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1、现代船机维修技术( 2 0 0 5 ) 新型船用柴油机电喷技术的优点及展望 王迎新，尹峰 ( 大连海事大学轮机工程学院，大连l1 6 0 2 6 ) 摘 要：机械武燃油喷射系统不能同时满足N O x 排放限制和经济性对燃油系统的要求，电子喷射系统可以解决这一难题 电子喷射系统是大型低速船用柴油机燃油系统的发展和研究方向电子喷射先进技术在船用低速机上将有更加广泛的应用 关键词：大型船用低速柴油机：燃油喷射系统；电子喷射 A d v a n c e m e n t sa n dD e v e l o p m e n to fD i g i t a i c o n t r o lF u e lI n
2、 j e c t i o nT e c h n i q u eo n M a r i n eD i e s e IE n g i n e W A N G Y i n g - x i n g , f i nF e n ) ( M a r i n ee n g i n e e r i n gc o l l e g e ，D a l i a nM a r i t i m eU n i v e r s i t y , D a l i a n l1 6 0 2 6 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：M e c h a n i c a lf u e li n j e c t i
3、o ns y s t e mC a l l tm e e tt h en e e d so fN O xd i s c h a r g el i m i ta n dt h ee c o n o m i cd e m a n ds i m u l t a n e o u s l y D i g i t a l - c o n t r o li n j e c t i o nt e c h n i q u ei sa b l et od e a lw i t ht h i sp r o b l e m ，w h i c hi s i st h ew a yf o rd e v e l o p i
4、 n ga n df o rr e s e a r c h0 nl a r g el o w s p e e dM a r i n ed i e s e lE n g i n e T h i sd e v e l o p e da n da d v a n c e dt e c h n o l o g yw i l lb ea p p l i e di nt h em a r i n el o ws p e e dd i e s e le n g i n ew i d e l y i nt h ef u t u r e K e yw o r d s ：l a r g el o ws p e e
5、 dm a r i n ed i e s e le n g i n e ；f u e li n j e c t i o ns y s t e m ；d i g i t a l - c o n t r o l 1 引言 目前，船用低速柴油机的燃油喷射系统绝大多数采用柱塞泵式燃油喷射系统及蓄压式喷射系统，这种 喷射系统很难保证柴油机在各种转速下均保持最佳的稳定供油，从而使喷射系统会因转速和负荷的变化而 出现二次喷射、断续喷射、不稳定喷射和低速运转时柴油机工作不可靠等诸多缺点。 、近年来，随着电控喷射技术在内燃机中的运用和发展，出现了基于电子控制技术的船用低速柴油机的燃 油电子喷射技术。可以对喷油定
