往复活塞式柴油内燃机的防爆设计

(中海油天津化工研究设计院有限公司，天津 300131)

0 引言

目前，防爆往复活塞式柴油机广泛使用在石化、医药、军工、港口、码头等爆炸性环境。作为一种热机驱动装置，它虽然数量不多，但是应用种类繁多，不可替代，且涉及到的电气系统、机械结构比较多样、复杂，至今在国内尚未形成大规模的量产，往复活塞式柴油机的防爆性能关乎着生命财产安全，不可小视。本文讨论的是一种往复活塞式柴油内燃机的防爆设计。

众所周知，往复活塞式柴油内燃机是靠柴油作为燃料介质，通过燃烧推动活塞移动，从而带动连杆的凸轮往复运动，凸轮轴在运动中作为动力源，来输出扭矩的一种热机装置，是广义上所说的柴油机的一种常见类型。相比电动机靠电能转化为机械能，柴油机是靠热能转化输出机械能。

1 往复活塞式柴油内燃机简介

往复活塞式柴油内燃机的结构主要包括：燃烧室、气缸体、活塞、进气截门、排气截门、曲轴、曲轴箱、凸轮结构、控制盘。常见的往复活塞式柴油机有二冲程、四冲程两种，活塞往复运动四个行程，进气-压缩-爆炸-排气，作为一次工作循环的为四冲程柴油机，活塞往复运动两个行程的为二冲程柴油机。二冲程柴油机是发动机转一圈做一次功，而四冲程柴油机是转两圈做一次功，故相同排量情况下，二冲程柴油机功率是四冲程的2倍。

2 往复活塞式柴油内燃机的工作原理

往复活塞式柴油机运行前，对曲轴提供的初始驱动力是由起动电池、起动电机来完成的。首先，起动电机内部的电磁开关接通，线圈通电后导电执行件动作，连通电池与起动电机，电机供电后转轴旋转，同时拨叉推动连带齿轮啮合到内燃机的飞轮上，形成初始的起动转矩，与曲轴相联的控制盘传动机构将进气截门打开，开始进气，冲程工作循坏开始运行，活塞向下运动，外部空气吸进气缸。活塞继续向下运动至最低位置时，进气截门关闭。压缩阶段，活塞从最低位置向上运动，燃烧室内气体被压缩，温度升高，压力加大，雾化的柴油喷入气缸被燃烧消耗，燃烧室内达到最高压力，推动活塞向下运动，进行爆炸冲程，活塞带动连杆和曲轴转动，输出扭矩。活塞运动至最低位置，排气截门打开。由于曲轴和连杆的惯性活动，活塞继续上行，将燃烧后废气排出，排气截门关闭。如此反复，往复活塞式柴油机进入运行循环。如果在低温环境下起动，曲轴箱内润滑油会出现粘度大，柴油雾化性能较差，起动的阻力较大的现象。这时需在柴油机上配置低温起动装置和空气预热装置，保证柴油压燃温度能够达到燃油的自然温度，来完成上述工作模式。

3 往复活塞式柴油内燃机的防爆处理

在运行过程中，往复活塞式柴油机会产生电气设备打火、机械火花、火焰、高温现象，若使用在爆炸性环境，必须对其进行防爆处理，方可杜绝隐患。那么，在爆炸性环境中使用的往复活塞式柴油机存在的对具体的点燃源的相应处理方法，我们将逐一论述。

3.1 电气设备的防爆设计

起动：首先，起动电池、起动电机的电气火花点燃源要避免和消除。对于这个问题，可采用符合对应使用区域要求的防爆产品，比如使用隔爆型起动电机，采用增安型铅酸电池电源装置或特殊隔爆复合型的电源装置来进行防爆处理。需要注意的是，柴油机若使用在爆炸性环境1区场所，起动电机的安装应该采用双极式的方式布线，即设计电气本身及整体接线时，要必须保证起动电池的正负极、起动电机的正负极与柴油机气缸外壳绝缘，起动瞬间，起动辅助线路除外。

