矿砂船主柴油机扫气管道加装滤器的改造设计

刘锦龙， 张建伟， 马俊， 路万鹏

（浙江海洋大学 港航与交通运输工程学院，浙江 舟山316000）

0 引 言

由于矿砂在港口堆积，港口的空气中混杂沙尘不可避免，而且船舶靠港装卸货的过程中也会造成大量的粉尘，这不但会造成港口的环境污染，还会使柴油机吸入大量的沙尘、粉尘等的颗粒物。众所周知，在柴油机气缸运行时，需要干净的环境来保证其内壁的相对光滑，如果此类杂质颗粒物因为扫气时被吸进气缸，将会极大地影响柴油机的运行状态，缩短气缸及柴油机的使用寿命，严重时会危及船舶安全[1]。为了保障船用设备的安全性，减少隐患，文中对矿砂船船舶主柴油机的扫气管道加以改造设计——加装特殊滤器。

1 矿砂船柴油机面临的潜在危害

矿砂船作为特殊船舶，沙子颗粒物很容易弥漫并被携带到机舱柴油机附近的空气中，使其主柴油机可能面临潜在危害，具体表现为吸入的粉尘会影响滑油质量，进而影响柴油机的润滑系统，造成柴油机缸套与活塞磨损加剧，缩短使用寿命；也会造成燃烧室燃烧不良，效率下降，还有可能造成燃烧室及排气阀积碳、加剧燃烧室组件磨损等不良危害。

2 柴油机的改良设计思路

现有的柴油机中，空冷器和各气缸之间在结构上无任何障碍，选择对柴油机的这一部分进行改良可以明显提高效率和节约成本。而改良的方法就是在船舶主柴油机扫气管道中加装一种用于拦截并吸附颗粒物的特殊滤器，过滤器是减少颗粒物吸收的最有效装置，此改造若试验成功，可明显提高柴油机的使用寿命和船舶的安全性。

2.1 滤器的设计原理

制造柴油机时，尤其是矿砂船船舶使用的主柴油机，在扫气管道内加装两道滤网，位置设置在空冷器和第一个气缸之间，在矿砂颗粒等可能危害气缸运行的杂质随着扫气空气经过空冷器进入第一个气缸之前，必须要先经过两层滤器过滤，使得矿砂颗粒等杂质被最大限度地拦截，并在滤器边设置检测系统检测滤器是否正常工作，从而保证进入气缸的空气的洁净度，避免了气缸内因磨损而引起的危害，设计示意图如图1所示。

图1 空气滤网设计图

2.2 滤器设计的额外因素

设计滤器时需要考虑的额外因素是滤网的定期清洁问题。

关于滤器的清洁，设想是制作可拆卸的形式的滤器，定期或者当检测系统发出故障信号，即得知原用滤器被堵塞后，将其取出并使用备用滤器替换；再对滤器进行冲洗和放残，过滤的杂质通过专用管道排出，随后将其存放在特定储物点，以备重新使用。

3 滤器系统的设计方案

系统的设计方案包括以下3部分：1）空气滤网的设计；2）检测方法与检测系统的设计；3）专用排放管道的选择与放置。

结合系统的设计原理，在实际设计制作过程中，综合考虑各部件的功能和区别，结合相应特性的可能性，使装配的各个部件能完全契合。

3.1 空气滤网的设计

3.1.1 技术背景

滤网的工作原理在于沙尘、粉尘颗粒与过滤网存在着黏合力：当空气中的尘埃颗粒随气流作惯性运动或不规则运动而撞到过滤网时，粒子与滤网之间产生范德瓦尔斯力使颗粒物附着在滤网上。若过滤材料本身带静电或沙尘、粉尘带静电，过滤效果更佳。因为静电会使颗粒物改变运动轨迹并撞向障碍物，产生的静电力使矿砂颗粒在过滤网上粘得更牢固。

一般过滤器的等级分为3类：初效过滤、中效过滤和高效过滤。

1）初效过滤。适用于过滤直径为5 μm 以上沙尘、粉尘颗粒。初效过滤器有3种样式：板式、袋式、折叠式；外框材料有纸框、铝框、镀锌铁框3种[2]；过滤材料有玻璃纤维、聚酯纤维、植物纤维、尼龙网、无纺布、活性炭滤材、金属孔网等[3]。

2）中效过滤。适用于捕集直径为1～5 μm的灰尘颗粒及各种悬浮物[4]，在对空气净化度要求不严格的场所，由中效过滤器处理过的空气可供人呼吸。中效过滤器多为袋式样式，边框有冷板喷塑、镀锌板等种类，过滤材料有无纺布、玻璃纤维等[3]。

3）高效过滤。应用于微电子工业、精密仪器仪表、医疗卫生等行业中高精尖工作仪器的净化设备中处于空气末级过滤，属于精过滤。

沙尘颗粒物较粗，粒径大于75 μm；粉尘颗粒物较细，粒径在1～75 μm之间。综合上述，由于矿砂船主柴油机处在沙尘浓度较高的环境，为减少沙尘、粉尘颗粒物可能对柴油机造成的危害，过滤器等级只需选择初效过滤即可。

3.1.2 滤器材料与结构

过滤介质材料的选择要求是，既能有效地过滤颗粒物，又不对气流形成过大的阻力。原板式过滤器的材料采用聚酯纤维，袋式过滤器使用的材料是玻璃纤维或者植物纤维。交织而成的纤维网成为阻挡颗粒物通过的屏障，纤维孔隙的空间使气流顺利通过[4]。

