自主品牌船用低速柴油機燃油噴射技術(shù)

文李明，張志勇

（中船動力研究院有限公司，上海 200120）

0 引 言

船舶低速二沖程柴油機具有性能優(yōu)良、可靠性高、使用維護方便和能燃用劣質(zhì)燃油等優(yōu)點，已成為大型油船、大型干散貨船和大型集裝箱船的主要動力源[1]。目前世界船用低速二沖程柴油機市場主要被MAN和Win GD兩家公司壟斷，滬東重機有限公司作為國內(nèi)最大的低速柴油機研發(fā)、制造企業(yè)，在“十二五”期間開展了自主品牌小缸徑低速柴油機HHM-6EX340EF的研制工作，在2015年11月完成了首臺樣機（見圖1）的發(fā)火，并在2016年12月通過了中國船級社的型式認可試驗。

圖1 HHM-6EX340EF首臺樣機

HHM-6EX340EF的技術(shù)指標達到了國際先進水平，表 1為HHM-6EX340EF與同等功率水平的專利機技術(shù)參數(shù)對比。

表1 HHM-6EX340EF與同等功率水平的專利機技術(shù)參數(shù)對比

近年來，隨著能源危機日益加劇、對船舶排放限制的要求愈加嚴苛，燃油噴射系統(tǒng)作為柴油機的“心臟”，對發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放性等性能有著至關(guān)重要的影響，其中電控高壓共軌噴射技術(shù)在改善發(fā)動機排放性方面具有無可比擬的優(yōu)勢，成為目前低速機發(fā)展、應用的一個主要研究方向[2-3]。目前 6EX340EF主機燃油噴射系統(tǒng)采用的是與德國Heinzmann公司聯(lián)合開發(fā)的電控高壓共軌噴射系統(tǒng)。

1 HHM-6EX340EF電控高壓共軌噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

HHM-6EX340EF柴油機燃油噴射系統(tǒng)主要由高壓燃油泵、高壓分配塊、高壓燃油輸送管、蓄壓器、溢流閥、高壓燃油管和電控噴油器組成（見圖2）。高壓燃油泵將低壓燃油加至一定壓力（該壓力根據(jù)主機工況的要求靈活設(shè)定、調(diào)整，并可根據(jù)傳感器信息實時閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)），通過高壓燃油管輸送至蓄壓器中（蓄壓器根據(jù)主機缸數(shù)配置，每缸配置1個）。蓄壓器中的高壓燃油通過高壓燃油管供給每缸的噴油器，等待噴射。噴油器接收控制單元指令，由電磁閥控制燃油噴射起始時刻和關(guān)閉時刻，從而控制每次循環(huán)的燃油噴射量。

圖2 HHM-6EX340EF HZM噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

燃油系統(tǒng)各主要部件的功用如下。

1) 電控單元（MVC）：作為燃油系統(tǒng)的“大腦”，負責根據(jù)柴油機的需求控制燃油系統(tǒng)泵、閥和噴油器的動作（見圖3）。

2) 低壓分配塊：調(diào)節(jié)低壓進油壓力，并負責收集燃油系統(tǒng)燃油及滑油回油（見圖4）。

3) 高壓燃油泵：軸向柱塞泵，將低壓燃油加壓后輸出，并可根據(jù)主機工況實時反饋調(diào)節(jié)出口壓力（見圖 5）。

4) 高壓分配塊：將2個高壓燃油泵輸出的燃油集合到一起輸出，內(nèi)部有壓力傳感器和RPLV安全閥，其中，壓力傳感器用于實時檢測高壓燃油壓力，RPLV安全閥用于保護系統(tǒng)，當系統(tǒng)壓力過高時，高壓燃油溢流（見圖6）。

5) 燃油蓄壓器：每缸配置1個燃油蓄壓器，用于進一步對輸送的高壓燃油進行穩(wěn)壓，避免噴油時造成燃油壓力劇烈波動。另外，在蓄壓器與高壓燃油管（至噴油器）的連接處內(nèi)置限流閥，防止因噴油器失控導致燃油持續(xù)噴射（見圖7）。

6) 溢流閥：安裝在高壓燃油循環(huán)管路中，可氣動控制，用于緊急停車和主機停機時燃油系統(tǒng)內(nèi)的燃油循環(huán)（見圖8）。

7) 噴油器：電控噴油器接收控制單元指令，由電磁閥控制燃油噴射起始時刻和關(guān)閉時刻，從而控制每次循環(huán)的燃油噴射量和噴射持續(xù)時間（見圖9）。

