(中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300131)

0 引言

目前，防爆往復(fù)活塞式柴油機(jī)廣泛使用在石化、醫(yī)藥、軍工、港口、碼頭等爆炸性環(huán)境。作為一種熱機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，它雖然數(shù)量不多，但是應(yīng)用種類繁多，不可替代，且涉及到的電氣系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)比較多樣、復(fù)雜，至今在國內(nèi)尚未形成大規(guī)模的量產(chǎn)，往復(fù)活塞式柴油機(jī)的防爆性能關(guān)乎著生命財(cái)產(chǎn)安全，不可小視。本文討論的是一種往復(fù)活塞式柴油內(nèi)燃機(jī)的防爆設(shè)計(jì)。

眾所周知，往復(fù)活塞式柴油內(nèi)燃機(jī)是靠柴油作為燃料介質(zhì)，通過燃燒推動(dòng)活塞移動(dòng)，從而帶動(dòng)連桿的凸輪往復(fù)運(yùn)動(dòng)，凸輪軸在運(yùn)動(dòng)中作為動(dòng)力源，來輸出扭矩的一種熱機(jī)裝置，是廣義上所說的柴油機(jī)的一種常見類型。相比電動(dòng)機(jī)靠電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，柴油機(jī)是靠熱能轉(zhuǎn)化輸出機(jī)械能。

1 往復(fù)活塞式柴油內(nèi)燃機(jī)簡(jiǎn)介

往復(fù)活塞式柴油內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括：燃燒室、氣缸體、活塞、進(jìn)氣截門、排氣截門、曲軸、曲軸箱、凸輪結(jié)構(gòu)、控制盤。常見的往復(fù)活塞式柴油機(jī)有二沖程、四沖程兩種，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)四個(gè)行程，進(jìn)氣-壓縮-爆炸-排氣，作為一次工作循環(huán)的為四沖程柴油機(jī)，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)兩個(gè)行程的為二沖程柴油機(jī)。二沖程柴油機(jī)是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)一圈做一次功，而四沖程柴油機(jī)是轉(zhuǎn)兩圈做一次功，故相同排量情況下，二沖程柴油機(jī)功率是四沖程的2倍。

2 往復(fù)活塞式柴油內(nèi)燃機(jī)的工作原理

往復(fù)活塞式柴油機(jī)運(yùn)行前，對(duì)曲軸提供的初始驅(qū)動(dòng)力是由起動(dòng)電池、起動(dòng)電機(jī)來完成的。首先，起動(dòng)電機(jī)內(nèi)部的電磁開關(guān)接通，線圈通電后導(dǎo)電執(zhí)行件動(dòng)作，連通電池與起動(dòng)電機(jī)，電機(jī)供電后轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)撥叉推動(dòng)連帶齒輪嚙合到內(nèi)燃機(jī)的飛輪上，形成初始的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，與曲軸相聯(lián)的控制盤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將進(jìn)氣截門打開，開始進(jìn)氣，沖程工作循壞開始運(yùn)行，活塞向下運(yùn)動(dòng)，外部空氣吸進(jìn)氣缸?；钊^續(xù)向下運(yùn)動(dòng)至最低位置時(shí)，進(jìn)氣截門關(guān)閉。壓縮階段，活塞從最低位置向上運(yùn)動(dòng)，燃燒室內(nèi)氣體被壓縮，溫度升高，壓力加大，霧化的柴油噴入氣缸被燃燒消耗，燃燒室內(nèi)達(dá)到最高壓力，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行爆炸沖程，活塞帶動(dòng)連桿和曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出扭矩?；钊\(yùn)動(dòng)至最低位置，排氣截門打開。由于曲軸和連桿的慣性活動(dòng)，活塞繼續(xù)上行，將燃燒后廢氣排出，排氣截門關(guān)閉。如此反復(fù)，往復(fù)活塞式柴油機(jī)進(jìn)入運(yùn)行循環(huán)。如果在低溫環(huán)境下起動(dòng)，曲軸箱內(nèi)潤滑油會(huì)出現(xiàn)粘度大，柴油霧化性能較差，起動(dòng)的阻力較大的現(xiàn)象。這時(shí)需在柴油機(jī)上配置低溫起動(dòng)裝置和空氣預(yù)熱裝置，保證柴油壓燃溫度能夠達(dá)到燃油的自然溫度，來完成上述工作模式。

