船用柴油機的噴射技術

【德】 Leonhard R Parche M 【奧】 Kendlbacher C

1 對備種用途的不同要求

10年來，船用柴油機的噴油系統沒有發生根本性的變化。標準的直列式噴油泵和機械單體式噴油泵滿足成本、耐久性、安裝空間和性能等方面的各項要求，但當今對廢氣排放和燃油耗的要求不斷提高，致使燃油噴射系統發生了巨大的變化。

船用柴油機原本使用直列式噴油泵，但其噴油始點和噴油壓力（120 MPa）的柔性變化受到限制，而電控單體式噴油泵和泵噴嘴則提供了附加的自由度，其噴油始點可在凸輪軸凸輪廓線范圍內變化。這些凸輪軸傳動的噴油系統在堅固的凸輪軸和可變氣門正時裝置的基礎上，能提供較高的噴油壓力（最高180 MPa）。這2種類型的噴油泵降低了柴油機的燃油耗和排放。為了滿足日益收緊的廢氣排放限值要求，推出了具有2種附加自由度的共軌噴射系統，即噴油始點可變和噴油壓力可變的共軌噴射系統。

Bosch公司是世界上唯一同時為轎車、商用車和大型柴油機提供柴油噴射系統，特別是共軌噴射系統的制造商。由于船用柴油機使用條件不同，所以對噴油系統的要求也就各不相同。船用柴油機可分成下列類型（表1）：（1）載重車柴油機的船用變型，（2）船用高速柴油機，（3）船用中速柴油機和重油發動機，（4）船用低速重油發動機。單缸排量2.5 L 以下的高速船用柴油機可應用Bosch公司第3代載重車用共軌噴射系統（CRSN3），它是以載重車用共軌噴射系統的部件為基礎，并按非道路用途進行優化的。Bosch公司為單缸排量2.5 L 以上的船用柴油機開發了特別堅固的模塊化共軌噴射系統（MCRS），自2004 年起，這種共軌噴射系統滿足了市場上各種不同的用途。對于維修周期特別長的中速船用柴油機而言，MCRS-T 共軌噴射系統將于2012年投人量產。而用重油運行對共軌噴射系統則提出了特殊的要求，為此Bosch公司與MAN Diesel&Turbo公司共同合作開發出了一種專門為滿足這種要求而優化的重油共軌噴射系統，未來這種噴射系統也可供其他客戶使用。

2 排放法規推動噴油技術的發展

Bosch公司不斷為其用戶開發燃油噴射系統和排氣后處理系統，使得用戶在開發、應用排放和燃油耗更低的船用柴油機方面能獲得更大的控制柔性。對于船用柴油機而言，通過多次修改，以及改用新一代噴油系統和排氣后處理系統等輔助裝置來滿足最新的燃油耗和排放標準，從而獲得極長的使用壽命。使用領域已從功率最佳的游艇擴展到油輪和集裝箱船主機（表1）。如美國環境保護署（EPA）或國際海事組織（IMO）等廢氣排放法規都適用于表1中所述的應用場合，而且在2012—2016年期間，這些排放法規將被明顯收緊（圖1）。

表1 船用柴油機市場的分類

為了滿足未來的廢氣排放法規限值要求，必須采取機內和/或機外措施。在這方面，Bosch公司寄希望于共軌噴射技術，它能滿足在噴油速率和多次噴射方面所需的柔性要求，同時能夠在液力損失最小的情況下進一步提高噴油壓力。個別用戶特定的使用條件決定了應用于特定發動機類型和大小的共軌噴射系統的類型。

遠洋船舶排出的氮氧化物（NOx）足有全世界NOx排放總量的十分之一，同時，它又被視為是二氧化硫和碳煙顆粒（PM）排放的大戶。因此，IMO 已經決定逐步收緊遠洋船舶的廢氣排放限值。自2011年起，已減少NOx排放量20%，而從2016年起，須減少NOx排放量80%。通過采取燃油或船舶動力裝置（機內措施和噴射技術），以及排氣后處理系統方面的技術措施，高的PM 和NOx排放被降低了。

