共軌燃油噴射系統(tǒng)在船用柴油機中的應(yīng)用

李陽 王文武 孫啟超 張俊梅 張暉

摘要：根據(jù)環(huán)境保護(hù)部和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合發(fā)布的GB15097-2016《船舶發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）》中的規(guī)定，所有船機自2021年7月1日起排氣污染物要滿足第二階段排放限值。因此在一款新設(shè)計的船機上采用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，利用共軌系統(tǒng)燃油噴射壓力的產(chǎn)生獨立于發(fā)動機轉(zhuǎn)速，噴油時刻、噴油量、多次噴射柔性控制的特點，保證發(fā)動機燃油供給與調(diào)節(jié)系統(tǒng)之間在各個工況下，實現(xiàn)合理與精確的匹配，從而大大提高發(fā)動機動力性、經(jīng)濟(jì)性，排放及噪聲方面的綜合性能。

Abstract： According to the provisions of GB15097-2016 "Emission Limits and Measurement Methods of Exhaust pollutants from Ship Engines （China's First and second stages）" jointly issued by the Ministry of Environmental Protection and the General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the People's Republic of China， all ship engines shall meet the emission limits of the second stage from July 1， 2021. So in a new design of ship machine adopts the high pressure common rail fuel injection system， using the generation of common rail fuel injection system pressure independent of engine speed， injection time， injection amount， injection many times the characteristics of flexible control， ensure that the engine fuel supply and control system under various conditions， realize the reasonable and accurate matching， Thus greatly improve the engine power performance， economy， emissions and noise aspects of the comprehensive performance.

關(guān)鍵詞：共軌系統(tǒng);船用柴油機;國二排放

Key words： common rail system;marine diesel engine;the two emission

中圖分類號：U664.121.3? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）17-0222-02

0? 引言

燃油供給系統(tǒng)是發(fā)動機的關(guān)鍵系統(tǒng)，其主要功能是及時、優(yōu)質(zhì)的為氣缸內(nèi)提供適量的燃料，以保證缸內(nèi)混合氣的形成與燃燒有效進(jìn)行。目前船用柴油機多采用泵-管-嘴燃油系統(tǒng)，噴油泵由凸輪軸驅(qū)動，噴油壓力及噴油時刻不能實現(xiàn)柔性控制，整機經(jīng)濟(jì)性及排放性指標(biāo)不高。 公司新開發(fā)一款船用柴油機采用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，可不受轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的影響，靈活控制噴油壓力;燃油噴射采用電磁閥開啟時間的控制方式，比較容易對噴油時刻與噴油持續(xù)期進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)較為理想的噴油規(guī)律，可大大提高發(fā)動機動力性、經(jīng)濟(jì)性等方面的綜合性能。

1? 燃油系統(tǒng)整體布置與系統(tǒng)構(gòu)成（表1、圖1）

1.1 電控系統(tǒng)

電控單元主要通過一系列傳感器信號、通訊數(shù)字信號等輸入，在內(nèi)部運算單元做出優(yōu)化的計算后，給執(zhí)行器發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動命令，讓執(zhí)行器完成相應(yīng)的動作。主要控制功能包括起動、怠速、噴油壓力、噴油量、噴油正時控制及發(fā)動機安保控制等。鑒于船用機特殊的使用環(huán)境，發(fā)動機安保功能與陸用機相比有更高的要求，共軌系統(tǒng)全電子控制可根據(jù)用戶需求增加功能，進(jìn)一步提高智能化控制水平。（表2）

共軌管的容積主要考慮最大循環(huán)油量和噴油時允許的壓力下降幅值。

柴油機單缸循環(huán)油量按照下式計算：

式中：be-比油耗g/kWh，P-發(fā)動機功率kW，n-發(fā)動機轉(zhuǎn)速r/min，ρ-柴油密度0.84g/cm3，Z-沖程系數(shù)0.5，i-氣缸數(shù)6。

根據(jù)上述計算最大循環(huán)供油量約為：Vm=400mm3/循環(huán)，考慮噴油器回油約為循環(huán)噴油量的5%，因此設(shè)定每循環(huán)最大供油量約為420mm3。

共軌管的體積可按如下液體體積彈性模量公式計算：

式中：ΔP-壓力波動量（不考慮高壓油泵泵入燃油）（MPa），E-燃油的體積模量（MPa），ΔV-每循環(huán)噴油的總油量（mm2），V-高壓燃油容積，包括高壓油管的容積。

根據(jù)一般要求，取ΔP=Pmax*20%=32MPa，ΔV=Vm*1.3=520mm3，E=2870MPa，計算得容積V約47ml。容積V為所需的最小高壓腔容積，包括了軌管內(nèi)部容積和高壓油管容積。高壓油管（8X3X500）容積一般為20-30ml，取共軌管容積為25-30ml較合適，考慮系統(tǒng)軌壓的穩(wěn)定性確定軌管容積30ml。

1.2 共軌泵

共軌泵設(shè)計需要綜合考慮整個運行范圍內(nèi)共軌泵供油效率、油量裕度，發(fā)動機峰值扭矩的限值。（表3）

試驗結(jié)果表明，共軌泵在整個運行工況內(nèi)供油效率高于80%，油量裕度大于1.3，滿足發(fā)動機使用要求。

1.3 噴油器

1.3.1 噴油器幾何尺寸確定

根據(jù)燃燒室、壓縮比進(jìn)行噴油嘴設(shè)計，確定噴嘴孔徑、角度、孔徑等基本尺寸。

1.3.2 有限元計算

分別對預(yù)緊工況、工作軌壓160MPa、工作軌壓180MPa、工作軌壓200MPa進(jìn)行有限元計算，結(jié)果表明在各工況下噴油器體安全系數(shù)最小部分均在橫腔裝配部位，安全系數(shù)1.5，滿足使用要求;噴油器體與孔板的接觸應(yīng)力在400MPa以上，控制活塞偶件及針閥偶件均有間隙，運動不受影響，噴油器體線性變形在設(shè)計允許范圍內(nèi)。

2? 試驗標(biāo)定與排放控制

2.1 軌壓控制

通過控制系統(tǒng)、共軌泵、共軌管實現(xiàn)噴射壓力獨立控制，擺脫傳統(tǒng)機械系統(tǒng)受發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等限制。控制器控制共軌泵電磁閥開度實現(xiàn)進(jìn)入柱塞油量控制，根據(jù)設(shè)定數(shù)據(jù)和軌壓傳感器反饋的當(dāng)前軌壓制，進(jìn)行電控閥的開度調(diào)節(jié)，從而獨立控制噴油壓力。（圖2）

2.2 噴射時刻控制

控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機爆發(fā)壓力、排放物指標(biāo)、油耗、排溫等具體參數(shù)，可任意調(diào)整噴油時刻，來達(dá)到發(fā)動機最優(yōu)狀態(tài)。（圖3）

2.3 排放

根據(jù)船機排氣污染物第二階段排放限值規(guī)定進(jìn)行發(fā)動機各工況點標(biāo)定。（表4）

試驗表明：氣體排放物指標(biāo)均滿足船機二階段排放限值。

3? 結(jié)論

共軌燃油噴射系統(tǒng)應(yīng)用于船用柴油機，可實現(xiàn)柴油機排放升級，滿足國家環(huán)保要求，同時智能化控制可降低人工成本，極具推廣價值。

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