柴油機曲軸箱油霧探測系統分析

郭 旦，張 權，孫曉蔚

（1.中國船級社江陰辦事處，江蘇 無錫 214431；2.中國船舶重工集團公司第704研究所，上海 200031）

柴油機曲軸箱油霧探測系統分析

郭 旦1，張 權2，孫曉蔚2

（1.中國船級社江陰辦事處，江蘇 無錫 214431；2.中國船舶重工集團公司第704研究所，上海 200031）

曲軸箱油霧探測系統廣泛利用了光透射原理，主要包括探測器、控制器，該系統能實時反映柴油機曲軸箱油霧濃度的變化，在必要時能及時發出報警信號，從而避免曲軸箱油霧濃度過高而產生爆炸事故。

油霧探測系統；曲軸箱

0 引言

柴油機在工作中，由于曲軸箱內油霧濃度過高導致柴油機曲軸箱爆炸，不僅會造成嚴重的經濟后果，而且會造成人身傷害。監控曲軸箱內油霧狀態的方法有許多種，包括傳感過熱零件的溫度、檢測潤滑油溫度及監控回流的潤滑油內金屬碎末。在運動零件上裝檢測器存在許多困難，在曲軸箱內的主軸承和氣缸套上裝傳感器很普遍，而監控潤滑油溫度和潤滑油中金屬碎末的缺點是在異狀影響被檢測到之前有一段滯后期。相對較好的方法是油霧探測法，即采用油霧探測裝置來檢測柴油機曲軸箱內的油霧濃度，防止因主軸承過熱、潤滑系統問題或其他運行故障等原因造成曲軸箱內潤滑油過度蒸發導致油霧濃度過高的不安全隱患[1]。

1 曲軸箱爆炸的形成

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

圖1 爆炸產生階段

由于部件發生故障，它將會進一步造成間接破壞，例如軸承出現過熱、其他部件承受不平衡負荷等，最終結果是溫度過高，使附近的潤滑油氣化。

這些氣化的油在曲軸箱內冷凝而形成油霧，當油霧的濃度達到某一范圍時，它就成為可燃的混合氣，并會在高溫熱源的引燃下著火。如果著火前已有大量油霧存在，則一經著火就會使曲軸箱有限空間內的溫度和壓力急劇升高，并產生強烈的沖擊波，造成具有破壞性的曲軸箱爆炸。所以曲軸箱內油霧濃度達到可爆炸的混合比是曲軸箱爆炸的基本條件。高溫熱源是曲軸箱爆炸的決定因素。船舶曲軸箱爆炸事故發生的概率較小，而一旦發生后果卻又非常嚴重。

為了預防曲軸箱爆炸的產生，IACS UR M10中對柴油機曲軸箱油霧濃度的檢測和報警有明確要求。規定對于功率大于或者等于2250kW的或者缸徑大于300mm的低速柴油機，曲軸箱應安裝油霧探測裝置，當探測到油霧濃度高時發出報警并降低轉速。對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，曲軸箱應安裝油霧探測裝置，當探測到油霧濃度高時發出報警并自動停車。

2 油霧探測系統發展現狀

1960年，由英國首先研制出應用于船舶柴油機的曲軸箱油霧濃度探測器，命名為GRAVlNER MARK系列。這種探測器在很長一段時間內得到廣泛應用。GRAVINER型的早期探測器率先采用檢測油霧對光的阻光度的方法來檢驗油霧濃度的大小。這一方法簡單可靠，一直沿用至今，被許多柴油機廠家采用。但是隨著柴油機技術的發展和船舶整體性能的提高，對柴油機曲軸箱油霧濃度探測器的準確性和響應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發生嚴重事故。早期的油霧濃度探測器已難以滿足這一要求，各廠家都就此要求作了改進，但其基本原理仍沒有改變。主要有德國SCHALLER-AUTOMATION公司的SCHALLER VN115/116/215，英國GRAVlNER公司的MARK5，MARK6，日本 DAIHATSU公司的MD系列MD-9M/14M/SX等。

3 油霧探測器的檢測原理

工程上實用的油霧濃度探測方法主要有兩種：一種是利用光散射原理進行工作；另一種是利用光透射原理進行工作，現在使用的油霧探測器基本上都是運用光透射原理進行探測。

3.1 散射原理

當光線通過不均勻的介質時，將偏離其原來的傳播方向，散開到空間4π立體角，發生散射現象。將光探測器布置于油霧氣室空間中某一角度，其光信號大小與光探測器安裝位置及氣體濃度有關，通過探測出光電信號大小即可反演出油霧氣體濃度。

