高壓共軌柴油機(jī)燃油系統(tǒng)故障與運(yùn)行特性

一、引言高壓共軌技術(shù)作為燃油系統(tǒng)控制前沿技術(shù)，具有蓄能穩(wěn)壓、改善噴油規(guī)律以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排等顯著優(yōu)勢(shì)，被用于中高端船舶發(fā)動(dòng)機(jī)。國(guó)內(nèi)高壓共軌技術(shù)，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制策略等方面與世界先進(jìn)水平相比還有一定的差距。進(jìn)口高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜，受外部運(yùn)行工況的影響，在實(shí)船應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)系統(tǒng)性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致功能失常引起相關(guān)設(shè)備故障的問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，給燃油系統(tǒng)的維護(hù)工作帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。因此，開(kāi)展高壓共軌系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)研究工作對(duì)于船用中高端發(fā)動(dòng)機(jī)核心技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。目前國(guó)內(nèi)圍繞高壓共軌噴射系統(tǒng)的運(yùn)行特性開(kāi)展了一些技術(shù)研究，王勤鵬等［1］從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度研究軌壓容積對(duì)共軌燃油系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響，結(jié)果表明優(yōu)化共軌腔結(jié)構(gòu)可降低軌壓波動(dòng)；周巍［2］通過(guò)仿真分析不同燃油噴射控制參數(shù)對(duì)高壓共軌柴油機(jī)節(jié)能減排性能的影響，結(jié)果表明噴油壓力升高和噴油始點(diǎn)提前會(huì)引起NOx排放量上升；聶濤等［3］研究共軌連接管幾何尺寸與噴油規(guī)律對(duì)軌腔壓力波動(dòng)的影響，結(jié)果表明軌壓波動(dòng)隨噴油間隔時(shí)長(zhǎng)的增加而減弱?？傮w而言，過(guò)去的研究多通過(guò)軌腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化和燃油噴射規(guī)律控制實(shí)現(xiàn)共軌系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，較少針對(duì)燃油供給與軌壓調(diào)節(jié)等方面開(kāi)展高壓共軌燃油系統(tǒng)的運(yùn)行特性研究。本文結(jié)合某船出現(xiàn)的高壓油泵故障［4-5］，以其配置的6L48/60CR柴油機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)主機(jī)高壓共軌系統(tǒng)工作原理，結(jié)合高壓油泵內(nèi)部潤(rùn)滑冷卻結(jié)構(gòu)解剖，分析高壓油泵柱塞在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生異常磨損的原因。（以上參考文獻(xiàn)同日在“技術(shù)交流群”發(fā)送，請(qǐng)即時(shí)接收文件。）