彭　陳，沙彬峰

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京，211170）

船舶柴油機曲軸箱油霧濃度報警裝置研究

彭陳，沙彬峰

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京，211170）

船舶曲軸箱油霧濃度報警裝置對確保機艙的安全意義重大，本文介紹油霧濃度報警裝置的發(fā)展現(xiàn)狀、油霧濃度監(jiān)測的原理、油霧探測裝置的組成與運行、產(chǎn)品研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)，船級社規(guī)范要求以及油霧濃度的測量方法，避免曲軸箱發(fā)生爆炸事故。

曲軸箱；油霧濃度；報警裝置

引言

船舶柴油機是船舶的心臟，柴油機的安全性成為衡量船舶安全性的重要指標(biāo)。船舶柴油機運轉(zhuǎn)時，曲軸箱潤滑油會因溫度升高而揮發(fā)出油氣，油氣與冷的空氣混合會形成大量的油霧，當(dāng)曲軸箱的油霧濃度達到50mg/L時，就有發(fā)生爆炸的危險，必須實時監(jiān)測曲軸箱的油霧濃度，保證船舶以及人員的安全。

油霧濃度報警裝置在研制過程中，關(guān)鍵技術(shù)是解決用光投射法原理分析測定油霧渾濁度，分析油霧濃度與消光度的關(guān)系、消光度隨著油霧濃度增大而升高以及油霧信號的采集、處理、報警控制技術(shù)等。同時船級社對柴油機曲軸箱油霧濃度報警裝置也有明確的規(guī)范要求，例如油霧的濃度、報警預(yù)先設(shè)定值等關(guān)鍵點，這些都是新產(chǎn)品研制過程中必須考慮的因素。

1　油霧探測系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

油霧濃度報警裝置是一種集光學(xué)、半導(dǎo)體學(xué)、電子學(xué)等多學(xué)科系統(tǒng)，國外技術(shù)比較成熟，國內(nèi)目前沒有自主研發(fā)產(chǎn)品，當(dāng)前市場使用最多的是GRAVINERMK-60ILMISTDETECTOR。1980年英國廠家開始生產(chǎn)油霧濃度探測裝置，裝置可以探測12個點，相應(yīng)時間短，不需要零值校準(zhǔn)，冷凝狀態(tài)下無需加熱裝置，不需要測量管道，此裝置當(dāng)時主要用于機械廠房空間油霧的測量。英國Kidde-Graviner Ltd公司生產(chǎn)的GRAVINER MARK（4、5、6）系列油霧濃度報警裝置被廣泛用于柴油機。MARK4是早期產(chǎn)品，MARK5減少了一些機械旋轉(zhuǎn)部件，同時控制部分采用單片機，通過繼電器控制電磁閥來檢測曲軸箱的濃度，由于具有樣品測量通道，此裝置有一定的延時性，檢測速度變慢。MARK6相比優(yōu)點更多，如管道更簡單，無采樣通道，掃描時間變短等。

日本大阪 Daihatsu Mfg公司生產(chǎn)的 MD-9，MD-9S，MD-9L，MD-9M，MD-14M系列產(chǎn)品，其油霧濃度檢測裝置通過旋轉(zhuǎn)閥控制，顯示通過發(fā)光二極管，此裝置沒有MARK系列應(yīng)用廣泛。德國SCHALLER AUTOMATION公司的VISARON系列油霧濃度檢測裝置采用無磨損抽氣系統(tǒng)，該裝置反應(yīng)靈敏，響應(yīng)時間短，可以連續(xù)監(jiān)測各缸的油霧濃度。但是此裝置也沒有MARK系列應(yīng)用廣泛。

2　油霧濃度檢測的原理

船舶曲軸箱油霧濃度的檢測方法主要有兩種，一種是接觸式，一種是非接觸式。

2.1接觸式測量：就是進行油霧采樣，然后根據(jù)質(zhì)量、體積、濃度的關(guān)系，計算出油霧的濃度。接觸式測量方式有物理測量方式與化學(xué)測量方式兩種。

物理測量方式是利用纖維膜對油霧進行過濾，過濾過程中纖維膜會吸收油霧，根據(jù)油霧通過纖維膜前后的重量差，可以計算得出油霧濃度。

化學(xué)測量方式是通過化學(xué)溶劑吸收油霧中的有機成分，然后根據(jù)油霧被吸收前后的重量差，可以計算得出油霧的濃度。接觸式測量的過程相對繁瑣、精度低、自動化程度不高、易受到干擾，此種測量方法一般不用。

2.2非接觸式測量：包括電容測量和阻光度測量。電容測量是油霧通過兩極板，兩極板之間的介電常數(shù)不同，反應(yīng)了油霧濃度的大小，可以得出不同的電容值，進而得出油霧濃度值。此種方法比較新，技術(shù)不是很成熟，成本較高，應(yīng)用不多。阻光度測量主要是利用不同氣體的透光率不同實現(xiàn)測量，主要包括光透射測量與光散射測量。

第一種光的透射測量。曲軸箱內(nèi)的油氣通過抽吸作用被吸入測量通道，隨后通過測量通道兩端的紅外線光電傳感器測量，并且轉(zhuǎn)換成電信號，各模塊的油霧濃度通過通訊方式依次傳送給主控制器，主控制器接收到信號后，可以判定各缸的油霧濃度，同時可以獲取所有缸的油霧濃度平均值。當(dāng)柴油機的某缸發(fā)生故障油霧濃度增大時，此缸的消光度增加，光電流減小，當(dāng)光電流減弱到設(shè)定值時，油霧濃度會增加到設(shè)定報警值，而此時油霧濃度報警裝置會報警，并顯示出故障和報警缸號。

