低速船用電控柴油機燃油系統分析

鄧健星 林剛毅

摘 要：電控柴油機已成為船舶動力的標準配置，其中燃油噴射系統成為衡量電控柴油機的最主要的指標之一。本文主要闡述了瓦錫蘭低速船用電控柴油機燃油系統構成、工作原理、特點及其優點。

關鍵詞：共軌技術；燃油噴射系統；分析

Analysis on Electronically-controlled Fuel System of Low

Speed marine diesel Engine

Deng Jianxing， Lin Gangyi

（ Yuchai Marine Power Co.， Ltd. Zhuhai 519175 ）

Abstract： Electronically-controlled diesel engine has become the standard of Marine power allocation， fuel injection system become one of the most important standards to judge how advanced a diesel engine is. The structure， control principle ，operating feature and Advantages of wartsila low-speed Marine diesel engine fuel system are expound in the paper.

Key words： Rail technology， Fuel Injection System， Analysis

1 前言

近年來，全球溫室效應越來越嚴重，而且石油資源越來越緊缺，船東對柴油機燃油經濟性和可靠性要求越來越高，國際海事組織頒發越來越嚴格的排放法規，IMO Tier Ⅱ已在2011年1月1日開始實施，要求NOx排放量要比Tier Ⅰ減少20%，更嚴格的Tier Ⅲ將于2016年實施。為了提高燃油經濟性，降低排放要求，提高可靠性和操作的靈活性，實現適時調節，低速船用電控共軌柴油機已成為發展的必然趨勢。為了滿足國際海事組織和船東的苛刻要求，世界兩大船用柴油機巨頭不斷發展其柴油機技術。本文主要介紹瓦錫蘭電控柴油機燃油系統構成、工作原理、特點及其優點。

2 瓦錫蘭電控燃油系統

2001年1月，在韓國釜山現代重工（HHI）6RT-flex58T-D柴油機順利通過了臺架試驗，這是世界上第一臺商用大型全電子控制的智能化柴油機。RT-flex柴油機中關鍵的控制功能由原機械結構控制改為電子控制，例如燃油噴射、排氣閥開啟與關閉、柴油機起動、氣缸潤滑等。瓦錫蘭RT-flex低速柴油機的成功開發，標志著低速大功率柴油機發展又一次質的飛躍。

2.1 瓦錫蘭電控燃油系統組成

瓦錫蘭燃油系統包括下列機械部件：

（1）高壓燃油泵：把一定的燃油從7bar加壓到1000bar，可通過油泵的調節齒條轉動改變供油量，其中燃油泵數量由氣缸數決定；

（2）高壓燃油管：輸送燃油的媒介；

（3）燃油軌：儲存一定壓力的燃油，共軌壓力根據柴油機負荷調整；

（4）噴射控制單元：控制燃油噴射時間和噴射量，其中共軌閥是關鍵的零部件，是燃油噴射和排氣閥驅動的先導閥，其反應時間低于1毫秒；

（5）噴油器：在指定的時間把一定的燃油噴射到燃燒室內燃燒。

2.2 瓦錫蘭電控燃油系統原理

目前瓦錫蘭電控技術有兩種形式：RT-flex共軌系統和W-X共軌系統

RT-flex共軌系統原理圖，如圖1所示。RT-flex共軌系統主要包括燃油共軌系統、伺服油共軌系統、起動系統和WECS-9520控制系統。

RT-flex燃油共軌系統原理圖，如圖2所示。燃油共軌管布置在燃油側的共軌箱內，通過曲軸齒輪驅動的高壓燃油泵把燃油加壓到100MPa，輸送到燃油共軌管，此后，高壓燃油通過容積式噴油控制器定時定量輸送到噴油器。

W-X共軌系統也是包括燃油共軌系統、伺服油共軌系統、起動系統和UNIC控制系統。其中燃油共軌系統經過優化后，其噴射控制器集成在噴油器，圖3為W-X共軌系統原理圖。

圖1 RT-flex共軌系統原理圖

圖2 RT-flex燃油共軌系統原理圖

圖3 W-X燃油共軌系統原理圖

2.3 瓦錫蘭電控柴油機特點

在傳統的燃油共軌系統中，燃油噴射壓力、噴射定時和噴油量的調節只能通過凸輪的型線控制，其靈活性受到限制。而瓦錫蘭電控柴油機中每個氣缸的噴射都是由噴油器或噴射控制裝置控制，噴油器和噴射控制裝置均由柴油機控制系統集中控制，不但使得噴油器的油量可調節，同時避免了小油量噴射時由于油量不足，彈簧開啟壓力不夠和噴油器內部機構“遲滯”運動影響霧化質量而導致的燃油不充分，同時增強燃油系統的靈活性。