预热：若柴油机起动困难，需要预热时，可增加空气预热装置，永久配合在柴油机进气阻火器的出口位置，预热器作为起动辅助线路的特殊使用，它可以使用内燃机气缸外壳作为负极形成电气回路。预热器，按照浇封型“m”的要求设计防爆，最为简单。在回路上应串接熔断器作为电气保护装置，其设置应能分段电源端最大预期短路电流，浇封材料要选择耐高温，耐高压，不易吸水的复合物，保证预热器最高温度的出现值不能超过爆炸性环境的危险温度。

控制：根据国家标准对于柴油机排放量的要求，柴油机上配置相应的柴油机控制器，全自动化控制设计，以实现柴油机转速控制、信号通讯、恒功率、特殊故障报警控制。控制器可设定柴油机过程控制时间、额定转速、报警限值，也可显示运行状态参数等。柴油机控制器的防爆设计，最简单的方法就是将控制器整体放置在隔爆外壳内进行保护，按照GB 3836.1、GB 3836.2对隔爆外壳的结构和强度进行“d”型设计。外接的转速传感器、压力传感器、温度传感器等元件，由于体积小，功率小，器件类型简单，可以按照浇封型、“n”型的保护方式对其电路和器件进行分析评定，从而按照电气防爆标准进行“m”型或“nA”型的安全标准设计。

保护：柴油机的排气截门密封不严，可产生燃烧不完全的气体进入排气管；喷油时间错位，也可诱发燃油不能及时在燃烧室内完全燃烧，进入排气管后燃，均可导致排气超温，是必须避免的危险源。柴油机设置冷却系统，是为了冷却排气温度，冷却介质的流量和容量的设计，应经计算和测试，满足正常的降温要求。若冷却液出现超温运行现象，则说明排气温度异常，冷却液冷却作用失效。故应设置冷却液失效的保护。当柴油发动机的喷油泵和调速器出现部件卡滞的故障时，会引起调速失控，超速运行，可能导致高于正常的供油量大量进入到燃烧室，失去正常的调速性能，而产生异常高温。我们知道，如果润滑油油量不足，润滑油过滤器的过滤效率降低，以及管路在长期振动的工况下，泄漏机油，都会使机油泵的泵油量减小或者因进入空气而泵不上油，使机油压力下降，机油的润滑作用失效，曲轴与轴承、缸套与活塞都会由于润滑不良而加剧磨损，产生干摩擦，温度异常升高，导致柴油机机体受损。为避免以上危险点燃源出现，柴油机的防爆标准要求其控制器均应设置排气高温保护、冷却液高温保护、超速保护、机油低压保护，当传感器监测到异常高温度出现，异常超速，机油异常低压的信号后，马上对控制器发出指令，控制器立即控制燃油阀和/或进气截止阀关闭，立即报警和/或故障停机。柴油机本身结构复杂，每一个零件出现故障都会诱发不可控制的局面，所以柴油机控制器作为最核心的部件，其安全性和可靠性都起着至关重要的作用。

3.2 机械设备的防爆设计

进气系统、排气系统：爆炸性环境区域的危险划分，通常是根据危化品的生产、储存、运输、工艺的具体特点，结合标准进行划分的。柴油机的防爆设计根据危险环境的设置和柴油机自身外形尺寸大小和放置，有很多种方案类别，本文假设的是通用性较强，且具有现实指导意义，使用场合较多的一种情况，即小功率的柴油机整机使用在爆炸性气体的危险环境。那么根据GB 20800.1—2006[1]的规定，应考虑将柴油机连接外壳、进气阻火器、进气歧管、排气歧管、排气阻火器几部分按照隔爆型的结构进行设计，见图1。

图1 结构设计图

隔爆外壳的型式试验包括最大爆炸压力测定试验、过压试验和内部点燃不传爆试验，试验是在隔爆外壳内人为制造可能出现的最严重的爆炸，测量爆炸压力，证明设计的隔爆外壳可以承受发生的爆炸，并不会将爆炸传递到外部环境，验证隔爆外壳的结构和强度是否满足安全要求。测试的隔爆外壳采用模拟气缸体进行，图2为以进气系统为例，说明测试时的测试部位和连接方式。