3 往復(fù)活塞式柴油內(nèi)燃機(jī)的防爆處理

在運(yùn)行過程中，往復(fù)活塞式柴油機(jī)會(huì)產(chǎn)生電氣設(shè)備打火、機(jī)械火花、火焰、高溫現(xiàn)象，若使用在爆炸性環(huán)境，必須對(duì)其進(jìn)行防爆處理，方可杜絕隱患。那么，在爆炸性環(huán)境中使用的往復(fù)活塞式柴油機(jī)存在的對(duì)具體的點(diǎn)燃源的相應(yīng)處理方法，我們將逐一論述。

3.1 電氣設(shè)備的防爆設(shè)計(jì)

起動(dòng)：首先，起動(dòng)電池、起動(dòng)電機(jī)的電氣火花點(diǎn)燃源要避免和消除。對(duì)于這個(gè)問題，可采用符合對(duì)應(yīng)使用區(qū)域要求的防爆產(chǎn)品，比如使用隔爆型起動(dòng)電機(jī)，采用增安型鉛酸電池電源裝置或特殊隔爆復(fù)合型的電源裝置來進(jìn)行防爆處理。需要注意的是，柴油機(jī)若使用在爆炸性環(huán)境1區(qū)場(chǎng)所，起動(dòng)電機(jī)的安裝應(yīng)該采用雙極式的方式布線，即設(shè)計(jì)電氣本身及整體接線時(shí)，要必須保證起動(dòng)電池的正負(fù)極、起動(dòng)電機(jī)的正負(fù)極與柴油機(jī)氣缸外殼絕緣，起動(dòng)瞬間，起動(dòng)輔助線路除外。

預(yù)熱：若柴油機(jī)起動(dòng)困難，需要預(yù)熱時(shí)，可增加空氣預(yù)熱裝置，永久配合在柴油機(jī)進(jìn)氣阻火器的出口位置，預(yù)熱器作為起動(dòng)輔助線路的特殊使用，它可以使用內(nèi)燃機(jī)氣缸外殼作為負(fù)極形成電氣回路。預(yù)熱器，按照澆封型“m”的要求設(shè)計(jì)防爆，最為簡(jiǎn)單。在回路上應(yīng)串接熔斷器作為電氣保護(hù)裝置，其設(shè)置應(yīng)能分段電源端最大預(yù)期短路電流，澆封材料要選擇耐高溫，耐高壓，不易吸水的復(fù)合物，保證預(yù)熱器最高溫度的出現(xiàn)值不能超過爆炸性環(huán)境的危險(xiǎn)溫度。

控制：根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于柴油機(jī)排放量的要求，柴油機(jī)上配置相應(yīng)的柴油機(jī)控制器，全自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制、信號(hào)通訊、恒功率、特殊故障報(bào)警控制。控制器可設(shè)定柴油機(jī)過程控制時(shí)間、額定轉(zhuǎn)速、報(bào)警限值，也可顯示運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)等。柴油機(jī)控制器的防爆設(shè)計(jì)，最簡(jiǎn)單的方法就是將控制器整體放置在隔爆外殼內(nèi)進(jìn)行保護(hù)，按照GB 3836.1、GB 3836.2對(duì)隔爆外殼的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度進(jìn)行“d”型設(shè)計(jì)。外接的轉(zhuǎn)速傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等元件，由于體積小，功率小，器件類型簡(jiǎn)單，可以按照澆封型、“n”型的保護(hù)方式對(duì)其電路和器件進(jìn)行分析評(píng)定，從而按照電氣防爆標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行“m”型或“nA”型的安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

