船用柴油機(jī)的噴射技術(shù)

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

1 對(duì)備種用途的不同要求

10年來，船用柴油機(jī)的噴油系統(tǒng)沒有發(fā)生根本性的變化。標(biāo)準(zhǔn)的直列式噴油泵和機(jī)械單體式噴油泵滿足成本、耐久性、安裝空間和性能等方面的各項(xiàng)要求，但當(dāng)今對(duì)廢氣排放和燃油耗的要求不斷提高，致使燃油噴射系統(tǒng)發(fā)生了巨大的變化。

船用柴油機(jī)原本使用直列式噴油泵，但其噴油始點(diǎn)和噴油壓力（120 MPa）的柔性變化受到限制，而電控單體式噴油泵和泵噴嘴則提供了附加的自由度，其噴油始點(diǎn)可在凸輪軸凸輪廓線范圍內(nèi)變化。這些凸輪軸傳動(dòng)的噴油系統(tǒng)在堅(jiān)固的凸輪軸和可變氣門正時(shí)裝置的基礎(chǔ)上，能提供較高的噴油壓力（最高180 MPa）。這2種類型的噴油泵降低了柴油機(jī)的燃油耗和排放。為了滿足日益收緊的廢氣排放限值要求，推出了具有2種附加自由度的共軌噴射系統(tǒng)，即噴油始點(diǎn)可變和噴油壓力可變的共軌噴射系統(tǒng)。

Bosch公司是世界上唯一同時(shí)為轎車、商用車和大型柴油機(jī)提供柴油噴射系統(tǒng)，特別是共軌噴射系統(tǒng)的制造商。由于船用柴油機(jī)使用條件不同，所以對(duì)噴油系統(tǒng)的要求也就各不相同。船用柴油機(jī)可分成下列類型（表1）：（1）載重車柴油機(jī)的船用變型，（2）船用高速柴油機(jī)，（3）船用中速柴油機(jī)和重油發(fā)動(dòng)機(jī)，（4）船用低速重油發(fā)動(dòng)機(jī)。單缸排量2.5 L 以下的高速船用柴油機(jī)可應(yīng)用Bosch公司第3代載重車用共軌噴射系統(tǒng)（CRSN3），它是以載重車用共軌噴射系統(tǒng)的部件為基礎(chǔ)，并按非道路用途進(jìn)行優(yōu)化的。Bosch公司為單缸排量2.5 L 以上的船用柴油機(jī)開發(fā)了特別堅(jiān)固的模塊化共軌噴射系統(tǒng)（MCRS），自2004 年起，這種共軌噴射系統(tǒng)滿足了市場(chǎng)上各種不同的用途。對(duì)于維修周期特別長(zhǎng)的中速船用柴油機(jī)而言，MCRS-T 共軌噴射系統(tǒng)將于2012年投人量產(chǎn)。而用重油運(yùn)行對(duì)共軌噴射系統(tǒng)則提出了特殊的要求，為此Bosch公司與MAN Diesel&Turbo公司共同合作開發(fā)出了一種專門為滿足這種要求而優(yōu)化的重油共軌噴射系統(tǒng)，未來這種噴射系統(tǒng)也可供其他客戶使用。

2 排放法規(guī)推動(dòng)噴油技術(shù)的發(fā)展

Bosch公司不斷為其用戶開發(fā)燃油噴射系統(tǒng)和排氣后處理系統(tǒng)，使得用戶在開發(fā)、應(yīng)用排放和燃油耗更低的船用柴油機(jī)方面能獲得更大的控制柔性。對(duì)于船用柴油機(jī)而言，通過多次修改，以及改用新一代噴油系統(tǒng)和排氣后處理系統(tǒng)等輔助裝置來滿足最新的燃油耗和排放標(biāo)準(zhǔn)，從而獲得極長(zhǎng)的使用壽命。使用領(lǐng)域已從功率最佳的游艇擴(kuò)展到油輪和集裝箱船主機(jī)（表1）。如美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）或國(guó)際海事組織（IMO）等廢氣排放法規(guī)都適用于表1中所述的應(yīng)用場(chǎng)合，而且在2012—2016年期間，這些排放法規(guī)將被明顯收緊（圖1）。

