煤矿井下探险车辆动力部分设计研究-毕业论文.doc

1 引言
1.1我国煤炭工业背景
1.1.1我国煤炭工业发展状况
煤炭是我国的主要能源，是国民经济和社会发展不可缺少的物资基础。我国煤炭资源丰富，煤炭资源分布面积约60多万平方公里，占国土面积的6%。根据第三次全国煤炭资源预测与评价，全国煤炭资源总量5.57万亿吨，煤炭资源潜力巨大，煤炭资源总量居世界第一。已查明资源中精查资源量仅占25%，详查资源仅占17%。探明储量达到10202亿吨。其中可开采储量1891亿吨，占18%，人均占有量仅145吨，低于世界平均水平。国务院制订的《能源中长期发展规划纲要（2004-2020）》（草案）指出“要大力调整优化能源结构，坚持以煤炭为主体，电力为中心，油气和新能源全面发展的战略”。鉴于我国“多煤、贫油、少气（天然气）”的特点，在今后一段相当长的时间内，能源结构仍然以煤炭为主，煤炭在一次能源消耗中占70%左右。煤炭占我国一次能源生产的70%以上，在我国能源结构上占主要地位，有举足轻重的作用。
根据我国全面建设小康社会的需求，煤炭消费的趋势将有明显上升。在煤炭消费用户的构成中，电力、冶金、建材、化工4个行业煤炭消费量占煤炭消费总量从1990年的50%提高到2004年的84%，其中电力占51.8%，冶金11.64%，化工10.5%，建材10.06%。电力用煤的消费量从1990年占27%提高到2004年的51%，将近增长一倍。
我国煤炭资源分布广泛但不均匀。全国除上海外，其他省(区)、市均有探明储量。从地区分布看，储量主要集中分布在山西、内蒙古、陕西、云南、贵州、河南和安徽，七省储量占全国储量的81.8%，分布呈现出“北多南少”、“西多东少”的特点。
进入21世纪，我国煤炭工业快速发展，2000年全国产煤9.9亿吨，2001年产煤11.04亿吨，2002年13.8亿吨，2003年16.67亿吨。2004年全国产煤19.56亿吨，占全国一次性能源生产总量的74.3%，当年煤炭销售量为18.91亿吨，占全国一次性能源消费总量的65%，均居世界第一位。2005年煤炭产量达21亿左右，创历史最高水平。全行业实现整体盈利，生产力水平显著提高，产业结构调整取得重大进展。一些企业开始跨地区、跨行业的产业联合，煤、电、化、路、港、航产业链开始形成，形成了一批在国内领先、在国际上具有一定竞争力的大集团，如神华集团、山西焦煤集团、兖州矿业集团等。我国煤炭产量急剧上升，得到了全世界的关注。
1.1.2我国煤矿安全现状
我国的煤炭产量居全世界第一位，年产量占全世界煤炭产量的37％左右 ，但煤矿事故频发，发生数和死亡人数分别占我国工矿商贸企业事故起数和死亡人数的26．91％和40．26％，占世界煤矿死亡人数近80％。近年来，国家对煤矿事故高度重视，加大了监控力度，煤矿事故大大下降，全国煤炭百万吨死亡率从2002年的4．94下降到2O07年的1．485；死亡人数从2001年的5670人降至2007年3786人。 但煤矿事故仍然频繁发生，2001年到2005年间，全国煤矿共发生一次死亡3～9人的重大事故1 398起，平均每年发生280起，占全国各类重大事故的l1％ ；发生一次死亡l0～29人特大事故214起，平均每年发生43起，占全国各类特大事故的36％；发生一次死亡30人以上特别重大事故42起，平均每年发生8起，占全国各类特别重大事故的58％。煤炭百万吨死亡率仍远远超过其他国家。2005年我国煤炭百万吨死亡率为2．836，是美国(百万吨死率为0．0405)的70倍，南非(百万吨死亡率为0．1668)的17倍，波兰(百万吨死率为0．2837)的10倍，印度和俄罗斯(百万吨死率为0．405)的7倍。
在煤矿事故中，瓦斯、水害和顶板事故最为常见。在全国煤矿一次死亡3人以上的事故中，瓦斯事故居第一位，水害事故居第二位；顶板事故总量占全国煤矿事故起数的50％以上，死亡人数居第二位。瓦斯事故对煤炭企业安全生产影响最大，其发生率和引起的死亡人数都占相当大的比重。2007年全国煤矿共发生瓦斯事故272起，死亡l 084人，其中死亡人数超过l0人以上的重特大瓦斯事故22起，死亡人数达460人。瓦斯事故造成百人以上死亡的情况也累见是鲜：2000年9月27日，贵州木冲沟煤矿瓦斯事故死亡l62人；2004年10月20日郑州大平煤矿瓦斯事故死亡l48人；2005年2月14日阜新孙家湾煤矿瓦斯事故死亡214；2007年洪洞新窑煤矿瓦斯事故死亡l05人。
1.1.3瓦斯爆炸的危害
瓦斯爆炸的危害主要有三点：
（1）爆炸瞬间形成的冲击波
速度大于音速，压力可达几十个大气压。危害：人员创伤、巷道毁坏、冒顶、设备翻到破坏、摧毁矿井通风设施等。 作用范围几千米，甚至冲出地面。
（2）火焰波
