船用中速柴油機高壓共軌系統的現狀與發展趨勢

楊強1，楊建國23

(1.工業和信息化部產業發展促進中心, 北京 100036；2.武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063；3.船舶與海洋工程動力系統工程國家低速機電控系統實驗室，武漢 430063)

船用柴油機是船舶的主要動力源，占據將近95%的市場份額。船用柴油機排放物主要為NOx和SOx，其中NOx占世界排放總量的18%～30%，SOx占世界排放總量的9%。SOx主要來源于燃油中的硫分，采用低硫油或硫固化措施能極大減小硫排放。針對NOx排放引起的嚴重環境污染問題，國際海事組織(IMO)出臺了國際性防止船舶造成空氣污染法規—《船舶防污公約附則VI-修訂版》，其中對NOx排放制定了嚴格限制值，見表1。

表1 IMO NOx排放限制

其中，Tier II 階段NOx排放要求比Tier I 階段下降16%～20%，可采用機內凈化措施達到這一標準；Tier III 階段(排放控制區)NOx排放要求比Tier I 階段降低約80%，則必須采用機后處理方法來實現。IMO制定的防止船舶造成空氣污染法規，無疑對當前船用柴油機提出了新的挑戰。當前，機內凈化的主要措施之一是采用高壓共軌燃油噴射系統，高壓噴射帶來了良好的燃油霧化，柴油機全工況柔性可控的燃油噴射，改善了缸內燃燒過程，降低了噪聲和排放,因此，有必要對國、內外的船用中速柴油機高壓共軌系統的現狀和發展趨勢進行分析，為我國研發自主船用中速柴油機高壓共軌燃油噴射系統提供參考。

1 柴油機燃油噴射系統的發展

柴油機燃油噴射系統，從機械式燃油噴射系統發展到當前的電控式燃油系統,經歷了100年的發展，見表2。電控式燃油系統又包括電控直列泵系統、電控分配泵系統和電控共軌燃油噴射系統等。其中電控共軌燃油噴射系統的共軌壓力由最初的中壓(40～50 MPa)發展到現在的高壓(130～160 MPa)，故稱高壓共軌燃油噴射系統。它通過凸輪帶動高壓油泵給共軌管供油，共軌管內維持高壓，通過高壓油管連接噴油器進行燃油噴射，實現了柴油機在全工況下的柔性噴射控制。

表2 柴油機燃油系統的發展歷史

高壓共軌燃油噴射系統的主要組成部件見圖1。

圖1 典型高壓共軌系統的結構組成

船用柴油機共軌系統不同的技術特點[1]：①船用柴油機循環供油量大，在將燃油噴射過程的壓力波動控制在一定范圍難度大，同時給燃油量的精準控制造成困難；②船用柴油機是船舶的動力心臟，一旦發生故障將產生嚴重后果，因此，共軌系統的安全保護措施更加嚴格；③船上機電設備繁多，共軌系統電控單元受到的電磁干擾強，共軌系統電控單元的硬件抗干擾設計要求更高；④船用柴油機使用的燃油品質差，要求共軌系統可高壓使用劣質燃油運行，要求共軌系統的適應性好。

2 國外典型的船用中速柴油機高壓共軌系統

2.1 W?rtsil?公司的中速柴油機共軌系統

W?rtsil? W32CR中速柴油機額定轉速為750 r/min，單缸功率460 kW，其共軌系統結構見圖2。它采用整體式單軌結構，由3只高壓油泵、3個蓄壓器和6支電控噴油器組成，每個蓄壓器連接2支噴油器，最高共軌壓力為150 MPa[2]。單體式高壓油泵將燃油壓入蓄壓器，蓄壓器間用高壓油管相連，以抑制系統壓力波動。

圖2 W?rtsil? W32CR型中速柴油機共軌系統結構

2.2 MAN Diesel &Turbo 柴油機高壓共軌系統

2.2.1 CR 1.6 高壓共軌系統

MAN Diesel &Turbo公司適用重油的MAN 32/44 CR型柴油機高壓共軌系統結構見圖3、4。采用獨特的3段式共軌管替代整體式單根共軌管，最高共軌壓力達160 MPa，解決了大缸徑船用柴油機整體式單根共軌管容易出現問題。