保護(hù)：柴油機(jī)的排氣截門密封不嚴(yán)，可產(chǎn)生燃燒不完全的氣體進(jìn)入排氣管；噴油時(shí)間錯(cuò)位，也可誘發(fā)燃油不能及時(shí)在燃燒室內(nèi)完全燃燒，進(jìn)入排氣管后燃，均可導(dǎo)致排氣超溫，是必須避免的危險(xiǎn)源。柴油機(jī)設(shè)置冷卻系統(tǒng)，是為了冷卻排氣溫度，冷卻介質(zhì)的流量和容量的設(shè)計(jì)，應(yīng)經(jīng)計(jì)算和測(cè)試，滿足正常的降溫要求。若冷卻液出現(xiàn)超溫運(yùn)行現(xiàn)象，則說明排氣溫度異常，冷卻液冷卻作用失效。故應(yīng)設(shè)置冷卻液失效的保護(hù)。當(dāng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油泵和調(diào)速器出現(xiàn)部件卡滯的故障時(shí)，會(huì)引起調(diào)速失控，超速運(yùn)行，可能導(dǎo)致高于正常的供油量大量進(jìn)入到燃燒室，失去正常的調(diào)速性能，而產(chǎn)生異常高溫。我們知道，如果潤滑油油量不足，潤滑油過濾器的過濾效率降低，以及管路在長期振動(dòng)的工況下，泄漏機(jī)油，都會(huì)使機(jī)油泵的泵油量減小或者因進(jìn)入空氣而泵不上油，使機(jī)油壓力下降，機(jī)油的潤滑作用失效，曲軸與軸承、缸套與活塞都會(huì)由于潤滑不良而加劇磨損，產(chǎn)生干摩擦，溫度異常升高，導(dǎo)致柴油機(jī)機(jī)體受損。為避免以上危險(xiǎn)點(diǎn)燃源出現(xiàn)，柴油機(jī)的防爆標(biāo)準(zhǔn)要求其控制器均應(yīng)設(shè)置排氣高溫保護(hù)、冷卻液高溫保護(hù)、超速保護(hù)、機(jī)油低壓保護(hù)，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到異常高溫度出現(xiàn)，異常超速，機(jī)油異常低壓的信號(hào)后，馬上對(duì)控制器發(fā)出指令，控制器立即控制燃油閥和/或進(jìn)氣截止閥關(guān)閉，立即報(bào)警和/或故障停機(jī)。柴油機(jī)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每一個(gè)零件出現(xiàn)故障都會(huì)誘發(fā)不可控制的局面，所以柴油機(jī)控制器作為最核心的部件，其安全性和可靠性都起著至關(guān)重要的作用。

3.2 機(jī)械設(shè)備的防爆設(shè)計(jì)

進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)：爆炸性環(huán)境區(qū)域的危險(xiǎn)劃分，通常是根據(jù)危化品的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、工藝的具體特點(diǎn)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分的。柴油機(jī)的防爆設(shè)計(jì)根據(jù)危險(xiǎn)環(huán)境的設(shè)置和柴油機(jī)自身外形尺寸大小和放置，有很多種方案類別，本文假設(shè)的是通用性較強(qiáng)，且具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，使用場(chǎng)合較多的一種情況，即小功率的柴油機(jī)整機(jī)使用在爆炸性氣體的危險(xiǎn)環(huán)境。那么根據(jù)GB 20800.1—2006[1]的規(guī)定，應(yīng)考慮將柴油機(jī)連接外殼、進(jìn)氣阻火器、進(jìn)氣歧管、排氣歧管、排氣阻火器幾部分按照隔爆型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

隔爆外殼的型式試驗(yàn)包括最大爆炸壓力測(cè)定試驗(yàn)、過壓試驗(yàn)和內(nèi)部點(diǎn)燃不傳爆試驗(yàn)，試驗(yàn)是在隔爆外殼內(nèi)人為制造可能出現(xiàn)的最嚴(yán)重的爆炸，測(cè)量爆炸壓力，證明設(shè)計(jì)的隔爆外殼可以承受發(fā)生的爆炸，并不會(huì)將爆炸傳遞到外部環(huán)境，驗(yàn)證隔爆外殼的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度是否滿足安全要求。測(cè)試的隔爆外殼采用模擬氣缸體進(jìn)行，圖2為以進(jìn)氣系統(tǒng)為例，說明測(cè)試時(shí)的測(cè)試部位和連接方式。

圖2 進(jìn)氣系統(tǒng)

渦輪增壓：為了獲得柴油機(jī)更大的功率和扭矩，以目前現(xiàn)有的技術(shù)條件，可采用渦輪增壓結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。它是利用內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的廢氣，帶動(dòng)加大空氣進(jìn)氣量的一種變相的壓縮機(jī)，在其他工作條件不變的情況下，渦輪增壓可使更多的空氣進(jìn)入柴油機(jī)氣缸，提高燃燒效率，經(jīng)過增壓后便能夠輸出更大的功率。渦輪增壓的連接方式通常采用：柴油機(jī)的排氣歧管連接增壓器渦輪室進(jìn)氣的連接端，排氣端連接排氣阻火器，對(duì)外輸出排出廢氣，空氣濾清后氣體進(jìn)入進(jìn)氣阻火器后，再接至增壓器壓縮室的進(jìn)氣，壓縮后的排氣口接入柴油機(jī)進(jìn)氣口，增壓器內(nèi)置的渦輪轉(zhuǎn)軸與壓縮機(jī)輪同軸，如此，構(gòu)成一個(gè)完整的渦輪增壓機(jī)。結(jié)合GB 20800.1—2006的要求，帶有渦輪增壓裝置的防爆結(jié)構(gòu)比較特殊，進(jìn)氣裝置隔爆外殼由進(jìn)氣阻火器及截止閥組件、連接管、進(jìn)氣匯流管、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣連接接口組成；排氣裝置隔爆外殼由發(fā)動(dòng)機(jī)排氣連接接口、排氣匯流管、增壓器連接外殼、增壓器轉(zhuǎn)軸、連接管、排氣阻火器及組件組成。隔爆面結(jié)構(gòu)、長度、間隙參數(shù)的設(shè)計(jì)均應(yīng)按照隔爆型標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。渦輪增壓裝置安裝在防爆柴油機(jī)上，不僅增加了隔爆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還需考慮充分增壓帶來的高溫影響。