速度从每秒几米到100m/s至音速以上。温度达2000℃以上。造成人体皮肤、呼吸器官等烧伤，烧坏电气设备、可引燃井巷中的可燃物。作用范围较小，一般为几十米到几百米。
（3）大气成份的变化
瓦斯爆炸后，空气中氧浓度下降，燃烧生成大量的CO2和H2O，以及不完全反应产生的CO。作用范围与爆炸后通风系统状况有关，可波及下风侧的生产区域。
瓦斯爆炸后，空气中的CO会造成井下人员一氧化碳中毒。一氧化碳中毒是含碳物质燃烧不完全时的产物经呼吸道吸入引起中毒。中毒机理是一氧化碳与血红蛋白的亲合力比氧与血红蛋白的亲合力高200～300倍，所以一氧化碳极易与血红蛋白结合，形成碳氧血红蛋白，使血红蛋白丧失携氧的能力和作用，造成组织窒息。对全身的组织细胞均有毒性作用，尤其对大脑皮质的影响最为严重。当人们意识到已发生一氧化碳中毒时，往往已为时已晚。因为支配人体运动的大脑皮质最先受到麻痹损害，使人无法实现有目的的自主运动。可手脚已不听使唤。所以，一氧化碳中毒者往往无法进行有效的自救。
医学研究表明空气中CO浓度高于0.02%时，人在其中停留2～3小时，前头部会轻微的头痛。当浓度大于0.04%时，人在其中停留1～2小时，前头痛、呕吐。2.5～3.5小时，有后头痛。当浓度大于0.08%时，人在其中停留45分钟，会头痛、眩晕、呕吐。停留2小时就会意识不清。当浓度大于0.16% 时，人在其中停留20分钟，会头痛、眩晕、呕吐。停留2小时就会死亡。当浓度大于0.32% 时，人在其中停留5～10分钟，会头痛、眩晕。停留30分钟就会死亡。当浓度大于0.64% 时，人在其中停留1～2分钟，会头痛、眩晕。停留15～30分钟就会死亡。当浓度大于1.28% 时人在其中停留1～3分钟就会死亡。
然而瓦斯爆炸后，CO的浓度一般也达到0.4%以上。因此，CO中毒死亡是井下人员伤亡的主要因素之一。
1.2国内外救援车辆的发展现状
救援车辆也称救援机器人，它是为救援而采取先进科学技术研制的机器人。救援机器人的种类有很多，如煤矿救援机器人，地震救灾机器人，军用战地救援机器人，消防救灾机器人，山地救援机器人等
1.2.1煤矿用救援机器人
煤矿救灾机器人需要在矿井发生灾害时完成环境探测和营救任务。由于技术和矿井环境等原因，可将矿井救灾机器人做成搜救机器人和营救机器人两种专门用途的救灾机器人。
(1)搜救机器人
所谓搜救机器人则是进行灾害环境和遇险人员探测，并为伤员提供一定救助的机器人，这种机器人不需要做成很大就能够满足功能上的要求。该种机器人身上一般携带多种类型传感器。先于抢险人员进入井下，发挥自身的越障功能到达矿井深处。探测井下爆炸事故破坏后的环境和人员情况。为救灾指挥人员提供重要的现场灾害信息。同时，搜救机器人上携带了急救药品、食物、生命维持液和简易自救工具，以协助被困人员实施自救和逃生。
例如蛇形机器人，它具有稳定性好、横截面小、柔性等特点，能在各种粗糙、陡峭、崎岖的复杂地形上行走，并可攀爬障碍物，这是以轮子或腿作为行走工具的机器人难以做到的。由于其环境适应能力强，因此，在废墟搜索救援工作中，具有广阔的应用前景。
(2)营救机器人
该种机器人需要将受伤矿工转移到安全地方，需要有足够的力量，因此其体积、尺寸不可能太小。目前矿井营救机器人还没有开始研发，主要是研发用于矿井灾害环境探测机器人。
1.2.2地震救灾机器人
该种机器人国内国外研制的比较多，例如2010年7月中科院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室就研制出了空中搜索探测机器人、废墟洞穴搜救可变形机器人、废墟表面搜救机器人，在位于北京西郊凤凰岭的国家地震紧急救援训练基地完成了综合调试演练，并达到了预期性能指标。
空中搜索探测机器人能够实现昼间低空灾情侦察、夜间被困人员搜索、投放救灾物资、喷洒防疫药品等功能。
废墟洞穴搜救可变形机器人能够实现地震灾后幸存者搜索与辅助救援应用。
废墟表面搜救机器人能够对假设的内部情况不明的危险区域进行侦测。通过音频、视频、有害气体探测等多种技术手段实现对生命迹象和废墟内部威胁进行判断。
1.2.3军用战地救援机器人
为减少战争中士兵在战场的伤亡数量，如图1.1所示为美国研制的战地用救援机器人，可用于军事搜索和营救任务，其水压臂可以托起重达400磅（比全副武装的伞兵还要重）的受伤战士，且在承载重物时依然移动平缓，这样能避免给受伤士兵增加痛苦。它的双手是两把平平的“铲子”，能够“铲起”躺在地上的伤兵。研发者说，下一代机器人将在双手的灵活性上有所改进，从而“铲”得更温柔一些。机器人的双腿和双脚都装有履带，
从而能在崎岖道路或楼梯上自如行驶。它的臀部、膝盖和脚部还有轮子。在平滑地面上，它可以转换到两个轮子的行驶模式，行动更加快捷。它还能灵活地转换多种姿势，以适应不同路况。
图1.1
