柴油机曲轴箱油雾探测系统分析

郭 旦，张 权，孙晓蔚

（1.中国船级社江阴办事处，江苏 无锡 214431；2.中国船舶重工集团公司第704研究所，上海 200031）

柴油机曲轴箱油雾探测系统分析

郭 旦1，张 权2，孙晓蔚2

（1.中国船级社江阴办事处，江苏 无锡 214431；2.中国船舶重工集团公司第704研究所，上海 200031）

曲轴箱油雾探测系统广泛利用了光透射原理，主要包括探测器、控制器，该系统能实时反映柴油机曲轴箱油雾浓度的变化，在必要时能及时发出报警信号，从而避免曲轴箱油雾浓度过高而产生爆炸事故。

油雾探测系统；曲轴箱

0 引言

柴油机在工作中，由于曲轴箱内油雾浓度过高导致柴油机曲轴箱爆炸，不仅会造成严重的经济后果，而且会造成人身伤害。监控曲轴箱内油雾状态的方法有许多种，包括传感过热零件的温度、检测润滑油温度及监控回流的润滑油内金属碎末。在运动零件上装检测器存在许多困难，在曲轴箱内的主轴承和气缸套上装传感器很普遍，而监控润滑油温度和润滑油中金属碎末的缺点是在异状影响被检测到之前有一段滞后期。相对较好的方法是油雾探测法，即采用油雾探测装置来检测柴油机曲轴箱内的油雾浓度，防止因主轴承过热、润滑系统问题或其他运行故障等原因造成曲轴箱内润滑油过度蒸发导致油雾浓度过高的不安全隐患[1]。

1 曲轴箱爆炸的形成

曲轴箱爆炸前提是曲轴箱内形成很密集的油雾，在此之前主要经历了如图1所示的各阶段[2]。

图1 爆炸产生阶段

由于部件发生故障，它将会进一步造成间接破坏，例如轴承出现过热、其他部件承受不平衡负荷等，最终结果是温度过高，使附近的润滑油气化。

这些气化的油在曲轴箱内冷凝而形成油雾，当油雾的浓度达到某一范围时，它就成为可燃的混合气，并会在高温热源的引燃下着火。如果着火前已有大量油雾存在，则一经着火就会使曲轴箱有限空间内的温度和压力急剧升高，并产生强烈的冲击波，造成具有破坏性的曲轴箱爆炸。所以曲轴箱内油雾浓度达到可爆炸的混合比是曲轴箱爆炸的基本条件。高温热源是曲轴箱爆炸的决定因素。船舶曲轴箱爆炸事故发生的概率较小，而一旦发生后果却又非常严重。

为了预防曲轴箱爆炸的产生，IACS UR M10中对柴油机曲轴箱油雾浓度的检测和报警有明确要求。规定对于功率大于或者等于2250kW的或者缸径大于300mm的低速柴油机，曲轴箱应安装油雾探测装置，当探测到油雾浓度高时发出报警并降低转速。对于功率大于或者等于2250kW的或者缸径大于300的中高速柴油机，曲轴箱应安装油雾探测装置，当探测到油雾浓度高时发出报警并自动停车。

2 油雾探测系统发展现状

1960年，由英国首先研制出应用于船舶柴油机的曲轴箱油雾浓度探测器，命名为GRAVlNER MARK系列。这种探测器在很长一段时间内得到广泛应用。GRAVINER型的早期探测器率先采用检测油雾对光的阻光度的方法来检验油雾浓度的大小。这一方法简单可靠，一直沿用至今，被许多柴油机厂家采用。但是随着柴油机技术的发展和船舶整体性能的提高，对柴油机曲轴箱油雾浓度探测器的准确性和响应速度提出了更高要求，以满足防爆的目的以及尽量避免柴油机发生严重事故。早期的油雾浓度探测器已难以满足这一要求，各厂家都就此要求作了改进，但其基本原理仍没有改变。主要有德国SCHALLER-AUTOMATION公司的SCHALLER VN115/116/215，英国GRAVlNER公司的MARK5，MARK6，日本 DAIHATSU公司的MD系列MD-9M/14M/SX等。

3 油雾探测器的检测原理

工程上实用的油雾浓度探测方法主要有两种：一种是利用光散射原理进行工作；另一种是利用光透射原理进行工作，现在使用的油雾探测器基本上都是运用光透射原理进行探测。

3.1 散射原理

当光线通过不均匀的介质时，将偏离其原来的传播方向，散开到空间4π立体角，发生散射现象。将光探测器布置于油雾气室空间中某一角度，其光信号大小与光探测器安装位置及气体浓度有关，通过探测出光电信号大小即可反演出油雾气体浓度。

