船用柴油机的喷射技术

【德】 Leonhard R Parche M 【奥】 Kendlbacher C

1 对备种用途的不同要求

10年来，船用柴油机的喷油系统没有发生根本性的变化。标准的直列式喷油泵和机械单体式喷油泵满足成本、耐久性、安装空间和性能等方面的各项要求，但当今对废气排放和燃油耗的要求不断提高，致使燃油喷射系统发生了巨大的变化。

船用柴油机原本使用直列式喷油泵，但其喷油始点和喷油压力（120 MPa）的柔性变化受到限制，而电控单体式喷油泵和泵喷嘴则提供了附加的自由度，其喷油始点可在凸轮轴凸轮廓线范围内变化。这些凸轮轴传动的喷油系统在坚固的凸轮轴和可变气门正时装置的基础上，能提供较高的喷油压力（最高180 MPa）。这2种类型的喷油泵降低了柴油机的燃油耗和排放。为了满足日益收紧的废气排放限值要求，推出了具有2种附加自由度的共轨喷射系统，即喷油始点可变和喷油压力可变的共轨喷射系统。

Bosch公司是世界上唯一同时为轿车、商用车和大型柴油机提供柴油喷射系统，特别是共轨喷射系统的制造商。由于船用柴油机使用条件不同，所以对喷油系统的要求也就各不相同。船用柴油机可分成下列类型（表1）：（1）载重车柴油机的船用变型，（2）船用高速柴油机，（3）船用中速柴油机和重油发动机，（4）船用低速重油发动机。单缸排量2.5 L 以下的高速船用柴油机可应用Bosch公司第3代载重车用共轨喷射系统（CRSN3），它是以载重车用共轨喷射系统的部件为基础，并按非道路用途进行优化的。Bosch公司为单缸排量2.5 L 以上的船用柴油机开发了特别坚固的模块化共轨喷射系统（MCRS），自2004 年起，这种共轨喷射系统满足了市场上各种不同的用途。对于维修周期特别长的中速船用柴油机而言，MCRS-T 共轨喷射系统将于2012年投人量产。而用重油运行对共轨喷射系统则提出了特殊的要求，为此Bosch公司与MAN Diesel&Turbo公司共同合作开发出了一种专门为满足这种要求而优化的重油共轨喷射系统，未来这种喷射系统也可供其他客户使用。

2 排放法规推动喷油技术的发展

Bosch公司不断为其用户开发燃油喷射系统和排气后处理系统，使得用户在开发、应用排放和燃油耗更低的船用柴油机方面能获得更大的控制柔性。对于船用柴油机而言，通过多次修改，以及改用新一代喷油系统和排气后处理系统等辅助装置来满足最新的燃油耗和排放标准，从而获得极长的使用寿命。使用领域已从功率最佳的游艇扩展到油轮和集装箱船主机（表1）。如美国环境保护署（EPA）或国际海事组织（IMO）等废气排放法规都适用于表1中所述的应用场合，而且在2012—2016年期间，这些排放法规将被明显收紧（图1）。

表1 船用柴油机市场的分类

为了满足未来的废气排放法规限值要求，必须采取机内和/或机外措施。在这方面，Bosch公司寄希望于共轨喷射技术，它能满足在喷油速率和多次喷射方面所需的柔性要求，同时能够在液力损失最小的情况下进一步提高喷油压力。个别用户特定的使用条件决定了应用于特定发动机类型和大小的共轨喷射系统的类型。

远洋船舶排出的氮氧化物（NOx）足有全世界NOx排放总量的十分之一，同时，它又被视为是二氧化硫和碳烟颗粒（PM）排放的大户。因此，IMO 已经决定逐步收紧远洋船舶的废气排放限值。自2011年起，已减少NOx排放量20%，而从2016年起，须减少NOx排放量80%。通过采取燃油或船舶动力装置（机内措施和喷射技术），以及排气后处理系统方面的技术措施，高的PM 和NOx排放被降低了。

