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船用液体系统流量调节研究及应用探讨

发布日期:2022-02-24  来源:中船动力研究院有限公司  作者:张邵平,文李明  浏览次数:
【导读】:船用SCR尿素喷射系统可采用离心泵变转速控制结合流量计与比例阀的低压系统来调节控制系统的压力与所需要的流量。船用燃油喷射系统为实现雾化需要超高压系统,通过高压共轨式或增压式喷射实现所需的流量调节。......

 摘要:船用液体系统涉及到流量调节的以喷射系统为主,喷射系统中喷嘴的特性决定了流量与压力的关系,液体介质的特性决定了喷射良好雾化所需的系统压力。流量调节采用的压力源根据压力的大小可分为低压与高压系统。船用SCR尿素喷射系统可采用离心泵变转速控制结合流量计与比例阀的低压系统来调节控制系统的压力与所需要的流量。船用燃油喷射系统为实现雾化需要超高压系统,通过高压共轨式或增压式喷射实现所需的流量调节。通过对船用液体喷射系统相关流量调节技术的研究与应用分析,为船用液体喷射系统设计提供依据与参照。

 
引言
船用液体系统需要进行流量调节的系统多以喷射系统为主,如SCR尿素喷射系统[1],燃油高压喷射系统[2-9]。流量调节常用方法主要为泵控调节与阀控调节。
 
在船舶泵控调节系统[10-12]上使用的以离心泵与容积式泵为主,离心泵是通过叶轮连续高速旋转,改变液体流速与压力,从而使液体连续不断的输送至系统中;容积式泵靠运动部件挤压密封容积的液体,使液体流动,液体在管路中受到阻力而产生压力。离心泵流量的调节通过改变电机转速大小而实现,容积式泵可以通过改变电机转速大小或者容积腔的容积而实现流量的调节。
 
阀控调节是通过调节阀门的开度来实现流量大小的改变,根据控制方式与响应时间的不同,主要为控制比例电磁阀与电动比例阀。控制比例电磁阀主要用于要求滞后小、响应灵敏度高的系统,通常采用PWM[13-15](脉宽调制电压)信号控制,防止产生静态摩擦力,提高响应性。电动比例阀用在一些对动态响应性要求不高的场合,采用此类阀的优势为一旦阀门达到指定开度,就不需要消耗能量,可极大降低能耗。
 
1喷射系统流量调节方法
液体的弹性模量数值大,对于液体系统的分析,可认为液体是不可压缩的。在特定容积或液阻下,流量与压力有着特定的关系,元件本身的特性就决定了流量与压力的对应关系。一般说,喷射系统中喷嘴的流量和压力的关系如下所示:
喷射系统中喷嘴的流 量和压力的关系
喷嘴流量与压力的曲线如图1所示,流量随着压力的增大而增加。不同流量可通过压力的调节来实现。
喷嘴-流量与压力关系
对于喷射持续时间短的断续喷射系统,可采用如图2所示的方法进行流量调节,压力源通过压力传感器的反馈值闭环控制和调节系统的压力,不同流量需求时根据喷嘴本身流量与压力特性曲线调至相对应的压力。喷嘴流量与压力的关系需提前在试验台进行标定。
 

压力调节流量

于连续喷射的喷射系统,可采用比例阀控制液体的流量,控制器根据流量计实时测量的反馈值,与设置值进行比较,实时调节比例阀的开度,非常终使流量计的反馈值在设定值的误差范围内,如图3所示,其中压力源为系统提供稳定的动力源。
流量计 + 比例阀调节流量
对于采用流量计+比例阀调节流量的系统,增加了节流损失。如图4所示,R为只有喷嘴管路的流量与压力曲线图,R'为增加比例阀的管路流量与压力曲线图,由图可知,流过相同流量Q1时带比例阀管路的压力p1'大于只有喷嘴管路的压力p1。液体喷射除需要精确的流量控制,还需要达到良好的雾化效果,为达到雾化效果,对压力有一定的要求。由于比例阀调节流量时存在节流压力损失,因而该调节方式在低压液体系统更容易实现。
管路-流量与压力关系
不管采用通过压力调节流量这种间接调节方法,还是采用通过流量计+比例阀调节流量的直接调节方
法,都需要提供压力源。
 
