自主品牌船用低速柴油机燃油喷射技术

文李明，张志勇

（中船动力研究院有限公司，上海 200120）

0 引 言

船舶低速二冲程柴油机具有性能优良、可靠性高、使用维护方便和能燃用劣质燃油等优点，已成为大型油船、大型干散货船和大型集装箱船的主要动力源[1]。目前世界船用低速二冲程柴油机市场主要被MAN和Win GD两家公司垄断，沪东重机有限公司作为国内最大的低速柴油机研发、制造企业，在“十二五”期间开展了自主品牌小缸径低速柴油机HHM-6EX340EF的研制工作，在2015年11月完成了首台样机（见图1）的发火，并在2016年12月通过了中国船级社的型式认可试验。

图1 HHM-6EX340EF首台样机

HHM-6EX340EF的技术指标达到了国际先进水平，表 1为HHM-6EX340EF与同等功率水平的专利机技术参数对比。

表1 HHM-6EX340EF与同等功率水平的专利机技术参数对比

近年来，随着能源危机日益加剧、对船舶排放限制的要求愈加严苛，燃油喷射系统作为柴油机的“心脏”，对发动机的经济性和排放性等性能有着至关重要的影响，其中电控高压共轨喷射技术在改善发动机排放性方面具有无可比拟的优势，成为目前低速机发展、应用的一个主要研究方向[2-3]。目前 6EX340EF主机燃油喷射系统采用的是与德国Heinzmann公司联合开发的电控高压共轨喷射系统。

1 HHM-6EX340EF电控高压共轨喷射系统结构组成

HHM-6EX340EF柴油机燃油喷射系统主要由高压燃油泵、高压分配块、高压燃油输送管、蓄压器、溢流阀、高压燃油管和电控喷油器组成（见图2）。高压燃油泵将低压燃油加至一定压力（该压力根据主机工况的要求灵活设定、调整，并可根据传感器信息实时闭环反馈调节），通过高压燃油管输送至蓄压器中（蓄压器根据主机缸数配置，每缸配置1个）。蓄压器中的高压燃油通过高压燃油管供给每缸的喷油器，等待喷射。喷油器接收控制单元指令，由电磁阀控制燃油喷射起始时刻和关闭时刻，从而控制每次循环的燃油喷射量。

图2 HHM-6EX340EF HZM喷射系统结构组成

燃油系统各主要部件的功用如下。

1) 电控单元（MVC）：作为燃油系统的“大脑”，负责根据柴油机的需求控制燃油系统泵、阀和喷油器的动作（见图3）。

2) 低压分配块：调节低压进油压力，并负责收集燃油系统燃油及滑油回油（见图4）。

3) 高压燃油泵：轴向柱塞泵，将低压燃油加压后输出，并可根据主机工况实时反馈调节出口压力（见图 5）。

4) 高压分配块：将2个高压燃油泵输出的燃油集合到一起输出，内部有压力传感器和RPLV安全阀，其中，压力传感器用于实时检测高压燃油压力，RPLV安全阀用于保护系统，当系统压力过高时，高压燃油溢流（见图6）。

5) 燃油蓄压器：每缸配置1个燃油蓄压器，用于进一步对输送的高压燃油进行稳压，避免喷油时造成燃油压力剧烈波动。另外，在蓄压器与高压燃油管（至喷油器）的连接处内置限流阀，防止因喷油器失控导致燃油持续喷射（见图7）。

6) 溢流阀：安装在高压燃油循环管路中，可气动控制，用于紧急停车和主机停机时燃油系统内的燃油循环（见图8）。

7) 喷油器：电控喷油器接收控制单元指令，由电磁阀控制燃油喷射起始时刻和关闭时刻，从而控制每次循环的燃油喷射量和喷射持续时间（见图9）。

图3 MVC控制单元

图4 低压分配块

图5 电控高压燃油泵

图6 高压分配块

图7 蓄压器

图8 溢流阀

图9 喷油器

2 HHM-6EX340EF电控高压共轨喷射系统特点

如上所述，目前世界上的船用低速二冲程柴油机产品主要为MAN ME系列产品和Win GD flex系列产品，相应的船用低速柴油机电控燃油喷射系统出现2种技术路线，即以MAN ME系列柴油机为代表的增压式电控燃油喷射系统（见图10）和以Win GD RT-flex系列柴油机为代表的共轨式电控燃油喷射系统（见图 11）。