隨后利用AMEsim軟件建立流體運(yùn)行與高壓共軌燃油供給與噴射模型，模擬不同的燃油進(jìn)機(jī)流量和軌壓變化率對(duì)柱塞表面環(huán)槽儲(chǔ)油壓力的影響，闡釋高壓油泵柱塞磨損的機(jī)理。二、高壓共軌系統(tǒng)工作原理某船燃油系統(tǒng)主要由燃油供給系統(tǒng)和高壓共軌系統(tǒng)兩部分組成。燃油供給系統(tǒng)主要由日用油柜、燃油供給泵、燃油濾器、回油冷卻器和背壓閥以及管系和閥組等組成；高壓共軌系統(tǒng)主要由2臺(tái)高壓油泵、3根共軌管、6個(gè)噴射閥以及相應(yīng)數(shù)量的噴油器等組成，主機(jī)控制單元通過(guò)對(duì)共軌壓力的監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)高壓油泵內(nèi)節(jié)流閥的開(kāi)度與燃油噴射閥的噴射規(guī)律形成閉環(huán)控制，如圖1所示。燃油供給系統(tǒng)通過(guò)燃油供給泵將燃油輸送至兩臺(tái)高壓油泵，經(jīng)高壓油泵加壓后通過(guò)高壓油管運(yùn)送至相互串聯(lián)的3個(gè)共軌管中，再根據(jù)柴油機(jī)負(fù)荷變化通過(guò)電控單元控制分布在共軌腔兩端的6個(gè)燃油噴射閥分配至各缸的噴油器，多余燃油通過(guò)壓力限制閥回到日用油柜。安全閥組由安全閥和緊急停車(chē)閥組成，在系統(tǒng)工作過(guò)程中起到安全溢流和瞬時(shí)泄放的作用。在高壓油泵故障發(fā)生后，對(duì)油泵內(nèi)部進(jìn)行拆解分析，如圖2所示。柱塞?套筒摩擦副接觸面的潤(rùn)滑和冷卻是依靠從入口A進(jìn)入主機(jī)油泵的燃油分流自上而下進(jìn)入套筒內(nèi)壁的儲(chǔ)油環(huán)槽，通過(guò)柱塞上行程形成的對(duì)流來(lái)實(shí)現(xiàn)柱塞偶件的潤(rùn)滑和冷卻，潤(rùn)滑燃油從高壓油泵泄漏出口流出。由于高壓油泵柱塞的潤(rùn)滑冷卻是依靠進(jìn)入高壓油泵的燃油通過(guò)柱塞套筒內(nèi)部的油孔到達(dá)上部環(huán)槽區(qū)域，通過(guò)上部環(huán)槽沿著柱塞的外表面均勻進(jìn)入下部環(huán)槽，燃油流動(dòng)與柱塞工作相向而行，形成對(duì)流，加強(qiáng)柱塞在建壓過(guò)程中底部的潤(rùn)滑和冷卻作用。經(jīng)對(duì)部分高壓油泵拆解發(fā)現(xiàn)，部分柱塞根部出現(xiàn)高溫發(fā)藍(lán)現(xiàn)象，發(fā)生卡滯故障的油泵柱塞根部存在磨損，劃痕自下而上由深入淺分布［4］。說(shuō)明環(huán)槽附近潤(rùn)滑冷卻不良出現(xiàn)局部干摩擦，懷疑柱塞表面潤(rùn)滑壓力不足導(dǎo)致油膜無(wú)法有效建立。三、燃油系統(tǒng)仿真計(jì)算與分析1、燃油系統(tǒng)建模以該船配置的6L48/60CR型中速柴油主機(jī)為研究對(duì)象進(jìn)行仿真分析，6L48/60CR型中速柴油主機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。采用AMESim軟件建立燃油系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示，用于研究燃油系統(tǒng)的供給和噴射過(guò)程中的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。由柱塞潤(rùn)滑機(jī)理可知：柱塞內(nèi)部的燃油壓力是保證柱塞充分潤(rùn)滑的關(guān)鍵，避免柱塞內(nèi)部的微凸體接觸壓力超出柱塞的承受范圍，須保證在軌壓恒定的條件下，當(dāng)高壓油泵正常運(yùn)行時(shí)柱塞表面油膜壓力處于正常范圍，此外當(dāng)出現(xiàn)柴油機(jī)負(fù)荷變化，噴油規(guī)律隨之發(fā)生改變，軌壓出現(xiàn)波動(dòng)，控制模塊須要對(duì)軌壓進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，以滿足噴射系統(tǒng)的壓力要求。