为了使机器人在转换姿势时保持稳定，研发人员给机器人装备了测速仪和陀螺仪，以监控身体移动，并探测身体是否失去平衡。电脑控制的发动机能够随机调整下肢动作，防止它跌倒。
目前，这种机器人还需要进行遥控，但一种自动视觉系统正在计划中，不久即可派上用场，到时候这种机器人能够自行其事。
1.2.4消防救灾机器人
消防机器人主要在高温、强热辐射、浓烟、地形复杂、障碍物多、化学腐蚀、易燃易爆等恶劣环境中从事火场侦察、化学危险品 探测、灭火、排烟、冷却、洗消、破拆、救人、启闭阀门、搬移物品、堵漏、反恐防暴等特种消防作业。
如图1.2中的机器人是我国首台智能消防机器人，它可在五百度高温环境下自主连续作 图1.2
业， 遥控操作可达二百米， 爬坡最大角度四十五度， 具有防水、防爆功能。另外， 它还配备了红外线热像仪、远红外摄像头、测温仪、可燃气体探测仪等先进侦察器材， 并安装了视频传输平台， 可在高温、浓烟、有毒等人员无法进入的恶劣、危险环境下进行侦察。并将现场采集到的图象及现场温度、可燃气体、有毒气体浓度等相关信息数据及时向外传输， 为救援决策提供依据。
1.3问题的提出
当煤矿井下发生瓦斯爆炸之后，井下氧气含量迅速下降，空气中弥漫着大量的有毒气体，因此必须进行长达数小时乃至几天的主井强制送风作业，同时井下环境异常凶险，井下呈现出非常复杂的非结构化环境，各种碎片散落堆积、并可能伴有积水、淤泥等；矿井入口变得狭小、空间有限，矿井下面充满爆炸腐蚀性气体．到处充满碎片和不稳定结构，缺少照明．通讯困难。更为危险的是，爆炸发生之后很可能再发生二次爆炸，因此次生事故极易发生。在以往事故中伤亡人员有相当一部分是救护人员，如2004年6月15日，陕西黄陵矿业公司一号煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，2名救护队员在井下不慎滑倒，将呼吸机鼻夹摔脱落，导致一氧化碳中毒死亡 ；2005年1月8日，渑池县赵沟八矿井下突然起火，三门峡市矿山救护队接报后立即赶到现场救灾，在救火过程中，突发瓦斯爆炸，4名救护队员殉职嘲；2006年8月23日，六枝工矿集团公司救护大队的救护队员在井下实施封闭火区措施时，火区发生瓦斯爆炸，造成8名救护队员死亡，2人重伤，1人轻伤。
因此抢险人员一般难以在第一时间进入，使得救援工作无法及时展开，救援工作必须等到确定井下安全后才能展开。救援人员往往在井上等待很长时间。事故专家和决策者也由于缺少信息无法及时做出判断和决策。而在这短短的数小时内，井下幸存下来的人员，大部分因为所在区域氧含量过低而导致窒息死亡或是因为CO含量过高而发生毒气中毒而失去生命。
1.3.1现有煤矿救援机器人所存在的问题
现有煤矿救援机器人所存在的问题很明显，现有的救援机器人的动力源基本都采用的蓄电池供电，电动机带动。其主要的缺点就是动力不足，且蓄电池的续航能力差。
当井下发生事故后，井下环境异常恶劣，井下道路状况变差，没有强劲的动力的话，难以通行，而且现有的救援机器人体积小，也越障能力差，也没有足够的空间携带救援物资。
现有蓄电池的单位体积能量低，导致续航能力和动力成为矛盾，想要得到足够的动力就不得不牺牲续航能力，而对于矿井救灾来说，时间就是生命，不可能频繁的让机器人返航换蓄电池。
1.3.2 改进的思路
要解决动力不足和续航能力差的问题，可通过更换动力源的方式来解决。而目前，柴油机在煤矿设备运输中广泛的应用，柴油机的防爆技术也比较成熟，且相比汽油机来说柴油机具备以下优点：
(1)柴油机的燃料经济性好。因此柴油机的热效率高，而且在工况变化时，燃料消耗变化小，使燃料消耗降低。在正常行驶情况下，柴油车比汽油车可节约燃料约25％，大大降低运输成本，提高了车辆的续航能力。
(2)柴油机的工作可靠性，耐久性比汽油机好。柴油机由于没有点火系统，所以故障相对较少，性能可靠。
(3)柴油机采用增压或增压中冷技术提高柴油机功率。由于增压器能提高进气密度，使更多空气与燃油得到充分燃烧，从而产生更大的功率， 使用范围更宽广。
(4)有害排放物低。与同功率的汽油机相比，由于柴油机空燃比较高， 燃烧热效率高．排出废气中的CO和CH均较汽油机少，但炭烟(微粒)较汽油机重。总的来讲柴油机有害排放量较汽油机低，特别是增压中冷柴油机就更低，对环境污染小。
然而使用柴油机做动力源又引发出另一个问题，就是柴油机的防爆处理。众所周知，瓦斯爆炸后，井下空气中CO和瓦斯的浓度很高，只要柴油机温度过高或是有火花，就很可能引起矿井的瓦斯二次爆炸，极其危险。因此柴油机的防爆处理是解决矿井救援机器人动力来源不足的首要问题。
1.4防爆柴油机现状
1.4.1国内防爆柴油机的发展