2压力源分析
为了更准确的控制流量,提供的液体压力源为恒压源或在固定工况下压力为恒定值。在船用液体系统中提供压力源的泵主要为离心泵和容积式泵。
 
由于流体会自动流向阻力非常小的地方,在泵体内流体会通过泵部件间的间隙流回进口,也即为泵的内泄漏。离心泵的内泄漏非常大,只适合低压工况。容积式泵内泄漏小,只在零部件损坏时才会发生较大的内泄。
 
改变离心泵电机的转速就会改变泵的流量与压力特性曲线图。如图5所示,f1、f2、f3为电机转速逐渐减小时流量与压力的曲线关系图,p1压力下与f1、f2、f3均有不同交点。即在泵的特性下选择一个合适的压力值,通过改变电机转速可得到不同流量。
离心泵-流量与压力关系
容积式泵可以采用压力阀来调节压力源的压力,如图6所示,通过调节压力阀的设定值来保证系统压力的恒定。
 
对于高压及超高压系统也可通过增压的方式来实现压力源,如图7所示,通过调节p1的流量与压力,经大活塞推动小活塞调节p1'的流量与压力。
压力源-增压式
3、具体应用
各喷射系统除了对液体流量精确控制有要求外,还对液体喷射后雾化效果有较高的要求。不同液体介质雾化所需的压力也不同。
SCR 尿素喷射系统
SCR尿素喷射系统的介质为尿素水溶液,黏度低,可采用离心泵+流量计+比例阀组成的低压液体系统。如图8所示,SCR尿素喷射系统有1套离心泵站+3套流量计与比例阀+3个喷嘴组成,用于3台柴油发动机的尾气SCR处理。通过压力传感器调节离心泵的转速保证整个系统的尿素水溶液总流量需求,同时确保系统压力恒定在p1,流量计与比例阀调节各个柴油机不同负荷下需要的尿素水溶液流量。如图9所示,系统需求总流量为Q3时,各支路总液阻为R1,保证系统的压力为p1,通过调节电机转速为f3,流量为Q3,各支路的流量需求通过相应的比例阀与流量计调节。
 
同理,在总流量需求为Q2/Q1时,保证系统的压力为p1,通过调节电机转速为f2/f1,流量为Q2/Q1,各支路的流量需求通过相应的比例阀与流量计调节。
流量调节曲线-SCR 尿素喷射系统
燃油喷射系统介质为柴油,黏度大,为保证充分燃烧,需要系统提供超高压才能保证柴油喷射雾化良好,与空气混合充分。柴油高压喷射有两种方式:采用共轨式燃油喷射系统,通过调节燃油共轨管中的压力使喷油器的喷射流量不同,如图10所示;采用增压式喷射,通过调节增压活塞的大腔的流量与压力,从而调节喷油器喷射流量的不同,如图11所示。燃油喷射流量与压力的关系的曲线如图12所示,为保证柴油的良好雾化,喷油器有一个非常低启喷压力pmin。
高压共轨燃油喷射系统和增压式燃油喷射系统
4结论
船用液体喷射系统由于采用了喷嘴雾化喷射,流量调节可通过喷嘴的流量与压力关系进行调节。同时为满足喷射雾化的要求,液体介质的特性决定了喷射压力的不同。对于连续喷射的SCR尿素喷射系统流量调节可以采用离心泵+流量计+比例阀组成的低压液体系统。对于断续喷射的燃油喷射系统需采用超高压液体系统,流量调节可通过高压燃油共轨管或增压式喷射系统实现。

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