因此，通過(guò)設(shè)定不同的供油流量來(lái)模擬在穩(wěn)態(tài)條件下外部供油量對(duì)柱塞的潤(rùn)滑狀態(tài)的影響，同時(shí)改變軌壓變化率來(lái)模擬主機(jī)在加載過(guò)程中柱塞環(huán)槽燃油壓力隨軌壓調(diào)節(jié)速率的變化。根據(jù)上述對(duì)柱塞潤(rùn)滑狀態(tài)的理論分析，設(shè)定兩種仿真計(jì)算工況見(jiàn)表2。表2中的工況一為該船原始配置，共軌管的壓力以階躍形式調(diào)節(jié)，為維持共軌管內(nèi)壓力穩(wěn)定，當(dāng)調(diào)壓信號(hào)發(fā)出后，主機(jī)入口流量會(huì)隨之波動(dòng)。通過(guò)對(duì)比在兩種工況下，主機(jī)入口的瞬時(shí)流量和柱塞內(nèi)部環(huán)槽油壓，可以模擬出此時(shí)柱塞的實(shí)際潤(rùn)滑情況。2、系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析通過(guò)仿真計(jì)算得到的工況一燃油壓力特性曲線如圖4所示。潤(rùn)滑油槽壓力隨壓力調(diào)節(jié)信號(hào)呈現(xiàn)規(guī)律性波動(dòng)，如圖5所示，對(duì)虛線框時(shí)間段內(nèi)零壓力線附近的進(jìn)機(jī)流量和環(huán)槽壓力局部分析可見(jiàn)，選用額定流量為5.5m3/h的燃油供給泵和5MPa/s的軌壓變化率時(shí)，在調(diào)壓過(guò)程中主機(jī)入口流量略高于主機(jī)最低要求流量值5.19m3/h，在調(diào)壓信號(hào)發(fā)出時(shí)刻，主機(jī)入口流量波動(dòng)比較明顯。柴油機(jī)軌壓在由150MPa上升至155MPa的過(guò)程中，當(dāng)主機(jī)入口瞬時(shí)流量小于3.23m3/h時(shí)，柱塞的潤(rùn)滑環(huán)槽將出現(xiàn)瞬時(shí)負(fù)壓情況，持續(xù)時(shí)間為0.15s，調(diào)壓區(qū)間環(huán)槽平均壓力為0.25MPa。當(dāng)柱塞的潤(rùn)滑環(huán)槽出現(xiàn)瞬時(shí)負(fù)壓，此時(shí)柱塞油膜將無(wú)法建立，柱塞的潤(rùn)滑和冷卻不良，若柱塞在此潤(rùn)滑狀況下多次運(yùn)行，將造成柱塞過(guò)度磨損，甚至出現(xiàn)柱塞卡滯，引起高壓油泵故障。當(dāng)選用額定流量為7.0m3/h的燃油供給泵和2MPa/s軌壓變化率時(shí)，在調(diào)壓信號(hào)發(fā)出時(shí)刻，柱塞潤(rùn)滑環(huán)槽壓力波動(dòng)與工況一相比趨于平緩，且未出現(xiàn)低于零壓力線，見(jiàn)圖6。對(duì)虛線框內(nèi)壓力信號(hào)進(jìn)行局部分析，由圖7可見(jiàn)：主機(jī)進(jìn)機(jī)流量波動(dòng)與工況一相比趨于平緩，且在大部分時(shí)間段內(nèi)主機(jī)入口流量處于主機(jī)最低要求流量值5.19m3/h，潤(rùn)滑環(huán)槽瞬時(shí)最低壓力約為0.3MPa，調(diào)壓區(qū)間環(huán)槽平均壓力為0.7~0.8MPa，持續(xù)時(shí)間為52ms。在工況二下潤(rùn)滑環(huán)槽油膜未出現(xiàn)負(fù)壓情況，因此不會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)干摩擦狀態(tài)，柱塞偶件摩擦副得到有效潤(rùn)滑和冷卻，避免因瞬時(shí)油膜缺失產(chǎn)生累積磨損進(jìn)而造成柱塞卡滯。四、結(jié)論（1）某船發(fā)生高壓油泵故障問(wèn)題，其原因?yàn)樵诩虞d過(guò)程中軌壓變化率與高壓油泵不匹配，導(dǎo)致主機(jī)燃油供油流量瞬時(shí)不足，柱塞油膜無(wú)法有效建