共軌燃油噴射系統(tǒng)在船用柴油機(jī)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(yàn)檢疫總局聯(lián)合發(fā)布的GB15097-2016《船舶發(fā)動機(jī)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(jī)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(jì)的船機(jī)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(dú)立于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，噴油時刻、噴油量、多次噴射柔性控制的特點(diǎn)，保證發(fā)動機(jī)燃油供給與調(diào)節(jié)系統(tǒng)之間在各個工況下，實(shí)現(xiàn)合理與精確的匹配，從而大大提高發(fā)動機(jī)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(jī);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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)柔性控制，整機(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)算單元做出優(yōu)化的計(jì)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(jī)安保控制等。鑒于船用機(jī)特殊的使用環(huán)境，發(fā)動機(jī)安保功能與陸用機(jī)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(jī)單缸循環(huán)油量按照下式計(jì)算：

式中：be-比油耗g/kWh，P-發(fā)動機(jī)功率kW，n-發(fā)動機(jī)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)需要綜合考慮整個運(yùn)行范圍內(nèi)共軌泵供油效率、油量裕度，發(fā)動機(jī)峰值扭矩的限值。（表3）

試驗(yàn)結(jié)果表明，共軌泵在整個運(yùn)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(jī)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(jì)，確定噴嘴孔徑、角度、孔徑等基本尺寸。

1.3.2 有限元計(jì)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(jì)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(yùn)動不受影響，噴油器體線性變形在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

2? 試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)噴射壓力獨(dú)立控制，擺脫傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)受發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等限制。控制器控制共軌泵電磁閥開度實(shí)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(dú)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(jī)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(jī)最優(yōu)狀態(tài)。（圖3）

2.3 排放

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

試驗(yàn)表明：氣體排放物指標(biāo)均滿足船機(jī)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(jī)，可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)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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