美國QMI公司的產品就是采用了側向散射法，這種方法所采用的光路系統包括一個光源、兩個探測器。其中一個探測器放在與LED軸線成0度位置，作為補償探測器。另一個探測器放在與LED軸線成90度位置處。如圖2所示，從LED光源發射出的光線，在碰到油霧顆粒時發生散射，光電池接受器接收經90度返回的散射光，將光信號轉換成電信號，從而把油霧的濃度轉換成電流的高低。當沒有油霧時，光電池電流為0，當產生油霧時，電流隨油霧濃度的增加而增加。

圖2 側向散射法原理圖

3.2 透射原理

透射法的原理與散射法正好相反，其測量原理是用一定波長的光束穿過采樣氣體，利用不同濃度的氣體對光的吸收程度不同，測量光的透過率，透過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等都是運用了光透射法的原理來進行油霧濃度的檢測，如圖3所示。檢測管的一端裝有穩壓電源供電的紅外發光管，光束穿過待檢測的氣體導致有光電池的另一端，光電池檢測到的光強度信號強弱就反映了油霧濃度的大小，油霧濃度越高，接受到的光強信號越弱。

圖3 透射法原理圖

4 油霧探測系統的組成與運行

油霧探測系統分兩種：一種是由油霧探測器及遠程顯示器組成；另一種是由探測器、終端接線盒以及控制器組成。

4.1 油霧探測器及遠程顯示組成的油霧探測系統系統

此系統是由油霧探測器及遠程顯示器組成，油霧探測器直接安裝于柴油機上，集采樣、分析、報警、顯示于一體 。遠程顯示器一般安裝在機艙集控室，與探測器之間由通訊電纜連接。如圖4所示的SCHALLER VN215型油霧探測器，它主要由抽氣系統、測量系統、顯示報警系統組成，GRAVlNER MARK5，DAIHATSU MD-9M/14M都采用了這樣的探測系統。

圖4 SCHALLER VN215型油霧探測系統

4.1.1 抽氣系統

對于各個曲軸箱隔開的柴油機，每個曲軸箱上都必須設置采樣點，該點一般選擇在曲軸箱稍高的位置，因為油霧是上升的。

對于油霧的采集，它需要由抽吸設備油霧抽吸管路把油霧輸送到探測器，所以抽氣管路應滿足 IACS UR M67的要求：

1）對于用管路把油霧抽進探測器時，應根據制造商推薦的最長、最短管路，確定采樣油霧離開曲軸箱到報警動作之間的時間延遲。而為了解決由于管路長短影響報警延遲的問題，此類油霧探測器一般會采用一個抽氣系統，如直流風機或空氣射流泵，這樣就能把曲軸箱中的油霧盡快地抽進測量室。另外，盡量將油霧探測器安裝在柴油機中心，避免管道過長。根據要求，合格的安裝圖紙必須由制造商以及船級社共同審核批準。

2）對于在曲軸箱中可能暴露于柴油機潤滑飛濺的探測裝置，應保證滑油持續飛濺和噴射的工況下，探測裝置的吸口不會被遮蔽或堵塞，一般會采用罩杯取樣漏斗，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）在柴油機執行正常操作模式過程中，油霧探測器抽出因竄漏或者機械飛濺而進入抽吸系統的少量油滴，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，如沒有安裝泄放閥，管道安裝必須有一定的傾角角度，探測單元的位置必須位于抽氣點上方，這樣在管路中形成的油滴就不會影響到探測單元。

4.1.2 測量系統

油霧濃度的測量方法就是第4節所述的光透射法，測量元件主要包括紅外發射管、光電池和測量通道等。發射管和光電池對稱安裝在測量通道的兩側，光電池接收由發射管發出的光強不變的紅外光。當有油霧通過測量通道后，接收管接收到的光強發生變化，油霧濃度越大，消光度越大，接收到的光強越小，光電池輸出的電流越弱，而油霧濃度與消光度有一定的對應關系，由此來檢測油霧濃度。

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

4.1.3 顯示報警系統

IACS UR M67規定油霧濃度報警設定在最大濃度水平不超過5%LEL(爆炸下限)或者約2.5mg/L時發出報警。

在探測器上有一個油霧濃度顯示器，當油霧濃度達到預報警值時，系統開始預報警并開始自檢，通過排除法檢測出濃度異常的曲軸箱并顯示曲軸箱編號及油霧濃度，當濃度持續上升并達到主報警值時，對柴油機產生動作使之降速或停機。

4.1.4 遠程顯示器

油霧探測器可與監控設備—遠程顯示器或者遠程操作裝置連接，在安全的位置監控油霧濃度及油霧探測器的工作狀態，以符合IACS UR M10規范的要求，探測器與監控設備通過通訊總線連接。

