冷水紅，陳建春，林遠(yuǎn)鵬

（南車玉柴四川發(fā)動機股份有限公司，資陽641301）

燃?xì)獍l(fā)動機甲烷濃度探測裝置的改進設(shè)計

冷水紅，陳建春，林遠(yuǎn)鵬

（南車玉柴四川發(fā)動機股份有限公司，資陽641301）

針對燃?xì)獍l(fā)動機原有的曲軸箱內(nèi)甲烷濃度探測裝置存在不能連續(xù)正常使用的問題，提出3種解決方案。通過試驗分析對比，選擇能主動處理油霧影響的方案3，并對方案3的結(jié)構(gòu)設(shè)計作了詳細(xì)的介紹，最后通過試驗證明設(shè)計合理，達到了設(shè)計目標(biāo)。

雙燃料發(fā)動機甲烷濃度探測油霧分離節(jié)能環(huán)保

1 引言

隨著內(nèi)燃機排放法規(guī)的日益嚴(yán)格和石油資源危機日益加劇，以及天然氣相對柴油具有經(jīng)濟性、低排放的優(yōu)勢，促使柴油-氣體燃料雙燃料發(fā)動機應(yīng)用越來越廣泛。

正常工作情況下，無論是柴油機還是雙燃料發(fā)動機，都會有一小部分未燃燒的燃料和廢氣通過活塞環(huán)進入曲軸箱，通常稱為“串氣”。在最佳狀態(tài)下，漏氣量不超過全部氣缸排氣量的0.2%。而對于燃?xì)獍l(fā)動機來說，串氣情況相對來說更為嚴(yán)重，并且由于這部分氣體成分中可燃?xì)怏w的含量很高，達到一定濃度容易發(fā)生爆炸，探測可燃?xì)怏w濃度并及時報警是燃?xì)忸惏l(fā)動機必須具備的要求［1］。

2 甲烷氣體探測器的使用現(xiàn)狀

我公司在原有280柴油機基礎(chǔ)上自主研發(fā)了應(yīng)用于內(nèi)燃機車的雙燃料發(fā)動機——16缸V型、四沖程、中冷增壓，柴油直噴、燃?xì)膺M氣支管多點噴射，雙燃料電控、電子調(diào)速，標(biāo)定功率為3 860 kW。此款發(fā)動機設(shè)計先進，甲烷濃度探測器便是其中一項。

在燃?xì)獍l(fā)動機中，探測曲軸箱內(nèi)可燃?xì)怏w（主要成分是甲烷）的濃度，通常的設(shè)計是將探測器的探頭置于曲軸箱內(nèi)，將報警信號接入控制器。這種設(shè)計常出現(xiàn)的問題是發(fā)動機在臺架試驗開始2～3 h后，甲烷濃度的顯示變?yōu)椤?”并保持不變，即探測器失效。取出探測器，可以看到探頭上沾滿油污，探頭經(jīng)過清洗又能正常工作幾小時。從多方面分析其原因，發(fā)現(xiàn)曲軸箱內(nèi)的油霧覆蓋在探測器上，影響了探測器的靈敏度，直至失效。

讓甲烷探測器能夠長期、可靠地正常工作，是這次改進設(shè)計要達到的目標(biāo)。

3 設(shè)計方案選擇

方案1：從安裝位置上考慮，將甲烷探測器探頭安裝在發(fā)動機呼吸口外自帶的油霧分離器（采用多孔板阻隔冷凝油霧）出口，這樣通過探頭的氣體要相對干凈，有利于探測器可靠地工作。

方案2：從甲烷探測器上入手，增加清潔裝置，定時自動用壓縮空氣吹洗探頭，增加探頭連續(xù)工作時間。

針對方案1，在試驗現(xiàn)場做了試驗，將探頭簡單組裝后置于呼吸口外，3 h后查看探頭被油霧污染情況，發(fā)現(xiàn)探頭被油霧污染情況比之前有所好轉(zhuǎn)，但并不可靠。

對于方案2，油霧探測器制造廠商按照我方要求提供了清洗裝置的設(shè)計簡圖，見圖1。按照這個設(shè)計，通過控制器可以設(shè)置清洗頻率和時間，能自動在探測之余對探頭進行清潔，這個設(shè)計方案能夠滿足要求。但相對于甲烷濃度探測器本身，其輔助設(shè)備和管路過于繁瑣，不便于拆裝和維修，否定了方案2。

圖1 自動清洗甲烷濃度探測器

通過綜合考慮，在方案1的基礎(chǔ)上提出方案3。在原來呼吸口處的油霧分離器的基礎(chǔ)上，設(shè)置主動抽氣的油氣分離器，再將分離后的氣體接入甲烷氣體探測器，徹底去除油霧對于甲烷探頭的影響。這樣一來，該裝置不僅能保證甲烷濃度探測器能長期有效工作，而且還能回收機油，降低機油消耗，增加發(fā)動機在節(jié)能環(huán)保上的優(yōu)勢。

4 工作原理及設(shè)計要求

新設(shè)計的甲烷探測裝置通過抽取曲軸箱的氣體進入到油氣分離器中，并利用機油壓力驅(qū)動分離器葉輪高速運轉(zhuǎn)，分離器的葉輪帶動氣體旋轉(zhuǎn)，將質(zhì)量較重的油霧甩到分離器壁面上，由回油管通過機體側(cè)蓋框回流至油底殼中，從而起到分離油霧的作用。從分離器中分離的干凈空氣則從一側(cè)排出進入甲烷探測腔，將甲烷探測器探頭置于探測腔內(nèi)，經(jīng)過探頭的空氣從探測腔另一側(cè)排入機車的煙囪管。探測器的傳感器輸出的報警信號則接入控制器中，從發(fā)動機的控制面板和機車的控制面板都能看到報警信息。

