船用柴油机相关配件行业发展情况

第一节 大功率、低排放

柴油发动机将继续是船舶动力的主力军，今后其主要走向就是提高发动机的效率和降低废气排放量。随着船舶大型化发展，世界主要柴油机制造商正在研制大功率低速船用柴油机，如2005年3月，韩国现代重工公司制造出MANB&W12K98ME船用主机，功率达到101576马力（74760千瓦），是世界上首台突破10马力的船用主机；中国中船集团公司柴油机新基地项目的规划及启动，把大功率智能化低速船用柴油作为主要研发对象。

当前国际和地区海洋环境保护法规对船舶废气排放限定标准将越来越严格。例如挪威和瑞典已出台和执行有关停泊在港口码头的船舶废气排放含硫量限制在0.2%的规定；2004年6月欧盟组织(EC)把船舶废气排放含硫量的严格限制规定的区域扩大到北海、波罗的海和英吉利海峡的海域和港口；国际船舶防污染公约(MARPOL)补充Ⅵ议定书中有关全球船舶废气排放含硫量限制在不超过4.5%的法规于2005年5月19日生效；2005年初美国政府海洋环境保护部门在迈阿密已经召开船用重油会议，其专题就是如何在美国沿海港口实施进一步把船舶废气排放低含硫量限制在1.5%以下，最晚将在2006年底出台新规定。

2003-2004年，日本造船业加强了基础经营管理，推进信息化，采取环保措施，减少氮氧化物（NOx）的排放量，制定了逐步将沿海船舶和渔船的柴油发动机更换为NOx低排放量发动机的政策。严格限制船舶废气含硫氧化物（SOx）和氮氧化物（NOx）的排放，是当代船用柴油机制造技术发展主要趋势。

第二节 燃油高压喷射系统

高压共轨电控燃油喷射系统，它主要由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨，高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元从预设的图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。

1、高压油泵

高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生于燃油喷射过程无关，且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证，因此高压油泵的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。

bosch公司采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞泵来产生高达135Mpa的压力。该高压油泵在每个压油单元中采用了多个压油凸轮，使其峰值扭矩降低为传统高压油泵的1/9，负荷也比较均匀，降低了运行噪声。该系统中高压共轨腔中的压力的控制是通过对共轨腔中燃油的放泄来实现的，为了减小功率损耗，在喷油量较小的情况下，将关闭三缸径向柱塞泵中的一个压油单元使供油量减少。

日电装公司采用了一个三作用凸轮的直列泵来产生高压。该高压油泵对油量的控制采用了控制低压燃油有效进油量的方法。

1）柱塞下行，控制阀开启，低压燃油经控制阀流入柱塞腔。

2）柱塞上行，但控制阀中尚未通电，处于开启状态，低压燃油经控制阀流回低压腔。

3）在达到供油量定时时，控制阀通电，使之关闭，回流油路被切断，柱塞腔中的燃油被压缩，燃油经出油阀进入高压油轨。利用控制阀关闭时间的不同，控制进入高压油轨的油量的多少，从而达到控制高压油轨压力的目的。

4）凸轮经过最大升程后，柱塞进入下降行程，柱塞腔内的压力降低，出油阀关闭，停止供油，这时控制阀停止供电，处于开启状态，低压燃油进入柱塞腔进入下一个循环。

该方法使高压油泵不产生额外的功率消耗，但需要确定控制脉冲的宽度和控制脉冲与高压油泵凸轮的相位关系，控制系统比较复杂。

2、共轨管

共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用，ECD-U2系统的供轨管容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在5Mpa之下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。ECD-U2系统的高压泵的最大循环供油量为600mm3，共轨管容积为94000mm3。

高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器向ECU提供高压油轨的压力信号；液流缓冲器（限流器）保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压油管中的压力波动；压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。

3、电控喷油器

电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用根据ECU发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。

BOSCH和ECD-U2的电控喷油器的结构基本相似，都是由于传统喷油器相似的喷油嘴、控制活塞、控制量孔、控制电磁阀组成。在电磁阀不通电时，电磁阀关闭控制活塞顶部的量孔A，高压油轨的燃油压力通过量孔Z作用在控制活塞上，将喷嘴关闭；当电磁阀通电时，量孔A被打开，控制室的压力迅速降低，控制活塞升起，喷油器开始喷油；当电磁阀关闭时，控制室的压力上升，控制活塞下行关闭喷油器完成喷油过程。