美国QMI公司的产品就是采用了侧向散射法，这种方法所采用的光路系统包括一个光源、两个探测器。其中一个探测器放在与LED轴线成0度位置，作为补偿探测器。另一个探测器放在与LED轴线成90度位置处。如图2所示，从LED光源发射出的光线，在碰到油雾颗粒时发生散射，光电池接受器接收经90度返回的散射光，将光信号转换成电信号，从而把油雾的浓度转换成电流的高低。当没有油雾时，光电池电流为0，当产生油雾时，电流随油雾浓度的增加而增加。

图2 侧向散射法原理图

3.2 透射原理

透射法的原理与散射法正好相反，其测量原理是用一定波长的光束穿过采样气体，利用不同浓度的气体对光的吸收程度不同，测量光的透过率，透过率与浓度之间符合朗帕—比尔定律。SCHALLER VN115/116/215，GRAVlNER MARK4/5，DAIHATSU MD-9M/14M/SX等都是运用了光透射法的原理来进行油雾浓度的检测，如图3所示。检测管的一端装有稳压电源供电的红外发光管，光束穿过待检测的气体导致有光电池的另一端，光电池检测到的光强度信号强弱就反映了油雾浓度的大小，油雾浓度越高，接受到的光强信号越弱。

图3 透射法原理图

4 油雾探测系统的组成与运行

油雾探测系统分两种：一种是由油雾探测器及远程显示器组成；另一种是由探测器、终端接线盒以及控制器组成。

4.1 油雾探测器及远程显示组成的油雾探测系统系统

此系统是由油雾探测器及远程显示器组成，油雾探测器直接安装于柴油机上，集采样、分析、报警、显示于一体 。远程显示器一般安装在机舱集控室，与探测器之间由通讯电缆连接。如图4所示的SCHALLER VN215型油雾探测器，它主要由抽气系统、测量系统、显示报警系统组成，GRAVlNER MARK5，DAIHATSU MD-9M/14M都采用了这样的探测系统。

图4 SCHALLER VN215型油雾探测系统

4.1.1 抽气系统

对于各个曲轴箱隔开的柴油机，每个曲轴箱上都必须设置采样点，该点一般选择在曲轴箱稍高的位置，因为油雾是上升的。

对于油雾的采集，它需要由抽吸设备油雾抽吸管路把油雾输送到探测器，所以抽气管路应满足 IACS UR M67的要求：

1）对于用管路把油雾抽进探测器时，应根据制造商推荐的最长、最短管路，确定采样油雾离开曲轴箱到报警动作之间的时间延迟。而为了解决由于管路长短影响报警延迟的问题，此类油雾探测器一般会采用一个抽气系统，如直流风机或空气射流泵，这样就能把曲轴箱中的油雾尽快地抽进测量室。另外，尽量将油雾探测器安装在柴油机中心，避免管道过长。根据要求，合格的安装图纸必须由制造商以及船级社共同审核批准。

2）对于在曲轴箱中可能暴露于柴油机润滑飞溅的探测装置，应保证滑油持续飞溅和喷射的工况下，探测装置的吸口不会被遮蔽或堵塞，一般会采用罩杯取样漏斗，取样漏斗一般安装在能避免飞溅的轴承油或者活塞冷却回油的地方。

3）在柴油机执行正常操作模式过程中，油雾探测器抽出因窜漏或者机械飞溅而进入抽吸系统的少量油滴，这些油滞留在抽气管道中，必须想办法回流到曲轴箱中。所以在抽气管路上可采用管式泄放阀，如没有安装泄放阀，管道安装必须有一定的倾角角度，探测单元的位置必须位于抽气点上方，这样在管路中形成的油滴就不会影响到探测单元。

4.1.2 测量系统

油雾浓度的测量方法就是第4节所述的光透射法，测量元件主要包括红外发射管、光电池和测量通道等。发射管和光电池对称安装在测量通道的两侧，光电池接收由发射管发出的光强不变的红外光。当有油雾通过测量通道后，接收管接收到的光强发生变化，油雾浓度越大，消光度越大，接收到的光强越小，光电池输出的电流越弱，而油雾浓度与消光度有一定的对应关系，由此来检测油雾浓度。

为了保持测量通道的不被污染，一般在红外探头外侧由两路新鲜空气进行扫气清洁，一则对红外探头进行冲洗。另外还可阻止油雾逼近探头，以及冷却测量室和红外探头，防止误报警。

4.1.3 显示报警系统

IACS UR M67规定油雾浓度报警设定在最大浓度水平不超过5%LEL(爆炸下限)或者约2.5mg/L时发出报警。

在探测器上有一个油雾浓度显示器，当油雾浓度达到预报警值时，系统开始预报警并开始自检，通过排除法检测出浓度异常的曲轴箱并显示曲轴箱编号及油雾浓度，当浓度持续上升并达到主报警值时，对柴油机产生动作使之降速或停机。

4.1.4 远程显示器

油雾探测器可与监控设备—远程显示器或者远程操作装置连接，在安全的位置监控油雾浓度及油雾探测器的工作状态，以符合IACS UR M10规范的要求，探测器与监控设备通过通讯总线连接。