图10 MAN ME增压式喷射系统

图11 Win GD最新X系列共轨喷射系统

与现有的MAN ME和Win GD的低速机相比，HHM-6EX340EF柴油机电控高压共轨燃油喷射系统具有以下特点：

1) 高压燃油泵由主机曲轴通过齿轮传动结构直接驱动，泵的供给压力最大为120MPa，最大输出流量为28.5L/min，其供给压力和流量可根据主机实际工况需求灵活设定、调整。

2) 每缸1个蓄压器替代传统的1根“共轨”，系统布置灵活，具有广泛的通用性，蓄压器的容积和特殊设计可稳定系统喷射压力、抑制和补偿喷油时的压力波动。另外，蓄压器至每个喷油器的出口处安装有限流阀，用于防止电控喷油器出现故障而持续喷油，限流阀最大允许流量为14200mm3。

3) 各喷油器可单独控制，具有多次喷射的能力，喷油压力范围为 40～120MPa，最高峰值压力可达140MPa，适用于MDO和HFO。

4) 系统安装有RPLV限压阀和溢流阀，可分别用于系统过压保护和紧急停车，高压燃油管系和蓄压器均采用双层壁设计。另外，高压燃油泵、传感器和控制单元等采用冗余设计，保证系统具有高的可靠性。

5) 全电子控制的高压燃油泵和喷油器使得系统具有柔性的燃油喷射控制能力。

3 HHM-6EX340EF电控高压共轨喷射系统样件试验及整机试验结果

循环喷油量一致性是检验燃油喷射系统性能优劣的最直接标准。图 12为喷射系统在 40MPa、90MPa和120MPa轨压下，不同电磁阀控制时间对应的喷油量测试曲线和不同轨压对应的多循环喷油量偏差。可见，当电磁阀持续时间大于3ms时，在40MPa、90MPa和120MPa轨压下，喷油器均具有非常好的多循环重复性和一致性。表2为不同负荷下试验测试所得多循环喷油量偏差。

图12 HHM-6EX340EF整机调试结果

表2 不同负荷下试验测试所得的循环喷油量偏差

在低怠速工况下，喷油量偏差最大为±16.63%。图13为HHM-6EX340EF整机调试过程中25%、50%、75%和100%负荷下实测轨压值及燃油消耗率值。

图13 循环喷油量偏差

4 结 语

面对国际航运业的持续低迷，船东对船舶主机运行成本的要求越来越高；同时，随着环境条件和能源供应问题日益严峻，国际社会对船舶的节能和排放控制要求不断提高。由此，大型船用低速柴油机设计快速向前发展，其中电控智能化成为低速船用柴油机发展的必然趋势，其核心就是燃油喷射系统的电控化。

电控高压共轨喷射技术作为电控燃油喷射系统中最先进的喷射技术，已在中高速机上得到普遍应用。但是，在船用低速柴油机领域，由于低速机与中高速机具有完全不同的运行特点和性能要求，尤其是使用重油的要求不同，使得低速机对共轨技术的应用提出更高的要求。目前，真正成熟应用在低速机上的共轨系统较少，已知的有L'Orange公司应用在Win GD X系列柴油机上的燃油喷射系统。

沪东重机有限公司自主研发的HHM-6EX340EF小缸径低速柴油机采用与德国Heinzmann公司联合开发的电控高压共轨燃油喷射系统，使整机满足国际海事组织Tier II排放要求，部分负荷点燃油消耗率略优于MAN和Win GD的同等功率机型。