低速船用电控柴油机燃油系统分析

邓健星 林刚毅

摘 要：电控柴油机已成为船舶动力的标准配置，其中燃油喷射系统成为衡量电控柴油机的最主要的指标之一。本文主要阐述了瓦锡兰低速船用电控柴油机燃油系统构成、工作原理、特点及其优点。

关键词：共轨技术；燃油喷射系统；分析

Analysis on Electronically-controlled Fuel System of Low

Speed marine diesel Engine

Deng Jianxing， Lin Gangyi

（ Yuchai Marine Power Co.， Ltd. Zhuhai 519175 ）

Abstract： Electronically-controlled diesel engine has become the standard of Marine power allocation， fuel injection system become one of the most important standards to judge how advanced a diesel engine is. The structure， control principle ，operating feature and Advantages of wartsila low-speed Marine diesel engine fuel system are expound in the paper.

Key words： Rail technology， Fuel Injection System， Analysis

1 前言

近年来，全球温室效应越来越严重，而且石油资源越来越紧缺，船东对柴油机燃油经济性和可靠性要求越来越高，国际海事组织颁发越来越严格的排放法规，IMO Tier Ⅱ已在2011年1月1日开始实施，要求NOx排放量要比Tier Ⅰ减少20%，更严格的Tier Ⅲ将于2016年实施。为了提高燃油经济性，降低排放要求，提高可靠性和操作的灵活性，实现适时调节，低速船用电控共轨柴油机已成为发展的必然趋势。为了满足国际海事组织和船东的苛刻要求，世界两大船用柴油机巨头不断发展其柴油机技术。本文主要介绍瓦锡兰电控柴油机燃油系统构成、工作原理、特点及其优点。

2 瓦锡兰电控燃油系统

2001年1月，在韩国釜山现代重工（HHI）6RT-flex58T-D柴油机顺利通过了台架试验，这是世界上第一台商用大型全电子控制的智能化柴油机。RT-flex柴油机中关键的控制功能由原机械结构控制改为电子控制，例如燃油喷射、排气阀开启与关闭、柴油机起动、气缸润滑等。瓦锡兰RT-flex低速柴油机的成功开发，标志着低速大功率柴油机发展又一次质的飞跃。

2.1 瓦锡兰电控燃油系统组成

瓦锡兰燃油系统包括下列机械部件：

（1）高压燃油泵：把一定的燃油从7bar加压到1000bar，可通过油泵的调节齿条转动改变供油量，其中燃油泵数量由气缸数决定；

（2）高压燃油管：输送燃油的媒介；

（3）燃油轨：储存一定压力的燃油，共轨压力根据柴油机负荷调整；

（4）喷射控制单元：控制燃油喷射时间和喷射量，其中共轨阀是关键的零部件，是燃油喷射和排气阀驱动的先导阀，其反应时间低于1毫秒；

（5）喷油器：在指定的时间把一定的燃油喷射到燃烧室内燃烧。

2.2 瓦锡兰电控燃油系统原理

目前瓦锡兰电控技术有两种形式：RT-flex共轨系统和W-X共轨系统

RT-flex共轨系统原理图，如图1所示。RT-flex共轨系统主要包括燃油共轨系统、伺服油共轨系统、起动系统和WECS-9520控制系统。

RT-flex燃油共轨系统原理图，如图2所示。燃油共轨管布置在燃油侧的共轨箱内，通过曲轴齿轮驱动的高压燃油泵把燃油加压到100MPa，输送到燃油共轨管，此后，高压燃油通过容积式喷油控制器定时定量输送到喷油器。

W-X共轨系统也是包括燃油共轨系统、伺服油共轨系统、起动系统和UNIC控制系统。其中燃油共轨系统经过优化后，其喷射控制器集成在喷油器，图3为W-X共轨系统原理图。

图1 RT-flex共轨系统原理图

图2 RT-flex燃油共轨系统原理图

图3 W-X燃油共轨系统原理图

2.3 瓦锡兰电控柴油机特点

在传统的燃油共轨系统中，燃油喷射压力、喷射定时和喷油量的调节只能通过凸轮的型线控制，其灵活性受到限制。而瓦锡兰电控柴油机中每个气缸的喷射都是由喷油器或喷射控制装置控制，喷油器和喷射控制装置均由柴油机控制系统集中控制，不但使得喷油器的油量可调节，同时避免了小油量喷射时由于油量不足，弹簧开启压力不够和喷油器内部机构“迟滞”运动影响雾化质量而导致的燃油不充分，同时增强燃油系统的灵活性。