6、时、气阀定时、喷油持续期、喷油压力、喷油规律等进行柔性调节，采用 该系统可以使柴油机的经济性、动力性和排放性能进一步提高。 2目前正在广泛使用的经典传统设计 回油孔终点调节式高压油泵是最常见的机械式高压然油泵，可以通过加大喷油提前角使柴油机在部分 负荷时也保持在较高的爆压下工作，这是改善柴油机部分负荷时经济性的有效方法。喷油量改变时相应地 改变喷射时间，V I T 机构就是在这种思想指导下设计开发的。 2 0 世纪8 0 年代以来，开始使用双针阀加压燃油白循环式喷油器。其设计虽使喷油器的结构略显复杂， 但取消了单独的冷却系统。 P e , c t 灌精露压力1 3 8 M P a I P H
7、- 一压力 图1 伞型密封高压油泵 图2 启阀压力喷油器 近十几年来，由带V I T 机构的高压油泵和双针阀加压燃油自循环式喷油器组成的燃油喷射系统在大型低 速柴油机上得到广泛的应用，对改善柴油机的经济性和可靠性起到了积极的作用。在此基础上又发展了伞 2 6 2 现代船机维修技术( 2 0 0 5 ) 型密封高压油泵( 如图l 所示) 和变启阀压力喷油器( 如图2 所示) 。 3 船用大型柴油机对燃油系统的新要求 2 1 排放限制对喷射系统的要求 目前，船用柴油机的排放物污染问题已是柴油机发展所面临的重大课题。国际海事组织( I M O ) ( ( M A R P O L7 3 7 8 公约关
8、于船舶造成大气污染的新附则中的规定，对船舶主机排放进行了严格的限制。 2 2 经济性、可靠性对喷射系统的要求 随着石油价格的上涨，船舶柴油机的燃油费用提高。在满足柴油机的可靠性的要求的基础上，人们对 柴油机的经济性提出了更高的要求。目前的船舶柴油机在全负荷时均有较高的经济性，但船舶柴油机全负 荷运营时间相对较少，而部分负荷运营时间相对长，因而确保柴油机在部分负荷下的经济性是船舶柴油机 所面临的问题。对于确定的柴油机来说，在部分负荷时，其经济性下降。根据燃烧理论，最有效而且简易 的提高柴油机在部分负荷下经济性的方法是调节其供油定时，即在部分负荷时，随着循环供油量的下降， 自动调整供油正时，保证柴
9、油机的最高爆压基本不变。同时在高负荷运转时要控制柴油机的最高爆压不要 超过标定值，以确保柴油机的可靠性。因此，随着负荷的变化，船舶柴油机燃油喷射系统供油正时必须随 着变化，只有这样才能满足柴油机的经济性、可靠性的要求。 2 3 机械喷射系统的局限性 传统的机械式喷射系统，在喷油量一定的条件下，靠适当增大喷油( 供油) 提前角措施来提高柴油机 的经济性：然而为了降低柴油机N O x 的排放，要求适当减小喷油( 供油) 提前角。由于结构上的限制，机 械喷射系统不能同时满足柴油机发展的经济性和排放的要喷油( 供油) 提前角。 目前机械喷射系统的可变正时机构结构复杂，在使用过程中准确性和可靠性都不够理
10、想，同时供油正 时、供油规律在使用过程中由于机件磨损而发生变化。因而机械式喷射系统难以满足柴油机经济性、可靠 性的发展要求。 传统的柴油机都是由凸轮控制各种定时，当柴油机偏离额定工况工作时，柴油机经济性均会受到影响： 4 电子喷射系统能适应现代化要求及其优点 共轨喷射技术是指在共轨高压油泵、压力传感器和EcU ( 柴油机控制单元) 组成的闭环系统中，将 燃油喷射压力的产生和燃油的喷射过程彼此完全分开的种新型供油方式。它是由共轨高压油泵把高压燃 油输送到燃油系统的共轨油管，通过油压控制元件对共轨油管内的燃油压力实现精确控制，使共轨油管压 力大小与发动机的转速无关，燃油压力在系统连续工作时能保持基
11、本恒定，这样就可以大幅度减小柴油机 供油压力随发动机转速变化的缺陷1 2 】。共轨喷射系统主要包含以下几方面的优点： 3 1 优化柴油机综合性能 共轨系统中的喷油压力是柔性可调的，这样就可以根据船舶不同工况确定燃油喷射系统所需要的最佳 喷射压力，从而实现优化柴油机的综合性能。 3 2 燃烧过程易于控制能同时满足船舶大型低速柴油机的经济性和排放的要求 如图3 所示，在燃烧的前期燃油燃烧速度快，放热率大，导致燃气温度高，从而使燃气中的N O x 量相对 增加。如采取减小喷油提前角来降低N O x ，由于结构的限制，则整个燃烧过程较长，后燃严重，从而导致 柴油机的经济性降低。而电子喷射系统能够精确控
