燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)甲烷濃度探測(cè)裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)

冷水紅，陳建春，林遠(yuǎn)鵬

（南車玉柴四川發(fā)動(dòng)機(jī)股份有限公司，資陽(yáng)641301）

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)甲烷濃度探測(cè)裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)

冷水紅，陳建春，林遠(yuǎn)鵬

（南車玉柴四川發(fā)動(dòng)機(jī)股份有限公司，資陽(yáng)641301）

針對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)原有的曲軸箱內(nèi)甲烷濃度探測(cè)裝置存在不能連續(xù)正常使用的問(wèn)題，提出3種解決方案。通過(guò)試驗(yàn)分析對(duì)比，選擇能主動(dòng)處理油霧影響的方案3，并對(duì)方案3的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作了詳細(xì)的介紹，最后通過(guò)試驗(yàn)證明設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)甲烷濃度探測(cè)油霧分離節(jié)能環(huán)保

1 引言

隨著內(nèi)燃機(jī)排放法規(guī)的日益嚴(yán)格和石油資源危機(jī)日益加劇，以及天然氣相對(duì)柴油具有經(jīng)濟(jì)性、低排放的優(yōu)勢(shì)，促使柴油-氣體燃料雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

正常工作情況下，無(wú)論是柴油機(jī)還是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，都會(huì)有一小部分未燃燒的燃料和廢氣通過(guò)活塞環(huán)進(jìn)入曲軸箱，通常稱為“串氣”。在最佳狀態(tài)下，漏氣量不超過(guò)全部氣缸排氣量的0.2%。而對(duì)于燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，串氣情況相對(duì)來(lái)說(shuō)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(dá)到一定濃度容易發(fā)生爆炸，探測(cè)可燃?xì)怏w濃度并及時(shí)報(bào)警是燃?xì)忸惏l(fā)動(dòng)機(jī)必須具備的要求［1］。

2 甲烷氣體探測(cè)器的使用現(xiàn)狀

我公司在原有280柴油機(jī)基礎(chǔ)上自主研發(fā)了應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)車的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)——16缸V型、四沖程、中冷增壓，柴油直噴、燃?xì)膺M(jìn)氣支管多點(diǎn)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)先進(jìn)，甲烷濃度探測(cè)器便是其中一項(xiàng)。

在燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)中，探測(cè)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(jì)是將探測(cè)器的探頭置于曲軸箱內(nèi)，將報(bào)警信號(hào)接入控制器。這種設(shè)計(jì)常出現(xiàn)的問(wèn)題是發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架試驗(yàn)開始2～3 h后，甲烷濃度的顯示變?yōu)椤?”并保持不變，即探測(cè)器失效。取出探測(cè)器，可以看到探頭上沾滿油污，探頭經(jīng)過(guò)清洗又能正常工作幾小時(shí)。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(cè)器上，影響了探測(cè)器的靈敏度，直至失效。

讓甲烷探測(cè)器能夠長(zhǎng)期、可靠地正常工作，是這次改進(jìn)設(shè)計(jì)要達(dá)到的目標(biāo)。

3 設(shè)計(jì)方案選擇

方案1：從安裝位置上考慮，將甲烷探測(cè)器探頭安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)探頭的氣體要相對(duì)干凈，有利于探測(cè)器可靠地工作。

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

針對(duì)方案1，在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)做了試驗(yàn)，將探頭簡(jiǎn)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(duì)于方案2，油霧探測(cè)器制造廠商按照我方要求提供了清洗裝置的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖，見圖1。按照這個(gè)設(shè)計(jì)，通過(guò)控制器可以設(shè)置清洗頻率和時(shí)間，能自動(dòng)在探測(cè)之余對(duì)探頭進(jìn)行清潔，這個(gè)設(shè)計(jì)方案能夠滿足要求。但相對(duì)于甲烷濃度探測(cè)器本身，其輔助設(shè)備和管路過(guò)于繁瑣，不便于拆裝和維修，否定了方案2。

