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電噴主機(jī)在現(xiàn)代船舶上的應(yīng)用
發(fā)布時間:2017-08-23 來源:遠(yuǎn)洋船員 瀏覽:5557次
       目前,船舶大型低速柴油機(jī)大多使用的機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng),這種傳統(tǒng)的噴射系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)上的限制,不能同時滿足柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放要求。因為,在噴油量一定的條件下,為了提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性要求噴油(供油)提前角適當(dāng)增大些,然而為了降低柴油機(jī)NOX的排放,要求噴油(供油)提前角適當(dāng)減小些。 
       中國為此,少數(shù)類型的船舶低速柴油機(jī)通過使用可變正時機(jī)構(gòu)來調(diào)整噴油提前角。但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在使用過程中其準(zhǔn)確性和可靠性都不太理想,且供油正時、供油規(guī)律還隨機(jī)件磨損而發(fā)生變化。由此可見,機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)很難滿足經(jīng)濟(jì)性、可靠性和環(huán)保的發(fā)展需求。 
  作為二沖程柴油機(jī)技術(shù)的領(lǐng)先者,Wartsila NSD于1998年研制出 Sulzer RT-flex 大型船用柴油機(jī)電子控制共軌系統(tǒng),在RTX-3型技術(shù)示范機(jī)上演示成功,應(yīng)用于大型船用柴油機(jī)的Sulzer RT-flex系統(tǒng),是世界上最大的共軌燃油噴射系統(tǒng),第一代產(chǎn)品機(jī)Sulzer 6RT-flex58T-B于2001年1月成功地通過了裝船檢測。這一系統(tǒng)較好地解決了大型低速柴油機(jī)噴油定時問題,為航運(yùn)公司的節(jié)能減排提供了一種有效途徑。 
  Sulzer RT-flex電控技術(shù)的核心是WECS9500電子控制單元,其控制理論有:最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。WECS9500電控單元得到傳感器的各種信息后,經(jīng)過綜合判斷處理,輸出一路指令到高壓油泵,保持所需的共軌油壓,另一路指令(與噴油正時、預(yù)噴油量、主噴油量等響應(yīng)的控制脈沖)到噴油器上方的高速電磁閥。由于各個噴油器的控制是單獨(dú)的,所以具有很大的靈活性,這體現(xiàn)在:(1)可自由選擇噴射壓力;(2)靈活的噴油定時控制;(3)可改變噴油率曲線形狀或噴油速率;(4)按容積精確控制噴油量;(5)可實(shí)現(xiàn)高壓噴射,對燃燒重油有很大適應(yīng)性。Sulzer RT-flex在高壓噴射的前提下還能夠根據(jù)柴油機(jī)的工作要求實(shí)現(xiàn)噴油量、噴油定時、噴油速率的如圖1所示。 
  6.另外安裝有一套WECS 9500控制系統(tǒng),它是電噴的核心部分,具體有以下單元組成: 
  •供電單元。提供24V電源給系統(tǒng)。 
  •公共電子控制單元 MCM (Main Controller Module)。此單元一機(jī)二套,互為備用。負(fù)責(zé)與外圍設(shè)備如電子調(diào)速器、角度傳感器、集控室電腦之間的通訊,并調(diào)控燃油共軌系統(tǒng)壓力。 
  •單缸電子控制單元 CCM (CylinderControl Module)和VDM (Valve Drive Module)。 CCM每缸一套,負(fù)責(zé)計算與控制燃油定時、油量和排氣閥定時,并調(diào)控液壓油軌壓力。VDM每缸一套,主要功能是放大信號給各個電磁閥。 
  •集控室電腦一臺,監(jiān)測主機(jī)運(yùn)行工況、修改程序和有關(guān)參數(shù)。 
  •外圍傳感器等。 
