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      技術文章

      船用液體系統流量調節研究及應用探討

      發布日期:2022-02-24  來源:中船動力研究院有限公司  作者:張邵平,文李明  瀏覽次數:
      【導讀】:船用SCR尿素噴射系統可采用離心泵變轉速控制結合流量計與比例閥的低壓系統來調節控制系統的壓力與所需要的流量。船用燃油噴射系統為實現霧化需要超高壓系統,通過高壓共軌式或增壓式噴射實現所需的流量調節。......

       摘要:船用液體系統涉及到流量調節的以噴射系統為主,噴射系統中噴嘴的特性決定了流量與壓力的關系,液體介質的特性決定了噴射良好霧化所需的系統壓力。流量調節采用的壓力源根據壓力的大小可分為低壓與高壓系統。船用SCR尿素噴射系統可采用離心泵變轉速控制結合流量計與比例閥的低壓系統來調節控制系統的壓力與所需要的流量。船用燃油噴射系統為實現霧化需要超高壓系統,通過高壓共軌式或增壓式噴射實現所需的流量調節。通過對船用液體噴射系統相關流量調節技術的研究與應用分析,為船用液體噴射系統設計提供依據與參照。

       
      引言
      船用液體系統需要進行流量調節的系統多以噴射系統為主,如SCR尿素噴射系統[1],燃油高壓噴射系統[2-9]。流量調節常用方法主要為泵控調節與閥控調節。
       
      在船舶泵控調節系統[10-12]上使用的以離心泵與容積式泵為主,離心泵是通過葉輪連續高速旋轉,改變液體流速與壓力,從而使液體連續不斷的輸送至系統中;容積式泵靠運動部件擠壓密封容積的液體,使液體流動,液體在管路中受到阻力而產生壓力。離心泵流量的調節通過改變電機轉速大小而實現,容積式泵可以通過改變電機轉速大小或者容積腔的容積而實現流量的調節。
       
      閥控調節是通過調節閥門的開度來實現流量大小的改變,根據控制方式與響應時間的不同,主要為控制比例電磁閥與電動比例閥?刂票壤姶砰y主要用于要求滯后小、響應靈敏度高的系統,通常采用PWM[13-15](脈寬調制電壓)信號控制,防止產生靜態摩擦力,提高響應性。電動比例閥用在一些對動態響應性要求不高的場合,采用此類閥的優勢為一旦閥門達到指定開度,就不需要消耗能量,可極大降低能耗。
       
      1噴射系統流量調節方法
      液體的彈性模量數值大,對于液體系統的分析,可認為液體是不可壓縮的。在特定容積或液阻下,流量與壓力有著特定的關系,元件本身的特性就決定了流量與壓力的對應關系。一般說,噴射系統中噴嘴的流量和壓力的關系如下所示:
      噴射系統中噴嘴的流 量和壓力的關系
      噴嘴流量與壓力的曲線如圖1所示,流量隨著壓力的增大而增加。不同流量可通過壓力的調節來實現。
      噴嘴-流量與壓力關系
      對于噴射持續時間短的斷續噴射系統,可采用如圖2所示的方法進行流量調節,壓力源通過壓力傳感器的反饋值閉環控制和調節系統的壓力,不同流量需求時根據噴嘴本身流量與壓力特性曲線調至相對應的壓力。噴嘴流量與壓力的關系需提前在試驗臺進行標定。
       

      壓力調節流量

      于連續噴射的噴射系統,可采用比例閥控制液體的流量,控制器根據流量計實時測量的反饋值,與設置值進行比較,實時調節比例閥的開度,非常終使流量計的反饋值在設定值的誤差范圍內,如圖3所示,其中壓力源為系統提供穩定的動力源。
      流量計 + 比例閥調節流量
      對于采用流量計+比例閥調節流量的系統,增加了節流損失。如圖4所示,R為只有噴嘴管路的流量與壓力曲線圖,R'為增加比例閥的管路流量與壓力曲線圖,由圖可知,流過相同流量Q1時帶比例閥管路的壓力p1'大于只有噴嘴管路的壓力p1。液體噴射除需要精確的流量控制,還需要達到良好的霧化效果,為達到霧化效果,對壓力有一定的要求。由于比例閥調節流量時存在節流壓力損失,因而該調節方式在低壓液體系統更容易實現。
      管路-流量與壓力關系
      不管采用通過壓力調節流量這種間接調節方法,還是采用通過流量計+比例閥調節流量的直接調節方
      法,都需要提供壓力源。
       
