CN105041429A - 一种防爆柴油机自冷却排气系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防爆柴油机自冷却排气系统，所述排气系统是由无叶片式涡轮机及其排气系统与水冷却系统构成，其无叶片式涡轮机是位于防爆柴油机水夹套排气管与排气栅栏之间；其排气系统是将柴油机排出气体分为两路，并分别对称、切向切入无叶片式涡轮机壳体内，再经依次通过滤网水回收器、排气栅栏和排气尾管排出；其自冷却系统是在无叶片式涡轮机的输出轴端头连接并驱动水泵旋转，水泵出水口经两条喷水软管分别对称、切向切入无叶片式涡轮机壳体内与冷却水进行混合，后经水夹套出口管及滤网水回收器回流到储水箱。本防爆柴油机整体体积小，结构简单，动力性、排放性和经济性较高，排放气体指标符合MT990-2006的要求。

Description

一种防爆柴油机自冷却排气系统

技术领域

本发明涉及一种防爆柴油机的排气系统，尤其是一种应用无叶片式涡轮机回收排气热能、降低背压、减小排气系统体积的防爆柴油机自冷却排气系统。

背景技术

防爆柴油机是一种用于爆炸性气体环境的柴油机，具有防爆性能，在爆炸性环境中工作不会点燃环境气体，且排放气体指标符合MT990-2006的要求。

现有防爆柴油机排气系统是由水夹套排气歧管、水夹套排气管、冷却水洗箱以及阻火器等构成。其中冷却水洗箱在排气系统中用水做介质，其主要作用是消焰除尘，特别是降温不可或缺的重要作用。因此，特别需要较大体积的储水箱来满足柴油机的排气降温需求。由此防爆柴油机排气系统由于冷却水洗箱的存在，导致其总体积过大，排气背压增大，这使得柴油机燃料燃烧效率下降，燃油经济性降低，同时降低了柴油机的输出功率，动力性下降。因此，降低防爆柴油机总体积和排气系统阻力，会大幅度改善和提高防爆柴油机的使用性能。

公开报道的现有技术，如公开号为CN202645697U的一种“矿用干式防爆柴油机排气系统”的实用新型专利；公开号为CN103758624A的一种“煤矿用防爆柴油机冷却循环系统”的发明专利；公开号为CN103603717A的一种“内外双循环水冷却系统大功率防爆柴油机”的发明专利；公开号为CN103233799A的一种“一种大功率防爆柴油机”的发明专利，以及其他公开的一些现有技术，这些公开报道的现有技术大都集中在原机系统基础上所进行的改进，如在防爆柴油机原机冷却系统的基础上，采用单独的散热器，采用水泵对排气系统进行冷却，研究排气冷却系统中的废气净化箱结构，并对废气净化箱内的排气管半径进行优化设计等原机结构进行改进，还未有对防爆柴油机的排气系统做出进一步改进的现有技术。

现有无叶片式涡轮机以“流体边界层效应”作为工作原理，靠近圆盘壁面的流体速度很低，流体速度方向平行于壁面，避免了粒子与转子的直接冲击。实验表明：经过合理设计的无叶片式涡轮机效率高达75%以上。

将无叶片式涡轮机引入防爆柴油机的排气系统中，特别是用于自冷却排气系统中，排气进入自冷却系统，驱动无叶片式涡轮机工作，无叶片式涡轮机输出轴驱动柱塞泵，作为喷水的动力来源向无叶片式涡轮机内喷水，以此实现热能自回收利用，进一步降低排气背压，减少排气系统体积，尾气最终经过滤网和排气栅栏排入环境，有望改善排放性、动力性和经济性等多方面的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种防爆柴油机自冷却排气系统，以解决防爆柴油机系统总体积过大，动力性、排放性和经济性不足的问题。

