船用柴油机高压共轨技术的发展

２船用柴油机高压共轨系统发展分析
从船用柴油机高压共轨燃油系统的发展过程， 可以揭示船用柴油机高压共轨燃油系统的未来发 展趋势。 ２．１系统适用性
船用柴油机高压共轨燃油系统普遍适用重油， 特别是中、低速柴油机。
由于高压共轨系统工作压力高，为了建立和维 持高压，油泵柱塞偶件、喷油器控制柱塞等精密部 件的配合间隙需要严格控制。加之电磁阀、传感器 等电子元器件的使用，对温度的耐受性有限。因此， 在船用柴油机高压共轨燃油系统开发的最初阶段 都仅适用普通柴油，不适用重油。随着用户对降低 运行成本的追求，中、低速船用柴油机共轨系统应 适用重油已成为必然趋势，特别在２００３年以后表 现得尤为明显。 ２．２系统结构
Ｄｅｕｔｚ ６２８ ８缸直列柴油机改进型共轨系统中 也采用了类似结构的喷油器。可见，将蓄压器布置 在头部的新型喷油器结构代表了船用柴油机共轨 系统电控喷油器的发展方向。
３结语
综上所述，为了提高船用柴油机的经济性，改
平涛，等：船用柴油机高压共轨技术的发展
善排放，采用高压共轨燃油系统是一条有效途径。 船用柴油机高压共轨燃油系统的技术发展方向可 归纳为：
整台发动机采用一个整体式长共轨的结构在 船用柴油机上将逐渐消失，由布置灵活、形式多样 的共轨单元或蓄压器取代。将高压容积分布在喷油 器头部的分布式共轨系统将代表未来船用柴油机 共轨系统的发展趋势【４Ｊ。
船用柴油机由于循环喷油量大，如果采用类似于 车用共轨系统上的整体式共轨结构，则要求的共轨容 积大。加之从船用安全性需求出发，船用共轨往往采 用双层壁结构，使得共轨的外形尺寸更大。这为加工 制造以及系统在发动机上的布置都带来很大困难。
ＭＡＮ公司共轨柴油机采用模块化共轨单元， 对于相同缸径不同缸数的柴油机系列，可以匹配不 同数量、同一种规格的共轨单元。即便对于不同缸 径的柴油机的共轨单元，其集成控制阀的端盖也可 以做到基本相同，甚至完全相同。 ２．４系统核心部件电控喷油器
随着船用柴油机排放法规的日益严格，人们对 喷油过程的精确控制、喷油规律优化的要求越来越 高，喷油器性能在整个高压共轨系统中的重要性越 来越受关注。
船用柴油机高压共轨技术的发展
平涛，方文超，浦卫华，闰萍 （７ｌｌ研究所，上海２０１１０８）
摘要：介绍了不同时期具有代表性的船用柴油机高压共轨燃油系统，并从系统适用性、总体布置、关键零部件结
构等多个层面分析了该项技术的发展趋势。关键词：船用柴油机；高压共轨；发展
中图分类号：ｕ６６４．１２１；ＴＫ４２１．４
一３６一 万方数据
发展的必然趋势。 ２。３系统主要部件
在满足基本功能性需求的基础上，船用柴油机 高压共轨燃油系统主要部件逐渐向系列化、标准化 方向发展。
其中高压油泵的产品系列化、标准化发展趋势 最为典型。通过改变油泵柱塞数量、油泵工作转速、 油泵配置数量实现产品的系列化，满足多种柴油机 的使用需求。同时，柱塞偶件、滚轮、凸轮、出油 阀、流量调节阀、油泵蓄压器等部件尽可能实现标 准化，以适用于不同的产品。
Ｄｅｕｔｚ ６２８ ８缸直列柴油机单缸功率２５０ｋｗ， 转速１ ０５０“ｍｉｌｌ。由于最初采用的共轨体积较大给 系统布置带来困难，同时也带来造价高的问题，因 此对其共轨系统进行了改进。取消了共轨系统中的 整体式的共轨，蓄压容积分布在喷油器上，改进后 的新型高压共轨系统结构如图４所示。
图３ ＭＡＮ Ｂ＆Ｗ ３２／４０柴油机共轨系统
为了规避上述不利因素，将蓄压器布置在头部 的新型喷油器结构应运而生。这种结构使得蓄压器 和喷射控制阀尽可能靠近喷嘴，运动质量大大减 小，喷射延迟缩短，有利于实现多次喷射。喷射控 制电磁阀位于喷油器下部呈偏心布置的这种结构， 有利于实现电磁阀产品的标准化，可使同一种规格 电磁阀满足不同喷油量要求的电控喷油器。
