文李明，張志勇

（中船動(dòng)力研究院有限公司，上海 200120）

0 引 言

船舶低速二沖程柴油機(jī)具有性能優(yōu)良、可靠性高、使用維護(hù)方便和能燃用劣質(zhì)燃油等優(yōu)點(diǎn)，已成為大型油船、大型干散貨船和大型集裝箱船的主要?jiǎng)恿υ碵1]。目前世界船用低速二沖程柴油機(jī)市場主要被MAN和Win GD兩家公司壟斷，滬東重機(jī)有限公司作為國內(nèi)最大的低速柴油機(jī)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(jī)HHM-6EX340EF的研制工作，在2015年11月完成了首臺(tái)樣機(jī)（見圖1）的發(fā)火，并在2016年12月通過了中國船級(jí)社的型式認(rèn)可試驗(yàn)。

圖1 HHM-6EX340EF首臺(tái)樣機(jī)

HHM-6EX340EF的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，表 1為HHM-6EX340EF與同等功率水平的專利機(jī)技術(shù)參數(shù)對(duì)比。

表1 HHM-6EX340EF與同等功率水平的專利機(jī)技術(shù)參數(shù)對(duì)比

近年來，隨著能源危機(jī)日益加劇、對(duì)船舶排放限制的要求愈加嚴(yán)苛，燃油噴射系統(tǒng)作為柴油機(jī)的“心臟”，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)排放性方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，成為目前低速機(jī)發(fā)展、應(yīng)用的一個(gè)主要研究方向[2-3]。目前 6EX340EF主機(jī)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(jī)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(jī)工況的要求靈活設(shè)定、調(diào)整，并可根據(jù)傳感器信息實(shí)時(shí)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(jī)缸數(shù)配置，每缸配置1個(gè)）。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(shí)刻和關(guān)閉時(shí)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(fù)責(zé)根據(jù)柴油機(jī)的需求控制燃油系統(tǒng)泵、閥和噴油器的動(dòng)作（見圖3）。

2) 低壓分配塊：調(diào)節(jié)低壓進(jìn)油壓力，并負(fù)責(zé)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(jī)工況實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)出口壓力（見圖 5）。

4) 高壓分配塊：將2個(gè)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(shí)時(shí)檢測(cè)高壓燃油壓力，RPLV安全閥用于保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)壓力過高時(shí)，高壓燃油溢流（見圖6）。

5) 燃油蓄壓器：每缸配置1個(gè)燃油蓄壓器，用于進(jìn)一步對(duì)輸送的高壓燃油進(jìn)行穩(wěn)壓，避免噴油時(shí)造成燃油壓力劇烈波動(dòng)。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(dǎo)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(dòng)控制，用于緊急停車和主機(jī)停機(jī)時(shí)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(shí)刻和關(guān)閉時(shí)刻，從而控制每次循環(huán)的燃油噴射量和噴射持續(xù)時(shí)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(diǎn)

如上所述，目前世界上的船用低速二沖程柴油機(jī)產(chǎn)品主要為MAN ME系列產(chǎn)品和Win GD flex系列產(chǎn)品，相應(yīng)的船用低速柴油機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)相比，HHM-6EX340EF柴油機(jī)電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1) 高壓燃油泵由主機(jī)曲軸通過齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)，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(jī)實(shí)際工況需求靈活設(shè)定、調(diào)整。

2) 每缸1個(gè)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(jì)可穩(wěn)定系統(tǒng)噴射壓力、抑制和補(bǔ)償噴油時(shí)的壓力波動(dòng)。另外，蓄壓器至每個(gè)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(dú)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(dá)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(hù)和緊急停車，高壓燃油管系和蓄壓器均采用雙層壁設(shè)計(jì)。另外，高壓燃油泵、傳感器和控制單元等采用冗余設(shè)計(jì)，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(yàn)及整機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

循環(huán)噴油量一致性是檢驗(yàn)燃油噴射系統(tǒng)性能優(yōu)劣的最直接標(biāo)準(zhǔn)。圖 12為噴射系統(tǒng)在 40MPa、90MPa和120MPa軌壓下，不同電磁閥控制時(shí)間對(duì)應(yīng)的噴油量測(cè)試曲線和不同軌壓對(duì)應(yīng)的多循環(huán)噴油量偏差?？梢姡?dāng)電磁閥持續(xù)時(shí)間大于3ms時(shí)，在40MPa、90MPa和120MPa軌壓下，噴油器均具有非常好的多循環(huán)重復(fù)性和一致性。表2為不同負(fù)荷下試驗(yàn)測(cè)試所得多循環(huán)噴油量偏差。

圖12 HHM-6EX340EF整機(jī)調(diào)試結(jié)果

表2 不同負(fù)荷下試驗(yàn)測(cè)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(jī)調(diào)試過程中25%、50%、75%和100%負(fù)荷下實(shí)測(cè)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(duì)國際航運(yùn)業(yè)的持續(xù)低迷，船東對(duì)船舶主機(jī)運(yùn)行成本的要求越來越高；同時(shí)，隨著環(huán)境條件和能源供應(yīng)問題日益嚴(yán)峻，國際社會(huì)對(duì)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(jī)設(shè)計(jì)快速向前發(fā)展，其中電控智能化成為低速船用柴油機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)，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(jìn)的噴射技術(shù)，已在中高速機(jī)上得到普遍應(yīng)用。但是，在船用低速柴油機(jī)領(lǐng)域，由于低速機(jī)與中高速機(jī)具有完全不同的運(yùn)行特點(diǎn)和性能要求，尤其是使用重油的要求不同，使得低速機(jī)對(duì)共軌技術(shù)的應(yīng)用提出更高的要求。目前，真正成熟應(yīng)用在低速機(jī)上的共軌系統(tǒng)較少，已知的有L'Orange公司應(yīng)用在Win GD X系列柴油機(jī)上的燃油噴射系統(tǒng)。

滬東重機(jī)有限公司自主研發(fā)的HHM-6EX340EF小缸徑低速柴油機(jī)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(jī)滿足國際海事組織Tier II排放要求，部分負(fù)荷點(diǎn)燃油消耗率略優(yōu)于MAN和Win GD的同等功率機(jī)型。