本发明上述目的及问题是通过以下技术方案实现的。

一种防爆柴油机自冷却排气系统，包括无叶片式涡轮机及其排气系统与水冷却系统，其特征在于：

所述无叶片式涡轮机是位于防爆柴油机的水夹套排气管与排气栅栏之间连通于一体；

所述排气系统是防爆柴油机的排气管经水夹套排气管由两路水夹套排气软管分设为两路，两路水夹套排气软管端头分别设置有排气入口插头，并将两个排气入口插头分别对称、切向切入于无叶片式涡轮机的壳体外圆周面并向内延伸，将高温气体排入无叶片式涡轮机的壳体内进行冷却降尘，再经无叶片式涡轮机出口设置的水夹套出口管依次通过滤网水回收器、排气栅栏、排气尾管及其排气温度传感器排出；

所述水冷却系统是包括水夹套冷却系统和自冷却系统，其水夹套冷却系统是防爆柴油机的冷却水进出口通过管道连通有水夹套排气管、无叶片式涡轮机冷却水套和无叶片式涡轮机水夹套出口管进行循环冷却；其自冷却系统是在无叶片式涡轮机输出轴端头连通并驱动水泵旋转，水泵进口由泵水管连通有储水箱；水泵出口处连通有两条喷水软管及其端头安设的水喷嘴插头，并将两个水喷嘴插头分别对称、切向切入于无叶片式涡轮机的壳体外圆周面上，切向喷入无叶片式涡轮机内，防爆柴油机排出的高温气体与冷却水进行混合，后将气水混合物通过无叶片式涡轮机出口设置的水夹套出口管由滤网水回收器冷凝，再由回流管回流至储水箱。

进一步地，上述技术方案的附加技术特征如下。

所述无叶片式涡轮机的转子转速是≥10000rpm，并与防爆柴油机的转速成正比关系。

所述水夹套排气软管是由至少两路水夹套排气软管分别对称、切向切入设置构成。

所述水冷却系统的喷水软管是由至少两路相应的喷水软管分别对称、切向切入设置构成。

所述无叶片式涡轮机、水夹套排气管、水夹套排气软管、无叶片式涡轮机水夹套出口管、排气栅栏和排气尾管工作的外表面温度是≤150℃。

所述排气尾管排出的环境温度≤70℃。

所述排气栅栏、滤网水回收器与储水箱是水平设置的

所述防爆柴油机自冷却排气装置的排气方法是启动防爆柴油机时，监测排气温度传感器的排气温度，若低于上限值，防爆柴油机正常工作，无叶片式涡轮机内部转子在排气剪切力作用下进行排气，水蒸气和液态水经无叶片式涡轮机进入回流管内，液态水及其水蒸气在金属丝滤网的作用下回流至储水箱；若接近上限值，ECU控制水泵加大供水量进行冷却；若超出上限值，ECU控制防爆柴油机停止工作。

实施上述本发明所提供的一种防爆柴油机自冷却排气装置，以自冷却排气装置替代水洗箱，利用排气所携带的热能驱动无叶片式涡轮机旋转，无叶片式涡轮机驱动柱塞泵旋转提供冷却水，对防爆柴油机排出的高温气体进行降温净化处理，其排放气体指标符合MT990-2006的要求。

与现有爆柴油机相比，本发明省去了庞大的水洗箱结构，减小了体积，因此也降低了排气背压，净化了尾气，回收了热能并利用；同时也使防爆柴油机的动力性、经济性和排放性得到了大大地改善，进一步提高了防爆柴油机的技术含量，拓宽了防爆柴油机的应用市场。