4.2 油霧探頭、終端接線盒以及控制器組成的油霧探測系統

此系統由油霧探頭、終端接線盒以及和控制器組成，油霧探頭裝在曲軸箱壁上，通過對各曲軸箱油霧濃度進行檢測，由光信號轉化成電信號，電信號經放大器，A/D轉換器傳送給控制器，控制器一般安裝在控制室中。控制器接受探頭傳輸的信號經過CPU的運算將實測的油霧濃度與設定的報警值進行比較，判斷是否報警，并顯示各個探頭所在曲軸箱的油霧濃度，同時把報警信號傳輸給探頭。

一臺控制器可同時與多個探頭進行信號傳輸，提高了系統配置的靈活性，由此可監測多臺柴油機的曲軸箱油霧濃度，使適用環境以及探測器的分布得到很大提高；同時省去了一些繁瑣的管路以及機械結構，使測量的及時性以及準確性得到了較大提高；控制器安裝在機艙集控室，方便了船員的日常監測。GRAVlNER MARK6，DAIHATSU MD-SX都運用了這樣的探測系統。

圖5 GRAVlNER MARK6油霧探測系統

4.2.1 油霧探頭

油霧探頭是對柴油機曲軸箱油霧濃度進行檢測的裝置，對于每個曲軸箱都安裝一個探頭，每個探測器可串聯也可并聯在一起，再通過接線箱與控制器相連接。這種探頭集成了抽吸系統及檢測系統，由自己的微芯片控制形成一個微型系統，其通過對油霧進行檢測并傳輸給控制器相應的數字信號，它主要是對油霧濃度進行采樣，測量并傳輸數字信號，數據分析都在控制器中進行。

圖6 GRAVlNER MARKK6 油霧探頭

探頭上能顯示報警信號以及故障信號，一般通過指示燈來識別，指示燈通常分別為電源燈、報警燈、故障燈。探頭由控制器提供直流24V電源，當供電正常時電源指示燈亮。報警燈顯示預報警和報警狀態，探測器接受到控制器的預報警信號時時報警燈閃爍，主報警時報警燈常亮。探測器具有自檢功能，當紅外光發射單元或接受單元故障、控制器CPU故障、線路故障等產生時，故障燈亮。

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

4.2.2 油霧控制器

按照IACS UR M10的相關規定，油霧探測和警報信息，應能夠從遠離柴油機的安全位置讀取。通過油霧探測控制器，就能在機艙集控室進行油霧濃度和報警信息的讀取，一方面使控制器遠離了機艙內惡劣的工作環境，提高了使用壽命；另一方面也使讀取更加方便簡潔。所以現在大型柴油機的油霧探測系統都采用控制器和探測器相結合的方式來進行探測。

控制器以單片機為監視報警的核心部件，具有采樣準確、執行速度快以及自檢功能強大等優點。它利用通信電纜通過接線箱與探頭相連接，一個控制器可對多個探頭進行顯示報警輸出。在連接過程中電纜長度應滿足要求，不得超過制造商所規定的長度。控制器通過總線控制，作為從機的探測器需要設定自身的通訊地址，這樣控制器才能通過地址分別判斷油霧濃度異常的位置。

控制器通過初始化設定，首先設定探測器的個數以及各個通訊地址，然后設定報警值(預報警/主報警)以及靈敏度。再通過探測器傳輸的數字信號，通過CPU對數字信號進行處理，判斷是否報警以及報警點位置。

控制器能時時顯示各個曲軸箱油霧濃度，當有檢測到油霧濃度達到報警值時，或者當某個探測器的探測值與各個探測器的平均值相差超過一定值時，報警燈都會亮起，同時能顯示探測器編號。報警分為預報警和主報警，首先當濃度達到預報警時，預報警燈亮，當油霧濃度下降到預報警點以下時，報警停止，報警燈自動熄滅；當濃度持續上升到主報警點時，主報警燈亮，此時控制柴油機停車或降速，主報警燈不能被消警只能被復位。當油霧濃度報警時，控制器將報警信號傳輸給探頭，探頭上的報警燈也同時點亮。

為了滿足IACS UR M10的相關要求，控制器也必須有自檢功能，當CPU故障，通信故障，探測器的光路故障，電源故障，以及電纜接頭故障時，控制器輸出報警。控制器同時應能在柴油機停車和正常工作情況下，按接收的試驗程序進行模擬功能試驗。

5 結論

油霧探測系統是防止曲軸箱爆炸的非常有效的方法，現已得到廣泛運用，對船舶航行安全起到了重要作用，其安裝和運行要求應嚴格滿足IACS的相關規定，對于船級社，審圖驗船師與現場驗船師對此系統應進行仔細的審查與試驗。

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

[2]David M.Stedham.柴油機曲軸箱油霧檢測的開發[J].國外內燃機車,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，從事船舶檢驗工作。