柴油機(jī)曲軸箱油霧探測(cè)系統(tǒng)分析

郭 旦，張 權(quán)，孫曉蔚

（1.中國(guó)船級(jí)社江陰辦事處，江蘇 無(wú)錫 214431；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海 200031）

柴油機(jī)曲軸箱油霧探測(cè)系統(tǒng)分析

郭 旦1，張 權(quán)2，孫曉蔚2

（1.中國(guó)船級(jí)社江陰辦事處，江蘇 無(wú)錫 214431；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海 200031）

曲軸箱油霧探測(cè)系統(tǒng)廣泛利用了光透射原理，主要包括探測(cè)器、控制器，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)反映柴油機(jī)曲軸箱油霧濃度的變化，在必要時(shí)能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而避免曲軸箱油霧濃度過(guò)高而產(chǎn)生爆炸事故。

油霧探測(cè)系統(tǒng)；曲軸箱

0 引言

柴油機(jī)在工作中，由于曲軸箱內(nèi)油霧濃度過(guò)高導(dǎo)致柴油機(jī)曲軸箱爆炸，不僅會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)后果，而且會(huì)造成人身傷害。監(jiān)控曲軸箱內(nèi)油霧狀態(tài)的方法有許多種，包括傳感過(guò)熱零件的溫度、檢測(cè)潤(rùn)滑油溫度及監(jiān)控回流的潤(rùn)滑油內(nèi)金屬碎末。在運(yùn)動(dòng)零件上裝檢測(cè)器存在許多困難，在曲軸箱內(nèi)的主軸承和氣缸套上裝傳感器很普遍，而監(jiān)控潤(rùn)滑油溫度和潤(rùn)滑油中金屬碎末的缺點(diǎn)是在異狀影響被檢測(cè)到之前有一段滯后期。相對(duì)較好的方法是油霧探測(cè)法，即采用油霧探測(cè)裝置來(lái)檢測(cè)柴油機(jī)曲軸箱內(nèi)的油霧濃度，防止因主軸承過(guò)熱、潤(rùn)滑系統(tǒng)問(wèn)題或其他運(yùn)行故障等原因造成曲軸箱內(nèi)潤(rùn)滑油過(guò)度蒸發(fā)導(dǎo)致油霧濃度過(guò)高的不安全隱患[1]。

1 曲軸箱爆炸的形成

曲軸箱爆炸前提是曲軸箱內(nèi)形成很密集的油霧，在此之前主要經(jīng)歷了如圖1所示的各階段[2]。

圖1 爆炸產(chǎn)生階段

由于部件發(fā)生故障，它將會(huì)進(jìn)一步造成間接破壞，例如軸承出現(xiàn)過(guò)熱、其他部件承受不平衡負(fù)荷等，最終結(jié)果是溫度過(guò)高，使附近的潤(rùn)滑油氣化。

這些氣化的油在曲軸箱內(nèi)冷凝而形成油霧，當(dāng)油霧的濃度達(dá)到某一范圍時(shí)，它就成為可燃的混合氣，并會(huì)在高溫?zé)嵩吹囊枷轮稹Ｈ绻鹎耙延写罅坑挽F存在，則一經(jīng)著火就會(huì)使曲軸箱有限空間內(nèi)的溫度和壓力急劇升高，并產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，造成具有破壞性的曲軸箱爆炸。所以曲軸箱內(nèi)油霧濃度達(dá)到可爆炸的混合比是曲軸箱爆炸的基本條件。高溫?zé)嵩词乔S箱爆炸的決定因素。船舶曲軸箱爆炸事故發(fā)生的概率較小，而一旦發(fā)生后果卻又非常嚴(yán)重。

為了預(yù)防曲軸箱爆炸的產(chǎn)生，IACS UR M10中對(duì)柴油機(jī)曲軸箱油霧濃度的檢測(cè)和報(bào)警有明確要求。規(guī)定對(duì)于功率大于或者等于2250kW的或者缸徑大于300mm的低速柴油機(jī)，曲軸箱應(yīng)安裝油霧探測(cè)裝置，當(dāng)探測(cè)到油霧濃度高時(shí)發(fā)出報(bào)警并降低轉(zhuǎn)速。對(duì)于功率大于或者等于2250kW的或者缸徑大于300的中高速柴油機(jī)，曲軸箱應(yīng)安裝油霧探測(cè)裝置，當(dāng)探測(cè)到油霧濃度高時(shí)發(fā)出報(bào)警并自動(dòng)停車。