防爆柴油机的研制在我国已经有2O多年的历史了，曾研制成功30kW、15kW、66kW、180kW等几种机型。2000年，河北煤炭科学研究所与山西卓里集团临汾柴油机厂联合研制了一种型号为S1 100FB的防爆柴油机，功率为8．8kW。此外，近些年来常州科研试制中心有限公司也进行了防爆柴油机的研制工作，并且取得了可喜的成果。
防爆柴油机又称防爆发动机，其防爆改装技术被归类为非电防爆技术——尽管柴油机电控元件也需要防爆化，但由于初期柴油机不带电，初期的柴油机防爆标准也是由非电防爆技术。回顾中国的防爆柴油机研发历史，从最初的7.5千瓦、15千瓦、30千瓦到现在的几千千瓦，我们已经经历了将近30年的发展历程。
防爆柴油机市场是一块不大的蛋糕，但是涉及到的产品类型和防爆方式却纷繁复杂。这也就不难解释为什么数十年来，防爆柴油机都没有形成批量化生产。尽管这样，国内的一些企业在十余年的发展过程中，所展现出来的研发成果和应用实例也可圈可点：以地面用防爆柴油机为例，长沙湘普防爆车辆有限公司具有明显的领先优势。该公司根据不同危险作业场所的要求，曾开发出多种防爆柴油机，可装配在移动车辆和固定设备上，功率从几千瓦涵盖至上千千瓦。以井下用防爆柴油机为例，南昌通用机械和临汾柴油机厂都有涉猎，虽然其柴油机功率不过几千瓦或十几千瓦，但结构紧凑、技术领先。虽然，在某些方面，湘普防爆车辆、南昌通用机械等业内著名公司已经能与国外大型防爆设备制造商相抗衡，但是我国的防爆设备普及现状仍然令人堪忧。未来，我们应注重防爆柴油机研发与应用，使我们的危险性作业场所达到与发达国家相当的安全指标。
1.4.2防爆柴油机的特点
防爆柴油机必须符合“《煤矿用防爆柴油机技术检验规范》(暂行)2002”的规定，并且需要在国家安全生产邢台矿用防爆柴油机械检测检验中心进行防爆性能检测，以取得煤矿安全标志准用证。防爆柴油机的主要特点如下：
（1）防爆柴油机在运转或维修过程中可能受到撞击的零部件，均不允许用轻金属制造。燃油泵因改换材料困难可采用表面喷涂不小于0．2mm厚防护层或设置钢质罩壳保护措施。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％。
（2）防爆柴油机上的非金属零部件，应采用电阻值小于1×109Ω的不燃或阻燃材料制造。
（3）用于密封的衬垫，应使用带有金属骨架或金属包封的不燃材料制造。
（4）防爆柴油机上的电气设备必须符合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。
（5）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。
（6）防爆柴油机缸盖与机体之间隔爆结合面的有效宽度不小于9mm，平面度不大于0．15mm。
（7）进、排气管与缸盖之间的隔爆结合面的有效宽度不小于13mm，平面度不大于0.15mm。（8)隔爆结合面中含有冷却水道通孔的隔爆面，由结合面内部到水道通孔边沿的有效宽度应不小于5mm，平面度不大于0.15mm。
（9）隔爆结合面的内部边沿到螺栓孔的边沿有效宽度不小于9mm，平面度不大于0．15mm。
（10）利用杆套间隙作为隔爆面的，杆套间隙不大于0.05mm，轴向长度不小于25mm。
（11）喷油器与缸头的配合间隙不大于0.2mm，轴向长度不小于25mm。
（12）隔爆腔体上应避免钻通孔，至少留3mm或1／3孔径的壁厚，取其大者。如果钻通孔需用螺塞堵死，螺塞最小拧人深度不得小于12.5mm，最少啮合扣数不得小于6扣，并有防松措施。
（13）防爆柴油机曲轴箱的通气孔要加设滤网装置，并且滤网至少五层，滤网的孔目不小于144目／cm 。
（14）隔爆结合面的表面粗糙度Ra为6.3。
（15）各非不锈钢隔爆结合面采用磷化处理。
1.4.3防爆柴油机的防爆原理
国内的防爆柴油机一般为购买现成的柴油机，再对进气系统、排气系统和冷却系统加以改造。设计时主要考虑以下几个问题：进气防爆问题；排气防爆问题；废气净化问题；提高冷却系统的冷却能力，以使柴油机的表面温度不超过150℃。具体来讲，防爆柴油机主要包括进气系统、排气系统、启动方式、燃油箱系统等部分，此外，还安装了一个防爆电子监控系统。下面分别叙述：
（1）进气系统
防爆柴油机的进气系统主要包括以下几个部分：空气滤清器、进气管、阻火器、空气关断风门、进气歧管。其中阻火器的作用是阻断发动机可能的回火引燃空气中的可燃气体，阻火器的安装必须保证不受意外损坏，易于装配、检验和清洗。阻火器的结构主要有栅栏型和珠型，两种结构的阻火器都应采用耐高温、耐腐蚀材料制造。另外，在空气滤清器的后端还要求设置空气关断风门，空气关断风门是为了在柴油机发生不正常现象是切断进气紧急停机。
（2）排气系统