油霧對不同波長的激光的衰減符合朗帕-比爾定律：

式中I0（λ）通過油霧前的光強，I（λ）-通過油霧后的光強，μe（λ）-消光系數(shù)，c-介質(zhì)平均密度，L-光程長度。

光在油霧中的透過率用η表示，

由于要有精密的光強測量裝置，此系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本較高，從上式直接測出油霧的透過率比較難。

所以可以根據(jù)油霧測量裝置輸入與輸出系統(tǒng)的電壓值即可以得出光在油霧中的透過率，然后再根據(jù)朗帕-比爾定律求出油霧濃度值，根據(jù)不同油霧濃度值設(shè)定報警值。

第二種光的散射測量。光線通過不均勻的介質(zhì)時，方向會產(chǎn)生改變，發(fā)生散射。光探測器放置于油氣空間，通過測量光信號的大小即可以測量出油氣的濃度，光信號的大小主要與油氣的濃度與探測器的空間放置位置有關(guān)。

非接觸式測量優(yōu)點比較明顯，可以實時監(jiān)測、自動化程度高、抗干擾能力強，得到了廣泛的應(yīng)用。

圖1　透射法原理

圖2　散射法原理

3　油霧探測裝置的組成與運行

油霧探測裝置由油霧探測器與遠程顯示器組成。油霧探測器安裝在柴油機上，包括抽氣系統(tǒng)、測量系統(tǒng)與報警系統(tǒng)，油霧探測器集采樣、分析、報警、顯示與一體。遠程顯示器安裝在機艙集控室，探測器與遠程顯示器之間通過電纜連接，目前GRAVINER MARK5，DAIHATSU MD-9M/14M都應(yīng)用此種探測系統(tǒng)。

3.1抽氣系統(tǒng)

曲軸箱上設(shè)置采樣點，采樣點設(shè)置于曲軸箱內(nèi)比較高的位置，因為油霧是上升的。通過抽吸管路把油霧輸送到探測器，所以抽氣管路必須滿足IACS的要求，盡量短，這樣可以減小從油霧被抽吸到報警的動作時間，所以探測器盡量安裝在柴油機的中心位置，同時采用抽吸系統(tǒng)，加快油霧的輸送速度。

柴油機飛濺潤滑可能會濺到探測裝置上，所以采取罩杯取樣漏斗防止探測裝置的吸口被堵住。油霧探測器的抽氣系統(tǒng)在抽吸過程中可能會吸入油滴，油滴滯留在管道中，所以必須讓油滴流回曲軸箱，在抽吸管道上安裝泄放閥，這樣可以避免油滴影響探測系統(tǒng)工作。

3.2測量系統(tǒng)

油霧濃度的測量方法上面已經(jīng)介紹，目前應(yīng)用最多的就是光的投射法，測量系統(tǒng)主要包括：紅外發(fā)射管、光電池和測量通道。紅外發(fā)射管和光電池安裝在測量通道的兩邊，光電池吸收由紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光。油霧通過測量通道時，接收管中的光強發(fā)生變化，油霧濃度越大，接收管中接收到的光強越小，所以根據(jù)光強和油霧濃度的關(guān)系可以得出油霧的濃度。

3.3報警系統(tǒng)

油霧濃度探測器上安裝有報警裝置，當(dāng)油霧的濃度超出設(shè)定值（IACS UR M67規(guī)定最大濃度低于5% LEL），報警裝置發(fā)生報警，同時開始檢測發(fā)生報警的曲軸箱號碼以及顯示油霧的濃度值。

3.4遠程顯示

為了方便監(jiān)測油霧的濃度以及探測器的工作狀態(tài)，可以通過通訊總線把遠程顯示裝置與探測器相連，以符合IACSURM1O規(guī)范要求。

4　結(jié)語

油霧濃度報警裝置能及時準(zhǔn)確反應(yīng)濃度的數(shù)值并及時報警，滿足了主機曲軸箱和船級社的要求，安裝油霧濃度報警裝置是防止曲軸箱爆炸的有效預(yù)防措施，在船舶上得到了廣泛的應(yīng)用。在油霧濃度報警裝置研制過程中，需考慮波長以及傳感器的選擇、油霧樣品的選取、誤差修正以及減少誤報警等，研制過程嚴格遵守船級社規(guī)范要求，確保曲軸箱油霧報警裝置對船舶機艙的安全。

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Research on Alarm Device for Oil Mist Concentration in Marine Diesel Engine Crankcase

PENG Chen，SHA Bin-feng
（Jiangsu Maritime Institute，Nanjing211170，Jiangsu）

Ship crankcase oil mist concentration alarm device to ensure the engine room security is of great significance.This paper introduces the oil mist concentration alarm device development and monitoring of oil mist concentration，the principle of the oil mist detecting device composition and operation，product key technology in the process of development，classification society rules and oil mist concentration measuring method to avoid crankcase explosion occurred.

crankcase，oil mist concentration，alarm device

U664.121

A

1671-5004（2016）03-0001-03

2016-6-6

江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練項目（項目編號：XJ20151267903）。

彭陳（1983-），男，黑龍江大慶人，江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師、碩士，研究方向：輪機工程、船舶與海洋工程。沙彬峰（1995-），男，江蘇南通人，江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：輪機工程技術(shù)。