船用中速柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

楊強(qiáng)1，楊建國23

(1.工業(yè)和信息化部產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)中心, 北京 100036；2.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063；3.船舶與海洋工程動力系統(tǒng)工程國家低速機(jī)電控系統(tǒng)實驗室，武漢 430063)

船用柴油機(jī)是船舶的主要動力源，占據(jù)將近95%的市場份額。船用柴油機(jī)排放物主要為NOx和SOx，其中NOx占世界排放總量的18%～30%，SOx占世界排放總量的9%。SOx主要來源于燃油中的硫分，采用低硫油或硫固化措施能極大減小硫排放。針對NOx排放引起的嚴(yán)重環(huán)境污染問題，國際海事組織(IMO)出臺了國際性防止船舶造成空氣污染法規(guī)—《船舶防污公約附則VI-修訂版》，其中對NOx排放制定了嚴(yán)格限制值，見表1。

表1 IMO NOx排放限制

其中，Tier II 階段NOx排放要求比Tier I 階段下降16%～20%，可采用機(jī)內(nèi)凈化措施達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)；Tier III 階段(排放控制區(qū))NOx排放要求比Tier I 階段降低約80%，則必須采用機(jī)后處理方法來實現(xiàn)。IMO制定的防止船舶造成空氣污染法規(guī)，無疑對當(dāng)前船用柴油機(jī)提出了新的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，機(jī)內(nèi)凈化的主要措施之一是采用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，高壓噴射帶來了良好的燃油霧化，柴油機(jī)全工況柔性可控的燃油噴射，改善了缸內(nèi)燃燒過程，降低了噪聲和排放,因此，有必要對國、內(nèi)外的船用中速柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，為我國研發(fā)自主船用中速柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)提供參考。

1 柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展

柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)，從機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)發(fā)展到當(dāng)前的電控式燃油系統(tǒng),經(jīng)歷了100年的發(fā)展，見表2。電控式燃油系統(tǒng)又包括電控直列泵系統(tǒng)、電控分配泵系統(tǒng)和電控共軌燃油噴射系統(tǒng)等。其中電控共軌燃油噴射系統(tǒng)的共軌壓力由最初的中壓(40～50 MPa)發(fā)展到現(xiàn)在的高壓(130～160 MPa)，故稱高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)。它通過凸輪帶動高壓油泵給共軌管供油，共軌管內(nèi)維持高壓，通過高壓油管連接噴油器進(jìn)行燃油噴射，實現(xiàn)了柴油機(jī)在全工況下的柔性噴射控制。

表2 柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的發(fā)展歷史

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的主要組成部件見圖1。

圖1 典型高壓共軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

船用柴油機(jī)共軌系統(tǒng)不同的技術(shù)特點[1]：①船用柴油機(jī)循環(huán)供油量大，在將燃油噴射過程的壓力波動控制在一定范圍難度大，同時給燃油量的精準(zhǔn)控制造成困難；②船用柴油機(jī)是船舶的動力心臟，一旦發(fā)生故障將產(chǎn)生嚴(yán)重后果，因此，共軌系統(tǒng)的安全保護(hù)措施更加嚴(yán)格；③船上機(jī)電設(shè)備繁多，共軌系統(tǒng)電控單元受到的電磁干擾強(qiáng)，共軌系統(tǒng)電控單元的硬件抗干擾設(shè)計要求更高；④船用柴油機(jī)使用的燃油品質(zhì)差，要求共軌系統(tǒng)可高壓使用劣質(zhì)燃油運行，要求共軌系統(tǒng)的適應(yīng)性好。

2 國外典型的船用中速柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)

2.1 W?rtsil?公司的中速柴油機(jī)共軌系統(tǒng)

W?rtsil? W32CR中速柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速為750 r/min，單缸功率460 kW，其共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。它采用整體式單軌結(jié)構(gòu)，由3只高壓油泵、3個蓄壓器和6支電控噴油器組成，每個蓄壓器連接2支噴油器，最高共軌壓力為150 MPa[2]。單體式高壓油泵將燃油壓入蓄壓器，蓄壓器間用高壓油管相連，以抑制系統(tǒng)壓力波動。