表1 船用柴油機(jī)市場(chǎng)的分類

為了滿足未來的廢氣排放法規(guī)限值要求，必須采取機(jī)內(nèi)和/或機(jī)外措施。在這方面，Bosch公司寄希望于共軌噴射技術(shù)，它能滿足在噴油速率和多次噴射方面所需的柔性要求，同時(shí)能夠在液力損失最小的情況下進(jìn)一步提高噴油壓力。個(gè)別用戶特定的使用條件決定了應(yīng)用于特定發(fā)動(dòng)機(jī)類型和大小的共軌噴射系統(tǒng)的類型。

遠(yuǎn)洋船舶排出的氮氧化物（NOx）足有全世界NOx排放總量的十分之一，同時(shí)，它又被視為是二氧化硫和碳煙顆粒（PM）排放的大戶。因此，IMO 已經(jīng)決定逐步收緊遠(yuǎn)洋船舶的廢氣排放限值。自2011年起，已減少NOx排放量20%，而從2016年起，須減少NOx排放量80%。通過采取燃油或船舶動(dòng)力裝置（機(jī)內(nèi)措施和噴射技術(shù)），以及排氣后處理系統(tǒng)方面的技術(shù)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夠減少PM 排放量，在這方面有各種不同的限值：“球形蓋罩”適用于海洋，其中排放控制區(qū)具有明顯更為嚴(yán)格的廢氣排放限值。現(xiàn)在用于重油的“蓋罩”含硫量為4.5%，自2012年1月1日起降至3.5%，預(yù)計(jì)從2020年起只允許0.5%，而排放控制區(qū)所應(yīng)用的燃油含硫量上限值自2010 年3 月起就已從1.5%降至1.0%，從2015年起將降至0.1%。在動(dòng)力裝置方面，通過優(yōu)化燃燒過程能夠達(dá)到自2011年起生效的排放目標(biāo)值，而對(duì)于下一個(gè)目標(biāo)值而言，應(yīng)用降低NOx排放的專門技術(shù)是必要的。EPA 也規(guī)定了PM 排放限值，這對(duì)NOx排放限值為0.04 g/（k W·h）的Tier 4排放標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用場(chǎng)合是一種挑戰(zhàn)，除了優(yōu)化燃燒過程之外，還須將燃油噴射壓力提高到220 MPa。

3 滿足IMO 和EPA 排放標(biāo)準(zhǔn)限值要求的技術(shù)

CRSN3共軌噴射系統(tǒng)（圖2）包括噴油器、高壓燃油泵、裝有附件（燃油壓力傳感器、限壓閥和壓力調(diào)節(jié)閥）的共軌，以及電子控制單元，使每循環(huán)可達(dá)到7次噴射，為優(yōu)化燃燒過程提供了極佳的前提條件。自2008年起，這種共軌噴射系統(tǒng)配裝在單缸功率高達(dá)120 k W 的船用柴油機(jī)上，而自2010 年起，其提供的噴油壓力高達(dá)220 MPa。高壓燃油泵無需壓力轉(zhuǎn)換即可產(chǎn)生所需的系統(tǒng)壓力，并存儲(chǔ)在共軌中。極高的液力效率取決于高壓燃油泵和噴油器。

CRIN3噴油器性能參數(shù)如下：（1）壓力范圍25～220 MPa（計(jì)劃開發(fā)250 MPa）；（2）在10 MPa壓力的情況下，噴油嘴每30 s流量為400～1 300 cm3（用DIN ISO 4113標(biāo)定油測(cè)定值）；（3）噴油量每行程為1.5～450 mm3；（4）可實(shí)現(xiàn)連續(xù)7次噴射；（5）與180 MPa噴油器相比，效率更高；（6）回油量減少（＜50%）；（7）無泄漏。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：（1）外形尺寸與老型號(hào)相同，（2）無內(nèi)部泄漏（效率更高），（3）控制容積減少，（4）與發(fā)動(dòng)機(jī)的接口可變。

