船用中速柴油机高压共轨燃油系统特性分析

王勤鹏 王英杰 杨建国 辛 东 余永华

(武汉理工大学能源与动力工程学院1) 武汉 430063) (船舶动力工程技术交通行业重点实验室2) 武汉 430063)

0 引 言

高压共轨燃油喷射技术对缸内燃油雾化效果和混合气的形成影响显著，较高的燃油喷射压力可使油液破碎更加细化，显著缩短缸内燃烧的滞燃期，提升扩散燃烧期的油气混合速度，有效降低氮氧化物排放，其已成为降低柴油机燃油消耗率和排放污染的重要机内净化技术之一[1-2].文献[3]对船用发动机排放做了明确要求，开展船用中速柴油机高压共轨燃油系统特性分析研究，可为船用中速柴油机旧机改造(机械式喷油系统改造为高压共轨喷射系统)技术，以及内河船用发动机低排放控制技术研究提供机内排放最小化技术支撑.

国外船用高压共轨燃油喷射技术较为成熟，共轨腔内压力普遍维持在120～160 MPa.船用高压共轨电控中、高速柴油机著名制造商都有相应的产品实船应用[4-6].国内在船用柴油机高压共轨燃油喷射系统方面的研究起步较晚，在其结构设计、加工工艺，以及控制策略等方面与世界先进水平的差距较大，国内相关的研究所及高校如中船重工第七一一研究所、武汉理工大学、海军工程大学和无锡油泵油嘴研究所等单位均已展开了中、高速船用柴油机高压共轨燃油喷射术的相关研究，研究主要集中在共轨电控喷射系统的开发和标定、零部件的优化调整、燃油匹配，以及特性分析和燃油系统仿真计算等方面，有关机械式喷油向高压共轨式喷油系统改造方面的研究较少[7-9].

本文研究在保持原目标柴油机进排气系统、气缸结构参数，以及其他辅助系统不变的情况下，以共轨式喷油系统替换原机械式的燃油喷射系统，实现船舶柴油机机械式喷油向高压共轨式喷油系统的改造.以MAN 6L16/24船用中速柴油机为研究对象，在满足原机结构空间合理利用的前提下，为了保证共轨压力稳定，采用“分段式”船用中速机高压共轨燃油喷射系统(额定工况轨压160 MPa)的系统结构.在开展相关研究的过程中，建立了原机械式燃油喷射系统仿真模型，利用经验证的机械式燃油喷射系统仿真模型的计算结果，设计并建立高压共轨燃油喷射系统仿真模型，同时对两个仿真模型进行了对比，分析了高压共轨燃油喷射系统的性能，并研究了共轨轨腔容积参数对系统特性的影响，提出了不同轨腔容积的设计方案.

1 机械式燃油喷射系统仿真计算

仿真对象柴油机的主要技术参数见表1.

表1 船用中速油机主要技术参数

机械式燃油喷射系统的燃油经过燃油滤清器后由低压油泵输送到高压油泵进口端，高压油泵通过凸轮轴驱动带动柱塞压缩吸入燃油，通过燃油系统的高压油管，将一定压力的燃油送到各气缸喷油器入口处，待喷射的燃油压力超过喷油器针阀启阀压力时，燃油以细化油粒的方式通过喷油嘴以一定的喷射锥角注入到气缸内进行燃烧.根据机械式燃油喷射系统结构和工作原理，将整个机械式燃油喷射仿真模型划分为喷油泵模块，喷油器模块以及出油阀模块利用HYDSIM软件建立的仿真模型见图1.

图1 机械式燃油喷射系统模型

通过专业机械式燃油喷射系统试验台来验证机械式喷射系统仿真模型的正确性和计算结果的准确性.试验台架原理图和实物图见图2.

图2 机械式喷射系统试验台架

以高压油管的出口端压力对比为例，不同调速器位下仿真数据与试验数据的对比见表2.模型仿真计算结果与试验结果误差在2%范围以内，达到了预期精度，验证了仿真计算方法的正确性，可进行相关机械式喷射系统特性研究.

表2 仿真结果与试验结果

基于机械式燃油系统的仿真模型，计算柴油机额定负荷和部分负荷下的喷油特性，额定工况下的喷油特征参数见表3.

表3 机械式燃油系统喷射特性

2 高压共轨燃油喷射系统概念设计

根据原机装配特点，为了使设计系统的安装尺寸与原机适配，采用两台高压燃油油泵和三段共轨管的方式，高压共轨燃油喷射系统的总体结构见图3.

