共轨燃油喷射系统在船用柴油机中的应用

2021-09-14李阳王文武孙启超张俊梅张晖

内燃机与配件 2021年17期

李阳王文武孙启超张俊梅张晖

摘要：根据环境保护部和国家质量监督检验检疫总局联合发布的GB15097-2016《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》中的规定，所有船机自2021年7月1日起排气污染物要满足第二阶段排放限值。因此在一款新设计的船机上采用高压共轨燃油喷射系统，利用共轨系统燃油喷射压力的产生独立于发动机转速，喷油时刻、喷油量、多次喷射柔性控制的特点，保证发动机燃油供给与调节系统之间在各个工况下，实现合理与精确的匹配，从而大大提高发动机动力性、经济性，排放及噪声方面的综合性能。

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.

关键词：共轨系统;船用柴油机;国二排放

Key words： common rail system;marine diesel engine;the two emission

中图分类号：U664.121.3 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）17-0222-02

0 引言

燃油供给系统是发动机的关键系统，其主要功能是及时、优质的为气缸内提供适量的燃料，以保证缸内混合气的形成与燃烧有效进行。目前船用柴油机多采用泵-管-嘴燃油系统，喷油泵由凸轮轴驱动，喷油压力及喷油时刻不能实现柔性控制，整机经济性及排放性指标不高。公司新开发一款船用柴油机采用高压共轨燃油喷射系统，可不受转速与负荷的影响，灵活控制喷油压力;燃油喷射采用电磁阀开启时间的控制方式，比较容易对喷油时刻与喷油持续期进行调节，并且能够实现较为理想的喷油规律，可大大提高发动机动力性、经济性等方面的综合性能。

1 燃油系统整体布置与系统构成（表1、图1）

1.1 电控系统

电控单元主要通过一系列传感器信号、通讯数字信号等输入，在内部运算单元做出优化的计算后，给执行器发出相应的驱动命令，让执行器完成相应的动作。主要控制功能包括起动、怠速、喷油压力、喷油量、喷油正时控制及发动机安保控制等。鉴于船用机特殊的使用环境，发动机安保功能与陆用机相比有更高的要求，共轨系统全电子控制可根据用户需求增加功能，进一步提高智能化控制水平。（表2）

共轨管的容积主要考虑最大循环油量和喷油时允许的压力下降幅值。

柴油机单缸循环油量按照下式计算：

式中：be-比油耗g/kWh，P-发动机功率kW，n-发动机转速r/min，ρ-柴油密度0.84g/cm3，Z-冲程系数0.5，i-气缸数6。

根据上述计算最大循环供油量约为：Vm=400mm3/循环，考虑喷油器回油约为循环喷油量的5%，因此设定每循环最大供油量约为420mm3。

共轨管的体积可按如下液体体积弹性模量公式计算：

式中：ΔP-压力波动量（不考虑高压油泵泵入燃油）（MPa），E-燃油的体积模量（MPa），ΔV-每循环喷油的总油量（mm2），V-高压燃油容积，包括高压油管的容积。

根据一般要求，取ΔP=Pmax*20%=32MPa，ΔV=Vm*1.3=520mm3，E=2870MPa，计算得容积V约47ml。容积V为所需的最小高压腔容积，包括了轨管内部容积和高压油管容积。高压油管（8X3X500）容积一般为20-30ml，取共轨管容积为25-30ml较合适，考虑系统轨压的稳定性确定轨管容积30ml。

1.2 共轨泵

共轨泵设计需要综合考虑整个运行范围内共轨泵供油效率、油量裕度，发动机峰值扭矩的限值。（表3）

试验结果表明，共轨泵在整个运行工况内供油效率高于80%，油量裕度大于1.3，满足发动机使用要求。

1.3 喷油器

1.3.1 喷油器几何尺寸确定

根据燃烧室、压缩比进行喷油嘴设计，确定喷嘴孔径、角度、孔径等基本尺寸。

1.3.2 有限元计算

分别对预紧工况、工作轨压160MPa、工作轨压180MPa、工作轨压200MPa进行有限元计算，结果表明在各工况下喷油器体安全系数最小部分均在横腔装配部位，安全系数1.5，满足使用要求;喷油器体与孔板的接触应力在400MPa以上，控制活塞偶件及针阀偶件均有间隙，运动不受影响，喷油器体线性变形在设计允许范围内。

2 试验标定与排放控制

2.1 轨压控制

通過控制系统、共轨泵、共轨管实现喷射压力独立控制，摆脱传统机械系统受发动机转速、负荷等限制。控制器控制共轨泵电磁阀开度实现进入柱塞油量控制，根据设定数据和轨压传感器反馈的当前轨压制，进行电控阀的开度调节，从而独立控制喷油压力。（图2）

2.2 喷射时刻控制

控制系统根据发动机爆发压力、排放物指标、油耗、排温等具体参数，可任意调整喷油时刻，来达到发动机最优状态。（图3）

2.3 排放

根据船机排气污染物第二阶段排放限值规定进行发动机各工况点标定。（表4）

试验表明：气体排放物指标均满足船机二阶段排放限值。

3 结论

共轨燃油喷射系统应用于船用柴油机，可实现柴油机排放升级，满足国家环保要求，同时智能化控制可降低人工成本，极具推广价值。

参考文献：

[1]周宝龙.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2005.