2 油霧探測(cè)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1960年，由英國(guó)首先研制出應(yīng)用于船舶柴油機(jī)的曲軸箱油霧濃度探測(cè)器，命名為GRAVlNER MARK系列。這種探測(cè)器在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。GRAVINER型的早期探測(cè)器率先采用檢測(cè)油霧對(duì)光的阻光度的方法來(lái)檢驗(yàn)油霧濃度的大小。這一方法簡(jiǎn)單可靠，一直沿用至今，被許多柴油機(jī)廠家采用。但是隨著柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展和船舶整體性能的提高，對(duì)柴油機(jī)曲軸箱油霧濃度探測(cè)器的準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度提出了更高要求，以滿足防爆的目的以及盡量避免柴油機(jī)發(fā)生嚴(yán)重事故。早期的油霧濃度探測(cè)器已難以滿足這一要求，各廠家都就此要求作了改進(jìn)，但其基本原理仍沒(méi)有改變。主要有德國(guó)SCHALLER-AUTOMATION公司的SCHALLER VN115/116/215，英國(guó)GRAVlNER公司的MARK5，MARK6，日本 DAIHATSU公司的MD系列MD-9M/14M/SX等。

3 油霧探測(cè)器的檢測(cè)原理

工程上實(shí)用的油霧濃度探測(cè)方法主要有兩種：一種是利用光散射原理進(jìn)行工作；另一種是利用光透射原理進(jìn)行工作，現(xiàn)在使用的油霧探測(cè)器基本上都是運(yùn)用光透射原理進(jìn)行探測(cè)。

3.1 散射原理

當(dāng)光線通過(guò)不均勻的介質(zhì)時(shí)，將偏離其原來(lái)的傳播方向，散開到空間4π立體角，發(fā)生散射現(xiàn)象。將光探測(cè)器布置于油霧氣室空間中某一角度，其光信號(hào)大小與光探測(cè)器安裝位置及氣體濃度有關(guān)，通過(guò)探測(cè)出光電信號(hào)大小即可反演出油霧氣體濃度。

美國(guó)QMI公司的產(chǎn)品就是采用了側(cè)向散射法，這種方法所采用的光路系統(tǒng)包括一個(gè)光源、兩個(gè)探測(cè)器。其中一個(gè)探測(cè)器放在與LED軸線成0度位置，作為補(bǔ)償探測(cè)器。另一個(gè)探測(cè)器放在與LED軸線成90度位置處。如圖2所示，從LED光源發(fā)射出的光線，在碰到油霧顆粒時(shí)發(fā)生散射，光電池接受器接收經(jīng)90度返回的散射光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而把油霧的濃度轉(zhuǎn)換成電流的高低。當(dāng)沒(méi)有油霧時(shí)，光電池電流為0，當(dāng)產(chǎn)生油霧時(shí)，電流隨油霧濃度的增加而增加。

圖2 側(cè)向散射法原理圖

3.2 透射原理

透射法的原理與散射法正好相反，其測(cè)量原理是用一定波長(zhǎng)的光束穿過(guò)采樣氣體，利用不同濃度的氣體對(duì)光的吸收程度不同，測(cè)量光的透過(guò)率，透過(guò)率與濃度之間符合朗帕—比爾定律。SCHALLER VN115/116/215，GRAVlNER MARK4/5，DAIHATSU MD-9M/14M/SX等都是運(yùn)用了光透射法的原理來(lái)進(jìn)行油霧濃度的檢測(cè)，如圖3所示。檢測(cè)管的一端裝有穩(wěn)壓電源供電的紅外發(fā)光管，光束穿過(guò)待檢測(cè)的氣體導(dǎo)致有光電池的另一端，光電池檢測(cè)到的光強(qiáng)度信號(hào)強(qiáng)弱就反映了油霧濃度的大小，油霧濃度越高，接受到的光強(qiáng)信號(hào)越弱。

圖3 透射法原理圖

4 油霧探測(cè)系統(tǒng)的組成與運(yùn)行

油霧探測(cè)系統(tǒng)分兩種：一種是由油霧探測(cè)器及遠(yuǎn)程顯示器組成；另一種是由探測(cè)器、終端接線盒以及控制器組成。

4.1 油霧探測(cè)器及遠(yuǎn)程顯示組成的油霧探測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)

此系統(tǒng)是由油霧探測(cè)器及遠(yuǎn)程顯示器組成，油霧探測(cè)器直接安裝于柴油機(jī)上，集采樣、分析、報(bào)警、顯示于一體 。遠(yuǎn)程顯示器一般安裝在機(jī)艙集控室，與探測(cè)器之間由通訊電纜連接。如圖4所示的SCHALLER VN215型油霧探測(cè)器，它主要由抽氣系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、顯示報(bào)警系統(tǒng)組成，GRAVlNER MARK5，DAIHATSU MD-9M/14M都采用了這樣的探測(cè)系統(tǒng)。