图3 高压共轨燃油喷射系统总体结构

高压共轨燃油喷射系统的高压燃油泵采用轴向柱塞泵的结构，利用燃油泵进油端比例阀开度的变化来改变燃油泵进口流通面积进而达到高压燃油泵的供油量调节的目的.为了达到与原机相同的额定功率，同时提高燃油轨压力的稳定性，燃油泵采用“三作用”型凸轮，凸轮轴旋转一周，可驱动燃油泵的柱塞往复运动三次，降低其驱动转矩峰值，实现负荷的均匀分布，减小转矩波动振幅，进而改善高压共轨燃油系统的振动和噪声.根据高压燃油泵的工作原理和概念设计的结构参数，建立的高压油泵三维结构模型，见图4.

电控喷油器由喷油器体、喷嘴、液压控制腔、衔铁、电磁阀线圈、节流孔、挺杆及针阀耦件等部件组成，其三维结构模型见图5[10].

图4 高压油泵三维结构示意图

图5 电控喷油器三维结构示意图

共轨总成由共轨管、轨压传感器、限压阀，限流器等部件组成，其三维结构见图6.共轨总成储存形成的高压燃油，并向各气缸内电控喷油器分配高压燃油，在进行燃油喷射时起到稳定喷射压力的作用.共轨总成中在共轨管和电控喷油器之间集成了限流器，以防止出现油管破裂或喷油器不闭合等故障；在一侧的共轨管端安装了高压溢流阀，防止共轨系统内燃油压力过高，超过整个系统所能承受的安全压力，以维持高压共轨系统的安全.

图6 共轨总成三维结构示意图

3 高压共轨燃油喷射系统仿真计算

根据由简入繁、循序渐进的原则，利用HYDSIM仿真软件在建立高压共轨燃油喷射系统性能仿真模型.在进行系统建模时，进行以下的条件假定.①假定高压共轨燃油喷射系统工作时，系统内的温度为一定值，无热量传递，仿真计算忽略热力相关的计算；②假定高压共轨燃油喷射系统内回油腔为恒压源；③假定高压共轨燃油系统内的各部件工作时不发生弹性变形；④在仿真模型中，忽略压力传播时间，假定单个腔室内的压力相同；⑤将电控喷油器中的电磁阀简化为开关阀；⑥在仿真模型中忽略平面密封和锥面密封因加工精度而造成的泄漏.

建立的高压共轨燃油喷射系统性能仿真模型，见图7.

图7 高压共轨燃油喷射系统性能仿真模型

基于建立的高压共轨燃油喷射系统性能仿真模型，按照柴油机发火顺序开展相关仿真计算，同步高压燃油泵和电控喷油器的供、喷时刻，并均衡系统的供油量、喷射油量和泄露油量.在进行仿真计算时，高压燃油泵柱塞开始上升时(凸轮型线零点)对应的凸轮转角被设定为仿真的零点位置，计算得到的共轨系统性能参数主要包括柴油机各工况下各段共轨管内的压力、燃油泵泵腔压力、燃油泵供油量、电控喷油器喷油量、喷雾锥角、喷射贯穿距，控制腔压力以及蓄压腔压力等.由于本文篇幅所限，只介绍柴油机额定工况(转速1 000 r/min、轨压160 MPa)下共轨系统的相关性能.

1) 共轨管内压力波动 仿真模型计算得的柴油机额定工况下三段共轨轨腔内的压力波动见图8.

图8 共轨管内压力波动

根据以上计算结果，提取了柴油机额定工况下(转速1 000 r/min、轨压160 MPa)三段轨内的压力波动的特征参数，见表4.

表4 三段轨腔内压力波动特征值 MPa

2) 高压燃油油泵仿真特性 高压共轨系统中有两个高压燃油泵，其结构参数和安装尺寸一致，两者供油角度相差60°凸轮转角.利用仿真模型得到的柴油机额定工况下高压油泵泵腔压力和凸轮赫兹应力见图9.

图9 高压燃油泵泵腔压力和凸轮赫兹应力

仿真计算得到的高压油泵特性参数见表5，泵腔供油压力大于160 MPa，凸轮计算的赫兹应力为1 676.48 MPa，在设计需要满足许用赫兹应力1 900 MPa以内，设计满高压油泵的供油量、安全以及使用寿命的要求.