大幅降低燃油中的含硫量能夠減少PM 排放量，在這方面有各種不同的限值：“球形蓋罩”適用于海洋，其中排放控制區具有明顯更為嚴格的廢氣排放限值。現在用于重油的“蓋罩”含硫量為4.5%，自2012年1月1日起降至3.5%，預計從2020年起只允許0.5%，而排放控制區所應用的燃油含硫量上限值自2010 年3 月起就已從1.5%降至1.0%，從2015年起將降至0.1%。在動力裝置方面，通過優化燃燒過程能夠達到自2011年起生效的排放目標值，而對于下一個目標值而言，應用降低NOx排放的專門技術是必要的。EPA 也規定了PM 排放限值，這對NOx排放限值為0.04 g/（k W·h）的Tier 4排放標準應用場合是一種挑戰，除了優化燃燒過程之外，還須將燃油噴射壓力提高到220 MPa。

3 滿足IMO 和EPA 排放標準限值要求的技術

CRSN3共軌噴射系統（圖2）包括噴油器、高壓燃油泵、裝有附件（燃油壓力傳感器、限壓閥和壓力調節閥）的共軌，以及電子控制單元，使每循環可達到7次噴射，為優化燃燒過程提供了極佳的前提條件。自2008年起，這種共軌噴射系統配裝在單缸功率高達120 k W 的船用柴油機上，而自2010 年起，其提供的噴油壓力高達220 MPa。高壓燃油泵無需壓力轉換即可產生所需的系統壓力，并存儲在共軌中。極高的液力效率取決于高壓燃油泵和噴油器。

CRIN3噴油器性能參數如下：（1）壓力范圍25～220 MPa（計劃開發250 MPa）；（2）在10 MPa壓力的情況下，噴油嘴每30 s流量為400～1 300 cm3（用DIN ISO 4113標定油測定值）；（3）噴油量每行程為1.5～450 mm3；（4）可實現連續7次噴射；（5）與180 MPa噴油器相比，效率更高；（6）回油量減少（＜50%）；（7）無泄漏。其結構特點為：（1）外形尺寸與老型號相同，（2）無內部泄漏（效率更高），（3）控制容積減少，（4）與發動機的接口可變。

單缸功率120 k W 以下的船用柴油機使用泵油壓力220 MPa的CPN5-22/2型直列式雙柱塞高壓燃油泵，這是一種燃油潤滑的模塊化結構型式的高壓燃油泵。

CPN5-22/2型高壓燃油泵性能參數如下：（1）泵油壓力高達220 MPa（250 MPa正在開發中）；（2）進油壓力為0.035～0.1 MPa（絕對壓力）；（3）背壓為0.18 MPa（絕對壓力）；（4）進油溫度為-25～80℃；（5）整體式齒輪輸油泵，以及進油計量單元；（6）最大泵油量為250 L/h（250 MPa）。其結構特點為：（1）燃油潤滑，（2）直列式雙柱塞高壓燃油泵，（3）質量比老型號減輕30%。

已經為單缸功率120 k W 以上的高速船用柴油機開發了MCRS，并且符合船用要求。MCRS 的結構與標準的共軌噴射系統有明顯不同，它無需使用噴油器旁的共軌來分配燃油，同時“模塊化”能適用于不同的發動機型式，例如直列6、8和10缸，或者V8、V10、V12和V16缸，而共軌容積已集成在高壓燃油泵和噴油器中，這2處容積能抑制由泵油過程和燃油噴射所引起的壓力峰值。MCRS由高壓燃油泵、限壓閥、噴油器、電子控制單元和各種不同的傳感器組成。圖3中的MCRS噴油器剖視圖示出了其蓄壓容積、堅固的球形電磁閥，以及在抗穴蝕和抗磨損性方面經優化的噴油嘴。噴油特性已針對最小噴油量和在整個特性曲線場內特性曲線穩定性能提出的要求進行了優化，這是達到美國Tier 4排放標準必不可少的。這種L2～L5型高壓燃油泵系列能滿足0.5～2.25 MW 之間船用柴油機的燃油供應需求，而在雙泵運行的情況下則能滿足高達4.5 MW機型的需求。