圖2 W?rtsil? W32CR型中速柴油機(jī)共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 MAN Diesel &Turbo 柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)

2.2.1 CR 1.6 高壓共軌系統(tǒng)

MAN Diesel &Turbo公司適用重油的MAN 32/44 CR型柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3、4。采用獨特的3段式共軌管替代整體式單根共軌管，最高共軌壓力達(dá)160 MPa，解決了大缸徑船用柴油機(jī)整體式單根共軌管容易出現(xiàn)問題。

1)3段式共軌管的結(jié)構(gòu)減少了每段共軌管的長度，對由溫度變化引起沿共軌長度方向的熱膨脹具有良好的適應(yīng)性，燃油溫度的適用范圍為25～150 ℃。

2) 減小了整體式單根共軌管加工多個高壓油管連接孔產(chǎn)生的材料剪切力。

3) 不同缸數(shù)柴油機(jī)可采用靈活的共軌管長度相匹配。

4) 三段式共軌管可抑制燃油噴射引起的軌壓波動大，以減小燃油噴射誤差。

圖3 MAN 32/44 CR型船用中速柴油機(jī)的高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.2 新一代CR 2.2高壓共軌系統(tǒng)

MAN Diesel &Turbo新一代CR2.2高壓共軌系統(tǒng)[3],見圖4。對每缸來說，每只噴油器都配有1個外置蓄壓器，旨在將噴油導(dǎo)致的壓力波動降低至最小，從而保證噴油的穩(wěn)定性和一致性。蓄壓器間是用高壓油管相連，高壓油泵通過法蘭安裝在蓄壓器下部，通過三作用凸輪(凸輪軸的每個凸輪均有3個凸輪桃，分別間隔120°，凸輪軸角轉(zhuǎn)動1轉(zhuǎn)凸輪頂起高壓油泵3次)驅(qū)動，其共軌壓力高達(dá)220 MPa。

圖4 新一代CR 2.2高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 Deutz 628柴油機(jī)的高壓共軌系統(tǒng)

Deutz 628 8缸直列柴油機(jī)的氣缸容積12.5 L，功率為2 MW, 最高轉(zhuǎn)速1 050 r/min[4],與之匹配的高壓共軌系統(tǒng)采用2段式共軌管結(jié)構(gòu)(見圖5)，每段軌連接4支噴油器，軌和高壓油管均采用雙層壁結(jié)構(gòu)來保證其安全。

圖5 Deutz 628柴油機(jī)的高壓共軌系統(tǒng)

一種更利于船用柴油機(jī)安裝布置和在用柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)改造的新型共軌系統(tǒng)見圖6，它取消了共軌管，將蓄壓容積分布在噴油器蓄壓腔內(nèi)(容積是噴油器每循環(huán)最大噴射量20～50倍)，帶有獨立蓄壓容積的噴油器通過直徑較細(xì)的高壓油管彼此連接。噴油器安裝時無需改動缸蓋結(jié)構(gòu)，給在用柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的升級改造帶來便利。同時蓄壓腔總?cè)莘e遠(yuǎn)小于共軌管容積，燃油噴射產(chǎn)生的壓力瞬時波動在各蓄壓腔中得到抑制，限制了其在高壓油管中的傳播。

圖6 Deutz船用柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4 MTU系列柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)

MTU公司2000 CR型柴油機(jī)新一代高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖7。其最大特點是在每只噴油器頂部都有蓄壓腔，蓄壓功能不再由共軌管來實現(xiàn)，而是由蓄壓腔來完成，共軌的功能縮減為僅向蓄壓腔提供高壓燃油[5-6]。

圖7 MTU 2000 CR型柴油機(jī)新一代高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.5 Heinzmann船用中速機(jī)的高壓共軌系統(tǒng)

