高壓共軌柴油機燃油系統(tǒng)故障與運行特性

一、引言高壓共軌技術作為燃油系統(tǒng)控制前沿技術，具有蓄能穩(wěn)壓、改善噴油規(guī)律以實現(xiàn)節(jié)能減排等顯著優(yōu)勢，被用于中高端船舶發(fā)動機。國內(nèi)高壓共軌技術，包括系統(tǒng)結構設計、控制策略等方面與世界先進水平相比還有一定的差距。進口高壓共軌系統(tǒng)結構精密復雜，受外部運行工況的影響，在實船應用過程中出現(xiàn)系統(tǒng)性能不穩(wěn)定，導致功能失常引起相關設備故障的問題時有發(fā)生，給燃油系統(tǒng)的維護工作帶來極大挑戰(zhàn)。因此，開展高壓共軌系統(tǒng)仿真與試驗研究工作對于船用中高端發(fā)動機核心技術的發(fā)展具有重要意義。目前國內(nèi)圍繞高壓共軌噴射系統(tǒng)的運行特性開展了一些技術研究，王勤鵬等［1］從結構設計角度研究軌壓容積對共軌燃油系統(tǒng)運行特性的影響，結果表明優(yōu)化共軌腔結構可降低軌壓波動；周?。?］通過仿真分析不同燃油噴射控制參數(shù)對高壓共軌柴油機節(jié)能減排性能的影響，結果表明噴油壓力升高和噴油始點提前會引起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)律對軌腔壓力波動的影響，結果表明軌壓波動隨噴油間隔時長的增加而減弱。總體而言，過去的研究多通過軌腔結構優(yōu)化和燃油噴射規(guī)律控制實現(xiàn)共軌系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，較少針對燃油供給與軌壓調(diào)節(jié)等方面開展高壓共軌燃油系統(tǒng)的運行特性研究。本文結合某船出現(xiàn)的高壓油泵故障［4-5］，以其配置的6L48/60CR柴油機為研究對象，根據(jù)主機高壓共軌系統(tǒng)工作原理，結合高壓油泵內(nèi)部潤滑冷卻結構解剖，分析高壓油泵柱塞在運行過程中發(fā)生異常磨損的原因。（以上參考文獻同日在“技術交流群”發(fā)送，請即時接收文件。）隨后利用AMEsim軟件建立流體運行與高壓共軌燃油供給與噴射模型，模擬不同的燃油進機流量和軌壓變化率對柱塞表面環(huán)槽儲油壓力的影響，闡釋高壓油泵柱塞磨損的機理。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臺高壓油泵、3根共軌管、6個噴射閥以及相應數(shù)量的噴油器等組成，主機控制單元通過對共軌壓力的監(jiān)測調(diào)節(jié)高壓油泵內(nèi)節(jié)流閥的開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)通過燃油供給泵將燃油輸送至兩臺高壓油泵，經(jīng)高壓油泵加壓后通過高壓油管運送至相互串聯(lián)的3個共軌管中，再根據(jù)柴油機負荷變化通過電控單元控制分布在共軌腔兩端的6個燃油噴射閥分配至各缸的噴油器，多余燃油通過壓力限制閥回到日用油柜。安全閥組由安全閥和緊急停車閥組成，在系統(tǒng)工作過程中起到安全溢流和瞬時泄放的作用。在高壓油泵故障發(fā)生后，對油泵內(nèi)部進行拆解分析，如圖2所示。柱塞?套筒摩擦副接觸面的潤滑和冷卻是依靠從入口A進入主機油泵的燃油分流自上而下進入套筒內(nèi)壁的儲油環(huán)槽，通過柱塞上行程形成的對流來實現(xiàn)柱塞偶件的潤滑和冷卻，潤滑燃油從高壓油泵泄漏出口流出。由于高壓油泵柱塞的潤滑冷卻是依靠進入高壓油泵的燃油通過柱塞套筒內(nèi)部的油孔到達上部環(huán)槽區(qū)域，通過上部環(huán)槽沿著柱塞的外表面均勻進入下部環(huán)槽，燃油流動與柱塞工作相向而行，形成對流，加強柱塞在建壓過程中底部的潤滑和冷卻作用。經(jīng)對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］。