4 燃油品質的挑戰

對遠洋船舶柴油機用的共軌噴射系統而言，其面臨嚴峻的挑戰是不同區域燃油品質的差異。燃油中高的PM 含量及因燃油品質可能引發積炭，所以必須開發一種特別耐用的噴油器控制閥，這種球形座面閥具有抗PM 磨損的功能。球閥因其轉動而確保由PM 引起的初始損傷不會形成侵蝕性的噴射通道。因為控制閥中不存在承受高壓的導向面，因此，在狹窄的導向面上積炭的可能性也大大減小。

為中速船用柴油機開發了一種MCRS-16-T 共軌噴射系統，MCRS-16共軌噴射系統的優勢擴展到了單缸功率高達500 k W 的功率等級，并使插裝式噴油泵（CP9.2）得以應用，這種驅動機械單體式噴油泵和電控單體式噴油泵系統的現有結構空間和凸輪傳動機構也非常適用于MCRS。

此外，Bosch公司也為缸徑270 mm 以下的重油發動機提供了一種共軌噴射系統（圖4），它能在滿足IMO Tier 2廢氣排放標準的情況下明顯降低PM排放，并將其分成2種功率等級。Bosch公司的重油噴油器無需伺服系統進行控制，使得損耗較小，并獲得了較快的響應性能，噴油系統也并不復雜。噴油嘴是壓力控制的，因而僅在噴油期間才承受壓力，從而防止了不希望出現的持續噴射，而且在現場更換噴油嘴不受限制。共軌高壓燃油泵可將重油增壓到高達160 MPa的噴射壓力，這涉及到一種裝有計量單元的、凸輪驅動的高壓燃油泵，可用以調節進油壓力。對這種高壓燃油泵的表面涂層進行了優化，并因空氣吹洗閥采用了獨特的密封方案能確保無磨損運行。

Bosch公司與MAN Diesel&Turbo公司共同合作，為缸徑270 mm 以上的船用主機和輔機開發了重油共軌噴射系統（圖5），因控制閥與噴油器是分開的，故與上述系統有所不同，能夠應用常規的噴油嘴體組合，同時易于從常規噴油技術轉換到共軌噴油技術，并且可在船舶現場維修噴油嘴體組合件，而與控制閥無關。

1個蓄壓管可為2個氣缸供油。為了控制噴油，在每個蓄壓管端蓋處各有1個帶有2/2和3/2路轉換閥的控制單元，而轉換閥在蓄壓管與機械式噴油嘴體組合之間轉換高壓。蓄壓管中的流量限制閥可防止噴射的油量過大。系統中的限壓閥能可靠地進行調節，以確保在計量單元發生故障或者壓力傳感器損壞時不會產生過高的系統壓力。Bosch公司開發的部件有3/2路轉換閥、流量限制器、旁通閥、壓力限制閥和高壓燃油泵計量單元，而MAN Diesel&Turbo公司則對整個系統負責，開發了高壓燃油泵、蓄壓管和噴油嘴體組合，電子控制單元和燃油管路。

上述2種噴油系統明顯減少了黑煙排放，并改善了部分負荷時的燃油耗。

5 結語

新廢氣排放法規的實施使現代噴油系統面臨全新的挑戰，系統壓力的提高除了要求噴油部件仍保持耐久性和經濟性之外，在強度、耐磨損性和溫度等方面承受更高的壓力。為了對現有船用柴油機共軌噴射系統平臺進行深人開發，Bosch 公司致力于將系統壓力提高到220 MPa的研究。自2012年起，這種蒸餾燃油的噴射系統就可投人使用，并將逐步提供所有的高速和中速船用柴油機使用。研發過程中，運用了汽車領域內提高系統壓力的經驗和技術。

為了能夠在低燃油耗的情況下實施機內措施或者達到排氣后處理的排放限值，對于未來美國Tier 4排放標準和IMO Tier 3排放標準而言，共軌噴射系統的完全柔性和高達220 MPa的噴射壓力是必不可少的。

Bosch公司已與MAN Diesel&Turbo公司共同合作，致力于開發噴射壓力高達220 MPa的第2代重油共軌噴射系統，以及采用多次噴射進一步優化燃燒過程的可能性，為此正在進行可行性研究。這種新一代的噴射系統將為達到IMO Tier 3 排放標準目標限值（自2016年起實施）作出貢獻。