高压燃油共轨系统在船舶上的应用现状及优化

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　　[摘 要] 随着世界能源危机和环境污染的加重，为了节约能源、降低排放，使得柴油机电控喷射技术得到了飞速的发展。而高压共轨燃油喷射系统对既满足柴油机的经济性能，又实现低污染、低排放发挥了重要作用。本文介绍了高压共轨燃油喷射系统相对于传统燃油系统的优点；目前该系统在国际上的发展现状及在船舶柴油机上的应用情况。
　　[关键字] 高压共轨 船舶柴油机
　　[Abstract] As the world energy crisis and environment pollution increase, energy saving and emission reduction are making the engine electronic control injection technology rapidly developed. The high pressure common rail fuel injection system plays an important role in meeting both economic performance and achieving low emission. The article describes the advantage of the system compared to conventional fuel system; present situation and the maritime application.
　　[Key words] high pressure common rail system marine diesel engine
　　
　　柴油机以其低投入高产出在各领域得到广泛应用。但是, 随着柴油机数量的增加, 其排放与燃油经济性引起了人们的关注, 各国政府从20 世纪70 年代陆续开始出台了越来越严格的排放法规。2000 年推出的欧Ⅲ法规对柴油机的排放等指标又提出了更严格的要求。因此, 人们必须不断完善柴油机的性能, 以保护环境。随着对柴油机低油耗、高功率及降低排放、噪声、排烟等方面的要求日渐强烈, 传统的依靠凸轮机构组成的机械式柴油机燃油喷射系统因其控制自由度小、控制精度低、响应速度慢等固有的缺点, 已无法满足要求。所以在柴油机上应用电子控制技术已成为必然趋势。其中高压共轨燃油喷射系统以其高性能和低投入等优点得到了广泛应用。
　　一、高压共轨燃油喷射系统的排放优越性
　　
　　图1高压共轨燃油系统
　　传统机械式燃油喷射系统是将燃油用高压油泵压到较高的压力，并通过喷油嘴喷入气缸的燃烧室中，在其中与空气混合着火燃烧。在该燃油喷射系统中，喷油压力由转速和喷油量控制，供油量由喷油泵中的调速器及齿条控制。由于技术条件的限制，要想达到更高的排放标准，传统的机械式燃油喷射系统将无能为力。
　　在高压共轨燃油喷射系统中，高压供油泵向共轨提供压力油，而喷油量和喷油定时则由喷油器内部的高速电磁阀控制，燃油喷射系统控制单元ECU 根据操作者的命令和发动机所处的工况，通过控制共轨中的燃油压力和电磁阀的动作时间来实现喷油始点和终点以及喷油次数的控制。由此可见，高压共轨燃油喷射系统可实现系统喷射压力、喷油定时、喷油量和喷油规律的单独控制。与机械式燃油喷射系统相比，它的优势在于：
　　1.可实现高压喷射
　　高压共轨燃油喷射系统最显著的特点之一就是可实现高压喷射。高喷油压力可以保证燃油雾化良好，从而降低PM、CO、HC 的排放。机械式燃油喷射系统的喷射压力是通过转速、喷油量来调整的。由于不能保证高压喷射，容易导致雾化不良从而使PM、CO、HC 的排放量增加。例如发动机在高转速和高负荷下容易出现二次喷射，二次喷射的燃油以很低的压力喷入缸内，致使排烟增加。
　　2.保证准确的喷油定时
　　 喷油定时在很大程度上影响着污染物的排放。推迟喷油可以使NO的排放降低,但却有可能使CO和PM的排放增加。喷油定时对HC的排放也很敏感,存在一个最佳的喷油定时,提前或退后都将有可能增加HC的排放。所以,选择准确的喷油定时很重要,它可使排放达到一个折中的最佳值。然而，机械式燃油喷射系统是通过喷油泵和提前器来调整喷油定时的，它的调整范围和精度都受到了限制。在高压共轨燃油喷射系统中，喷油定时是由在高压共轨燃油喷射系统中，喷油定时是由ECU和喷油器控制。根据ECU送来的电子控制信号，喷油器将共轨内的高压燃油以最佳的喷油定时、喷油量、喷油率和喷雾状态喷入发动机的燃烧室中。
　　3.喷油率的优化控制
　　 在高压共轨燃油喷射系统中，喷油始点和喷油延续时间由指令脉冲决定，与转速及负荷无关，因此可以自由控制喷油时间，再加上可以灵活控制喷油压力，也就可以形成理想的预混燃烧。可以自由调节预喷射始点、主喷射始点、喷射终点；预喷射段的压力可以自由选择；主喷射开始后的压力升高率适当；能快速断油；喷油峰值压力可以灵活选择。燃料的充分燃烧可以降低CO、HC、PM 的排放，而尽可能缩短了滞燃期则可以降低NO的排放。
　　4.可以自由设定参数，自由度高
　　在高压共轨燃油喷射系统中，可以自由设定喷油嘴参数及其它各种参数，各个参数可以独立地满足相应的要求。在满足要求方面没有约束，自由度高。这些都是使燃油雾化良好，降低排放的必要条件[1]。
　　二、高压共轨燃油系统在船舶上的应用情况
　　1. Sulzer RT-flex型柴油机
　　目前船舶大型低速柴油机使用的燃油喷射系统是传统的机械式喷射系统。在喷油量一定的条件下,为了提高柴油机的经济性要求喷油(供油) 提前角适当增大些。然而为了降低柴油机NO 的排放, 要求喷油(供油) 提前角适当减小些。由于结构上的限制, 这种机械式燃油喷射系统不能同时满足柴油机发展的经济性和排放的要求。
　　 Wartsila NSD 作为二冲程柴油机技术的领先者,于1998 年研制出Sulzer RT - flex 大型船用柴油机电子控制共轨系统, 在RTX-3型技术示范机上演示成功。应用于大型船用柴油机的Sulzer RT-flex系统, 是世界上最大的共轨燃油喷射系统。第一代产品机Sulzer 6RT-flex58T-B于2001 年1 月成功地通过了装船检测。
　　 Sulzer RT-flex电控技术的核心是WECS9500 电子控制单元,其控制理论有: 最优控制、自适应控制、模糊控制、人工神经网络控制等。WECS9500电控单元得到传感器的各种信息后,经过综合判断处理,输出一路指令到高压油泵, 保持所需的共轨油压,另一路指令(与喷油正时、预喷油量、主喷油量等响应的控制脉冲)到喷油器上方的高速电磁阀。由于各个喷油器的控制是单独的,所以具有很大的灵活性,这体现在:(1)可自由选择喷射压力;(2)灵活的喷油定时控制;(3)可改变喷油率曲线形状或喷油速率;(4)按容积精确控制喷油量;(5)可实现高压喷射,对燃烧重油有很大适应性。由于Sulzer RT-flex 在高压喷射的前提下还能够根据柴油机的工作要求实现喷油量、喷油定时、喷油速率的控制,实现柴油机转速和负荷变化所有工况下的动态优化,因而能实现低污染排放[2]。
　　2. MAN-B&WS60ME-C智能型共轨柴油机
　　世界上在实船使用智能型共轨柴油机, 首推为苏尔寿RT- flex。当然,作为世界品牌的大型低速二冲程柴油机开发商MAN-B&W,也从1993 年开始研制开发智能型共轨柴油机,并于1997年在实船应用4T50MX 型智能型柴油机,在此基础上不断地研制和完善的软件开发,近几年已逐步被船东选用,如1999年由韩国现代船厂为瑞典Stena公司建造的超大型船舶VLCC(314,500dwt)就选用了双主机MAN-B&WS60ME-C智能型共轨柴油机。