1)3段式共軌管的結構減少了每段共軌管的長度，對由溫度變化引起沿共軌長度方向的熱膨脹具有良好的適應性，燃油溫度的適用范圍為25～150 ℃。

2) 減小了整體式單根共軌管加工多個高壓油管連接孔產生的材料剪切力。

3) 不同缸數柴油機可采用靈活的共軌管長度相匹配。

4) 三段式共軌管可抑制燃油噴射引起的軌壓波動大，以減小燃油噴射誤差。

圖3 MAN 32/44 CR型船用中速柴油機的高壓共軌系統結構

2.2.2 新一代CR 2.2高壓共軌系統

MAN Diesel &Turbo新一代CR2.2高壓共軌系統[3],見圖4。對每缸來說，每只噴油器都配有1個外置蓄壓器，旨在將噴油導致的壓力波動降低至最小，從而保證噴油的穩定性和一致性。蓄壓器間是用高壓油管相連，高壓油泵通過法蘭安裝在蓄壓器下部，通過三作用凸輪(凸輪軸的每個凸輪均有3個凸輪桃，分別間隔120°，凸輪軸角轉動1轉凸輪頂起高壓油泵3次)驅動，其共軌壓力高達220 MPa。

圖4 新一代CR 2.2高壓共軌系統結構

2.3 Deutz 628柴油機的高壓共軌系統

Deutz 628 8缸直列柴油機的氣缸容積12.5 L，功率為2 MW, 最高轉速1 050 r/min[4],與之匹配的高壓共軌系統采用2段式共軌管結構(見圖5)，每段軌連接4支噴油器，軌和高壓油管均采用雙層壁結構來保證其安全。

圖5 Deutz 628柴油機的高壓共軌系統

一種更利于船用柴油機安裝布置和在用柴油機燃油噴射系統改造的新型共軌系統見圖6，它取消了共軌管，將蓄壓容積分布在噴油器蓄壓腔內(容積是噴油器每循環最大噴射量20～50倍)，帶有獨立蓄壓容積的噴油器通過直徑較細的高壓油管彼此連接。噴油器安裝時無需改動缸蓋結構，給在用柴油機燃油噴射系統的升級改造帶來便利。同時蓄壓腔總容積遠小于共軌管容積，燃油噴射產生的壓力瞬時波動在各蓄壓腔中得到抑制，限制了其在高壓油管中的傳播。

圖6 Deutz船用柴油機高壓共軌系統結構

2.4 MTU系列柴油機高壓共軌系統

MTU公司2000 CR型柴油機新一代高壓共軌系統結構見圖7。其最大特點是在每只噴油器頂部都有蓄壓腔，蓄壓功能不再由共軌管來實現，而是由蓄壓腔來完成，共軌的功能縮減為僅向蓄壓腔提供高壓燃油[5-6]。

圖7 MTU 2000 CR型柴油機新一代高壓共軌系統結構

2.5 Heinzmann船用中速機的高壓共軌系統

Heinzmann是船用柴油機領域能提供完整的高壓共軌系統產品的公司，所開發的共軌系統為多家柴油機廠商提供配套，覆蓋單缸功率從30～1 250 kW的柴油機，系共軌壓力高達220 MPa，輕柴油、重油均可適用。

Heinzmann可燃用重油的船用高壓共軌系統見圖8，其功能還包括：柴油機監控和診斷系統、完全冗余的柴油機調速系統、緊急停車系統、傳感器分配器，HPP和噴油器電磁閥切換開關、電源冗余等功能。

圖8 Heinzmann開發的可燃用重油的 船用高壓共軌電控燃油噴射系統

3 國內發展現狀

國內高壓共軌系統結構設計和控制策略等方面研究與世界先進水平的差距較大，目前尚無實機批量應用的船用柴油機高壓共軌系統。只有少數幾個研究機構和船用柴油機零部件生產企業具有開發船用柴油機高壓共軌系統樣品的能力，并未形成產業化生產規模。主要研究工作集中在共軌系統關鍵零部件的結構設計及特性仿真優化、共軌壓力及控制策略、共軌系統與柴油機優化匹配計算仿真等方面，尚未完全掌握電控單元開發、關鍵零部件的制造和共軌系統與柴油機匹配等方面的技術。中船重工集團第七一一研究所在CHD622V20型柴油機成功完成了高壓共軌系統的配機試驗，其共軌壓力達160 MPa。武漢理工大學建立了分段式船用中速柴油機高壓共軌系統的硬件在環仿真平臺，共軌壓力達160 MPa，為后續控制策略和基于模型的系統性能研究提供了試驗條件[7]。海軍工程大學[8-10]研究了新型雙壓共軌系統，雙壓共軌系統保留現有高壓共軌系統的主要部件，如電控噴油器、共軌管等，在共軌管與噴油器間增加1個燃油壓力增壓器，根據柴油機不同的工況，分別在兩種壓力下(基壓～100 MPa和超高壓200～250 MPa)向噴油器噴油，雙壓系統在油壓增壓器中采用串并聯油路，可以分別實現基壓供油、基-高壓順序供油和高壓供油等多種供油方式。柴油機運行時共軌管中保持基壓，與現有高壓共軌系統相比，提高了系統的可靠性，可實現船用柴油機全工況性能優化。