圖3 MVC控制單元

圖4 低壓分配塊

圖5 電控高壓燃油泵

圖6 高壓分配塊

圖7 蓄壓器

圖8 溢流閥

圖9 噴油器

2 HHM-6EX340EF電控高壓共軌噴射系統(tǒng)特點

如上所述，目前世界上的船用低速二沖程柴油機產(chǎn)品主要為MAN ME系列產(chǎn)品和Win GD flex系列產(chǎn)品，相應的船用低速柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)出現(xiàn)2種技術(shù)路線，即以MAN ME系列柴油機為代表的增壓式電控燃油噴射系統(tǒng)（見圖10）和以Win GD RT-flex系列柴油機為代表的共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)（見圖 11）。

圖10 MAN ME增壓式噴射系統(tǒng)

圖11 Win GD最新X系列共軌噴射系統(tǒng)

與現(xiàn)有的MAN ME和Win GD的低速機相比，HHM-6EX340EF柴油機電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)具有以下特點：

1) 高壓燃油泵由主機曲軸通過齒輪傳動結(jié)構(gòu)直接驅(qū)動，泵的供給壓力最大為120MPa，最大輸出流量為28.5L/min，其供給壓力和流量可根據(jù)主機實際工況需求靈活設(shè)定、調(diào)整。

2) 每缸1個蓄壓器替代傳統(tǒng)的1根“共軌”，系統(tǒng)布置靈活，具有廣泛的通用性，蓄壓器的容積和特殊設(shè)計可穩(wěn)定系統(tǒng)噴射壓力、抑制和補償噴油時的壓力波動。另外，蓄壓器至每個噴油器的出口處安裝有限流閥，用于防止電控噴油器出現(xiàn)故障而持續(xù)噴油，限流閥最大允許流量為14200mm3。

3) 各噴油器可單獨控制，具有多次噴射的能力，噴油壓力范圍為 40～120MPa，最高峰值壓力可達140MPa，適用于MDO和HFO。

4) 系統(tǒng)安裝有RPLV限壓閥和溢流閥，可分別用于系統(tǒng)過壓保護和緊急停車，高壓燃油管系和蓄壓器均采用雙層壁設(shè)計。另外，高壓燃油泵、傳感器和控制單元等采用冗余設(shè)計，保證系統(tǒng)具有高的可靠性。

5) 全電子控制的高壓燃油泵和噴油器使得系統(tǒng)具有柔性的燃油噴射控制能力。

3 HHM-6EX340EF電控高壓共軌噴射系統(tǒng)樣件試驗及整機試驗結(jié)果

循環(huán)噴油量一致性是檢驗燃油噴射系統(tǒng)性能優(yōu)劣的最直接標準。圖 12為噴射系統(tǒng)在 40MPa、90MPa和120MPa軌壓下，不同電磁閥控制時間對應的噴油量測試曲線和不同軌壓對應的多循環(huán)噴油量偏差?？梢姡旊姶砰y持續(xù)時間大于3ms時，在40MPa、90MPa和120MPa軌壓下，噴油器均具有非常好的多循環(huán)重復性和一致性。表2為不同負荷下試驗測試所得多循環(huán)噴油量偏差。

圖12 HHM-6EX340EF整機調(diào)試結(jié)果

表2 不同負荷下試驗測試所得的循環(huán)噴油量偏差

在低怠速工況下，噴油量偏差最大為±16.63%。圖13為HHM-6EX340EF整機調(diào)試過程中25%、50%、75%和100%負荷下實測軌壓值及燃油消耗率值。

圖13 循環(huán)噴油量偏差

4 結(jié) 語

面對國際航運業(yè)的持續(xù)低迷，船東對船舶主機運行成本的要求越來越高；同時，隨著環(huán)境條件和能源供應問題日益嚴峻，國際社會對船舶的節(jié)能和排放控制要求不斷提高。由此，大型船用低速柴油機設(shè)計快速向前發(fā)展，其中電控智能化成為低速船用柴油機發(fā)展的必然趨勢，其核心就是燃油噴射系統(tǒng)的電控化。

電控高壓共軌噴射技術(shù)作為電控燃油噴射系統(tǒng)中最先進的噴射技術(shù)，已在中高速機上得到普遍應用。但是，在船用低速柴油機領(lǐng)域，由于低速機與中高速機具有完全不同的運行特點和性能要求，尤其是使用重油的要求不同，使得低速機對共軌技術(shù)的應用提出更高的要求。目前，真正成熟應用在低速機上的共軌系統(tǒng)較少，已知的有L'Orange公司應用在Win GD X系列柴油機上的燃油噴射系統(tǒng)。

滬東重機有限公司自主研發(fā)的HHM-6EX340EF小缸徑低速柴油機采用與德國Heinzmann公司聯(lián)合開發(fā)的電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，使整機滿足國際海事組織Tier II排放要求，部分負荷點燃油消耗率略優(yōu)于MAN和Win GD的同等功率機型。