附图说明

图1是本防爆柴油机与自冷却防爆排气系统一体化结构示意图。

图2是本自冷却防爆排气系统结构示意图。

图3是本自冷却防爆排气系统中无叶片式涡轮机的结构示意图。

图4是图3无叶片式涡轮机沿A-A线的剖视结构示意图。

图5是图2自冷却防爆排气系统中滤网水回收器的内部结构示意图。

图6是图5滤网水回收器沿B-B线的剖视结构示意图。

图中：1：防爆柴油机；2：自冷却排气装置；3：水夹套排气管；4：水夹套排气软管；5：排气入口插头；6：无叶片式涡轮机；7：无叶片式涡轮机水夹套出口管；8：水喷嘴插头；9：喷水软管；10：泵水管；11：水泵；12：储水箱；13：回流管；14：滤网水回收器；15：排气栅栏；16：排气尾管；17：无叶片式涡轮机出口；18：排气入口；19：喷水入口；20：金属丝滤网；21：滤网水回收器入口；22：滤网水回收器排气口；23：滤网水回收器排水口；24：排气温度传感器；25：水位传感器；26：ECU；27：水套进水管；28：水套出水管；29：水套进水接口；30：水套出水接口；31：无叶片式涡轮机冷却水套；32：无叶片式涡轮机输出轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明，以使本专业的中等技术人员能够实现为准。

如附图1、附图2、附图3、附图4、附图5和附图6所述，实施本发明上述所提供的一种防爆柴油机自冷却排气系统，包括无叶片式涡轮机及其排气系统和水冷却系统，其中，水夹套排气管3安装在发动机排气管3与排气栅栏15之间并连通固定于一体，水夹套排气管3上连通有两条水夹层排气软管4，两条水夹层排气软管4的一端连通到水夹层排气管3上，另一端连通并分别设置有排气入口插头5，并分别安装在无叶片式涡轮机6的排气入口18上。泵水管10一端连接有水泵11，另一端置于水面以下，两条喷水软管9一端连通有水泵11的出口，另一端设置有两个水喷嘴插头8，并将水喷嘴插头8安装在无叶片式涡轮机6的两个喷水入口19上，两条无叶片式涡轮机水夹层出口管7连通有两个无叶片式涡轮机出口17和滤网水回收器入口21，滤网水回收器排气口22连通有排气栅栏15和排气尾管16，滤网回收器排水口23通过回流管13与储水箱12联通，水泵11安装在无叶片式涡轮机出口17的两侧，两个水泵11分别与两个无叶片式涡轮机输出轴32同轴联接，水套进水管27连通有防爆采油机1的冷却水套和水套进水接口29，水套出水管28连通有发动机冷却水套和水套出水接口30。排气温度传感器24安装在排气尾管16末端。水位传感器25安装在储水箱12的警戒线位置处，排气温度传感器24、水位传感器25、水泵11和发动机1与ECU26线路连接检测并控制采油机自冷却系统工作。

在上述具体实施方式中，所述无叶片式涡轮机6的转子转速是≥10000rpm，并与防爆柴油机1的转速成正比关系。所述排气系统的水夹套排气软管4是由至少两路水夹套排气软管4分别对称、切向切入设置构成；所述水冷却系统的喷水软管9也是由至少相应的两路喷水软管9分别对称、切向切入设置构成，水夹套排气软管4与喷水软管9在安装时，不允许有过大的扭曲和过大的弯曲，无叶片式涡轮机6固定安装在发动机1上，排气栅栏15安装车架上，排气栅栏15、滤网水回收器14与储水箱12安装时应当水平设置。在工作时，无叶片式涡轮机6、水夹套排气管3、水夹套排气软管4、无叶片式涡轮机水夹套出口管7、排气栅栏15和排气尾管16的外表面工作温度为≤150℃，排气尾管16排出的环境温度为≤70℃。

本装置安装于防爆柴油机排气总管和排气栅栏之间，喷嘴切向切入于无叶片式涡轮机壳体圆周面并向内延伸，使得无叶片式涡轮机顺时针旋转，通过冷却水进行自冷却过程，当自冷却装置外表面温度或排气温度超过警戒值时，防爆柴油机停止工作，以保证安全运行。

本专业的技术人员在上述结构关系的基础上，可以根据普通常识进行各种修改和变型而不会背离本发明的思想。

在参考了这里所揭示的本发明的说明和实践之后，本发明的具体实施方式对于熟悉本领域技术的人员来说是显而易见的。应该认为本说明书和举例只是示例性的，本发明的实际范围应由所述权利要求及其等效内容所限定。