大幅降低燃油中的含硫量能够减少PM 排放量，在这方面有各种不同的限值：“球形盖罩”适用于海洋，其中排放控制区具有明显更为严格的废气排放限值。现在用于重油的“盖罩”含硫量为4.5%，自2012年1月1日起降至3.5%，预计从2020年起只允许0.5%，而排放控制区所应用的燃油含硫量上限值自2010 年3 月起就已从1.5%降至1.0%，从2015年起将降至0.1%。在动力装置方面，通过优化燃烧过程能够达到自2011年起生效的排放目标值，而对于下一个目标值而言，应用降低NOx排放的专门技术是必要的。EPA 也规定了PM 排放限值，这对NOx排放限值为0.04 g/（k W·h）的Tier 4排放标准应用场合是一种挑战，除了优化燃烧过程之外，还须将燃油喷射压力提高到220 MPa。

3 满足IMO 和EPA 排放标准限值要求的技术

CRSN3共轨喷射系统（图2）包括喷油器、高压燃油泵、装有附件（燃油压力传感器、限压阀和压力调节阀）的共轨，以及电子控制单元，使每循环可达到7次喷射，为优化燃烧过程提供了极佳的前提条件。自2008年起，这种共轨喷射系统配装在单缸功率高达120 k W 的船用柴油机上，而自2010 年起，其提供的喷油压力高达220 MPa。高压燃油泵无需压力转换即可产生所需的系统压力，并存储在共轨中。极高的液力效率取决于高压燃油泵和喷油器。

CRIN3喷油器性能参数如下：（1）压力范围25～220 MPa（计划开发250 MPa）；（2）在10 MPa压力的情况下，喷油嘴每30 s流量为400～1 300 cm3（用DIN ISO 4113标定油测定值）；（3）喷油量每行程为1.5～450 mm3；（4）可实现连续7次喷射；（5）与180 MPa喷油器相比，效率更高；（6）回油量减少（＜50%）；（7）无泄漏。其结构特点为：（1）外形尺寸与老型号相同，（2）无内部泄漏（效率更高），（3）控制容积减少，（4）与发动机的接口可变。

单缸功率120 k W 以下的船用柴油机使用泵油压力220 MPa的CPN5-22/2型直列式双柱塞高压燃油泵，这是一种燃油润滑的模块化结构型式的高压燃油泵。

CPN5-22/2型高压燃油泵性能参数如下：（1）泵油压力高达220 MPa（250 MPa正在开发中）；（2）进油压力为0.035～0.1 MPa（绝对压力）；（3）背压为0.18 MPa（绝对压力）；（4）进油温度为-25～80℃；（5）整体式齿轮输油泵，以及进油计量单元；（6）最大泵油量为250 L/h（250 MPa）。其结构特点为：（1）燃油润滑，（2）直列式双柱塞高压燃油泵，（3）质量比老型号减轻30%。

已经为单缸功率120 k W 以上的高速船用柴油机开发了MCRS，并且符合船用要求。MCRS 的结构与标准的共轨喷射系统有明显不同，它无需使用喷油器旁的共轨来分配燃油，同时“模块化”能适用于不同的发动机型式，例如直列6、8和10缸，或者V8、V10、V12和V16缸，而共轨容积已集成在高压燃油泵和喷油器中，这2处容积能抑制由泵油过程和燃油喷射所引起的压力峰值。MCRS由高压燃油泵、限压阀、喷油器、电子控制单元和各种不同的传感器组成。图3中的MCRS喷油器剖视图示出了其蓄压容积、坚固的球形电磁阀，以及在抗穴蚀和抗磨损性方面经优化的喷油嘴。喷油特性已针对最小喷油量和在整个特性曲线场内特性曲线稳定性能提出的要求进行了优化，这是达到美国Tier 4排放标准必不可少的。这种L2～L5型高压燃油泵系列能满足0.5～2.25 MW 之间船用柴油机的燃油供应需求，而在双泵运行的情况下则能满足高达4.5 MW机型的需求。