由于矿砂颗粒物会与过滤网产生一定的摩擦，使过滤网使用寿命缩短，而材料成本较高，所以制作的滤网应增加过滤面积，这是延长过滤器使用寿命的最有效方式，使其在长期的过滤工作后，既能增强整套系统的耐用性，又能保持较高的过滤效率，提高系统性价比。

袋式过滤器相比原板式过滤器，可将初效过滤器的过滤面积提高数十倍，极大地提高初效过滤的容尘量。过滤面积越大，颗粒物的容纳量就越多，过滤器的使用寿命也越长。袋式过滤器原型如图2所示。

两层空气滤网应具备能够尽量多地过滤大小不一的微小颗粒物的孔径，在保证足够的过滤效率的同时，还要有较小的流通阻力，因此通过对过滤材料面积的最大化，来降低透过滤网的相对风速，可以减小流通阻力。前提是需要考虑滤网的外形及大小与扫气管道能否匹配，尺寸不宜过大，便于安装和取出，当滤器堵塞或者过滤达到饱和状态时，便可将其拆卸，清洗放残并风干，同时使用备用滤器替代。

图2 袋式过滤网样式

3.2 检测方法与检测系统的设计

3.2.1 检测方法的分析

过滤器的性能是以过滤的最低效率值为代表值的，当过滤网达到饱和状态或堵塞时，矿砂颗粒物填满空气滤网的孔隙，使空气本身的通过量也大大减少，从而导致通过滤网的空气的气压远小于刚流入扫气管的空气的气压。新过滤器的流通阻力称为初阻力，对应的报废阻力称为终阻力，终阻力一般为初阻力的2倍[5]。过滤器的回收更换应在过滤器阻力达到终阻力前进行，以避免过滤器长时间不更换而报废，以增加其重复使用的机会。

以气压差的形式来分析过滤器前后的阻力，在滤网前后各安装一个压力表，记作A表和B表。在介质过滤过程中，同时记录两个表的读数，分别记作PA、PB，气压差前后的变化如表1所示。

表1 滤网前后气压差测量表MPa

从表1中的数据可知，进口处的压力表读数PA总大于出口处压力表读数PB。在滤器逐渐被杂质填堵的过程中，PA数据逐渐增大，PB数据逐渐减小。例如，当PA读数上升到1.2 MPa，PB读数降到0.25 MPa时，滤器约有70%的过滤面积被堵，此时已不能满足过滤要求。据此监测可判断滤器工作是否正常，以便确定清洗、更换滤网的最佳时间。

鉴于此原理，文中采用的检测滤网是否需要清洗的方法是相对简单实用的气压差法。该方法的优势在于准确率较高，可减小选择清洗更换的时机的盲目性，延长有效工作时间，且成本较低。

3.2.2 检测系统的设计

气压传感器是一种检测装置，用于测量气体的绝对压强，此装置能感受到被测量的信息，并将检测到的信息按一定规律转换成电信号或其他形式的数据信号，实现气压值的处理、传输、显示、记录和检测等要求[6]。经过数据信号处理后，得出当前的气压差，进而比较当前的气压差数据与报警设定值，当高于设定值时发出报警信号。根据检测方法、检测装置的使用方式及空气滤网的设计的特点，检测系统需要3个气压传感器，分别安装在第一层空气滤网之前、两层滤网之间和第二层空气滤网之后，以检测3个管道空间的气压大小。

通过无线射频的方式，分别将3个空间的气压数据信号传递到无线接收装置[7]，这种方式的优点在于能够让工作人员远程、实时地了解气压差的变化并准确判断空气滤网的工作状态。缺点是装置成本较高，无线通信时数据传输可靠性较差。

另一种方式是使用气压报警器，当气压差高于设定值时发出报警信号，报警方式有蜂鸣器鸣响、LED灯光闪烁等方式，这类传感器的优点在于实现检测自动化，但采用的是机械原理，所以检测精度比第一种检测装置差而且较为不稳定。

若将两类方法有机结合起来，形成互补的关系，即可提高检测系统的可靠性和准确性。

4 专用管道的选择与放置

为了避免取出过滤网后，沙尘、粉尘在船舶舱室中再次扩散，对主柴油机等设备造成二次污染，在清洗过滤网后，还需要使用专用管道收集已过滤的杂质。专用管道可选择薄膜风管或其他软风管，放置条件是管道出口远离机舱。由于收集的矿砂颗粒浓度很低，对环境造成的污染性、危害性极小，因此将管道一端与外界连通，在抽风口放置抽风机，将杂质抽吸进管道，并直接排放至外界。

5 结 语

矿砂船在港口作业时，由于处在高浓度沙尘环境，其主柴油机容易吸入大量颗粒物，可能会造成潜在危害。在柴油机上使用颗粒物过滤器能产生良好的减少颗粒物吸入的效果，可降低柴油机的故障率。制作过滤器的材料及样式的选择多样，需考虑兼容性，配合原有部件。在过滤器的使用过程中，由气压传感报警器作检测装置，以使过滤器的工作效率、使用寿命最大化。通过科技手段对设备进行改良来防止船舶事故的发生，将进一步提高船舶机舱的安全性，在一定程度上减少主机的维修次数，节省成本，提高柴油机的使用寿命，具有较大的经济效益。文中的设计理念可为船用柴油机预防损坏的研究提供有益经验和借鉴。