燃气发动机甲烷浓度探测装置的改进设计

冷水红，陈建春，林远鹏

（南车玉柴四川发动机股份有限公司，资阳641301）

燃气发动机甲烷浓度探测装置的改进设计

冷水红，陈建春，林远鹏

（南车玉柴四川发动机股份有限公司，资阳641301）

针对燃气发动机原有的曲轴箱内甲烷浓度探测装置存在不能连续正常使用的问题，提出3种解决方案。通过试验分析对比，选择能主动处理油雾影响的方案3，并对方案3的结构设计作了详细的介绍，最后通过试验证明设计合理，达到了设计目标。

双燃料发动机甲烷浓度探测油雾分离节能环保

1 引言

随着内燃机排放法规的日益严格和石油资源危机日益加剧，以及天然气相对柴油具有经济性、低排放的优势，促使柴油-气体燃料双燃料发动机应用越来越广泛。

正常工作情况下，无论是柴油机还是双燃料发动机，都会有一小部分未燃烧的燃料和废气通过活塞环进入曲轴箱，通常称为“串气”。在最佳状态下，漏气量不超过全部气缸排气量的0.2%。而对于燃气发动机来说，串气情况相对来说更为严重，并且由于这部分气体成分中可燃气体的含量很高，达到一定浓度容易发生爆炸，探测可燃气体浓度并及时报警是燃气类发动机必须具备的要求［1］。

2 甲烷气体探测器的使用现状

我公司在原有280柴油机基础上自主研发了应用于内燃机车的双燃料发动机——16缸V型、四冲程、中冷增压，柴油直喷、燃气进气支管多点喷射，双燃料电控、电子调速，标定功率为3 860 kW。此款发动机设计先进，甲烷浓度探测器便是其中一项。

在燃气发动机中，探测曲轴箱内可燃气体（主要成分是甲烷）的浓度，通常的设计是将探测器的探头置于曲轴箱内，将报警信号接入控制器。这种设计常出现的问题是发动机在台架试验开始2～3 h后，甲烷浓度的显示变为“0”并保持不变，即探测器失效。取出探测器，可以看到探头上沾满油污，探头经过清洗又能正常工作几小时。从多方面分析其原因，发现曲轴箱内的油雾覆盖在探测器上，影响了探测器的灵敏度，直至失效。

让甲烷探测器能够长期、可靠地正常工作，是这次改进设计要达到的目标。

3 设计方案选择

方案1：从安装位置上考虑，将甲烷探测器探头安装在发动机呼吸口外自带的油雾分离器（采用多孔板阻隔冷凝油雾）出口，这样通过探头的气体要相对干净，有利于探测器可靠地工作。

方案2：从甲烷探测器上入手，增加清洁装置，定时自动用压缩空气吹洗探头，增加探头连续工作时间。

针对方案1，在试验现场做了试验，将探头简单组装后置于呼吸口外，3 h后查看探头被油雾污染情况，发现探头被油雾污染情况比之前有所好转，但并不可靠。

对于方案2，油雾探测器制造厂商按照我方要求提供了清洗装置的设计简图，见图1。按照这个设计，通过控制器可以设置清洗频率和时间，能自动在探测之余对探头进行清洁，这个设计方案能够满足要求。但相对于甲烷浓度探测器本身，其辅助设备和管路过于繁琐，不便于拆装和维修，否定了方案2。

图1 自动清洗甲烷浓度探测器

通过综合考虑，在方案1的基础上提出方案3。在原来呼吸口处的油雾分离器的基础上，设置主动抽气的油气分离器，再将分离后的气体接入甲烷气体探测器，彻底去除油雾对于甲烷探头的影响。这样一来，该装置不仅能保证甲烷浓度探测器能长期有效工作，而且还能回收机油，降低机油消耗，增加发动机在节能环保上的优势。