圖4 SCHALLER VN215型油霧探測(cè)系統(tǒng)

4.1.1 抽氣系統(tǒng)

對(duì)于各個(gè)曲軸箱隔開的柴油機(jī)，每個(gè)曲軸箱上都必須設(shè)置采樣點(diǎn)，該點(diǎn)一般選擇在曲軸箱稍高的位置，因?yàn)橛挽F是上升的。

對(duì)于油霧的采集，它需要由抽吸設(shè)備油霧抽吸管路把油霧輸送到探測(cè)器，所以抽氣管路應(yīng)滿足 IACS UR M67的要求：

1）對(duì)于用管路把油霧抽進(jìn)探測(cè)器時(shí)，應(yīng)根據(jù)制造商推薦的最長(zhǎng)、最短管路，確定采樣油霧離開曲軸箱到報(bào)警動(dòng)作之間的時(shí)間延遲。而為了解決由于管路長(zhǎng)短影響報(bào)警延遲的問(wèn)題，此類油霧探測(cè)器一般會(huì)采用一個(gè)抽氣系統(tǒng)，如直流風(fēng)機(jī)或空氣射流泵，這樣就能把曲軸箱中的油霧盡快地抽進(jìn)測(cè)量室。另外，盡量將油霧探測(cè)器安裝在柴油機(jī)中心，避免管道過(guò)長(zhǎng)。根據(jù)要求，合格的安裝圖紙必須由制造商以及船級(jí)社共同審核批準(zhǔn)。

2）對(duì)于在曲軸箱中可能暴露于柴油機(jī)潤(rùn)滑飛濺的探測(cè)裝置，應(yīng)保證滑油持續(xù)飛濺和噴射的工況下，探測(cè)裝置的吸口不會(huì)被遮蔽或堵塞，一般會(huì)采用罩杯取樣漏斗，取樣漏斗一般安裝在能避免飛濺的軸承油或者活塞冷卻回油的地方。

3）在柴油機(jī)執(zhí)行正常操作模式過(guò)程中，油霧探測(cè)器抽出因竄漏或者機(jī)械飛濺而進(jìn)入抽吸系統(tǒng)的少量油滴，這些油滯留在抽氣管道中，必須想辦法回流到曲軸箱中。所以在抽氣管路上可采用管式泄放閥，如沒(méi)有安裝泄放閥，管道安裝必須有一定的傾角角度，探測(cè)單元的位置必須位于抽氣點(diǎn)上方，這樣在管路中形成的油滴就不會(huì)影響到探測(cè)單元。

4.1.2 測(cè)量系統(tǒng)

油霧濃度的測(cè)量方法就是第4節(jié)所述的光透射法，測(cè)量元件主要包括紅外發(fā)射管、光電池和測(cè)量通道等。發(fā)射管和光電池對(duì)稱安裝在測(cè)量通道的兩側(cè)，光電池接收由發(fā)射管發(fā)出的光強(qiáng)不變的紅外光。當(dāng)有油霧通過(guò)測(cè)量通道后，接收管接收到的光強(qiáng)發(fā)生變化，油霧濃度越大，消光度越大，接收到的光強(qiáng)越小，光電池輸出的電流越弱，而油霧濃度與消光度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由此來(lái)檢測(cè)油霧濃度。

為了保持測(cè)量通道的不被污染，一般在紅外探頭外側(cè)由兩路新鮮空氣進(jìn)行掃氣清潔，一則對(duì)紅外探頭進(jìn)行沖洗。另外還可阻止油霧逼近探頭，以及冷卻測(cè)量室和紅外探頭，防止誤報(bào)警。

4.1.3 顯示報(bào)警系統(tǒng)

IACS UR M67規(guī)定油霧濃度報(bào)警設(shè)定在最大濃度水平不超過(guò)5%LEL(爆炸下限)或者約2.5mg/L時(shí)發(fā)出報(bào)警。

在探測(cè)器上有一個(gè)油霧濃度顯示器，當(dāng)油霧濃度達(dá)到預(yù)報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)開始預(yù)報(bào)警并開始自檢，通過(guò)排除法檢測(cè)出濃度異常的曲軸箱并顯示曲軸箱編號(hào)及油霧濃度，當(dāng)濃度持續(xù)上升并達(dá)到主報(bào)警值時(shí)，對(duì)柴油機(jī)產(chǎn)生動(dòng)作使之降速或停機(jī)。