具体实施方式2

如附图1、附图2、附图3、附图、附图5和附图6所述，实现一种防爆柴油机自冷却排气系统的自冷却排气方法，所述自冷却排气方法是在防爆柴油机工作之前，首先检查储水箱12水量是否充足，并在防爆柴油机开始工作时，优先监测排气温度传感器24的排气温度信号，若低于上限值，防爆柴油机正常工作，若接近上限值，ECU26控制水泵加大供水量，加快排气冷却，使排气温度远离上限值，若超出上限值，ECU26控制防爆柴油机供油系统停止供油，防爆柴油机停止工作；在防爆柴油机正常工作时，无叶片式涡轮机6内部转子在排气和喷水的作用下工作，排气，水蒸气和液态水经无叶片式涡轮机出口17排出无叶片式涡轮机6，进入滤网水回收器14内，部分水蒸气和全部液态水在金属丝滤网20的作用下凝落在滤网水回收器14底板上，液体沿底板流至滤网水回收器排水口23处，再回流至储水箱12，参与下一个循环。

防爆柴油机在进行自冷却排气时，所排出的气体首先进入带有冷却水循环的水夹套排气管3，冷却水循环保证水夹套排气管3表面温度不超过150℃，并吸收一部分排气热能，起到了一定的降温作用。水夹套排气管3、无叶片式涡轮机水夹套出口管7和滤网水回收器14后的排气管路均由发动机冷却系统提供冷却水。由水夹套排气管3排出的废气分成两路，携带着热能和动能进入两条水夹套排气软管4，水夹套排气软管4的循环冷却水与水夹套排气管3的循环冷却水相连通，冷却水循环保证水夹套排气软管4表面温度不超过150℃，并吸收一部分热能，起到降低温度的作用；两条水夹套排气软管4的两个出口分别与两个排气入口插头5相连通，两个排气入口插头5安装在排气入口18上，在无叶片式涡轮机6壳体上相差180°分布设置，即对称设置，使喷入的废气沿转子切向方向进入转子间隙，靠废气所携带的动能以及热能驱动转子高速转动，转子由金属材料制成，具有很好的强度和散热性，其转速高达到10000rpm或者更高，转子转速与发动机转速存在正相关关系。废气在高速旋转的转子间隙内损失大量的热能和动能，转换成转子中心轴对外输出扭矩，废气从转子边缘绕转子中心做向心运动，最后经转子中心与无叶片式涡轮机输出轴32之间的间隙—无叶片式涡轮机出口17排出。无叶片式涡轮机6壳体上设有无叶片式涡轮机冷却水套31，无叶片式涡轮机冷却水套31内部循环冷却水与发动机冷却系统相连通，无叶片式涡轮机冷却水套31设有水套进水接口29和水套出水接口30分别开设在无叶片式涡轮机6壳体的下方，循环冷却水从发动机冷却系统出来经水套进水管27进入水套进水接口29，随后进入无叶片式涡轮机冷却水套31内部参与冷却循环，废气通过热传导的方式与无叶片式涡轮机冷却水套31内部循环冷却水交换热量，携带着热量的无叶片式涡轮机冷却水套31内部循环冷却水从水套出水接口30流出无叶片式涡轮机冷却水套31，随后经水套出水管28流回发动机冷却系统保证无叶片式涡轮机6壳体温度不超过150℃，无叶片式涡轮机冷却水套31内部循环冷却水的流量根据实际工况由ECU26控制；无叶片式涡轮机输出轴32轴头与水泵11连接同时运转，两个水泵11分别与无叶片式涡轮机输出轴32两端连接，固定安装在无叶片式涡轮机6壳体两端，每个水泵11有一个入水口和两个出水口，水泵11由无叶片式涡轮机输出轴32带动工作，储水箱12的体积很小，容纳少量冷却水，供无叶片式涡轮机6内部冷却使用，储水箱12安装有水位传感器25，当水位低于预定值时，水位传感器25将信号传输至ECU26，ECU26一方面停止发动机工作，另一方面发出水位过低预警，提醒加水；共有两条泵水管10，泵水管10两端连通有接水泵11和储水箱12，水泵11在无叶片式涡轮机6带动下将储水箱12中的水喷入喷水软管9，共有四条喷水软管9，每个水泵11连接两条喷水软管9，喷水软管9连通有水喷嘴插头8，两个水喷嘴插头8分别安装在无叶片式涡轮机6壳体的喷水入口19上，两喷水入口19之间相差180°，即对称设置，并且与两排气入口18之间呈90°分布，喷水由喷水入口19切向喷入无叶片式涡轮机6转子间隙，喷水沿无叶片式涡轮机6转子中心做向心运动，半径逐渐缩小，喷水与进入的排气混合的过程可以进一步降低排气温度，吸收排气热量的液态水汽化形成水蒸气，在无叶片式涡轮机6内部膨胀，具有一定压力的排气、水混合物从无叶片式涡轮机出口17排出。