防爆柴油机的排气系统主要包括以下部分：排气歧管、排气波纹管、废气处理装置、阻火器、排气管。其中排气歧管、排气波纹管为双层管，表面有一个水夹层，夹层中的水与柴油机中的冷却水连通，形成强制封闭冷却，保证柴油机表面温度不超过150℃。废气处理装置一般有两种形式，一种是水洗式，一种是干式。其中水洗式废气处理装置比较常见。其原理为使废气通过一个装有冷却水的废气处理箱，废气通过水洗进行净化和冷却，然后随之后的排气管道排出。规定排气管路最终排出气体到大气中的温度不超过70℃。废气处理箱的容量至少要满足柴油机连续运行2h耗水。阻火器作用仍然是阻止发动机气缸内的火焰喷出，而引燃空气中的可燃气体，起到安全保护的作用。
（3）启动方式
防爆柴油机的启动方式有弹簧启动、压缩空气启动、液压气动等几种。起动性能的要求是：在5℃的环境温度下，在不超过30s的时间内能顺利启动。常用的启动方式为压缩空气启动。
（4）燃油箱
防爆柴油机的燃油系统的燃油箱用非燃性材料制造，其布置应能防止撞击和远离热源至少50mm以上，其容量不得超过8h正常运行耗油量。
（5）防爆电子监控系统
防爆电子监控系统主要是在柴油机的不同位置安放了各种用途的传感器，配合中央控制系统，来对使用中的柴油机系统进行实时监控，当柴油机系统出现下列情况之一时，防爆电子监控系统应能准确发出声、光报警信号，并可自动或人工停机：
A．防爆柴油机任何一部件外表面温度达到150℃。
B．水冷却系统冷却水温度达到95℃。
C．防爆柴油机排气系统排气口温度达到70℃。
D．防爆柴油机转速到达2600r／min。
E．废气处理箱的水位低于设定位置。
F．柴油机润滑机油压力低于最低设定压力。
2 整体方案的确定
2.1整车总体布置
1-轮胎；2-前轮转向架；3-前轮驱动桥；4-万向传动装置；
5-分动器；6-变速箱；7-柴油机；8-后轮驱动桥
图2.1 车辆传动系布置
如图2.1所示为煤矿井下探险车辆底盘传动系的布置方案，参考通用的汽车底盘作为模板设计。柴油机输出动力通过皮带轮传动给变速箱，变速箱通过联轴器与分动器相连，分动器将动力分配给前后两个驱动桥，从而带动4个轮胎转动，实现四轮驱动。采用四驱轮式行走，可得到较大的驱动力，增强了越障能力。车辆采用柴油发动机作为动力来源，可获得较大的动力。车辆设置两个档位，前进挡和后退档，车辆的加减速通过油门控制。
探险车的主要参数要求：
1、车辆高度<1.2m；整车长度<2.5m；宽度<1.5m；
2、发动机防爆净功率>9.7 kW；
3、发动机采用经过防爆处理后的柴油机，配置进气防爆、尾气防爆与尾气水洗、排气管采用外套水冷装载；
4、工作档速度2～4km；
同时在探险车辆上还应该配备低照度红外摄像仪、甲烷传感器、氧气传感器、一氧化碳传感器、氮氧化物传感器等传感器，将井下的现场景象以及各气体的浓度传至地面，为地面做出进一步的营救计划提供可靠的依据；车辆信号的传输采用有线传输，以上所述的图像信号和传感器信号经处理后通过线缆传至地面，并且地面对车辆发出的控制指令也通过线缆传至车辆上达到对探险车辆的控制。
2.2尾气防暴设备的布置
图2.2
总体方案如图2.2所示，图中柴油机为S195单缸柴油机，防爆处理分为两部分，即进气防爆，和尾气的防爆和净化。空气经进气防爆防爆装置进入柴油机进气口，尾气由出气口通向水洗净化箱，之间用波纹管水套进行降温处理。波纹管内的循环冷却水由补水箱提供。废气经过冷却后进入防爆水洗净化箱，进一步降温，并去除大部分的颗粒物(PM)，冷却净化后的尾气经出气口排入大气。
在水洗净化箱正常工作的时候，水洗箱中的水会不断的减少，倘若不及时补给的话，很快水洗想就会失去其使用价值，形同虚设。因此在柴油机工作的时候，必须对防爆水洗净化箱进行补水。
补水系统由密闭箱和补水箱构成，具体的工作原理在设计部分进行介绍。
防爆水洗净化箱内装有隔爆装置，在以往的水洗净化箱设计中，一般将隔爆装置放在水洗箱之后，也就是说，柴油机尾气先经水洗箱冷却净化，再经隔爆装置实现隔爆。但这样布置安装方式，使得尾气经水洗生成的粘稠物质堵塞隔爆单元，而且经水洗的尾气中含的大量水分子也会对隔爆装置产生破坏。鉴于上述情况，初步确定防爆水洗净化箱的内部结构，即在防爆水洗净化箱的前段尾气入口处安装阻火器，用于熄灭尾气火焰，之后尾气排入水洗箱底部，进行水洗净化，最后排入空气。
由于在柴油机上安装了防爆设备，使得柴油机在进气时存在进气阻力，因此冲量系数变小，燃料燃烧不充分，最终将导致柴油机的功率下降，燃油消耗率增大。同样，由于在柴油机的出气口安装了出气防爆阻火器和防爆水箱，使得柴油机的排气背压上升，同样导致柴油机的功率下降。
针对上述情况，本文对S195柴油机进行了改进，以提高原柴油机的功率。具体改进方案和设计校核见柴油机设计改进的章节。
3 尾气防爆水洗净化箱的设计
3.1 排气排放污染及相关法规