  人們不禁要問,在主機(jī)起動時,如何建立1 000bar壓力的燃油呢? (實(shí)際工況約在900 Bar,并且油壓隨負(fù)荷的變化而相應(yīng)調(diào)整。如在低轉(zhuǎn)速時,油壓相對較低,約在600 Bar左右。這樣可以避免由于油壓過高,而缸內(nèi)壓縮壓力較低時,油束噴到活塞頭上) 。當(dāng)主機(jī)接收到起動信號時,由WECS 9500控制系統(tǒng)根據(jù)安裝在自由端的角度傳感器的角度信號,控制某一只缸先進(jìn)氣及其他缸的相應(yīng)次序。一旦主機(jī)轉(zhuǎn)動后,帶動供油單元中的油泵(Sulzer Common rail pump)。主機(jī)轉(zhuǎn)動一次,每只油泵將供油三次。因液體是不可壓縮的,在起動的過程中,油壓會很快建立。燃油軌參見下圖3。 
  電噴主機(jī)的工作原理如圖4所示。 圖中顯示了燃油總管、液壓油總管以及空氣總管,他們被安裝在同一“U”型槽中(這一槽被稱作共軌系統(tǒng),英文名為“COMMON RAIL”)。燃油的定時及容量由燃油噴射控制單元控制,可以控制3只油頭同時噴油、單只油頭噴油或3只油頭循環(huán)依次噴油。排氣閥開與閉也由控制,以及柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化所有工況下的動態(tài)優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的低污染排放。 
  從柴油機(jī)本身而言,RT-Flex 型機(jī)與RTA 系列機(jī)型主要部件基本相似,但為滿足其工作要求,在系統(tǒng)中進(jìn)行了如下技術(shù)優(yōu)化: 
  1.電噴式柴油機(jī)燃油噴油系統(tǒng)取消了凸輪軸、燃油高壓油泵、驅(qū)動排氣閥的高壓油泵以及空氣分配器。 
  2.由于取消了高壓油泵,所以增加了一套供油單元。此單元有4至6臺常規(guī)柱塞、套筒油泵組成,但不再需要定時,由主機(jī)自身傳動齒輪帶動,把燃油的壓力升至1000 bar到燃油總管(或者叫燃油軌,電噴式主機(jī)中所講的軌是總管的概念)。供油單元如圖2所示。 
  3.文如圖 
  4.由于電子控制系統(tǒng)中所能輸出的能量有限,不足以推動燃油控制閥等閥件,必須借助于液壓系統(tǒng)來加以控制,為此在供油單元中設(shè)有三臺伺服油泵,正常工作時輸出200 Bar伺服油。在伺服油系統(tǒng)中還設(shè)有二臺電動液壓油泵,在備車狀態(tài)時提供液壓油50 Bar至液壓油總管(液壓油軌)。 
  5.為了防止電磁閥卡死在常開位置,燃油會源源不斷地噴進(jìn)汽缸,在燃油系統(tǒng)中專門設(shè)計了燃油噴射控制單元。油量由電子調(diào)速器根據(jù)主機(jī)工況輸出信號給WECS 9500控制系統(tǒng),再由它控制燃油噴射控制單元,控制油路的接通與斷開。此閥設(shè)有位移傳感器,把所噴油量反饋給系統(tǒng),一旦油量在本循環(huán)中已給足,就切斷電磁閥,并只有在三只電磁閥均回到零位時,才能給出下一循環(huán)的油量,以防止電磁閥卡死時造成的誤噴油。此控制單元電磁閥控制,由液壓驅(qū)動。起動閥的開啟與關(guān)閉直接由電磁閥控制,取消了空氣分配器,起動系統(tǒng)由就顯得非常簡單。在WECS 9500系統(tǒng)中,角度傳感器是一個非常重要的部件,所有定時的控制均以它所測的信號為準(zhǔn),所以安裝有兩只傳感器互為備用。 
  當(dāng)主機(jī)備車后,空氣軌和液壓油軌就已保持足夠的壓力。在起動的過程中,建立起燃油壓力,根據(jù)控制信號,控制所需油量給油頭,使主機(jī)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速。 
  由于電噴式燃油噴射系統(tǒng)具有的良好性能,我公司先后建造的十艘多用途重大吊船舶上,全部采用了Sulzer 7RTflex60c柴油機(jī)作為船舶主機(jī)。其額定功率16520kw,服務(wù)功率14868kw,油耗168.3g/kwh。總結(jié)這十艘重大吊船八年多的運(yùn)行歷程,可以得出使用電噴主機(jī)的如下優(yōu)點(diǎn): 
  1.可以實(shí)現(xiàn)高壓噴射 
  高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)之一就是可實(shí)現(xiàn)高壓噴射。高噴油壓力可以保證燃油霧化良好,從而降低PM、CO、HC的排放。機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)的噴射壓力是通過轉(zhuǎn)速、噴油量來調(diào)整的。由于不能保證高壓噴射,容易導(dǎo)致霧化不良從而使PM、CO、HC的排放量增加。例如發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速和高負(fù)荷下容易出現(xiàn)二次噴射,二次噴射的燃油以很低的壓力噴入缸內(nèi),致使排煙增加。 