由无叶片式涡轮机出口17排出的水、气混合物进入两条无叶片式涡轮机水夹套出口管7，进一步进行冷却，部分液态水和部分水蒸气由于管壁冷却作用，会冷凝聚集到无叶片式涡轮机水夹套出口管7管壁上，在排气的推动下进入滤网水回收器14，全部的液态水和绝大部分水蒸气由于冷凝作用会聚集在滤网水回收器14底部，沿斜坡流入回流管13，最后进入储水箱12，参与下一个冷却循环，剩余的排气和少部分水蒸气混合物进入排气栅栏15，最后经排气尾管16排出，排气尾管16末端安装有排气温度传感器24，如果排出的尾气温度超过70℃，排气温度传感器24会将信号传输至ECU26，ECU26紧急停止防爆柴油机工作，保证防爆柴油机的安全性。

在防爆柴油机工作过程中，排气经排气管切向进入自冷却排气装置的无叶片式涡轮机中，带动无叶片式涡轮机转子高速转动，高速旋转的转子会冷却高温排气，转子带动输出轴转动，输出扭矩功，水泵被无叶片式涡轮机输出轴驱动，汲取储水箱中的水，将水依次通过软管、喷嘴，切向喷入无叶片式涡轮机中，为排气降低温度，喷水流量由控制器收集到的排气栅栏尾端排气温度传感器信号实时控制，确保排入环境中的尾气温度符合标准要求，及使排气温度不超过70℃，保证环境安全；排气和水的混合物经输出轴与无叶片式涡轮机壳体间隙排出，进入滤网水回收器内部，大部分液态水和水蒸气经冷凝作用，回流至储水箱，参与下一个冷却循环，而排气则经过滤网水回收器出口、排气栅栏和排气尾管，最后排入大气。

上述防爆柴油机自冷却排气系统将柴油机排出的300℃以上的废气，通过自冷却系统最终排入环境废气的温度不超过70℃，达到了防爆要求，排气温度符合标准MT990-2006要求。由此实现了本发明所设计的自冷却防爆排气装置实现降低背压、减少体积，能量回收自利用的目的。

本发明上述具体实施方案利用防爆柴油机自冷却排气装置取代原有水洗箱的位置，排气经发动机排出，进入无叶片式涡轮机内，排入滤网水回收器，最后经防爆排气栅栏和排气尾管进入周围环境。无叶片式涡轮机装置内辅以少量喷水，更加优化了尾气排放质量，喷水动力来源于排气能量，达到能量自回收利用目的。与原防爆排气系统相比，本装置省去庞大的水洗箱装置，减少体积，降低排气背压，净化尾气，回收能量自利用，节约能源；使防爆柴油机动力性、经济性和排放性得到改善。