内燃机排气中包含的成分主要分为两大类：一类是与空气混合后完全燃烧的产物，主要包括水蒸气、二氧化碳、未参与燃烧的氧气和氮气。这些气体中，CO2排入大气中后可产生温室效应，从而引发各种环境问题，但其余产物对环境和人类基本不会产生直接影响。第二类是与空气混合后不完全燃烧的产物及其氧化物，主要有一氧化碳、硫氧化物、氮氧化物、碳氢化合物和微粒，这类排放物化学成分比较复杂，对环境和人类均能造成不同程度的危害。目前各国环保组织关注的内燃机排放污染物主要是指第二类排放物（有害排放物）。柴油机与汽油机相比，由于柴油自身的燃烧特性，其排放物中HC和CO较少，仅为汽油机的30%，而微粒排放则为汽油机的20～100倍。并且在其有害排放物质中，比重较大的是硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）和微粒（PM）。这也限制了柴油车辆的进一步推广使用。因此，对柴油机排放问题的控制也主要表现在对这几种排放物的控制研究上。
NOx是内燃机排气中各种氮氧化物的总称，柴油机排气中的NOx主要由NO、NO2组成，其中NO占绝大部分，约为总量的90%左右。NO可与大气中的O2通过进一步的氧化反应生成NO2，NO2本身具有毒性和刺激性，通过呼吸道进入人体后，与肺部的水分结合生成可溶性硝酸，有强烈的刺激性，严重时甚至会引起肺气肿。被吸收进入血管后会使血液的输氧能力降低，诱发心血管系统的各类病变。NO2与空气中的水结合形成的硝酸，是造成酸雨的重要原因之一，不仅污染土地和水源，还能腐蚀损坏建筑物和金属。此外，在紫外线照射下易发生光解反应生成二次污染物，形成光化学烟雾。
柴油机排气中SOx的主要成分是SO2，SO2往往与空气中飘浮的微尘吸附在一起。被人体吸入后与呼吸道的水分结合形成酸性物，对呼吸道粘膜产生强烈的刺激作用，引起呼吸系统疾病；在空气中发生复杂化学反应并被雨水吸收溶解后，可形成酸雨危害。有资料表明在英吉利海峡的航运比较集中的区域内曾出现过大面积酸雨，造成巨大的经济损失。
柴油机所排放的微粒和汽油机相比有很大不同。汽油机排放的微粒主要是铅化物、硫酸、硫酸盐和低分子物质；柴油机的颗粒排放量要比汽油机多，一般要高30至60倍，并且化学成分也复杂得多，主要有未参与燃烧的燃油、润滑油、以及不同程度的氧化裂解产物，并且含一些重金属物质，这些物质可能引起人精神系统、血液系统障碍，还能导致癌症。同时这种类似石墨形式的含碳聚合物，聚集和吸附了相当数量的高分子可溶性有机物（SOF）和硅酸盐等，尺寸通常都比较小，主要由直径0.1～10μm的多孔碳粒构成，能长期悬浮在大气中，不仅降低了大气的可见度，且易于被人吸入肺部，并在肺里滑动，造成肺组织的摩擦损伤。微粒中的可溶性有机成分（SOF）含有致癌物质，从一项动物试验来看，柴油机排放微粒的致癌性要比汽油机排放的苯类物质高9倍，因为细微的颗粒排放物极易被吸入肺部，导致肺癌的发生。在欧洲，每年仅因车辆排放的颗粒物污染而导致死亡的人数就超过了三十四万人。
煤矿井下由于空气流动性差，需通过风井向巷道及工作面输送来自地面的新鲜空气，因此井下对柴油机的尾气排放有着更为严格的要求。但此过程中，空气的清洁质量发生变化，主要表现在：氧气含量减少；有毒有害气体含量增加；粉尘浓度增大；其他温度、湿度及压力等物理特性的变化等。《煤矿安全规程》中规定，人行巷道内的风速不得低于0.15m/s，主要进、回风巷的最大风速不得超过8m/s，这也必然注定了柴油机燃烧与排放之间的矛盾。一方面，洁净空气量的供应不足导致了柴油机燃烧不充分，从而增加了尾气中有害物质的产生；另一方面，柴油机尾气又进一步恶化了井下巷道内的空气质量，加剧有害物质的排放。因此，除了通过技术手段来进一步为柴油机提供充足的洁净空气外，还需要从控制和净化柴油机排放入手，改善煤矿井下空气质量。在实际生产过程中，井下无轨运输车存在的主要排放问题是黑烟及刺激性的气味无法有效地解决，同时，尾气夹带水雾现象严重，导致井下视线差，极易造成安全事故。
1960年，美国加州颁布了世界上第一个汽车排放法规，标志着汽车排放污染的治理工作逐渐在全球展开。到今天，随着汽车的普及和保有量的不断上升，由汽车排放所引起的污染问题也日益严重，限制汽车的有害排放已经成为全世界人民的共同愿望和呼声，因此世界各国都根据各自国情制定了强制性的汽车排放控制标准。日益严格的排放法规也逼迫着各大汽车公司不断开发新技术，寻找相应的技术手段来控制和减少内燃机有害排气对环境和人类造成的危害。目前，美国、日本和欧洲等汽车生产大国的汽车排放水平与1960
年时相比已经降低了99%以上。但由于全球汽车保有量仍然保持着持续高速增长，汽车排放污染的现状依然严峻。
表3-1 欧洲重型车用柴油机排放限值
排放
标准
测试循环
实施年份
排放限值g/(kW·h)
CO
HC
NMHC
CH4
NOx
PM
k(1)
欧洲Ⅰ
ECE
R49
1992
4.5
1.1