  2.能夠保證準(zhǔn)確的噴油定時 
  噴油定時在很大程度上影響著污染物的排放。推遲噴油可以使NOX的排放降低,但卻有可能使CO和PM的排放增加。噴油定時對HC的排放也很敏感(提前或退后都將有可能增加HC的排放),需要一個最佳的噴油定時。所以,選擇準(zhǔn)確的噴油定時很重要,它可使排放達(dá)到一個折中的最佳值。然而,機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)是通過噴油泵和提前器來調(diào)整噴油定時的,它的調(diào)整范圍和精度都受到了限制。在高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中,噴油定時是由在高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中,噴油定時是由ECU和噴油器控制。根據(jù)ECU送來的電子控制信號,噴油器將共軌內(nèi)的高壓燃油以最佳的噴油定時、噴油量、噴油率和噴霧狀態(tài)噴入發(fā)動機(jī)的燃燒室中。 
  3.能夠?qū)崿F(xiàn)噴油率的優(yōu)化控制 
  在高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中,噴油始點(diǎn)和噴油延續(xù)時間由指令脈沖決定,與轉(zhuǎn)速及負(fù)荷無關(guān),因此可以自由控制噴油時間,再加上可以靈活控制噴油壓力,也就可以形成理想的預(yù)混燃燒。同時,還可以通過自由調(diào)節(jié)預(yù)噴射始點(diǎn)、主噴射始點(diǎn)、噴射終點(diǎn)和自由選擇預(yù)噴射段的壓力;以及靈活選擇噴油峰值壓力。保證主噴射開始后的壓力升高率適當(dāng),以及能夠快速斷油。從而確保燃料的充分燃燒,以降低CO、HC、PM的排放。而盡可能縮短了滯燃期則可以降低NOX的排放。 
  4.可以自由設(shè)定參數(shù),自由度高 
  在高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中,可以自由設(shè)定噴油嘴參數(shù)及其它各種參數(shù),各個參數(shù)可以獨(dú)立地滿足相應(yīng)的要求。在滿足要求方面沒有約束,自由度高。這些都是使燃油霧化良好,降低排放的必要條件。 
  總之,在高壓噴射前提下根據(jù)工況需求實(shí)現(xiàn)噴油壓力、噴油量、噴油定時和噴油速率的動態(tài)優(yōu)化的柔性控制功能,是柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。都被稱作“無煙柴油機(jī)”(smokeless propulsion)的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)通過對噴油要素的優(yōu)化控制,使得柴油機(jī)的有害排放、噪聲排放和冷起動性能得到了很大改善。 
  電噴主機(jī)雖然造價高,但單位油耗為168.3g/kwh,比同類型機(jī)低3g/kwh,并且共軌燃油噴射系統(tǒng)在很大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),保持霧化良好、燃燒完全,且可以在任何轉(zhuǎn)速下長時間運(yùn)轉(zhuǎn),有效克服了傳統(tǒng)機(jī)械式噴射系統(tǒng)柴油機(jī),在低到某一轉(zhuǎn)速時燃燒開始惡化、燃燒不完全、冒黑煙等弊病。她不僅能能滿足多種經(jīng)濟(jì)航速的要求,還能使動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能都能達(dá)到令人滿意的效果。這在當(dāng)下的燃油價格高企、航運(yùn)市場蕭條、排放要求嚴(yán)格的大背景下,電噴主機(jī)的效用顯得尤為可貴。它可以為航運(yùn)公司的降速節(jié)能和低速減排,逐步淘汰高能耗、高排放的老式機(jī)型,提供技術(shù)保障和科學(xué)典范,為航運(yùn)業(yè)的低碳經(jīng)營和綠色航行提供了一條發(fā)展之路。
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