传统的柴油机的燃油泵存在制造误差或燃油供油过程中内部漏油等原因，导致喷射到每个缸的燃油量存在一定的偏差，导致各排气温度总存在一定的差异，而采用容积式喷射控制器的共轨柴油机，喷油量更精确，柴油机运转更平稳，各缸的负荷更均衡，排温更稳定。

针对柴油机在各种工况下运行，为了达到最佳的经济性、动力性和低排放要求，瓦锡兰电控柴油机可通过柴油机控制系统控制喷油器或喷射控制装置，实现灵活多变的燃油喷射模式下喷射，喷油器可以以不同的形式组合，使得喷油的形式多样话。特别在低负荷时，控制系统可根据柴油机运行负荷，切断某个喷油器工作（见图4）。柴油机在极低负荷下运行时，燃油喷射量小并且雾化效果好，此时选用单个喷油器顺序工作模式喷油，确保低速工况下油气混合好，燃烧更充分，所以瓦锡兰电控柴油机能在极低转速下稳定运行，并能达到无烟运行，也就是说提高船舶在近处拥挤或狭小港口的操纵能力和完成满足排放要求。

图5为瓦锡兰电控柴油机NOx排放特性图，图6为烟度排气特性图，图7为燃油消耗率曲线。

图4 瓦锡兰低负荷状态下喷油模式

图5 NOx排放特性

图6 6RT-flex58T-D烟度排气特性

图7 6RT-flex35燃油消耗率曲线

由图5、图6和图7可见，通过使用不同的燃油喷射模式和排气正时，改善燃烧效果，降低燃油消耗率，同时在整个负荷范围内均达到NOx排放要求和无烟运行。尤其在低负荷工况下，排烟和燃油消耗率得到明显的改善。

2.4 瓦锡兰电控柴油机燃油系统优点

（1）燃油消耗率低，满足IMO排放要求。瓦锡兰电控柴油机有两种操作模式：燃油经济性模式和低NOx模式。在一般航区航行，使用燃油经济性模式同时遵守国际海事组织（IMO）提出的NOx排放标准；在特殊航区航行，选择NOx模式，柴油机的排放将会符合特殊航区的NOx排放标准。可通过控制喷油时间和喷油速率来控制燃烧过程，从而减少排气中NOx量和提高经济性。如：适当减小喷油提前角来降低燃烧温度的同时，也增大喷油速率来缩短整个燃烧过程；

（2）能在极低负荷下稳定运行，最低怠速可达10～12rpm。柴油机在低负荷或极低负荷运转时，能保持较高的喷射压力，同时精确控制喷油量；

（3）柴油机在各种负荷下，各缸负荷均匀，燃油雾化好，缸内结碳明显减少，减少了维护费用和延长大修时间间隔；

（4）在整个负荷范围内实现无烟运行。柴油机在不同负荷下，采用不同形式组合的喷油器工作，此时燃烧可达到最佳状况，减少烟气的排放，同时提高喷油器的寿命；

（5）较大的冗余度。采用两组燃油泵、伺服油泵及其与共轨单元之间的连接管路，互为备用，确保了运行的安全性和可靠性；

（6）取消凸轮装置等部件，减轻了主机的重量，结构更紧凑，提高了柴油机的可靠性，降低主机制造成本和维修成本，并可延长柴油机寿命。

也就是说，通过控制燃油喷射正时、喷油量、喷射速率、压力以及进、排气阀正时，能够有效地实现柴油机在各种负荷下的性能最优化，从而达到在满足最新排放要求下，提高柴油机的经济性、可靠性、操纵灵活性和延长使用寿命。

3 结束语

随着国际海事组织颁发的排放法规越来越严格，电控柴油机将完全取代传统的机械式柴油机，这是科技发展的必然规律。同时，要求电控柴油机可控制更多燃油喷射参数，使柴油机在任何工况下都能以最优的特性运行，提高输出功率，降低燃油、滑油和气缸油消耗。而瓦锡兰电控柴油机在这方面有一定的优势，不过还需解决零件加工困难等问题。

参考文献

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