8.0
0.36
0.61(2)

欧洲Ⅱ
ECE
R49
1996
4.0
1.1

7.0
0.51
0.25(3)

欧洲Ⅲ
ESC

ELR
ETC
2000

2000
2000
2.1

5.45
0.66
0.78
1.6
5.0

5.0
0.10
0.13(3)

0.16
0.8
欧洲Ⅳ
ESC
ELR
ETC
2005
1.5
0.46

3.5
0.21(3)
0.02
0.5
欧洲Ⅴ
ESC
ELR
ETC
2008
1.5
0.46

2.0
0.02
0.5
EEV
ESC
ELR
ETC

1.5
0.25

2.0
0.02
0.15
（1）动态消光烟度单位为m-1；（2）适用于功率小于等于85kW的柴油机；（3）适用于单缸工作容积小于0.7L、标定转速大于3000r/min的柴油机。
排放控制是一项复杂的系统工程,它不仅需要环保部门的监管,还需要其他政府相关部门以及企业的通力配合。一直对机动车的排放污染问题最为关注的欧洲，从“欧Ⅰ”标准到“欧Ⅲ”标准还是走过了八年的时间，并在09年9月开始全面实施“欧Ⅴ”尾气排放标准。2009年12月16日，欧洲议会在法国的斯特拉斯堡通过了专门针对重型车辆的“欧Ⅵ”排放标准，这一排放标准对2.6吨以上的重型车辆（卡车和巴士）进行了统一排放限制。根据规定，新推出的车型将从2012年12月31日开始实施这一标准，而其他新出厂车辆则从2013年12月31日开始实行。根据“欧Ⅵ”标准，一氧化碳、氮氧化物以及颗粒物等有害物的排放限值将进一步降低。其中，氮氧化物的总排放限值为0.4g/kW·h（比“欧Ⅴ”标准降低了80%），颗粒物的排放限值为0.01g/kW·h（比“欧Ⅴ”标准降低了66%）。这样，“欧Ⅵ”排放标准将更接近于美国环保署针对重型车辆制定的EPA2010排放标准（其规定氮氧化物的排放限值为0.27g/kW·h，颗粒物的排放限值为0.013g/kW·h）。然而，目前欧盟在下一代排放标准的实施时间上仍然晚于日本和美国3～4年左右，后两者已分别于2009年和2010年就推出了相当于“欧Ⅵ”标准的排放标准。根据现行的“欧Ⅴ”标准，在欧洲销售的重型车辆，不论是与日本还是与美国相比，颗粒物的排放量至少超出了规定限值一半以上，氮氧化物则超出了近两倍之多。因此“欧Ⅵ”排放标准的实施将进一步将控制车辆颗粒物和氮氧化物等污染物的排放法规化，同时也是改善整个欧洲空气质量的一项重要举措。
表3-2 我国排放法规实施阶段