12、制喷油时间、喷油速率来控制燃烧过程，从而达到控制 排气中的N O x 量和提高经济性的目的。 3 3 电子喷射系统适应性强 电子喷射系统能够根据外界条件随时调整喷油时间、喷油持续时间及喷射压力，获得最佳喷射效果( 如 图4 所示) ，改善了柴油机低速性能和加速性能。电子喷射系统对柴油机的转速依赖较少，能够保证柴油 机在低负荷、低转速的条件下，保持适当的喷油压力，提高了柴油机的低速性能。柴油机加速时，电子喷 射系统能够迅速增加喷油量的同时改变喷射压力保持燃油的良好的雾化，改善燃烧，从而保证柴油机具有 良好的加速性能。良好的适应性能保证了柴油机在各种条件下都能可靠、有效地按设计的要求工作，从而 现
13、代船机维修技术( 2 0 0 5 ) 能够满足经济性和N O x 排放的要求。 3 4 减轻柴油机的振动 电控喷射系统由电磁阀控制喷油，控制精度高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，在柴油机 运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴油机的振动，柴油机的最低稳定 转速能达到柴油机额定转速的1 0 2 0 。 图3 燃烧控制过程图4 最佳喷射效果 3 5 结构简化，运动件减少，增加柴油机的可靠性，制造成本降低 电子喷射可取代传统的燃油凸轮轴、单体式喷油泵等机构、减少运动部件，简化柴油机的结构，增加 柴油机的可靠性。一些用于电子喷射系统的控制和监测的仪器和设备可省去，
14、降低船舶的制造成本。由于 电子设备的可靠性比机械设各的可靠性好，故障率低，反而减少船员日常管理量，减低船员的劳动强度。 3 6 延长柴油机检修周期 良好的燃烧控制减少结炭，减轻柴油机的磨损，延长柴油机吊缸检修周期。 5电控喷油系统( 电控共轨) 的不足与改进措施 电控共轨柴油机( 图5 为S U L Z E RR T F l e x 柴油机的共轨系统) 的出现是柴油机技术上的又一次重大革 命，但还存在一些不足之处，这也是未来共轨柴油机的研究方向1 3 4 】。 图5S U L Z E RR T F I e x 柴油机的共轨系统 给公共油轨输油的轴带泵，刚起动时转速较低，轨压波动，影响共轨系统的
15、工作状况。有人提出把油 轨的给油泵全部片j 电动机提供动力，这样给油泵的转速不再受主机的影响，则控制效果提高。 共轨系统伺服油来自柴油机滑油循环柜，润滑油的粘度、P H 值等参数会发生变化。而对共轨系统的伺 服油质量要求严格，以防滤器堵塞、电磁阀动作受影响等。如果把共轨系统的伺服油设计成一个独立的系 统，增加一套滑油的冷却、净化系统，将会使共轨系统的管理更加方便。 电控共轨柴油机仅把排气阀作了优化控制，对于进气、扫气未进行优化，整个换气过程还未达到最优 化。优化各缸进气的压力、温度、流量，必将更有利于柴油机性能的提高。 加人对新型传感器的研发。目前，用于采集信号的传感器由于受到外界振动、噪音的
16、干扰而使得其灵 敏性及准确性均存在一定的局限性。采用先进的控制模式及提高控制软件的功能，建立完备的诊断与报警 系统。提高整个喷油系统的可靠性，降低制造成本。研发新型的电磁阀。 6 结论 随着电子技术的不断发展，燃油共轨喷射系统将会广泛应用于船舶大型低速柴油机，目前，世界各大 2 6 4 现代船机维修技术( 2 0 0 5 ) 船舶柴油机公司都在进行电子控制共轨系统柴油机的研究。在大缸径低速二冲程柴油机的研制方面， W a r t s i l a 、M A N B & w 等公司已经相继推出了配有电子控制的共轨柴油机，且已投入使用。此外，三菱重 工也对该项技术特别重视，除了开发燃油喷射系统和排气阀驱动系统外；还在开发发电柴油机总体电子控 制系统。 电子控制共轨系统的使用可使N O x 排放符合公约的要求并进一步改善船舶大型柴油机的经济性、可靠 性。未来的船舶推进动力装置，智能化程度高，控制灵活优化，可以用模糊控制方式，减轻轮机管理人员 的劳动强度和减少船上人员配备。所以，电控共轨燃油喷射系