單缸功率120 k W 以下的船用柴油機(jī)使用泵油壓力220 MPa的CPN5-22/2型直列式雙柱塞高壓燃油泵，這是一種燃油潤(rùn)滑的模塊化結(jié)構(gòu)型式的高壓燃油泵。

CPN5-22/2型高壓燃油泵性能參數(shù)如下：（1）泵油壓力高達(dá)220 MPa（250 MPa正在開發(fā)中）；（2）進(jìn)油壓力為0.035～0.1 MPa（絕對(duì)壓力）；（3）背壓為0.18 MPa（絕對(duì)壓力）；（4）進(jìn)油溫度為-25～80℃；（5）整體式齒輪輸油泵，以及進(jìn)油計(jì)量單元；（6）最大泵油量為250 L/h（250 MPa）。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：（1）燃油潤(rùn)滑，（2）直列式雙柱塞高壓燃油泵，（3）質(zhì)量比老型號(hào)減輕30%。

已經(jīng)為單缸功率120 k W 以上的高速船用柴油機(jī)開發(fā)了MCRS，并且符合船用要求。MCRS 的結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)的共軌噴射系統(tǒng)有明顯不同，它無需使用噴油器旁的共軌來分配燃油，同時(shí)“模塊化”能適用于不同的發(fā)動(dòng)機(jī)型式，例如直列6、8和10缸，或者V8、V10、V12和V16缸，而共軌容積已集成在高壓燃油泵和噴油器中，這2處容積能抑制由泵油過程和燃油噴射所引起的壓力峰值。MCRS由高壓燃油泵、限壓閥、噴油器、電子控制單元和各種不同的傳感器組成。圖3中的MCRS噴油器剖視圖示出了其蓄壓容積、堅(jiān)固的球形電磁閥，以及在抗穴蝕和抗磨損性方面經(jīng)優(yōu)化的噴油嘴。噴油特性已針對(duì)最小噴油量和在整個(gè)特性曲線場(chǎng)內(nèi)特性曲線穩(wěn)定性能提出的要求進(jìn)行了優(yōu)化，這是達(dá)到美國(guó)Tier 4排放標(biāo)準(zhǔn)必不可少的。這種L2～L5型高壓燃油泵系列能滿足0.5～2.25 MW 之間船用柴油機(jī)的燃油供應(yīng)需求，而在雙泵運(yùn)行的情況下則能滿足高達(dá)4.5 MW機(jī)型的需求。

4 燃油品質(zhì)的挑戰(zhàn)

對(duì)遠(yuǎn)洋船舶柴油機(jī)用的共軌噴射系統(tǒng)而言，其面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是不同區(qū)域燃油品質(zhì)的差異。燃油中高的PM 含量及因燃油品質(zhì)可能引發(fā)積炭，所以必須開發(fā)一種特別耐用的噴油器控制閥，這種球形座面閥具有抗PM 磨損的功能。球閥因其轉(zhuǎn)動(dòng)而確保由PM 引起的初始損傷不會(huì)形成侵蝕性的噴射通道。因?yàn)榭刂崎y中不存在承受高壓的導(dǎo)向面，因此，在狹窄的導(dǎo)向面上積炭的可能性也大大減小。

為中速船用柴油機(jī)開發(fā)了一種MCRS-16-T 共軌噴射系統(tǒng)，MCRS-16共軌噴射系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展到了單缸功率高達(dá)500 k W 的功率等級(jí)，并使插裝式噴油泵（CP9.2）得以應(yīng)用，這種驅(qū)動(dòng)機(jī)械單體式噴油泵和電控單體式噴油泵系統(tǒng)的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)空間和凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也非常適用于MCRS。