4.1.4 遠(yuǎn)程顯示器

油霧探測(cè)器可與監(jiān)控設(shè)備—遠(yuǎn)程顯示器或者遠(yuǎn)程操作裝置連接，在安全的位置監(jiān)控油霧濃度及油霧探測(cè)器的工作狀態(tài)，以符合IACS UR M10規(guī)范的要求，探測(cè)器與監(jiān)控設(shè)備通過(guò)通訊總線連接。

4.2 油霧探頭、終端接線盒以及控制器組成的油霧探測(cè)系統(tǒng)

此系統(tǒng)由油霧探頭、終端接線盒以及和控制器組成，油霧探頭裝在曲軸箱壁上，通過(guò)對(duì)各曲軸箱油霧濃度進(jìn)行檢測(cè)，由光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)放大器，A/D轉(zhuǎn)換器傳送給控制器，控制器一般安裝在控制室中?？刂破鹘邮芴筋^傳輸?shù)男盘?hào)經(jīng)過(guò)CPU的運(yùn)算將實(shí)測(cè)的油霧濃度與設(shè)定的報(bào)警值進(jìn)行比較，判斷是否報(bào)警，并顯示各個(gè)探頭所在曲軸箱的油霧濃度，同時(shí)把報(bào)警信號(hào)傳輸給探頭。

一臺(tái)控制器可同時(shí)與多個(gè)探頭進(jìn)行信號(hào)傳輸，提高了系統(tǒng)配置的靈活性，由此可監(jiān)測(cè)多臺(tái)柴油機(jī)的曲軸箱油霧濃度，使適用環(huán)境以及探測(cè)器的分布得到很大提高；同時(shí)省去了一些繁瑣的管路以及機(jī)械結(jié)構(gòu)，使測(cè)量的及時(shí)性以及準(zhǔn)確性得到了較大提高；控制器安裝在機(jī)艙集控室，方便了船員的日常監(jiān)測(cè)。GRAVlNER MARK6，DAIHATSU MD-SX都運(yùn)用了這樣的探測(cè)系統(tǒng)。

圖5 GRAVlNER MARK6油霧探測(cè)系統(tǒng)

4.2.1 油霧探頭

油霧探頭是對(duì)柴油機(jī)曲軸箱油霧濃度進(jìn)行檢測(cè)的裝置，對(duì)于每個(gè)曲軸箱都安裝一個(gè)探頭，每個(gè)探測(cè)器可串聯(lián)也可并聯(lián)在一起，再通過(guò)接線箱與控制器相連接。這種探頭集成了抽吸系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng)，由自己的微芯片控制形成一個(gè)微型系統(tǒng)，其通過(guò)對(duì)油霧進(jìn)行檢測(cè)并傳輸給控制器相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，它主要是對(duì)油霧濃度進(jìn)行采樣，測(cè)量并傳輸數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)分析都在控制器中進(jìn)行。

圖6 GRAVlNER MARKK6 油霧探頭

探頭上能顯示報(bào)警信號(hào)以及故障信號(hào)，一般通過(guò)指示燈來(lái)識(shí)別，指示燈通常分別為電源燈、報(bào)警燈、故障燈。探頭由控制器提供直流24V電源，當(dāng)供電正常時(shí)電源指示燈亮。報(bào)警燈顯示預(yù)報(bào)警和報(bào)警狀態(tài)，探測(cè)器接受到控制器的預(yù)報(bào)警信號(hào)時(shí)時(shí)報(bào)警燈閃爍，主報(bào)警時(shí)報(bào)警燈常亮。探測(cè)器具有自檢功能，當(dāng)紅外光發(fā)射單元或接受單元故障、控制器CPU故障、線路故障等產(chǎn)生時(shí)，故障燈亮。

探測(cè)器的安裝位置應(yīng)滿足IACS UR M10的要求，盡量避免裝在滑油飛濺或者易產(chǎn)生水汽的位置。

4.2.2 油霧控制器

按照IACS UR M10的相關(guān)規(guī)定，油霧探測(cè)和警報(bào)信息，應(yīng)能夠從遠(yuǎn)離柴油機(jī)的安全位置讀取。通過(guò)油霧探測(cè)控制器，就能在機(jī)艙集控室進(jìn)行油霧濃度和報(bào)警信息的讀取，一方面使控制器遠(yuǎn)離了機(jī)艙內(nèi)惡劣的工作環(huán)境，提高了使用壽命；另一方面也使讀取更加方便簡(jiǎn)潔。所以現(xiàn)在大型柴油機(jī)的油霧探測(cè)系統(tǒng)都采用控制器和探測(cè)器相結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行探測(cè)。

