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摘要:船用液體系統(tǒng)涉及到流量調(diào)節(jié)的以噴射系統(tǒng)為主，噴射系統(tǒng)中噴嘴的特性決定了流量與壓力的關(guān)系，液體介質(zhì)的特性決定了噴射良好霧化所需的系統(tǒng)壓力。流量調(diào)節(jié)采用的壓力源根據(jù)壓力的大小可分為低壓與高壓系統(tǒng)。船用SCR尿素噴射系統(tǒng)可采用離心泵變轉(zhuǎn)速控制結(jié)合流量計(jì)與比例閥的低壓系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的壓力與所需要的流量。船用燃油噴射系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)霧化需要超高壓系統(tǒng)，通過(guò)高壓共軌式或增壓式噴射實(shí)現(xiàn)所需的流量調(diào)節(jié)。通過(guò)對(duì)船用液體噴射系統(tǒng)相關(guān)流量調(diào)節(jié)技術(shù)的研究與應(yīng)用分析，為船用液體噴射系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)與參照。
引言
船用液體系統(tǒng)需要進(jìn)行流量調(diào)節(jié)的系統(tǒng)多以噴射系統(tǒng)為主，如SCR尿素噴射系統(tǒng)[1]，燃油高壓噴射系統(tǒng)[2-9]。流量調(diào)節(jié)常用方法主要為泵控調(diào)節(jié)與閥控調(diào)節(jié)。
在船舶泵控調(diào)節(jié)系統(tǒng)[10-12]上使用的以離心泵與容積式泵為主，離心泵是通過(guò)葉輪連續(xù)高速旋轉(zhuǎn)，改變液體流速與壓力，從而使液體連續(xù)不斷的輸送至系統(tǒng)中;容積式泵靠運(yùn)動(dòng)部件擠壓密封容積的液體，使液體流動(dòng)，液體在管路中受到阻力而產(chǎn)生壓力。離心泵流量的調(diào)節(jié)通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速大小而實(shí)現(xiàn)，容積式泵可以通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速大小或者容積腔的容積而實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。
閥控調(diào)節(jié)是通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)流量大小的改變，根據(jù)控制方式與響應(yīng)時(shí)間的不同，主要為控制比例電磁閥與電動(dòng)比例閥?？刂票壤姶砰y主要用于要求滯后小、響應(yīng)靈敏度高的系統(tǒng)，通常采用PWM[13-15](脈寬調(diào)制電壓)信號(hào)控制，防止產(chǎn)生靜態(tài)摩擦力，提高響應(yīng)性。電動(dòng)比例閥用在一些對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性要求不高的場(chǎng)合，采用此類閥的優(yōu)勢(shì)為一旦閥門(mén)達(dá)到開(kāi)度，就不需要消耗能量，可極大降低能耗。
1噴射系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)方法
液體的彈性模量數(shù)值大，對(duì)于液體系統(tǒng)的分析，可認(rèn)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(guān)系，元件本身的特性就決定了流量與壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。一般說(shuō)，噴射系統(tǒng)中噴嘴的流量和壓力的關(guān)系如下所示:
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(guò)壓力的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于噴射持續(xù)時(shí)間短的斷續(xù)噴射系統(tǒng)，可采用如圖2所示的方法進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，壓力源通過(guò)壓力傳感器的反饋值閉環(huán)控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力，不同流量需求時(shí)根據(jù)噴嘴本身流量與壓力特性曲線調(diào)至相對(duì)應(yīng)的壓力。噴嘴流量與壓力的關(guān)系需提前在試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定。
于連續(xù)噴射的噴射系統(tǒng)，可采用比例閥控制液體的流量，控制器根據(jù)流量計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量的反饋值，與設(shè)置值進(jìn)行比較，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)比例閥的開(kāi)度，非常終使流量計(jì)的反饋值在設(shè)定值的誤差范圍內(nèi)，如圖3所示，其中壓力源為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的動(dòng)力源。
