油机排气系统的温度在300摄氏度到500摄氏度，如果气体关联元件表面的温度超过了这个温度范围就会使得柴油机的表面的温度过高由此会引发燃烧的问题。第二，火焰和热气体。柴油机发出的废气会包含一些火花，排气管排除的废气温度会达到650摄氏度左右，这个时候柴油机进气系统和燃烧室连接，火焰会通过进气其系统影响周围的大气，并借助柴油机零件面渗漏到外界的大气环境中。第三，机械设备摩擦产生的电火花。第四，电火花。电气元件在运作过程中不可避免的会产生一些电弧和电火花。

4  煤矿井下防爆柴油发动机的设计优化

煤矿井下防爆柴油发动机本身具备防爆的基本性能，在使用的时候会消除柴油机在工作过程中潜在的容易引起燃烧爆炸的因素。煤矿井下防爆柴油发动机在一般性柴油机的基础上会进一步控制热表面和排出废气的温度，将温度控制在安全温度以下，并在这个过程中消除向空气中可能释放的火焰和火花。为了能够更进一步提升煤矿井下防爆柴油发动机的防爆性能，需要在以往机器的基础上进行更深入的防爆设计，具体包含以下几个方面的工作：

4.1 加强对温度的控制

煤矿井下防爆柴油发动机对温度有着比较高的要求，在使用发动机的过程中要着重从以下两个方面控制温度：第一，控制柴油机及其周围附属设备装置表面的温度。第二，控制废气排放到大气环境之前的出口温度。在防爆柴油机设计的过程中需要对设备采取必要的隔热处理，通过隔热处理来满足设备表面温度的基本要求。柴油机的冷却方式有两个类型，分别是水冷和风冷，水冷具备良好的冷却能力，柴油机一般也会选择水冷的方式。对于表面温度比较高的零部件，在零部件温度超过300摄氏度之后还需要额外采取隔热措施使其满足温度控制要求。从实际应用上来看，柴油机废气温度最高可以达到650摄氏度，这个温度超过了一些可燃性物质的引燃温度，因此，在废气排放到空气环境中之前还需要对其进行必要的降温处理，在设计排气系统的时候还需要额外设计废气冷却装置，加强对废气冷却控制出口温度的控制。

4.2 采取措施消除火焰和火星

为了能够消除柴油机工作排放到空气中的火焰和火星在防爆柴油机设计的过程要通过合理设计隔爆结合面和火焰消除装置来抑制火星的产生。柴油机是一种潜在的引燃源，燃烧室是燃燒点源头。燃烧室由缸盖和缸体通过螺栓联结构组成，气缸盖的上面还会设计进气门、排气门，喷油器孔和燃烧室密切关联，在运作过程中产生的火星都会透过这些结合面渗透到大气环境中。为了能够减少火星的产生需要对结合面进行额外设计，由此来抑制火焰泄漏到大体环境中。柴油机燃烧的废气会通过排气系统排放到空气中，这些废气的气体中会有一些火花，为了防止火花释放到大气环境中，在防爆柴油机上还需要额外设计隔离装置。

4.3 电气元件的设计

为了满足柴油机的正常运作，在柴油机上还会额外配置发电机、传感器、电磁控制器元件，而这些元件在工作的时候会产生电火花。为了有效减少电火花的产生。为了能够阻止火花释放到大气环境中，需要在防爆柴油机靠近进气口和出气口的位置上设置阻火装置。在时代的进步发展下现代柴油机开始朝着电子控制方向发展，电子元件开始被人们广泛的应用在柴油机上。柴油机的电子化发展是防爆柴油机未来的一个发展方向。

4.4 合理选择零部件材料

柴油机的主要构成零部件有三百多种，涉及到金属零件和非金属零件。在选择零部件的时候要着重注意以下几个问题：第一，对于外露的零部件，比如钢管、输送管、进气软管等需要做好防止燃烧的基本举措，这些器械加工材料的电阻值需要在容易燃烧点界定的范围以下，因为只有这样才不会引起燃烧。第二，外露的零部件在使用的过程中有时候会受到撞击，为了避免出现撞击火花，在零部件设计的过程中要减少轻金属材料的使用，对于一些更换比较麻烦的零件要在其表面上涂抹防护层、设置钢材质的防罩壳。

5  结束语

综上所述，煤矿井下柴油机在我国的开发和研制发展呈现出良好的态势，相信在未来，伴随井下柴油机操作人员水平的提高，煤矿井下防爆柴油机车安全保护系统将会更加完善。防爆柴油机在我国的研发制作属于一个新的课题，以往的柴油机仅仅是使用了简单的防爆改造装置，结构复杂、附属零件比较多，且改造之后出现了油耗高低不一、动力下降、整车布置困难的问题。为了能够更好的解决这个问题在设计柴油机的时候要充分考虑其防爆特征，将防爆设计引入到柴油机发动机的设计中，从而更好的提升防爆柴油机的使用性能。

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