Ｂｏｓｃｈ公司结合其车用电子喷射系统的开发经 验和中高速机非路用发动机燃油系统的开发经验， 研制出模块化的大型船用柴油机共轨系统，循环喷 油量５００～３０００ｍｍ３，相对应的发动机功率范围为 １００～５００ｋＷ／缸。
为避免泵端较强的压力波动，高压油泵上集成 一块蓄压容积，共轨容积被分布到喷油器上，每个 喷油器的蓄压容积大约是最大喷油量的５∞７０倍， 减少了喷油器中的压力波动。喷油器的进口节流防 止残余压力波在整个燃油系统中的传播，卸压阀和 压力传感器都集成在油泵的蓄压器上。高速机采用 的直列式高压油泵一般带有２～５个柱塞副，油泵转 速ｌ ０００～３ ０００ ｒ／ＩＩｌｉｎ，中速机可采用外部凸轮驱动油 泵。 １．５ Ｄｅｕｔｚ ６２８柴油机新型高压共轨系统
１典型船用柴油机高压共轨系统
力为２０ｌ／ｍｉｎ。２００２年，为了满足ＭＴＵ－４０００系列 ２０缸新机型的需要，Ｌ’Ｏｒｇａｎｇｅ公司对系统的高压 油泵进行了改进。第二代油泵采用机油润滑直列式
结构，在１４０ＭＰａ压力下供油能力可达到３２№ｉｎ。
２０００年在ＭＴＵ８０００系列柴油机中推出了改进 型高压共轨燃油系统。在高压共轨和每只缸的喷油 器之间增加一只安装在气缸盖上的单体蓄压器，共 轨压力１８０ＭＰａ。蓄压器内始终储有足够的燃油， 可在最大喷油量或燃油系统内部产生压力波动时 防止喷油嘴上游压力下降和燃油系统压力振荡。
船用柴油机系列产品缸数种类较多，若采用整 体式共轨，不同缸数的柴油机则要求匹配不同规格 的共轨，这为燃油系统的配套带来不便。由于缸数 较多，在一根长共轨上分布的多个钻孔会引起较大 的应力集中，影响共轨的安全性和可靠性。对于有 燃用重油要求的共轨系统，体积庞大的整体式共轨 在工作温度（１５００Ｃ左右）下会引起较大变形。因 此，为了提高船用柴油机共轨燃油系统的适用性、 可靠性、可加工性，提高系统压力稳定性，减少各 缸喷射过程的互相干扰，采用布置灵活、形式多样 的共轨单元或蓄压器取代整体式长共轨的结构是
上海造船２００９年第３期（总第７９期）
万方数据
图４ Ｄｅｕｔｚ ６２８柴油机新型高压共轨系统
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带有独立蓄压容积的喷油器通过高压油管彼此连 接，油管相对较细。改进前共轨系统中高压容积共 有ｌ ８２０ＩＩｌｌ，改进后只有８２０ｌＩｌｌ。喷油器上的独立 蓄压容积为７０１１１ｌ，是最大循环喷油量的３５倍‘３１。
（１）考虑在中、低速柴油机中使用重油的设计。 （２）采用布置灵活、形式多样的共轨单元或蓄 压器取代整体式长共轨的结构。而将高压容积分布 在喷油器头部的分布式共轨系统显示了未来船用 柴油机共轨系统的发展趋势。 （３）在满足基本功能性需求的基础上，高压共 轨燃油系统部件逐渐向系列化、标准化方向发展。 （４）随着对喷油过程的精确控制和喷油规律优 化的要求越来越高，电控喷油器性能越来越显示出 重要性。 目前国外船用柴油机共轨系统的应用已非常 普遍，而国内自行设计开发的船用柴油机尚未采用 高压共轨技术，实际上我国已经具备了加速发展船 用柴油机高压共轨技术及产品的基本条件，因此国
文献标识码：Ａ
文章编号：ｌ００５．９９６２（２００９）０３—００３２．０４