Heinzmann是船用柴油機(jī)領(lǐng)域能提供完整的高壓共軌系統(tǒng)產(chǎn)品的公司，所開發(fā)的共軌系統(tǒng)為多家柴油機(jī)廠商提供配套，覆蓋單缸功率從30～1 250 kW的柴油機(jī)，系共軌壓力高達(dá)220 MPa，輕柴油、重油均可適用。

Heinzmann可燃用重油的船用高壓共軌系統(tǒng)見圖8，其功能還包括：柴油機(jī)監(jiān)控和診斷系統(tǒng)、完全冗余的柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)、傳感器分配器，HPP和噴油器電磁閥切換開關(guān)、電源冗余等功能。

圖8 Heinzmann開發(fā)的可燃用重油的 船用高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)

3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制策略等方面研究與世界先進(jìn)水平的差距較大，目前尚無實機(jī)批量應(yīng)用的船用柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)。只有少數(shù)幾個研究機(jī)構(gòu)和船用柴油機(jī)零部件生產(chǎn)企業(yè)具有開發(fā)船用柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)樣品的能力，并未形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模。主要研究工作集中在共軌系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及特性仿真優(yōu)化、共軌壓力及控制策略、共軌系統(tǒng)與柴油機(jī)優(yōu)化匹配計算仿真等方面，尚未完全掌握電控單元開發(fā)、關(guān)鍵零部件的制造和共軌系統(tǒng)與柴油機(jī)匹配等方面的技術(shù)。中船重工集團(tuán)第七一一研究所在CHD622V20型柴油機(jī)成功完成了高壓共軌系統(tǒng)的配機(jī)試驗，其共軌壓力達(dá)160 MPa。武漢理工大學(xué)建立了分段式船用中速柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真平臺，共軌壓力達(dá)160 MPa，為后續(xù)控制策略和基于模型的系統(tǒng)性能研究提供了試驗條件[7]。海軍工程大學(xué)[8-10]研究了新型雙壓共軌系統(tǒng)，雙壓共軌系統(tǒng)保留現(xiàn)有高壓共軌系統(tǒng)的主要部件，如電控噴油器、共軌管等，在共軌管與噴油器間增加1個燃油壓力增壓器，根據(jù)柴油機(jī)不同的工況，分別在兩種壓力下(基壓～100 MPa和超高壓200～250 MPa)向噴油器噴油，雙壓系統(tǒng)在油壓增壓器中采用串并聯(lián)油路，可以分別實現(xiàn)基壓供油、基-高壓順序供油和高壓供油等多種供油方式。柴油機(jī)運行時共軌管中保持基壓，與現(xiàn)有高壓共軌系統(tǒng)相比，提高了系統(tǒng)的可靠性，可實現(xiàn)船用柴油機(jī)全工況性能優(yōu)化。

4 發(fā)展趨勢

4.1 超高的共軌壓力

目前，船用中速柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)的共軌壓力普遍在130 MPa-160 MPa之間，為了使燃油更好的霧化，實現(xiàn)船用中速柴油機(jī)高效燃燒，高壓共軌系統(tǒng)的共軌壓力逐步由高壓朝著超高壓(≥200 MPa)方向發(fā)展。超高壓共軌系統(tǒng)對材料處理工藝及精加工水平提出了更高的要求，高壓油泵柱塞偶件、噴油器柱塞偶件的間隙需嚴(yán)格控制，以保證密封性能。噴油器進(jìn)、出油量孔直徑、噴孔直徑的表面粗糙度等要求高，以保證較高的流量系數(shù)。高壓油管和共軌管均采用雙層壁結(jié)構(gòu)來保證高壓共軌系統(tǒng)的安全可靠。