對(duì)于采用流量計(jì)+比例閥調(diào)節(jié)流量的系統(tǒng)，增加了節(jié)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(guò)相同流量Q1時(shí)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(dá)到良好的霧化效果，為達(dá)到霧化效果，對(duì)壓力有一定的要求。由于比例閥調(diào)節(jié)流量時(shí)存在節(jié)流壓力損失，因而該調(diào)節(jié)方式在低壓液體系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)。
不管采用通過(guò)壓力調(diào)節(jié)流量這種間接調(diào)節(jié)方法，還是采用通過(guò)流量計(jì)+比例閥調(diào)節(jié)流量的直接調(diào)節(jié)方
法，都需要提供壓力源。
2壓力源分析
為了更準(zhǔn)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(tǒng)中提供壓力源的泵主要為離心泵和容積式泵。
由于流體會(huì)自動(dòng)流向阻力非常小的地方，在泵體內(nèi)流體會(huì)通過(guò)泵部件間的間隙流回進(jìn)口，也即為泵的內(nèi)泄漏。離心泵的內(nèi)泄漏非常大，只適合低壓工況。容積式泵內(nèi)泄漏小，只在零部件損壞時(shí)才會(huì)發(fā)生較大的內(nèi)泄。
改變離心泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)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(jī)轉(zhuǎn)速逐漸減小時(shí)流量與壓力的曲線關(guān)系圖，p1壓力下與f1、f2、f3均有不同交點(diǎn)。即在泵的特性下選擇一個(gè)合適的壓力值，通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速可得到不同流量。
容積式泵可以采用壓力閥來(lái)調(diào)節(jié)壓力源的壓力，如圖6所示，通過(guò)調(diào)節(jié)壓力閥的設(shè)定值來(lái)保證系統(tǒng)壓力的恒定。
對(duì)于高壓及超高壓系統(tǒng)也可通過(guò)增壓的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力源，如圖7所示，通過(guò)調(diào)節(jié)p1的流量與壓力，經(jīng)大活塞推動(dòng)小活塞調(diào)節(jié)p1'的流量與壓力。
3、具體應(yīng)用
各噴射系統(tǒng)除了對(duì)液體流量精確控制有要求外，還對(duì)液體噴射后霧化效果有較高的要求。不同液體介質(zhì)霧化所需的壓力也不同。
SCR尿素噴射系統(tǒng)的介質(zhì)為尿素水溶液，黏度低，可采用離心泵+流量計(jì)+比例閥組成的低壓液體系統(tǒng)。如圖8所示，SCR尿素噴射系統(tǒng)有1套離心泵站+3套流量計(jì)與比例閥+3個(gè)噴嘴組成，用于3臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣SCR處理。通過(guò)壓力傳感器調(diào)節(jié)離心泵的轉(zhuǎn)速保證整個(gè)系統(tǒng)的尿素水溶液總流量需求，同時(shí)確保系統(tǒng)壓力恒定在p1，流量計(jì)與比例閥調(diào)節(jié)各個(gè)柴油機(jī)不同負(fù)荷下需要的尿素水溶液流量。如圖9所示，系統(tǒng)需求總流量為Q3時(shí)，各支路總液阻為R1，保證系統(tǒng)的壓力為p1，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速為f3，流量為Q3，各支路的流量需求通過(guò)相應(yīng)的比例閥與流量計(jì)調(diào)節(jié)。
同理，在總流量需求為Q2/Q1時(shí)，保證系統(tǒng)的壓力為p1，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速為f2/f1，流量為Q2/Q1，各支路的流量需求通過(guò)相應(yīng)的比例閥與流量計(jì)調(diào)節(jié)。
燃油噴射系統(tǒng)介質(zhì)為柴油，黏度大，為保證充分燃燒，需要系統(tǒng)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(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)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(guò)調(diào)節(jié)增壓活塞的大腔的流量與壓力，從而調(diào)節(jié)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(guān)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(gè)非常低啟噴壓力pmin。
4結(jié)論
船用液體噴射系統(tǒng)由于采用了噴嘴霧化噴射，流量調(diào)節(jié)可通過(guò)噴嘴的流量與壓力關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)為滿足噴射霧化的要求，液體介質(zhì)的特性決定了噴射壓力的不同。對(duì)于連續(xù)噴射的SCR尿素噴射系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)可以采用離心泵+流量計(jì)+比例閥組成的低壓液體系統(tǒng)。對(duì)于斷續(xù)噴射的燃油噴射系統(tǒng)需采用超高壓液體系統(tǒng)，流量調(diào)節(jié)可通過(guò)高壓燃油共軌管或增壓式噴射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
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