4 燃油品质的挑战

对远洋船舶柴油机用的共轨喷射系统而言，其面临严峻的挑战是不同区域燃油品质的差异。燃油中高的PM 含量及因燃油品质可能引发积炭，所以必须开发一种特别耐用的喷油器控制阀，这种球形座面阀具有抗PM 磨损的功能。球阀因其转动而确保由PM 引起的初始损伤不会形成侵蚀性的喷射通道。因为控制阀中不存在承受高压的导向面，因此，在狭窄的导向面上积炭的可能性也大大减小。

为中速船用柴油机开发了一种MCRS-16-T 共轨喷射系统，MCRS-16共轨喷射系统的优势扩展到了单缸功率高达500 k W 的功率等级，并使插装式喷油泵（CP9.2）得以应用，这种驱动机械单体式喷油泵和电控单体式喷油泵系统的现有结构空间和凸轮传动机构也非常适用于MCRS。

此外，Bosch公司也为缸径270 mm 以下的重油发动机提供了一种共轨喷射系统（图4），它能在满足IMO Tier 2废气排放标准的情况下明显降低PM排放，并将其分成2种功率等级。Bosch公司的重油喷油器无需伺服系统进行控制，使得损耗较小，并获得了较快的响应性能，喷油系统也并不复杂。喷油嘴是压力控制的，因而仅在喷油期间才承受压力，从而防止了不希望出现的持续喷射，而且在现场更换喷油嘴不受限制。共轨高压燃油泵可将重油增压到高达160 MPa的喷射压力，这涉及到一种装有计量单元的、凸轮驱动的高压燃油泵，可用以调节进油压力。对这种高压燃油泵的表面涂层进行了优化，并因空气吹洗阀采用了独特的密封方案能确保无磨损运行。

Bosch公司与MAN Diesel&Turbo公司共同合作，为缸径270 mm 以上的船用主机和辅机开发了重油共轨喷射系统（图5），因控制阀与喷油器是分开的，故与上述系统有所不同，能够应用常规的喷油嘴体组合，同时易于从常规喷油技术转换到共轨喷油技术，并且可在船舶现场维修喷油嘴体组合件，而与控制阀无关。

1个蓄压管可为2个气缸供油。为了控制喷油，在每个蓄压管端盖处各有1个带有2/2和3/2路转换阀的控制单元，而转换阀在蓄压管与机械式喷油嘴体组合之间转换高压。蓄压管中的流量限制阀可防止喷射的油量过大。系统中的限压阀能可靠地进行调节，以确保在计量单元发生故障或者压力传感器损坏时不会产生过高的系统压力。Bosch公司开发的部件有3/2路转换阀、流量限制器、旁通阀、压力限制阀和高压燃油泵计量单元，而MAN Diesel&Turbo公司则对整个系统负责，开发了高压燃油泵、蓄压管和喷油嘴体组合，电子控制单元和燃油管路。

上述2种喷油系统明显减少了黑烟排放，并改善了部分负荷时的燃油耗。

5 结语

新废气排放法规的实施使现代喷油系统面临全新的挑战，系统压力的提高除了要求喷油部件仍保持耐久性和经济性之外，在强度、耐磨损性和温度等方面承受更高的压力。为了对现有船用柴油机共轨喷射系统平台进行深人开发，Bosch 公司致力于将系统压力提高到220 MPa的研究。自2012年起，这种蒸馏燃油的喷射系统就可投人使用，并将逐步提供所有的高速和中速船用柴油机使用。研发过程中，运用了汽车领域内提高系统压力的经验和技术。

为了能够在低燃油耗的情况下实施机内措施或者达到排气后处理的排放限值，对于未来美国Tier 4排放标准和IMO Tier 3排放标准而言，共轨喷射系统的完全柔性和高达220 MPa的喷射压力是必不可少的。

Bosch公司已与MAN Diesel&Turbo公司共同合作，致力于开发喷射压力高达220 MPa的第2代重油共轨喷射系统，以及采用多次喷射进一步优化燃烧过程的可能性，为此正在进行可行性研究。这种新一代的喷射系统将为达到IMO Tier 3 排放标准目标限值（自2016年起实施）作出贡献。