曲軸箱：曲軸箱內(nèi)的潤滑油，在柴油機(jī)正常工作時(shí)，活塞、凸輪和曲軸連桿裝置活動(dòng)部件往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)外做功，活塞下行，曲軸箱壓力增大，對(duì)外呈現(xiàn)正壓狀態(tài)，活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，曲軸箱內(nèi)可能出現(xiàn)正壓減弱或產(chǎn)生負(fù)壓兩種狀態(tài)，若箱內(nèi)持續(xù)正壓，則曲軸箱與隔爆外殼連接管內(nèi)應(yīng)安裝防腐耐磨損的阻火器；若箱內(nèi)正負(fù)壓交替，則曲軸箱應(yīng)設(shè)計(jì)為隔爆型耐壓結(jié)構(gòu)。

火星熄滅器：為了消除排氣口經(jīng)過排氣阻火器阻隔火焰后殘余火星，在渦流作用下，阻斷熄滅或消除熱微粒，防止噴出至爆炸性環(huán)境，須在排氣阻火器后端加裝火星熄滅器?；鹦窍缙鬟x用材料的防腐性和耐磨性應(yīng)不低于1Cr18Ni9Ti不銹鋼。

機(jī)械火花：(1)防爆環(huán)境中，機(jī)械起動(dòng)裝置應(yīng)選用預(yù)先嚙合型，無高溫表面、無火花，不能產(chǎn)生點(diǎn)燃危險(xiǎn)的起動(dòng)裝置。(2)整體外殼噴涂涂料時(shí)，涂料中的鋁、鎂、鈦含量不可超過25%，鎂鈦總量不應(yīng)超過6%。(3)此外，金屬材料的成分應(yīng)符合防爆標(biāo)準(zhǔn)的通用要求，風(fēng)扇、風(fēng)扇罩及通風(fēng)孔尺寸計(jì)算應(yīng)予以充分考慮。

靜電：為了防止靜電放電危險(xiǎn)，可以按照防爆產(chǎn)品及防爆柴油機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)要求，選擇表面電阻滿足的外露非金屬材料，可以限制外露非金屬部分的靜電放電表面積，還可以設(shè)計(jì)導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)。

4 國內(nèi)外柴油內(nèi)燃機(jī)防爆設(shè)計(jì)的差異

目前，國外的防爆柴油內(nèi)燃機(jī)制造技術(shù)較為成熟，而國內(nèi)的防爆柴油內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)業(yè)，由于技術(shù)投入不足與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)原因、利潤大幅降低等因素影響，高端制造單位寥寥無幾。防爆柴油機(jī)產(chǎn)品大多由改造商依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行防爆改造而成。由于基礎(chǔ)產(chǎn)品制造商技術(shù)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，改造企業(yè)很難從根本上解決及優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的問題，這些都嚴(yán)重制約了國內(nèi)防爆柴油機(jī)相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)柴油機(jī)防爆技術(shù)規(guī)范現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為GB 20800.1—2006和GB 20800.2—2006[2]，歐洲柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)采用EN 1834[3]系列。國標(biāo)與歐標(biāo)兩組標(biāo)準(zhǔn)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)排氣隔爆外殼強(qiáng)度的驗(yàn)證，雖然型式試驗(yàn)方法一致，但采用的爆炸試驗(yàn)氣體和試驗(yàn)濃度不同。今后，試驗(yàn)室可針對(duì)同一條件下的同類產(chǎn)品進(jìn)行多組比對(duì)測(cè)試，得出更完善科學(xué)的差異性分析結(jié)論。

5 結(jié)語

由于使用環(huán)境特殊，故往復(fù)活塞式柴油內(nèi)燃機(jī)的防爆解決方案至關(guān)重要，本文對(duì)此類產(chǎn)品的電氣防爆處理和非電氣防爆處理，結(jié)合國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行了分析和研究。對(duì)于整機(jī)系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)，具有一定的指導(dǎo)意義。