說明環(huán)槽附近潤滑冷卻不良出現(xiàn)局部干摩擦，懷疑柱塞表面潤滑壓力不足導致油膜無法有效建立。三、燃油系統(tǒng)仿真計算與分析1、燃油系統(tǒng)建模以該船配置的6L48/60CR型中速柴油主機為研究對象進行仿真分析，6L48/60CR型中速柴油主機主要技術參數(shù)見表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)的供給和噴射過程中的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性。由柱塞潤滑機理可知：柱塞內(nèi)部的燃油壓力是保證柱塞充分潤滑的關鍵，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，當高壓油泵正常運行時柱塞表面油膜壓力處于正常范圍，此外當出現(xiàn)柴油機負荷變化，噴油規(guī)律隨之發(fā)生改變，軌壓出現(xiàn)波動，控制模塊須要對軌壓進行相應調(diào)節(jié)，以滿足噴射系統(tǒng)的壓力要求。因此，通過設定不同的供油流量來模擬在穩(wěn)態(tài)條件下外部供油量對柱塞的潤滑狀態(tài)的影響，同時改變軌壓變化率來模擬主機在加載過程中柱塞環(huán)槽燃油壓力隨軌壓調(diào)節(jié)速率的變化。根據(jù)上述對柱塞潤滑狀態(tài)的理論分析，設定兩種仿真計算工況見表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，當調(diào)壓信號發(fā)出后，主機入口流量會隨之波動。通過對比在兩種工況下，主機入口的瞬時流量和柱塞內(nèi)部環(huán)槽油壓，可以模擬出此時柱塞的實際潤滑情況。2、系統(tǒng)仿真結果與分析通過仿真計算得到的工況一燃油壓力特性曲線如圖4所示。潤滑油槽壓力隨壓力調(diào)節(jié)信號呈現(xiàn)規(guī)律性波動，如圖5所示，對虛線框時間段內(nèi)零壓力線附近的進機流量和環(huán)槽壓力局部分析可見，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，在調(diào)壓過程中主機入口流量略高于主機最低要求流量值5.19m3/h，在調(diào)壓信號發(fā)出時刻，主機入口流量波動比較明顯。柴油機軌壓在由150MPa上升至155MPa的過程中，當主機入口瞬時流量小于3.23m3/h時，柱塞的潤滑環(huán)槽將出現(xiàn)瞬時負壓情況，持續(xù)時間為0.15s，調(diào)壓區(qū)間環(huán)槽平均壓力為0.25MPa。當柱塞的潤滑環(huán)槽出現(xiàn)瞬時負壓，此時柱塞油膜將無法建立，柱塞的潤滑和冷卻不良，若柱塞在此潤滑狀況下多次運行，將造成柱塞過度磨損，甚至出現(xiàn)柱塞卡滯，引起高壓油泵故障。當選用額定流量為7.0m3/h的燃油供給泵和2MPa/s軌壓變化率時，在調(diào)壓信號發(fā)出時刻，柱塞潤滑環(huán)槽壓力波動與工況一相比趨于平緩，且未出現(xiàn)低于零壓力線，見圖6。對虛線框內(nèi)壓力信號進行局部分析，由圖7可見：主機進機流量波動與工況一相比趨于平緩，且在大部分時間段內(nèi)主機入口流量處于主機最低要求流量值5.19m3/h，潤滑環(huán)槽瞬時最低壓力約為0.3MPa，調(diào)壓區(qū)間環(huán)槽平均壓力為0.7~0.8MPa，持續(xù)時間為52ms。在工況二下潤滑環(huán)槽油膜未出現(xiàn)負壓情況，因此不會出現(xiàn)瞬時干摩擦狀態(tài)，柱塞偶件摩擦副得到有效潤滑和冷卻，避免因瞬時油膜缺失產(chǎn)生累積磨損進而造成柱塞卡滯。四、結論（1）某船發(fā)生高壓油泵故障問題，其原因為在加載過程中軌壓變化率與高壓油泵不匹配，導致主機燃油供油流量瞬時不足，柱塞油膜無法有效建