控制了喷油率的形状，需对其进行合理的优化设计，实现预定的喷油形状。控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度，控制室的容积太大，针阀在喷油结束时不能实现快速的断油，使后期的燃油雾化不良；控制室容积太小，不能给针阀提供足够的有效行程，使喷射过程的流动阻力加大，因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。

控制量孔A、Z的大小对喷油嘴的开启和关闭速度及喷油过程起着决定性的影响。双量孔阀体的三个关键性结构是进油量孔、回油量孔和控制室，它们的结构尺寸对喷油器的喷油性能影响巨大。回油量孔与进油量孔的流量率之差及控制室的容积决定了喷油嘴针阀的开启速度，而喷油嘴针阀的关闭速度由进油量孔的流量率和控制室的容积决定。进油量孔的设计应使喷油嘴针阀有足够的关闭速度，以减少喷油嘴喷射后期雾化不良的部分。

此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后，就确定了喷油嘴针阀完全开启的稳定、最短喷油过程，同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快，使燃油温度对喷油嘴喷油量的影响更小。

但控制室的容积不可能无限制减少，它应能保证喷油嘴针阀的升程以使针阀完全开启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力，从而决定了针阀的运动规律，通过仔细调节这两个量孔的流量系数，可以产生理想的喷油规律。

由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高，因此其喷油嘴的喷孔截面积很小，如BOSCH公司的喷油嘴的喷孔直径为0.169mm×6，在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下，燃油流动处于极端不稳定状态，油束的喷雾锥角变大，燃油雾化更好，但贯穿距离变小，因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。

对于喷油器电磁阀，由于共轨系统要求它有足够的开启速度，考虑到预喷射是改善柴油机性能的重要喷射方式，控制电磁阀的响应时间更应缩短。

4、高压油管

高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降，并使高压管路系统中的压力波动较小，能承受高压燃油的冲击作用，且起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等，使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力，从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短，使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。BOSCH公司的高压油管的外经为6mm，内径为2.4mm，日本电装公司的高压油管的外经为8mm，内径为3mm。

第三节 柴油机电子化、智能化

目前，世界上船用柴油机公司对智能化技术进行广泛的研究开发，不断推出新机型，主要有：MANW的智能化柴油机、苏尔寿——瓦锡兰公司的RT-Flex柴油机系列和MTU的共轨柴油机系列。它们关键技术主要包括三大部分：

（1）柴油电子控制技术：通过检测柴油机的各种状态信号，根据内在的系统对柴油机燃油喷射系统、电子调速系统、增压系统、排气门系统等实现电子控制；

（2）电子管理技术：对柴油机性能进行更高层次控制、主要完成柴油机监测、控制和故障诊断等功能，柴油机电子管理系统可以使对柴油机的监控更完整功能更强大。

（3）多机通讯管理技术：通过现场总线对多个柴油机组进行控制，提供与其它系统的接口以将柴油机控制纳入整船的综合管理系统。

2005年8月，世界上第一台七缸智能型（7RTflex58T-B）船用发动机在大连船用柴油机厂交工，最大输出功率为15260千瓦（20755马力），该机采用世界最先进的wecs9520电控系统控制燃油喷射、排气阀起闭、主机激活和换向，取代了传统的液压和气动控制，使柴油燃烧更加充分。由于采用了计算器控制，该机型去掉了凸轮轴系统，操作更加简单方便，并有效减少了主机自重，具有可靠、灵活和兼容性强的特点。投入使用后，将在降低油耗、低噪音、减少废气排放、延长大修期与超低转速运行等方面收到良好的成效。

电控共轨船用主机是世界柴油机制造业的一次历史性的革命，它将现代先进的电子技术、计算器技术同传统机械动力技术完美结合，正在慢慢取代传统机型。业内专家预测，未来2-3年，智能化柴油机将成为船用低速大功率柴油机主流机型，代表当代船用主机的发展方向。

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