4 工作原理及设计要求

新设计的甲烷探测装置通过抽取曲轴箱的气体进入到油气分离器中，并利用机油压力驱动分离器叶轮高速运转，分离器的叶轮带动气体旋转，将质量较重的油雾甩到分离器壁面上，由回油管通过机体侧盖框回流至油底壳中，从而起到分离油雾的作用。从分离器中分离的干净空气则从一侧排出进入甲烷探测腔，将甲烷探测器探头置于探测腔内，经过探头的空气从探测腔另一侧排入机车的烟囱管。探测器的传感器输出的报警信号则接入控制器中，从发动机的控制面板和机车的控制面板都能看到报警信息。

通过梳理各项参数，得出该装置的设计要求如下：

（1）油气分离器采用机油驱动，油压在0.3～0.7 MPa之间；

（2）考虑到所设计的装置对整个机油系统油压的影响，允许对装置进行调整和开闭；

（3）要满足发动机的宽度尺寸要求，安装时发动机和机车零部件之间不发生干涉。

甲烷浓度探测装置的三维结构示意图见图2，其在机油系统中的分油节点布置示意图见图3。

图2 新甲烷浓度探测装置示意图

图3 机油系统的分油节点示意图

5 结构设计

5.1 供油管路设计［2］

（1）分油节点选择

根据油气分离器的要求，工作油压必须介于0.3～0.7 MPa之间。在机油系统管路中，机油泵出口油压约为0.8 MPa，机体顶部分油器处的机油压力在0.5 MPa左右，符合要求。分油器本身的功能是将机油分配到各气缸和增压器，增压器的工作油压要求大于0.25M Pa。当分油器将机油分给油气分离装置后，将会对进入增压器的油压产生影响。为了便于调整测试，在供油管路上设置截止阀，具体结构如图4所示。

图4 供油管路

（2）供油管路管径设计

根据油气分离器厂家提供的数据，机油流量为50 L/s的使用要求，而我公司的机油系统管路内的机油流速约为4 m/s，则管路直径计算如下

因此，选用机油管径为13 mm。

5.2 气体探测腔设计

市场上商品化的甲烷气体探测器一般不带探测腔，直接置于空气中。为了环保和安全起见，这里需设计一个密封用的探测腔。探测腔的设计需要与甲烷探头相配合，设计时采用O型密封圈密封的密封腔结构，用紧固螺钉固定探头和密封腔，对密封圈进行预压缩率计算，确定沟槽的顶部直径。如图5所示。

图5 气体探测腔

5.3 回油管设计优化

最初的设计是直接在机体侧盖框安装一个管接头，一端接回油软管，但由于机车对于发动机宽度有要求。回油管从机体侧盖框回油时，油管高出机体侧面最多允许100 mm，同时侧盖框是铸铝件，直接用接头，密封性无法得到保证（侧盖框壁厚为7 mm，螺纹密封不可靠）。为了在密封以及尺寸上满足要求，做了以下优化设计，如图6所示。

图6 弯管接头

这样设计的优点在于侧盖框回油孔通过拧紧两侧螺母来密封，避免焊接；另外，孔口加长可以使机油直接流到曲轴腔，而不是机体的侧窗内壁，保证侧盖框和机体端面不会漏油；其次，弯管的设计则能保证回油管不会超出设计要求的宽度。

改进设计的探测装置随车经过了磨合试验和性能试验，因为解决了导致该装置失灵的根本问题，这次比以前的装置使用时间大大延长。试验中针对可能对增压器机油进口压力造成影响的问题，设计了试验步骤：逐步开大装置阀门，并监控两处增压器入口油压的变化，结果是阀门的开闭对增压器油压没有产生明显影响。这个改进设计能否长期永久使用还将通过用户使用效果来确定。

6 结束语

试验后，通过拆解装置的管路，在油气分离器的进气管内残留少量机油，而可燃气体探测器和排气管内很干净，说明油气分离确实起到了作用，密封部分效果也良好，所以这次的设计是成功的，为了使结构更紧凑美观，软管更改为无缝钢管与管接头的连接方式，在机车上使用更稳定，寿命更长。

［1］杨连生.内燃机学［M］.北京：机械工业出版社，2013.

［2］闻邦椿.机械设计手册（第5版第3卷）［M］.北京：机械工业出版社，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

来稿日期：2015-06-23

冷水红（1982-），女，工程师，主要研究方向为柴油机结构设计。