此外，Bosch公司也為缸徑270 mm 以下的重油發(fā)動(dòng)機(jī)提供了一種共軌噴射系統(tǒng)（圖4），它能在滿足IMO Tier 2廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的情況下明顯降低PM排放，并將其分成2種功率等級(jí)。Bosch公司的重油噴油器無需伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，使得損耗較小，并獲得了較快的響應(yīng)性能，噴油系統(tǒng)也并不復(fù)雜。噴油嘴是壓力控制的，因而僅在噴油期間才承受壓力，從而防止了不希望出現(xiàn)的持續(xù)噴射，而且在現(xiàn)場(chǎng)更換噴油嘴不受限制。共軌高壓燃油泵可將重油增壓到高達(dá)160 MPa的噴射壓力，這涉及到一種裝有計(jì)量單元的、凸輪驅(qū)動(dòng)的高壓燃油泵，可用以調(diào)節(jié)進(jìn)油壓力。對(duì)這種高壓燃油泵的表面涂層進(jìn)行了優(yōu)化，并因空氣吹洗閥采用了獨(dú)特的密封方案能確保無磨損運(yùn)行。

Bosch公司與MAN Diesel&Turbo公司共同合作，為缸徑270 mm 以上的船用主機(jī)和輔機(jī)開發(fā)了重油共軌噴射系統(tǒng)（圖5），因控制閥與噴油器是分開的，故與上述系統(tǒng)有所不同，能夠應(yīng)用常規(guī)的噴油嘴體組合，同時(shí)易于從常規(guī)噴油技術(shù)轉(zhuǎn)換到共軌噴油技術(shù)，并且可在船舶現(xiàn)場(chǎng)維修噴油嘴體組合件，而與控制閥無關(guān)。

1個(gè)蓄壓管可為2個(gè)氣缸供油。為了控制噴油，在每個(gè)蓄壓管端蓋處各有1個(gè)帶有2/2和3/2路轉(zhuǎn)換閥的控制單元，而轉(zhuǎn)換閥在蓄壓管與機(jī)械式噴油嘴體組合之間轉(zhuǎn)換高壓。蓄壓管中的流量限制閥可防止噴射的油量過大。系統(tǒng)中的限壓閥能可靠地進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保在計(jì)量單元發(fā)生故障或者壓力傳感器損壞時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過高的系統(tǒng)壓力。Bosch公司開發(fā)的部件有3/2路轉(zhuǎn)換閥、流量限制器、旁通閥、壓力限制閥和高壓燃油泵計(jì)量單元，而MAN Diesel&Turbo公司則對(duì)整個(gè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)，開發(fā)了高壓燃油泵、蓄壓管和噴油嘴體組合，電子控制單元和燃油管路。

上述2種噴油系統(tǒng)明顯減少了黑煙排放，并改善了部分負(fù)荷時(shí)的燃油耗。

5 結(jié)語

新廢氣排放法規(guī)的實(shí)施使現(xiàn)代噴油系統(tǒng)面臨全新的挑戰(zhàn)，系統(tǒng)壓力的提高除了要求噴油部件仍保持耐久性和經(jīng)濟(jì)性之外，在強(qiáng)度、耐磨損性和溫度等方面承受更高的壓力。為了對(duì)現(xiàn)有船用柴油機(jī)共軌噴射系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行深人開發(fā)，Bosch 公司致力于將系統(tǒng)壓力提高到220 MPa的研究。自2012年起，這種蒸餾燃油的噴射系統(tǒng)就可投人使用，并將逐步提供所有的高速和中速船用柴油機(jī)使用。研發(fā)過程中，運(yùn)用了汽車領(lǐng)域內(nèi)提高系統(tǒng)壓力的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。

為了能夠在低燃油耗的情況下實(shí)施機(jī)內(nèi)措施或者達(dá)到排氣后處理的排放限值，對(duì)于未來美國(guó)Tier 4排放標(biāo)準(zhǔn)和IMO Tier 3排放標(biāo)準(zhǔn)而言，共軌噴射系統(tǒng)的完全柔性和高達(dá)220 MPa的噴射壓力是必不可少的。

Bosch公司已與MAN Diesel&Turbo公司共同合作，致力于開發(fā)噴射壓力高達(dá)220 MPa的第2代重油共軌噴射系統(tǒng)，以及采用多次噴射進(jìn)一步優(yōu)化燃燒過程的可能性，為此正在進(jìn)行可行性研究。這種新一代的噴射系統(tǒng)將為達(dá)到IMO Tier 3 排放標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)限值（自2016年起實(shí)施）作出貢獻(xiàn)。