防爆柴油机进、排气系统防爆技术研究

摘要

以防爆柴油机作为主要动力源的无轨胶轮车，由于其具有高效、安全、适用性广、灵活方便、多用途等优点，被广泛地应用到煤炭生产中。防爆胶轮车在具有甲烷气体和粉尘等潜在爆炸环境的煤矿下工作，必须要对柴油机进行防爆改造来确保防爆无轨胶轮车正常使用的安全性。防爆改造应该参考MT990-2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》相关规定：防爆柴油机任何表面温度不得超过150℃，排气出口温度不得超过70℃。 本文以40Y防爆无轨胶轮车的240KW防爆柴油机为研究对象，了解到原车上的防爆柴油机进气系统采用了防爆进气格栅装置，排气系统采用了夹水套排气歧管、夹水套涡轮和废气处理洗箱结构。结合原车在矿井下采集的数据，分析其典型的“四高一低”问题——高油耗、高污染、高噪声、高维修费、低出勤率，是由于原车的进、排气系统采用了防爆结构后增大了进、排气系统阻力，而且夹水套排气歧管和夹水套涡轮减小了用于涡轮做功的排气能量，造成了柴油机进、排气系统的“前堵后截”，泵气功损失增加，发动机进气量减小，燃烧恶化，降低了柴油机的动力性、经济性和排放性。 在深入了解防爆技术的基础上，依据防爆柴油机法规要求设计了防爆柴油机新型进、排气防爆系统：在进气系统采用自动防爆并联式进气系统，排气系统采用夹空气间隔式双层结构和高温排气喷雾降温系统。 通过采用自动防爆并联式进气系统，可根据进气系统内是否有火焰向外传播在防爆工作模式和正常工作模式下自动切换，减少了由于进气格栅带来的流动阻力。排气系统采用夹空气间隔式双层结构，在满足外表温度不超过要求值的同时减少了进入涡轮内的排气能量损失，提高了涡轮的做功能量。采用喷雾降温系统利用水套冷却、换热管冷却和喷雾冷却的复合冷却方式来降低排气温度，解决了由于废气处理水洗箱带来的阻力增大的问题。 本文针对影响高温排气中喷雾降温的影响因素如：喷孔安装位置、喷嘴孔径、喷雾压力、喷射方式、雾滴粒径、管道壁温、排气温度、排气流量等进行了实验分析；并对排气格栅进行了计算流体动力学分析，结合排气通过防爆格栅内部的压力场和速度场来探讨其造成阻力增大的原因，为防爆柴油机新型进、排气系统的设计提供了理论依据。 通过本项目研究，提高了防爆柴油机的进气量，降低了排气背压，从而改善了燃烧过程，提升了柴油机的动力性、经济性和排放性，减少了矿井下污染性气体对员工的危害。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外防爆无轨胶轮车的应用现状

1.2.1 国外防爆无轨胶轮车的应用现状

1.2.2 国内防爆无轨胶轮车的应用现状

1.3 防爆柴油机的主要防爆技术与研究现状

1.3.1 防爆柴油机的主要防爆技术

1.3.2 防爆技术研究现状

1.4 课题研究目的

1.5 课题研究意义

1.6 主要研究内容

1.7 本章小结

第二章 试验测试系统

2.1 试验台架综述

2.2 试验系统介绍

2.2.1 高压共轨燃油供给系统

2.2.2 内置式旁通阀式涡轮增压器

2.2.3 后处理系统介绍

2.2.4 发动机数据采集系统

2.3 测试设备介绍

（1）Horiba MEXA-7100DEGR

（2）AVL 415S 烟度计

（4）Cambustion DMS500 和NDIR 500 Cambustion

2.4 本章小结

第三章 防爆柴油机进、排气系统改造

3.1 防爆柴油机相关法规防爆要求

3.2 柴油机的防爆设计说明

3.2.1 危险源分析

3.2.2 防爆改造设计方案

3.3 防爆柴油机进气系统防爆改造设计

3.3.1 防爆柴油机原进气防爆系统

3.3.2 防爆柴油机自动防爆并联式进气系统

3.3.3 防爆柴油机原进气系统与新型自动防爆并联式进气系统对比

3.4 防爆柴油机排气系统防爆改造设计

3.4.1 防爆柴油机原排气防爆系统

3.4.2 防爆柴油机新型排气喷雾降温防爆系统

3.4.3 防爆柴油机原排气系统与新型排气喷雾降温防爆系统对比

3.5 本章小结

第四章 高温排气喷雾降温影响因素实验研究

4.1 发动机原始性能数据

4.2 高温排气中喷雾降温相关理论

4.2.1 高温排气中喷雾降温传热机理

4.2.2 高温排气与雾滴之间的传热传质模型

4.2.3 高温排气中喷雾降温相关参数的概念

4.2.4 雾化喷嘴雾滴粒度及流量特性

4.3 高温排气中喷雾降温影响因素实验研究

4.3.1 喷嘴孔径对于高温排气中喷雾降温的影响

4.3.2 雾滴粒径对于高温排气中喷雾降温的影响

4.3.3 喷嘴个数对于高温排气中喷雾降温的影响

4.3.4 壁面温度对于高温排气中喷雾降温的影响

4.3.5 喷射方式对于高温排气中喷雾降温的影响

4.3.6 排气流量对于高温排气中喷雾降温的影响

4.3.7 排气温度对于高温排气中喷雾降温的影响

4.3.8 喷雾对于高温排气在系统中压降的影响

4.3.9 喷嘴位置对于高温排气中喷雾降温的影响

4.3.10 加入换热管结构对于排气温度降低的影响

4.4 采用喷雾降温系统实验结果

4.4.2 在1600rpm-1200N·m工况点采用喷雾降温系统的实验结果

4.5 本章小结

第五章 数值模拟仿真分析

5.1 数学模型的建立

5.2 防爆格栅计算流体动力学分析

5.2.1 防爆格栅三维模型创建与导入

5.2.2 防爆格栅边界条件设置

5.2.3 排气防爆格栅中气体流动性计算结果分析

5.2.4 缓冲角对防爆格栅中气体流动性的影响

5.3 高温排气中喷雾降温计算流体动力学分析

5.3.1 喷雾降温系统三维物理模型的创建与导入

5.3.2 喷雾降温系统边界条件设置

5.3.3 喷雾方式对高温排气喷雾降温的影响

5.3.4 喷雾水温对高温排气喷雾降温的影响

5.4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.1.1 主要研究内容

6.1.2 主要结论

6.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