4.2 油雾探头、终端接线盒以及控制器组成的油雾探测系统

此系统由油雾探头、终端接线盒以及和控制器组成，油雾探头装在曲轴箱壁上，通过对各曲轴箱油雾浓度进行检测，由光信号转化成电信号，电信号经放大器，A/D转换器传送给控制器，控制器一般安装在控制室中。控制器接受探头传输的信号经过CPU的运算将实测的油雾浓度与设定的报警值进行比较，判断是否报警，并显示各个探头所在曲轴箱的油雾浓度，同时把报警信号传输给探头。

一台控制器可同时与多个探头进行信号传输，提高了系统配置的灵活性，由此可监测多台柴油机的曲轴箱油雾浓度，使适用环境以及探测器的分布得到很大提高；同时省去了一些繁琐的管路以及机械结构，使测量的及时性以及准确性得到了较大提高；控制器安装在机舱集控室，方便了船员的日常监测。GRAVlNER MARK6，DAIHATSU MD-SX都运用了这样的探测系统。

图5 GRAVlNER MARK6油雾探测系统

4.2.1 油雾探头

油雾探头是对柴油机曲轴箱油雾浓度进行检测的装置，对于每个曲轴箱都安装一个探头，每个探测器可串联也可并联在一起，再通过接线箱与控制器相连接。这种探头集成了抽吸系统及检测系统，由自己的微芯片控制形成一个微型系统，其通过对油雾进行检测并传输给控制器相应的数字信号，它主要是对油雾浓度进行采样，测量并传输数字信号，数据分析都在控制器中进行。

图6 GRAVlNER MARKK6 油雾探头

探头上能显示报警信号以及故障信号，一般通过指示灯来识别，指示灯通常分别为电源灯、报警灯、故障灯。探头由控制器提供直流24V电源，当供电正常时电源指示灯亮。报警灯显示预报警和报警状态，探测器接受到控制器的预报警信号时时报警灯闪烁，主报警时报警灯常亮。探测器具有自检功能，当红外光发射单元或接受单元故障、控制器CPU故障、线路故障等产生时，故障灯亮。

探测器的安装位置应满足IACS UR M10的要求，尽量避免装在滑油飞溅或者易产生水汽的位置。

4.2.2 油雾控制器

按照IACS UR M10的相关规定，油雾探测和警报信息，应能够从远离柴油机的安全位置读取。通过油雾探测控制器，就能在机舱集控室进行油雾浓度和报警信息的读取，一方面使控制器远离了机舱内恶劣的工作环境，提高了使用寿命；另一方面也使读取更加方便简洁。所以现在大型柴油机的油雾探测系统都采用控制器和探测器相结合的方式来进行探测。

控制器以单片机为监视报警的核心部件，具有采样准确、执行速度快以及自检功能强大等优点。它利用通信电缆通过接线箱与探头相连接，一个控制器可对多个探头进行显示报警输出。在连接过程中电缆长度应满足要求，不得超过制造商所规定的长度。控制器通过总线控制，作为从机的探测器需要设定自身的通讯地址，这样控制器才能通过地址分别判断油雾浓度异常的位置。

控制器通过初始化设定，首先设定探测器的个数以及各个通讯地址，然后设定报警值(预报警/主报警)以及灵敏度。再通过探测器传输的数字信号，通过CPU对数字信号进行处理，判断是否报警以及报警点位置。

控制器能时时显示各个曲轴箱油雾浓度，当有检测到油雾浓度达到报警值时，或者当某个探测器的探测值与各个探测器的平均值相差超过一定值时，报警灯都会亮起，同时能显示探测器编号。报警分为预报警和主报警，首先当浓度达到预报警时，预报警灯亮，当油雾浓度下降到预报警点以下时，报警停止，报警灯自动熄灭；当浓度持续上升到主报警点时，主报警灯亮，此时控制柴油机停车或降速，主报警灯不能被消警只能被复位。当油雾浓度报警时，控制器将报警信号传输给探头，探头上的报警灯也同时点亮。

为了满足IACS UR M10的相关要求，控制器也必须有自检功能，当CPU故障，通信故障，探测器的光路故障，电源故障，以及电缆接头故障时，控制器输出报警。控制器同时应能在柴油机停车和正常工作情况下，按接收的试验程序进行模拟功能试验。

5 结论

油雾探测系统是防止曲轴箱爆炸的非常有效的方法，现已得到广泛运用，对船舶航行安全起到了重要作用，其安装和运行要求应严格满足IACS的相关规定，对于船级社，审图验船师与现场验船师对此系统应进行仔细的审查与试验。

[1]王海江,张荣山,刘骅.柴油机曲轴箱油雾探测装置研制[J].柴油机,2009,31(1):33-36.

[2]David M.Stedham.柴油机曲轴箱油雾检测的开发[J].国外内燃机车,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，工程师，从事船舶检验工作。