　　MAN-B&WS60ME-C燃油共轨系统是每个缸设置燃油喷射泵(高压油泵),位置在气缸头同一层,高压油泵的柱塞驱动不是按传统驱动装置―鸡心凸轮,而是由动力滑油驱动活塞来带动柱塞上下运动, 动力滑油来自柴油机滑油系统,即柴油机滑油经主滑油滤器后分为两路:一路去正常的各轴承的润滑和活塞冷却;而另一路经细滤器后去柴油机自带增压泵(双头活塞泵)增压。增压后滑油达到高压( 20MPa 左右)排至各缸高压油泵的两只大储存器里,高压滑油系统一般保持横压,波动较小。各缸高压油泵的燃油喷射,是由电控阀NC快速控制高压滑油(动力油)的进、出,以驱动活塞快速上、下运动,带动高压油泵柱塞产生高压(75～120MPa)燃油,经油嘴喷射雾化; 电控电磁阀NC是由微处理器控制程序系统ECSP,根据柴油机状况分析系统ECA和控制系统OMCP的综合信息发出的指令而动作,因而其燃油共轨是驱动各缸高压油泵的动力滑油,这与苏尔寿RT-flex 燃油共轨有很大区别。苏尔寿RT-flex 燃油共轨是依靠多凸角凸轮( 由曲轴带动) 驱动一台高效高压油泵, 从而以预定的高喷射压力把足够量的燃油输送到气缸盖水平位置的高压燃油集管(共轨)[3] 。
　　三、船用高压共轨燃油喷射系统的优化
　　柴油机为了降低燃烧噪声，要求预喷；为了燃烧充分、降低排放和使微粒物捕集器得到再生，要求主喷之后补喷；为了燃油雾化良好，必须增加喷孔数目，缩小喷孔直径；要保证足够的喷油速率，就要提高喷油压力；而为了实现多次喷射，就要改进喷射系统的响应特性。这些要求决定了共轨喷油技术的优化方向。①提高喷油压力。②更小的喷孔直径；③多孔式喷油嘴；④压电式喷油器。压电执行器没有滞后时间；切换十分迅速而且精确，喷油嘴针阀的升程和速度可以自由地选择；可实现多重喷射，为喷油规律曲线形状的优化提供了更大的自由度；没有因设计造成的、以气隙之类的形式出现的偏差；寿命长，工作非常稳定等优点；⑤高精度快速响应智能型传感器的研制；⑥共轨燃油压力持续恒压反馈控制的进一步深入和完善；⑦采用先进的多次喷射的控制模式与算法；⑧安全保护与提高故障诊断及紧急运行能力的研究；⑨提高整个喷射系统的优化匹配；⑩提高提高整个喷射系统的优化匹配[4]。
　　四、结论
　　在高压喷射前提下根据工况需求实现喷油压力、喷油量、喷油定时和喷油速率的动态优化的柔性控制功能是柴油机燃油喷射系统发展的必然趋势。高压共轨燃油喷射系统通过对喷油要素的优化控制，使得柴油机的有害排放、噪声排放和冷起动性能得到了很大改善，大大增强了柴油机的竞争能力。高压共轨燃油喷射系统因其无与伦比的控制灵活性而必将成为未来船用低速柴油机燃油喷射系统的主要发展方向。
　　参考文献：
　　[1]王芳.高压共轨燃油喷射系统的排放优越性概评.鄂州大学学报[J], 2003,10(4).
　　[2]林晨阳,陆超凡.MAN-B＆WS60ME-C 智能型共轨柴油机.航海技术[J],2002(4).
　　[3]王昌庆，高压共轨柴油机电控开发系统的发展和实验研究，硕士毕业论文，2009
　　[4]王钧效，陆家祥，谭丕强，张锦杨.柴油机高压共轨燃油喷射系统的发展动态.内燃机[J],2001(5).

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