      2壓力源分析
      為了更準確的控制流量,提供的液體壓力源為恒壓源或在固定工況下壓力為恒定值。在船用液體系統中提供壓力源的泵主要為離心泵和容積式泵。
       
      由于流體會自動流向阻力非常小的地方,在泵體內流體會通過泵部件間的間隙流回進口,也即為泵的內泄漏。離心泵的內泄漏非常大,只適合低壓工況。容積式泵內泄漏小,只在零部件損壞時才會發生較大的內泄。
       
      改變離心泵電機的轉速就會改變泵的流量與壓力特性曲線圖。如圖5所示,f1、f2、f3為電機轉速逐漸減小時流量與壓力的曲線關系圖,p1壓力下與f1、f2、f3均有不同交點。即在泵的特性下選擇一個合適的壓力值,通過改變電機轉速可得到不同流量。
      離心泵-流量與壓力關系
      容積式泵可以采用壓力閥來調節壓力源的壓力,如圖6所示,通過調節壓力閥的設定值來保證系統壓力的恒定。
       
      對于高壓及超高壓系統也可通過增壓的方式來實現壓力源,如圖7所示,通過調節p1的流量與壓力,經大活塞推動小活塞調節p1'的流量與壓力。
      壓力源-增壓式
      3、具體應用
      各噴射系統除了對液體流量精確控制有要求外,還對液體噴射后霧化效果有較高的要求。不同液體介質霧化所需的壓力也不同。
      SCR 尿素噴射系統
      SCR尿素噴射系統的介質為尿素水溶液,黏度低,可采用離心泵+流量計+比例閥組成的低壓液體系統。如圖8所示,SCR尿素噴射系統有1套離心泵站+3套流量計與比例閥+3個噴嘴組成,用于3臺柴油發動機的尾氣SCR處理。通過壓力傳感器調節離心泵的轉速保證整個系統的尿素水溶液總流量需求,同時確保系統壓力恒定在p1,流量計與比例閥調節各個柴油機不同負荷下需要的尿素水溶液流量。如圖9所示,系統需求總流量為Q3時,各支路總液阻為R1,保證系統的壓力為p1,通過調節電機轉速為f3,流量為Q3,各支路的流量需求通過相應的比例閥與流量計調節。
       
      同理,在總流量需求為Q2/Q1時,保證系統的壓力為p1,通過調節電機轉速為f2/f1,流量為Q2/Q1,各支路的流量需求通過相應的比例閥與流量計調節。
      流量調節曲線-SCR 尿素噴射系統
      燃油噴射系統介質為柴油,黏度大,為保證充分燃燒,需要系統提供超高壓才能保證柴油噴射霧化良好,與空氣混合充分。柴油高壓噴射有兩種方式:采用共軌式燃油噴射系統,通過調節燃油共軌管中的壓力使噴油器的噴射流量不同,如圖10所示;采用增壓式噴射,通過調節增壓活塞的大腔的流量與壓力,從而調節噴油器噴射流量的不同,如圖11所示。燃油噴射流量與壓力的關系的曲線如圖12所示,為保證柴油的良好霧化,噴油器有一個非常低啟噴壓力pmin。
      高壓共軌燃油噴射系統和增壓式燃油噴射系統
      4結論
      船用液體噴射系統由于采用了噴嘴霧化噴射,流量調節可通過噴嘴的流量與壓力關系進行調節。同時為滿足噴射霧化的要求,液體介質的特性決定了噴射壓力的不同。對于連續噴射的SCR尿素噴射系統流量調節可以采用離心泵+流量計+比例閥組成的低壓液體系統。對于斷續噴射的燃油噴射系統需采用超高壓液體系統,流量調節可通過高壓燃油共軌管或增壓式噴射系統實現。

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