傳統的柴油機的燃油泵存在制造誤差或燃油供油過程中內部漏油等原因，導致噴射到每個缸的燃油量存在一定的偏差，導致各排氣溫度總存在一定的差異，而采用容積式噴射控制器的共軌柴油機，噴油量更精確，柴油機運轉更平穩，各缸的負荷更均衡，排溫更穩定。

針對柴油機在各種工況下運行，為了達到最佳的經濟性、動力性和低排放要求，瓦錫蘭電控柴油機可通過柴油機控制系統控制噴油器或噴射控制裝置，實現靈活多變的燃油噴射模式下噴射，噴油器可以以不同的形式組合，使得噴油的形式多樣話。特別在低負荷時，控制系統可根據柴油機運行負荷，切斷某個噴油器工作（見圖4）。柴油機在極低負荷下運行時，燃油噴射量小并且霧化效果好，此時選用單個噴油器順序工作模式噴油，確保低速工況下油氣混合好，燃燒更充分，所以瓦錫蘭電控柴油機能在極低轉速下穩定運行，并能達到無煙運行，也就是說提高船舶在近處擁擠或狹小港口的操縱能力和完成滿足排放要求。

圖5為瓦錫蘭電控柴油機NOx排放特性圖，圖6為煙度排氣特性圖，圖7為燃油消耗率曲線。

圖4 瓦錫蘭低負荷狀態下噴油模式

圖5 NOx排放特性

圖6 6RT-flex58T-D煙度排氣特性

圖7 6RT-flex35燃油消耗率曲線

由圖5、圖6和圖7可見，通過使用不同的燃油噴射模式和排氣正時，改善燃燒效果，降低燃油消耗率，同時在整個負荷范圍內均達到NOx排放要求和無煙運行。尤其在低負荷工況下，排煙和燃油消耗率得到明顯的改善。

2.4 瓦錫蘭電控柴油機燃油系統優點

（1）燃油消耗率低，滿足IMO排放要求。瓦錫蘭電控柴油機有兩種操作模式：燃油經濟性模式和低NOx模式。在一般航區航行，使用燃油經濟性模式同時遵守國際海事組織（IMO）提出的NOx排放標準；在特殊航區航行，選擇NOx模式，柴油機的排放將會符合特殊航區的NOx排放標準。可通過控制噴油時間和噴油速率來控制燃燒過程，從而減少排氣中NOx量和提高經濟性。如：適當減小噴油提前角來降低燃燒溫度的同時，也增大噴油速率來縮短整個燃燒過程；

（2）能在極低負荷下穩定運行，最低怠速可達10～12rpm。柴油機在低負荷或極低負荷運轉時，能保持較高的噴射壓力，同時精確控制噴油量；

（3）柴油機在各種負荷下，各缸負荷均勻，燃油霧化好，缸內結碳明顯減少，減少了維護費用和延長大修時間間隔；

（4）在整個負荷范圍內實現無煙運行。柴油機在不同負荷下，采用不同形式組合的噴油器工作，此時燃燒可達到最佳狀況，減少煙氣的排放，同時提高噴油器的壽命；

（5）較大的冗余度。采用兩組燃油泵、伺服油泵及其與共軌單元之間的連接管路，互為備用，確保了運行的安全性和可靠性；

（6）取消凸輪裝置等部件，減輕了主機的重量，結構更緊湊，提高了柴油機的可靠性，降低主機制造成本和維修成本，并可延長柴油機壽命。

也就是說，通過控制燃油噴射正時、噴油量、噴射速率、壓力以及進、排氣閥正時，能夠有效地實現柴油機在各種負荷下的性能最優化，從而達到在滿足最新排放要求下，提高柴油機的經濟性、可靠性、操縱靈活性和延長使用壽命。

3 結束語

隨著國際海事組織頒發的排放法規越來越嚴格，電控柴油機將完全取代傳統的機械式柴油機，這是科技發展的必然規律。同時，要求電控柴油機可控制更多燃油噴射參數，使柴油機在任何工況下都能以最優的特性運行，提高輸出功率，降低燃油、滑油和氣缸油消耗。而瓦錫蘭電控柴油機在這方面有一定的優勢，不過還需解決零件加工困難等問題。

參考文獻

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