4.2 良好的適應(yīng)性

各大廠商初期研發(fā)的船用柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)的適應(yīng)性較差，對燃油的品質(zhì)和溫度有嚴(yán)格要求，這勢必造成用戶使用成本的上升。目前，隨著技術(shù)的不斷成熟，船用中速柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)也逐漸適用于重油，對燃油溫度的敏感性也相應(yīng)降低。

4.3 分布式的蓄壓腔結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的船用柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)采用整體式或多段式共軌來保持壓力，無蓄壓器結(jié)構(gòu)，船用柴油機(jī)較大的單缸循環(huán)噴油量將導(dǎo)致噴油器和共軌管內(nèi)的壓力波動大，嚴(yán)重影響著各缸噴油的一致性。船用中速柴油機(jī)的高壓共軌系統(tǒng)逐步采用分布式的蓄壓腔結(jié)構(gòu)，或位于噴油器頭部、或獨立于噴油器之外，各蓄壓腔間采用細(xì)小的高壓油管相連，從而抑制因燃油噴射引起的壓力波動的傳播，以提高噴油器噴油規(guī)律的一致性。

4.4 新一代壓電晶體式噴油器

與第二代螺線管電控噴油器相比，新一代壓電晶體式電控噴油器提高了響應(yīng)速度，其關(guān)鍵元件是陶瓷壓電薄膜，在上電0.1 ms內(nèi)就會發(fā)生晶體晶格畸變，動作十分迅速[12-13]。第三代壓電晶體式電控噴油器針閥響應(yīng)幾乎無時間滯后，切換迅速精確，可重現(xiàn)性好且工作非常穩(wěn)定。采用新一代壓電晶體式電控噴油器可實現(xiàn)燃油噴射的精準(zhǔn)控制，實現(xiàn)船用柴油機(jī)的清潔、高效發(fā)展。

5 展望

綜上，船用柴油機(jī)高共軌系統(tǒng)朝著超高壓、分布式結(jié)構(gòu)、良好的適應(yīng)性、采用新一代電控噴油器和雙壓共軌系統(tǒng)的方向發(fā)展，具體表現(xiàn)如下。

1)共軌壓力從第一代的150 MPa最高升至250 MPa，對共軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和材料提出了苛刻的要求。

2)最新的船用中速柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)逐漸適應(yīng)重油應(yīng)用，對燃油溫度的適用范圍也更大。

3)用分布式容積取代整體式共軌，將容積分布至蓄壓腔或節(jié)點上，使得高壓共軌系統(tǒng)的安裝布置更加靈活，以有效抑制軌壓的波動，保證燃油噴油規(guī)律的一致與精準(zhǔn)可控。

4)采用新一代壓電晶體式電控噴油器，實現(xiàn)對燃油噴射規(guī)律的精準(zhǔn)控制，進(jìn)一步降低燃油消耗率。

面對越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)，清潔與高效逐漸成為船用柴油機(jī)發(fā)展的主旋律。當(dāng)前，船用中速柴油機(jī)采用高壓共軌系統(tǒng)乃是大勢所趨，國外主流船用柴油機(jī)廠均已推出成熟的市場產(chǎn)品。我國在船用中速機(jī)高壓共軌系統(tǒng)研發(fā)和生產(chǎn)方面均處于追趕態(tài)勢，提升我國船用中速機(jī)高壓共軌系統(tǒng)技術(shù)水平應(yīng)采取以下措施。

1)加大科研投入，積極開展船用中速柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)設(shè)計、制造工藝研究；搭建船用高壓共軌系統(tǒng)測試臺架，為軌壓、噴油等控制策略研究提供試驗平臺。

2)制定船用中速柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為船用中速柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)的規(guī)劃、評估提供依據(jù)。

3)加強(qiáng)各大高校、研究所和企業(yè)的人才隊伍建設(shè)，為船用中速柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展提供保障。

4)加快船用中速柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)在自主船用柴油機(jī)上的推廣與應(yīng)用，從應(yīng)用中了解客戶需求并發(fā)現(xiàn)不足，進(jìn)行改進(jìn)。