Claims (8)

1.一种防爆柴油机自冷却排气系统，包括无叶片式涡轮机及其排气系统与水冷却系统，其特征在于：

所述无叶片式涡轮机[6]是位于防爆柴油机的水夹套排气管[3]与排气栅栏[15]之间连通于一体；

所述排气系统是防爆柴油机[1]的排气管经水夹套排气管[3]由两路水夹套排气软管[4]分设为两路，两路水夹套排气软管[4]端头分别设置有排气入口插头[5]，并将两个排气入口插头[5]分别对称、切向切入于无叶片式涡轮机[6]的壳体外圆周面并向内延伸，将高温气体排入无叶片式涡轮机[6]的壳体内进行冷却降尘，再经无叶片式涡轮机出口[17]设置的水夹套出口管[7]依次通过滤网水回收器[14]、排气栅栏[15]、排气尾管[16]及其排气温度传感器[24]排出；

所述水冷却系统是包括水夹套冷却系统和自冷却系统，其水夹套冷却系统是防爆柴油机[1]的冷却水进出口通过管道连通有水夹套排气管[3]、无叶片式涡轮机冷却水套[31]和无叶片式涡轮机水夹套出口管[7]进行循环冷却；其自冷却系统是在无叶片式涡轮机输出轴[32]的端头连接并驱动水泵[11]工作，水泵[11]的进口由泵水管[10]连通有储水箱[12]；水泵[11]的出口处连通有两条喷水软管[9]及其端头安设的水喷嘴插头[8]，并将两个水喷嘴插头[8]分别对称、切向切入于无叶片式涡轮机[6]的壳体外圆周面上，并切向喷入无叶片式涡轮机[6]内，防爆柴油机[1]排出的高温气体与冷却水进行混合，后将气水混合物通过无叶片式涡轮机出口[17]设置的无叶片式涡轮机水夹套出口管[7]由滤网水回收器[14]冷凝，再由回流管[13]回流至储水箱[12]。

2.如权利要求1所述的防爆柴油机自冷却排气系统，其特征在于：所述无叶片式涡轮机[6]的转子转速是≥10000rpm，并与防爆柴油机[1]的转速成正比关系。

3.如权利要求1所述的防爆柴油机自冷却排气系统，其特征在于：所述排气系统的水夹套排气软管[4]是由至少两路水夹套排气软管[4]分别对称、切向切入设置构成。

4.如权利要求1所述的防爆柴油机自冷却排气系统，其特征在于：所述水冷却系统的喷水软管[9]是由至少两路相应的喷水软管[9]分别对称、切向切入设置构成。

5.如权利要求1所述的防爆柴油机自冷却排气系统，其特征在于：所述无叶片式涡轮机[6]、水夹套排气管[3]、水夹套排气软管[4]、无叶片式涡轮机水夹套出口管[7]、滤网水回收器[14]、排气栅栏[15]和排气尾管[16]的外表面工作温度为≤150℃。

6.如权利要求1所述的防爆柴油机自冷却排气系统，其特征在于：所述排气尾管[16]的排出环境温度为≤70℃。

7.如权利要求1所述的防爆柴油机自冷却排气系统，其特征在于：所述排气栅栏[8]、滤网水回收器[14]与储水箱[12]是水平设置。

8.如权利要求1所述的防爆柴油机自冷却排气系统，其特征在于：所述防爆柴油机自冷却排气系统的排气方法是启动防爆柴油机[1]时，监测排气温度传感器[24]的排气温度，若低于上限值，防爆柴油机[1]正常工作，无叶片式涡轮机内部转子在排气剪切力作用下进行排气，水蒸气和液态水经无叶片式涡轮机[6]进入回流管[13]内，液态水及其水蒸气在金属丝滤网[20]的作用下回流至储水箱[12]；若接近上限值，ECU控制水泵[11]加大供水量进行冷却；若超出上限值，ECU控制防爆柴油机[1]停止工作。