Ａｂｓｔｒａｃｔ．Ｔｙｐｉｃａｌ ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｒｎｍｏｎ ｒａｉｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｍａｒｉｎｅ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅｓ ｉＩｌ ｄｉｎ、ｅｒｅｎｔ ｐｅｒｉｏｄｓ ａｒｅ ｉＩｌ仃Ｉ）ｄｌｌｃｅｄ．Ｄｅ、，ｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｔＩｌｅ ｔｅｃｌｌｔｌｏｌｏｇｙ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ行ｏｍ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｍｅｌ ｏｉｌ ａ血ｐｔａｂｉｌｉｔｙ，ｓｙｓｔｅｍ ｌａｙｏｕｔ 加ｄ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｓｔｆｌＪｃｔｔｌ舱． Ｋｅｙ ｗ田ｒｄｓ：ｍａ咖ｅ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ；ｈｉ曲－ｐ】燃ｓｕｒｅ ｃｏｍｍｏｎ ｒａｉｌｉｎｊｅｃｔｉ册ｓｙｓ衄ｎ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
作者简介：平涛，女，１９７４年生，高级工程师，工学博 士。主要从事船用柴油机高压共轨燃油喷射系统 设计开发相关工作。
一３４～
万方数据
图１ ＭＴｕ２０００ｃＲ柴油机共轨系统
１．２ ｗ蕴ｒｔｓｉｌ｛ｉ系列柴油机共轨系统 ２００３年装船投入使用的ｗａｎＳｉｌ萏Ｗ３２ＣＲ柴油机
共轨系统是第一套可以适用重油的共轨系统【２】，如图
对于船用柴油机共轨系统中的喷油器，循环喷 油量大，一般在几千立方毫米。要实现预喷、后喷 小油量控制往往比较困难。船用喷油器的外形尺寸 和运动件的质量一般也较大，这对实现喷射控制的 快速响应带来困难。另外，船用柴油机缸数多，喷 油器数量多，喷射过程引起的系统内压力波动对喷 射的一致性和重复性造成不利影响。因此，船用柴 油机共轨系统中的喷油器开发难度更大。
事共轨式电控喷射系统的开发，在１９９７年投产的 ＭＴＵ ４０００系列柴油机上首次采用了共轨燃油系统。
ＭＴＵ４０００系列柴油机单缸功率１７０ｋＷ。共轨 燃油系统主要由高压泵、共轨、喷油器和发动机电 子控制系统组成。齿轮驱动的高压油泵以设定的压 力将高压燃油输送到共轨，再由共轨分配到各个喷 油器。该系统首先采用了进油量控制的压力控制方 法，第一代高压油泵在１２０ＭＰａ压力下最大供油能
多个蓄压单元串连在一起组成共轨，蓄压单元 端盖上有两位三通阀，由电磁阀驱动。喷油器为常 规机械式喷油器，通过控制压力来控制针阀升程， 针阀座面只在喷射时承受高压，有利于提高系统在 中速机上应用的安全性。高压油管和蓄压单元均采 用双层壁结构。
ＭＡＮ Ｂ＆Ｗ ３２／４０ＣＲ柴油机可用作船舶主机或 辅助柴油机，也可用于发电机组。额定转速 ７２０～７５０ ｒ／ｍｉｌｌ，系统１００％负荷时的工作压力 １４０ＭＰａ，最高可达到１６０ＭＰａ。采用模块化共轨单 元，适用７×１０珥一／ｓ（５０℃时）的重油。 １．４ Ｂｏｓｃｈ公司大型高压共轨系统
２００６年底，Ｗ狐ｓｉｌ萏和Ｌ７０ｒｇａｎｇｅ又合作开发
了Ｗ２０ＣＲ共轨燃油系统，单缸功率１８０ｋｗ，转速 １ ０００ｒ／ｎｌｉＩｌ。Ｗ２０ＣＲ共轨燃油系统采用直列组合泵， 齿轮传动，适用重油，共轨压力１５０ＭＰａ，油泵工 作转速８００ｒ／ｍｉｎ到３ １５０ｒ／ｍｉＩｌ，可以匹配多个系列 机型。共轨采用分段式，每个共轨单元连接３只喷 油器。喷油器采用单回路控制，可以实现多次喷射。 共轨单元和高压油管均采用双层壁结构。 １．３ ＭＡＮ Ｂ＆Ｗ ３２／４０柴油机共轨系统