通過梳理各項參數(shù)，得出該裝置的設(shè)計要求如下：

（1）油氣分離器采用機油驅(qū)動，油壓在0.3～0.7 MPa之間；

（2）考慮到所設(shè)計的裝置對整個機油系統(tǒng)油壓的影響，允許對裝置進行調(diào)整和開閉；

（3）要滿足發(fā)動機的寬度尺寸要求，安裝時發(fā)動機和機車零部件之間不發(fā)生干涉。

甲烷濃度探測裝置的三維結(jié)構(gòu)示意圖見圖2，其在機油系統(tǒng)中的分油節(jié)點布置示意圖見圖3。

圖2 新甲烷濃度探測裝置示意圖

圖3 機油系統(tǒng)的分油節(jié)點示意圖

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1 供油管路設(shè)計［2］

（1）分油節(jié)點選擇

根據(jù)油氣分離器的要求，工作油壓必須介于0.3～0.7 MPa之間。在機油系統(tǒng)管路中，機油泵出口油壓約為0.8 MPa，機體頂部分油器處的機油壓力在0.5 MPa左右，符合要求。分油器本身的功能是將機油分配到各氣缸和增壓器，增壓器的工作油壓要求大于0.25M Pa。當(dāng)分油器將機油分給油氣分離裝置后，將會對進入增壓器的油壓產(chǎn)生影響。為了便于調(diào)整測試，在供油管路上設(shè)置截止閥，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 供油管路

（2）供油管路管徑設(shè)計

根據(jù)油氣分離器廠家提供的數(shù)據(jù)，機油流量為50 L/s的使用要求，而我公司的機油系統(tǒng)管路內(nèi)的機油流速約為4 m/s，則管路直徑計算如下

因此，選用機油管徑為13 mm。

5.2 氣體探測腔設(shè)計

市場上商品化的甲烷氣體探測器一般不帶探測腔，直接置于空氣中。為了環(huán)保和安全起見，這里需設(shè)計一個密封用的探測腔。探測腔的設(shè)計需要與甲烷探頭相配合，設(shè)計時采用O型密封圈密封的密封腔結(jié)構(gòu)，用緊固螺釘固定探頭和密封腔，對密封圈進行預(yù)壓縮率計算，確定溝槽的頂部直徑。如圖5所示。

圖5 氣體探測腔

5.3 回油管設(shè)計優(yōu)化

最初的設(shè)計是直接在機體側(cè)蓋框安裝一個管接頭，一端接回油軟管，但由于機車對于發(fā)動機寬度有要求。回油管從機體側(cè)蓋框回油時，油管高出機體側(cè)面最多允許100 mm，同時側(cè)蓋框是鑄鋁件，直接用接頭，密封性無法得到保證（側(cè)蓋框壁厚為7 mm，螺紋密封不可靠）。為了在密封以及尺寸上滿足要求，做了以下優(yōu)化設(shè)計，如圖6所示。

圖6 彎管接頭

這樣設(shè)計的優(yōu)點在于側(cè)蓋框回油孔通過擰緊兩側(cè)螺母來密封，避免焊接；另外，孔口加長可以使機油直接流到曲軸腔，而不是機體的側(cè)窗內(nèi)壁，保證側(cè)蓋框和機體端面不會漏油；其次，彎管的設(shè)計則能保證回油管不會超出設(shè)計要求的寬度。

改進設(shè)計的探測裝置隨車經(jīng)過了磨合試驗和性能試驗，因為解決了導(dǎo)致該裝置失靈的根本問題，這次比以前的裝置使用時間大大延長。試驗中針對可能對增壓器機油進口壓力造成影響的問題，設(shè)計了試驗步驟：逐步開大裝置閥門，并監(jiān)控兩處增壓器入口油壓的變化，結(jié)果是閥門的開閉對增壓器油壓沒有產(chǎn)生明顯影響。這個改進設(shè)計能否長期永久使用還將通過用戶使用效果來確定。

6 結(jié)束語

試驗后，通過拆解裝置的管路，在油氣分離器的進氣管內(nèi)殘留少量機油，而可燃?xì)怏w探測器和排氣管內(nèi)很干凈，說明油氣分離確實起到了作用，密封部分效果也良好，所以這次的設(shè)計是成功的，為了使結(jié)構(gòu)更緊湊美觀，軟管更改為無縫鋼管與管接頭的連接方式，在機車上使用更穩(wěn)定，壽命更長。

［1］楊連生.內(nèi)燃機學(xué)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

［2］聞邦椿.機械設(shè)計手冊（第5版第3卷）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

The Improved Design of Methane Concentration Detection Installed of Gas Engine

Leng Shuihong，Chen Jianchun，Lin Yuanpeng
（YCSR Sichuan Engine Co.，Ltd.，Ziyang 641301，China）

To the question that exisiting methane concentration detection installed in crankcase of gas engine unable continue work，put forward three solution plan，through test analysis and comparison，choose the third plan which dispose oil mist initiatively，and then introduce the third plan particularly，at evidenced the design is reasonable and succeed.

dual-fuel engine，methane concentration detection，oil mist，green energy

10.3969/j.issn.1671-0614.2015.04.006

來稿日期：2015-06-23

冷水紅（1982-），女，工程師，主要研究方向為柴油機結(jié)構(gòu)設(shè)計。