3) 燃油喷射仿真特性 以仿真计算得到的第一缸电控喷油器特性参数为例，其喷油油粒直径、控制室压力、蓄压腔压力、喷雾锥角和燃油贯穿距等喷射特性参数见图10.

表5 高压油泵供油特征参数

图10 第一缸电控喷油器特性参数

根据仿真结果，提取与电控喷油器燃油喷射特性相关参数见表6.

将高压共轨燃油喷射特性参数与机械式燃油系统喷射参数相比较，额定工况下高压共轨燃油喷射系统喷油时间缩短，燃油喷射压力显著提高，喷油油粒直径较机械式燃油系统小的多，喷射雾化均匀，可以预测高压共轨燃油系统柴油机的燃烧性能和排放性能会更好.

表6 电控喷油器喷射特性

4 高压共轨管结构参数优化

利用已建立的高压共轨燃油喷射系统仿真模型型，进行关键结构参数对各部件或系统性能影响的研究，其中包括高压油泵结构参数，共轨管结构参数，高压油管结构参数，喷油器结构参数等各种参数，但是由于其中喷油器是根据柴油机的性能需求所选型的，而高压油泵是根据共轨系统的容积和喷油器的喷油和回油等参数进行匹配计算确定的.在高压油泵和喷油器的大致结构参数基本确定的前提下，共轨管作为共轨系统燃油的存储单元，共轨管内高压燃油的传递波动对共轨压力的波动的影响最大，并且直接影响共轨系统的性能.同时由于篇幅所限，文中只介绍不同轨腔容积下对共轨系统性能的影响.

共轨管储存高压燃油，起到稳定燃油喷射压力的作用，不同的轨腔容积会影响轨压建立的时间，还会影响轨内压力的波动，轨腔容积是进行高压共轨燃油喷射系统设计时需重点研究的参数.基于共轨系统拟匹配柴油机的安装空间和布局的限制，在保持共轨管长度不变的情况下，研究改变共轨管直径时其腔室内的压力波动状况.仿真计算方案为，设定共轨管内腔长度为220 mm，轨腔直径分别设定为28，32，36，38和40 mm，计算得到的不同轨腔容积下共轨管1和共轨管2内压力波动幅度变化见图11.通过对仿真计算数据的分析，得到以下结论：当轨腔容积相同时，共轨管2内的压力波动小于共轨管1；随着轨腔容积不断增加，共轨管2内压力波动不断减小，共轨管1内压力波动总体呈下降趋势，当管内直径大于38 mm时，压力波动反而增加.

图11 不同容积下共轨管1和2内压力波动幅度

共轨管内的平均压力波动随共轨管直径的变化见图12，随着共轨管直径增加，轨腔内平均压力波动随之减小.

图12 共轨系统平均压力波动

船用高压共轨系统中共轨管内压力的波动应被控制在设定目标压力值的3.5%即11.2 MPa之内，即在额定工况的160 MPa压力下，其压力波动应当在11.2 MPa以内.由于本文的高压共轨系统采用了分段式设计结构，每段轨腔内压力不尽相同，轨压传感器安装在不同的位置，反馈的轨压数值也不一样，因此可采用两种共轨管容积的设计方案.

1) 如果以共轨管2的压力作为整个共轨系统压力优化目标，则可选的共轨管内径为28～32 mm.此方案的共轨管1和共轨管3压力波动超出了目标值1～2 MPa，但在相同的喷射脉宽下，各缸喷油器循环喷油量相差在1%以内.且各喷油器喷油率相差也较小，见图13.

图13 喷油器的喷油率曲线

2) 如果以共轨管1压力或共轨管3压力或各段轨的平均轨压为优化目标，则共轨容积应选取的大一些，共轨管内径选36～38 mm较为合适，此时单个共轨腔的容积为223.8～249.3 mL.

5 结 束 语

以MAN 6L16/24机械式喷射系统的船用中速柴油机为研究对象，建立其机械式燃油喷射系统的性能仿真模型，利用油泵试验台架的数据验证了仿真模型建模方法的合理性和正确性.在分析机械喷射系统性能的基础上，设计了额定工况轨压为160 MPa的“分段式”高压共轨燃油喷射系统，建立了基于-机-液-电-磁的高压共轨燃油喷射系统仿真模型，分析了高压共轨燃油喷射系统的性能特征，研究了轨腔容积对系统特性的影响，对高压共轨管结构参数进行了优化分析，提出了工程化研制的轨腔容积优化方案.