共軌燃油噴射系統在船用柴油機中的應用

李陽 王文武 孫啟超 張俊梅 張暉

摘要：根據環境保護部和國家質量監督檢驗檢疫總局聯合發布的GB15097-2016《船舶發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。因此在一款新設計的船機上采用高壓共軌燃油噴射系統，利用共軌系統燃油噴射壓力的產生獨立于發動機轉速，噴油時刻、噴油量、多次噴射柔性控制的特點，保證發動機燃油供給與調節系統之間在各個工況下，實現合理與精確的匹配，從而大大提高發動機動力性、經濟性，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.

關鍵詞：共軌系統;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? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）17-0222-02

0? 引言

燃油供給系統是發動機的關鍵系統，其主要功能是及時、優質的為氣缸內提供適量的燃料，以保證缸內混合氣的形成與燃燒有效進行。目前船用柴油機多采用泵-管-嘴燃油系統，噴油泵由凸輪軸驅動，噴油壓力及噴油時刻不能實現柔性控制，整機經濟性及排放性指標不高。 公司新開發一款船用柴油機采用高壓共軌燃油噴射系統，可不受轉速與負荷的影響，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期進行調節，并且能夠實現較為理想的噴油規律，可大大提高發動機動力性、經濟性等方面的綜合性能。

1? 燃油系統整體布置與系統構成（表1、圖1）

1.1 電控系統

電控單元主要通過一系列傳感器信號、通訊數字信號等輸入，在內部運算單元做出優化的計算后，給執行器發出相應的驅動命令，讓執行器完成相應的動作。主要控制功能包括起動、怠速、噴油壓力、噴油量、噴油正時控制及發動機安保控制等。鑒于船用機特殊的使用環境，發動機安保功能與陸用機相比有更高的要求，共軌系統全電子控制可根據用戶需求增加功能，進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油量和噴油時允許的壓力下降幅值。

柴油機單缸循環油量按照下式計算：

式中：be-比油耗g/kWh，P-發動機功率kW，n-發動機轉速r/min，ρ-柴油密度0.84g/cm3，Z-沖程系數0.5，i-氣缸數6。

根據上述計算最大循環供油量約為：Vm=400mm3/循環，考慮噴油器回油約為循環噴油量的5%，因此設定每循環最大供油量約為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，考慮系統軌壓的穩定性確定軌管容積30ml。

1.2 共軌泵

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

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

1.3 噴油器

1.3.1 噴油器幾何尺寸確定

根據燃燒室、壓縮比進行噴油嘴設計，確定噴嘴孔徑、角度、孔徑等基本尺寸。

1.3.2 有限元計算

分別對預緊工況、工作軌壓160MPa、工作軌壓180MPa、工作軌壓200MPa進行有限元計算，結果表明在各工況下噴油器體安全系數最小部分均在橫腔裝配部位，安全系數1.5，滿足使用要求;噴油器體與孔板的接觸應力在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計允許范圍內。

2? 試驗標定與排放控制

2.1 軌壓控制

通過控制系統、共軌泵、共軌管實現噴射壓力獨立控制，擺脫傳統機械系統受發動機轉速、負荷等限制。控制器控制共軌泵電磁閥開度實現進入柱塞油量控制，根據設定數據和軌壓傳感器反饋的當前軌壓制，進行電控閥的開度調節，從而獨立控制噴油壓力。（圖2）

2.2 噴射時刻控制

控制系統根據發動機爆發壓力、排放物指標、油耗、排溫等具體參數，可任意調整噴油時刻，來達到發動機最優狀態。（圖3）

2.3 排放

根據船機排氣污染物第二階段排放限值規定進行發動機各工況點標定。（表4）

試驗表明：氣體排放物指標均滿足船機二階段排放限值。

3? 結論

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

參考文獻：

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