4 發展趨勢

4.1 超高的共軌壓力

目前，船用中速柴油機高壓共軌系統的共軌壓力普遍在130 MPa-160 MPa之間，為了使燃油更好的霧化，實現船用中速柴油機高效燃燒，高壓共軌系統的共軌壓力逐步由高壓朝著超高壓(≥200 MPa)方向發展。超高壓共軌系統對材料處理工藝及精加工水平提出了更高的要求，高壓油泵柱塞偶件、噴油器柱塞偶件的間隙需嚴格控制，以保證密封性能。噴油器進、出油量孔直徑、噴孔直徑的表面粗糙度等要求高，以保證較高的流量系數。高壓油管和共軌管均采用雙層壁結構來保證高壓共軌系統的安全可靠。

4.2 良好的適應性

各大廠商初期研發的船用柴油機高壓共軌系統的適應性較差，對燃油的品質和溫度有嚴格要求，這勢必造成用戶使用成本的上升。目前，隨著技術的不斷成熟，船用中速柴油機高壓共軌系統也逐漸適用于重油，對燃油溫度的敏感性也相應降低。

4.3 分布式的蓄壓腔結構

傳統的船用柴油機高壓共軌系統采用整體式或多段式共軌來保持壓力，無蓄壓器結構，船用柴油機較大的單缸循環噴油量將導致噴油器和共軌管內的壓力波動大，嚴重影響著各缸噴油的一致性。船用中速柴油機的高壓共軌系統逐步采用分布式的蓄壓腔結構，或位于噴油器頭部、或獨立于噴油器之外，各蓄壓腔間采用細小的高壓油管相連，從而抑制因燃油噴射引起的壓力波動的傳播，以提高噴油器噴油規律的一致性。

4.4 新一代壓電晶體式噴油器

與第二代螺線管電控噴油器相比，新一代壓電晶體式電控噴油器提高了響應速度，其關鍵元件是陶瓷壓電薄膜，在上電0.1 ms內就會發生晶體晶格畸變，動作十分迅速[12-13]。第三代壓電晶體式電控噴油器針閥響應幾乎無時間滯后，切換迅速精確，可重現性好且工作非常穩定。采用新一代壓電晶體式電控噴油器可實現燃油噴射的精準控制，實現船用柴油機的清潔、高效發展。

5 展望

綜上，船用柴油機高共軌系統朝著超高壓、分布式結構、良好的適應性、采用新一代電控噴油器和雙壓共軌系統的方向發展，具體表現如下。

1)共軌壓力從第一代的150 MPa最高升至250 MPa，對共軌系統的結構和材料提出了苛刻的要求。

2)最新的船用中速柴油機高壓共軌系統逐漸適應重油應用，對燃油溫度的適用范圍也更大。

3)用分布式容積取代整體式共軌，將容積分布至蓄壓腔或節點上，使得高壓共軌系統的安裝布置更加靈活，以有效抑制軌壓的波動，保證燃油噴油規律的一致與精準可控。

4)采用新一代壓電晶體式電控噴油器，實現對燃油噴射規律的精準控制，進一步降低燃油消耗率。

面對越來越嚴格的排放法規，清潔與高效逐漸成為船用柴油機發展的主旋律。當前，船用中速柴油機采用高壓共軌系統乃是大勢所趨，國外主流船用柴油機廠均已推出成熟的市場產品。我國在船用中速機高壓共軌系統研發和生產方面均處于追趕態勢，提升我國船用中速機高壓共軌系統技術水平應采取以下措施。

1)加大科研投入，積極開展船用中速柴油機高壓共軌系統設計、制造工藝研究；搭建船用高壓共軌系統測試臺架，為軌壓、噴油等控制策略研究提供試驗平臺。

2)制定船用中速柴油機高壓共軌系統技術標準，為船用中速柴油機高壓共軌系統的規劃、評估提供依據。

3)加強各大高校、研究所和企業的人才隊伍建設，為船用中速柴油機高壓共軌系統的持續發展提供保障。

4)加快船用中速柴油機高壓共軌系統在自主船用柴油機上的推廣與應用，從應用中了解客戶需求并發現不足，進行改進。