圖1 自動(dòng)清洗甲烷濃度探測(cè)器

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

4 工作原理及設(shè)計(jì)要求

新設(shè)計(jì)的甲烷探測(cè)裝置通過(guò)抽取曲軸箱的氣體進(jìn)入到油氣分離器中，并利用機(jī)油壓力驅(qū)動(dòng)分離器葉輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)，分離器的葉輪帶動(dòng)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(guò)機(jī)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(jìn)入甲烷探測(cè)腔，將甲烷探測(cè)器探頭置于探測(cè)腔內(nèi)，經(jīng)過(guò)探頭的空氣從探測(cè)腔另一側(cè)排入機(jī)車的煙囪管。探測(cè)器的傳感器輸出的報(bào)警信號(hào)則接入控制器中，從發(fā)動(dòng)機(jī)的控制面板和機(jī)車的控制面板都能看到報(bào)警信息。

通過(guò)梳理各項(xiàng)參數(shù)，得出該裝置的設(shè)計(jì)要求如下：

（1）油氣分離器采用機(jī)油驅(qū)動(dòng)，油壓在0.3～0.7 MPa之間；

（2）考慮到所設(shè)計(jì)的裝置對(duì)整個(gè)機(jī)油系統(tǒng)油壓的影響，允許對(duì)裝置進(jìn)行調(diào)整和開閉；

（3）要滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的寬度尺寸要求，安裝時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)車零部件之間不發(fā)生干涉。

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

圖2 新甲烷濃度探測(cè)裝置示意圖

圖3 機(jī)油系統(tǒng)的分油節(jié)點(diǎn)示意圖

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 供油管路設(shè)計(jì)［2］

（1）分油節(jié)點(diǎn)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(jī)油系統(tǒng)管路中，機(jī)油泵出口油壓約為0.8 MPa，機(jī)體頂部分油器處的機(jī)油壓力在0.5 MPa左右，符合要求。分油器本身的功能是將機(jī)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(jī)油分給油氣分離裝置后，將會(huì)對(duì)進(jìn)入增壓器的油壓產(chǎn)生影響。為了便于調(diào)整測(cè)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(jì)

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

因此，選用機(jī)油管徑為13 mm。

5.2 氣體探測(cè)腔設(shè)計(jì)

市場(chǎng)上商品化的甲烷氣體探測(cè)器一般不帶探測(cè)腔，直接置于空氣中。為了環(huán)保和安全起見，這里需設(shè)計(jì)一個(gè)密封用的探測(cè)腔。探測(cè)腔的設(shè)計(jì)需要與甲烷探頭相配合，設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)密封圈進(jìn)行預(yù)壓縮率計(jì)算，確定溝槽的頂部直徑。如圖5所示。

圖5 氣體探測(cè)腔

5.3 回油管設(shè)計(jì)優(yōu)化

最初的設(shè)計(jì)是直接在機(jī)體側(cè)蓋框安裝一個(gè)管接頭，一端接回油軟管，但由于機(jī)車對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)寬度有要求?；赜凸軓臋C(jī)體側(cè)蓋框回油時(shí)，油管高出機(jī)體側(cè)面最多允許100 mm，同時(shí)側(cè)蓋框是鑄鋁件，直接用接頭，密封性無(wú)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(jì)，如圖6所示。

圖6 彎管接頭

這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于側(cè)蓋框回油孔通過(guò)擰緊兩側(cè)螺母來(lái)密封，避免焊接；另外，孔口加長(zhǎng)可以使機(jī)油直接流到曲軸腔，而不是機(jī)體的側(cè)窗內(nèi)壁，保證側(cè)蓋框和機(jī)體端面不會(huì)漏油；其次，彎管的設(shè)計(jì)則能保證回油管不會(huì)超出設(shè)計(jì)要求的寬度。

改進(jìn)設(shè)計(jì)的探測(cè)裝置隨車經(jīng)過(guò)了磨合試驗(yàn)和性能試驗(yàn)，因?yàn)榻鉀Q了導(dǎo)致該裝置失靈的根本問(wèn)題，這次比以前的裝置使用時(shí)間大大延長(zhǎng)。試驗(yàn)中針對(duì)可能對(duì)增壓器機(jī)油進(jìn)口壓力造成影響的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)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(duì)增壓器油壓沒(méi)有產(chǎn)生明顯影響。這個(gè)改進(jìn)設(shè)計(jì)能否長(zhǎng)期永久使用還將通過(guò)用戶使用效果來(lái)確定。

6 結(jié)束語(yǔ)

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

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

［2］聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第5版第3卷）［M］.北京：機(jī)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(lái)稿日期：2015-06-23

冷水紅（1982-），女，工程師，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。