时间
法规
意义
第一阶段
1983年
三个限值标准：
《汽油车怠速污染排放标准》
《柴油车自由加速烟度排放标准》
《汽车柴油机全负荷烟度排放标准》三个测量方法标准：
《汽油车怠速污染物测量方法》
《柴油车自由加速烟度测量方法》
《汽车柴油机全负荷烟度测量方法》
标志着我国汽车尾气法规从无到有，并逐步走向法制治理汽车尾气污染的道路
第二阶段
1989-
1993年
两个限值标准：
《轻型汽车排气污染物排放标准》
《车用汽油机排气污染物排放标准》两个工况法测量方法标准：
《轻型汽车排气污染物测量方法》
《车用汽油机排气污染物测量方法》
形成了一套较为完善的汽车尾气排放标准体系，但仅相当于欧洲七十年代的水平
第三阶段
2000年
《汽车排放污染物限值及测试方法》（GB14961－1999）
《压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气污染物限值及测试方法》
地方法规：
《汽油车双怠速污染物排放标准》
使我国汽车尾气排放标准达到国外九十年代初的水平
与国外发达国家相比，我国的汽车排放法规起步较晚、水平较低。根据实际情况，我国从八十年代初期开始，在“先易后难”、“分阶段实施”的思路基础上，开始了控制汽车排放的制度化和法规化之路。其具体实施过程主要可分为表3-2中列出的三个主要阶段。
矿用防爆柴油机除了满足通用柴油机的各项排放指标之外，还需满足相应的矿用标准。《煤矿安全规程》中规定，防爆柴油机在规定的工况下，排出的尾气在干燥时的有害成分含量不超过以下值：
表3-3 矿井有害气体最高允许浓度
名 称
最高允许浓度(%)
一氧化碳CO
0.0024
氧化氮(换算成二氧化氮NO2)
0.00025
二氧化硫SO2
0.0005
硫化氢H2S
0.00066
氨NH3
0.004
矿用防爆柴油机通用技术条件MT990-2006中同时规定，未经稀释的防爆柴油机排气中，有害气体成分的体积浓度不应超过以下许可值：一氧化碳CO的最大体积浓度为0.1%，氮氧化物NOx的最大体积浓度为0.08%。此外，防爆柴油机机体任意部位的表面温度不得超过150℃；废气排出口排气的尾气温度不得超过70℃。
3.2 排气净化方案
3.2.1 主要污染物的生成机理
(1)CO的生成机理：
CO的生成过程比较复杂，它是燃料与氧气在燃烧过程中所形成的主要中间产物之一。燃料中的碳氢化合物与氧燃烧后被氧化，并最终生成CO2。CO的生成是这一过程的重要中间步骤。
燃烧过程中，CO2形成的主要过程如下：

式中 R——烃基
上式中所生成的CO接着通过极低的氧化速率生成了燃烧的最终产物CO2，其反应式为：

由此可见，CO转化成CO2的速度将直接影响到CO的排放。理论上，如果进入发动机的混合气与喷入缸体内的燃料比值大于理论空燃比，这时在燃烧环境中存在氧气过剩的情况，这样发动机燃烧后的排气中将不存在CO而是全部氧化生成的CO2。但实际上由于发动机各个缸体内的空燃比不一定保持高度一致，同时燃烧室内不同位置的混合比也不会非常均匀，导致燃烧室内会出现局部的缺氧区域，这时，发动机燃烧后的排气中就会有少量的CO产生。此外，即使各缸体内每个位置的空气和雾化燃料都能保证混合的非常均匀，在这样的理想状态下，由于燃烧产生的高温，已经氧化生成的CO2也仍会有一小部分被分解生成CO和O2。另外排气中的H2和未燃烃HC也可能将排气中的一部分CO2还原成CO。这些原因都导致了尾气中不可避免的存在CO。
(2)HC的生成机理：
尾气中的HC是由未参与燃烧的烃、燃烧过程中的不完全氧化产物和部分被分解的物质所组成。它包括各种类型的碳氢化合物，其中有饱和烃、不饱和烃以及含氧的碳氢化合物等，其成分复杂，各组分含量变化也很大。
当空燃比过小时，由于氧气不足，导致燃烧不充分，会使尾气中