图2 进气系统

涡轮增压：为了获得柴油机更大的功率和扭矩，以目前现有的技术条件，可采用涡轮增压结构实现。它是利用内燃机运转产生的废气，带动加大空气进气量的一种变相的压缩机，在其他工作条件不变的情况下，涡轮增压可使更多的空气进入柴油机气缸，提高燃烧效率，经过增压后便能够输出更大的功率。涡轮增压的连接方式通常采用：柴油机的排气歧管连接增压器涡轮室进气的连接端，排气端连接排气阻火器，对外输出排出废气，空气滤清后气体进入进气阻火器后，再接至增压器压缩室的进气，压缩后的排气口接入柴油机进气口，增压器内置的涡轮转轴与压缩机轮同轴，如此，构成一个完整的涡轮增压机。结合GB 20800.1—2006的要求，带有涡轮增压装置的防爆结构比较特殊，进气装置隔爆外壳由进气阻火器及截止阀组件、连接管、进气汇流管、发动机进气连接接口组成；排气装置隔爆外壳由发动机排气连接接口、排气汇流管、增压器连接外壳、增压器转轴、连接管、排气阻火器及组件组成。隔爆面结构、长度、间隙参数的设计均应按照隔爆型标准执行。涡轮增压装置安装在防爆柴油机上，不仅增加了隔爆结构的设计，还需考虑充分增压带来的高温影响。

曲轴箱：曲轴箱内的润滑油，在柴油机正常工作时，活塞、凸轮和曲轴连杆装置活动部件往复运动，对外做功，活塞下行，曲轴箱压力增大，对外呈现正压状态，活塞向上运动时，曲轴箱内可能出现正压减弱或产生负压两种状态，若箱内持续正压，则曲轴箱与隔爆外壳连接管内应安装防腐耐磨损的阻火器；若箱内正负压交替，则曲轴箱应设计为隔爆型耐压结构。

火星熄灭器：为了消除排气口经过排气阻火器阻隔火焰后残余火星，在涡流作用下，阻断熄灭或消除热微粒，防止喷出至爆炸性环境，须在排气阻火器后端加装火星熄灭器。火星熄灭器选用材料的防腐性和耐磨性应不低于1Cr18Ni9Ti不锈钢。

机械火花：(1)防爆环境中，机械起动装置应选用预先啮合型，无高温表面、无火花，不能产生点燃危险的起动装置。(2)整体外壳喷涂涂料时，涂料中的铝、镁、钛含量不可超过25%，镁钛总量不应超过6%。(3)此外，金属材料的成分应符合防爆标准的通用要求，风扇、风扇罩及通风孔尺寸计算应予以充分考虑。

静电：为了防止静电放电危险，可以按照防爆产品及防爆柴油机的标准要求，选择表面电阻满足的外露非金属材料，可以限制外露非金属部分的静电放电表面积，还可以设计导电层结构。

4 国内外柴油内燃机防爆设计的差异

目前，国外的防爆柴油内燃机制造技术较为成熟，而国内的防爆柴油内燃机产业，由于技术投入不足与市场竞争原因、利润大幅降低等因素影响，高端制造单位寥寥无几。防爆柴油机产品大多由改造商依据标准对产品进行防爆改造而成。由于基础产品制造商技术产权保护，改造企业很难从根本上解决及优化产品设计方面的问题，这些都严重制约了国内防爆柴油机相关技术和产业的发展。国内柴油机防爆技术规范现行标准为GB 20800.1—2006和GB 20800.2—2006[2]，欧洲柴油机标准采用EN 1834[3]系列。国标与欧标两组标准对柴油机进排气隔爆外壳强度的验证，虽然型式试验方法一致，但采用的爆炸试验气体和试验浓度不同。今后，试验室可针对同一条件下的同类产品进行多组比对测试，得出更完善科学的差异性分析结论。

5 结语

由于使用环境特殊，故往复活塞式柴油内燃机的防爆解决方案至关重要，本文对此类产品的电气防爆处理和非电气防爆处理，结合国内外标准的要求进行了分析和研究。对于整机系统的安全设计，具有一定的指导意义。