控制器以單片機(jī)為監(jiān)視報(bào)警的核心部件，具有采樣準(zhǔn)確、執(zhí)行速度快以及自檢功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。它利用通信電纜通過(guò)接線箱與探頭相連接，一個(gè)控制器可對(duì)多個(gè)探頭進(jìn)行顯示報(bào)警輸出。在連接過(guò)程中電纜長(zhǎng)度應(yīng)滿足要求，不得超過(guò)制造商所規(guī)定的長(zhǎng)度?？刂破魍ㄟ^(guò)總線控制，作為從機(jī)的探測(cè)器需要設(shè)定自身的通訊地址，這樣控制器才能通過(guò)地址分別判斷油霧濃度異常的位置。

控制器通過(guò)初始化設(shè)定，首先設(shè)定探測(cè)器的個(gè)數(shù)以及各個(gè)通訊地址，然后設(shè)定報(bào)警值(預(yù)報(bào)警/主報(bào)警)以及靈敏度。再通過(guò)探測(cè)器傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，通過(guò)CPU對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，判斷是否報(bào)警以及報(bào)警點(diǎn)位置。

控制器能時(shí)時(shí)顯示各個(gè)曲軸箱油霧濃度，當(dāng)有檢測(cè)到油霧濃度達(dá)到報(bào)警值時(shí)，或者當(dāng)某個(gè)探測(cè)器的探測(cè)值與各個(gè)探測(cè)器的平均值相差超過(guò)一定值時(shí)，報(bào)警燈都會(huì)亮起，同時(shí)能顯示探測(cè)器編號(hào)。報(bào)警分為預(yù)報(bào)警和主報(bào)警，首先當(dāng)濃度達(dá)到預(yù)報(bào)警時(shí)，預(yù)報(bào)警燈亮，當(dāng)油霧濃度下降到預(yù)報(bào)警點(diǎn)以下時(shí)，報(bào)警停止，報(bào)警燈自動(dòng)熄滅；當(dāng)濃度持續(xù)上升到主報(bào)警點(diǎn)時(shí)，主報(bào)警燈亮，此時(shí)控制柴油機(jī)停車或降速，主報(bào)警燈不能被消警只能被復(fù)位。當(dāng)油霧濃度報(bào)警時(shí)，控制器將報(bào)警信號(hào)傳輸給探頭，探頭上的報(bào)警燈也同時(shí)點(diǎn)亮。

為了滿足IACS UR M10的相關(guān)要求，控制器也必須有自檢功能，當(dāng)CPU故障，通信故障，探測(cè)器的光路故障，電源故障，以及電纜接頭故障時(shí)，控制器輸出報(bào)警?？刂破魍瑫r(shí)應(yīng)能在柴油機(jī)停車和正常工作情況下，按接收的試驗(yàn)程序進(jìn)行模擬功能試驗(yàn)。

5 結(jié)論

油霧探測(cè)系統(tǒng)是防止曲軸箱爆炸的非常有效的方法，現(xiàn)已得到廣泛運(yùn)用，對(duì)船舶航行安全起到了重要作用，其安裝和運(yùn)行要求應(yīng)嚴(yán)格滿足IACS的相關(guān)規(guī)定，對(duì)于船級(jí)社，審圖驗(yàn)船師與現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)船師對(duì)此系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)的審查與試驗(yàn)。

[1]王海江,張榮山,劉驊.柴油機(jī)曲軸箱油霧探測(cè)裝置研制[J].柴油機(jī),2009,31(1):33-36.

[2]David M.Stedham.柴油機(jī)曲軸箱油霧檢測(cè)的開發(fā)[J].國(guó)外內(nèi)燃機(jī)車,1998(4):36-38.

Analysis on Oil Mist Detecting System for Diesel Engine

GUO Dan1,ZHANG Quan2,SUN Xiao-wei2
(1.Jiangyin Office,China Classification Society,Wuxi 214431,China; 2.No.704 Research Institute,CSIC,Shanghai 200031,China)

Based on the theory of light-transmission,the oil mist detecting system of crankcase,which are already used in all large-scale marine diesel engine,including detector and controller,can reflect the change of oil mist concentration in time and alarm if necessary.Then,the explode of crankcase developing from exorbitant oil mist concentration can be avoided.

oil mist detecting system; crankcase

TM61

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.04.006

郭旦（1985-），男，工程師，從事船舶檢驗(yàn)工作。