編者按

　　在“雙碳”目標(biāo)持續(xù)推進(jìn)、綠色甲醇加快走向交通運(yùn)輸與船舶動(dòng)力應(yīng)用的背景下，甲醇燃料在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上的工程化應(yīng)用備受關(guān)注。本期刊發(fā)的《甲醇高壓共軌系統(tǒng)可靠性研究》，由清華珠三角研究院、廣東工業(yè)大學(xué)廣東省海洋能源裝備先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、華粵清科（廣州）技術(shù)有限公司相關(guān)研究人員完成。論文第一作者向暉先生，是中國潤滑油信息網(wǎng)主辦的LubTop中國潤滑油行業(yè)年度總評榜榮譽(yù)導(dǎo)師。

　　本文圍繞甲醇高壓噴射關(guān)鍵技術(shù)，對甲醇高壓共軌系統(tǒng)的典型故障模式、成因分析及改進(jìn)措施進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并通過700 bar軌壓、1000小時(shí)耐久試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)可靠性，為甲醇燃料在柴油機(jī)上的應(yīng)用提供了重要技術(shù)參考。

　　從潤滑油行業(yè)視角看，甲醇燃料推廣不僅是燃料替代問題，更會(huì)帶來噴射系統(tǒng)材料適配、運(yùn)動(dòng)副潤滑、防磨防腐、沉積物控制等新課題。文中關(guān)于專用甲醇潤滑油對共軌泵可靠性的支撐，也提示行業(yè)：面向低碳燃料的新型動(dòng)力系統(tǒng)，潤滑材料正從傳統(tǒng)配套產(chǎn)品轉(zhuǎn)向關(guān)鍵技術(shù)保障。中國潤滑油信息網(wǎng)特刊發(fā)此文，以供行業(yè)參考。

　　向暉 1 ，譚桂斌 2 ， 陳剛 2 ，鄧玉清 3

　　1. 清華珠三角研究院 ，廣東廣州   510530

　　2. 廣東工業(yè)大學(xué)廣東省海洋能源裝備先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ，廣東廣州   510006

　　3. 華粵清科（廣州）技術(shù)有限公司 ，廣東廣州   510530

　　摘要：甲醇是一種高效 、清潔 、可合成的液態(tài)含氧燃料 ，綠色甲醇被視為有前景的碳中和燃料 。汽油機(jī)燃用甲醇技術(shù)已較為成熟 ，而柴油機(jī)燃用甲醇 ，尤其是甲醇高壓噴射技術(shù)仍處于研究探索階段 。當(dāng)前甲醇高壓噴射技術(shù)主要分為液壓增壓式與高壓共軌式兩條技術(shù)路線 ，其中高壓共軌方案在系統(tǒng)響應(yīng)速度與控制精度方面更具優(yōu)勢 。對甲醇高壓共軌系統(tǒng)的可靠性開展了理論研究 ，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證 。該系統(tǒng)已通過 1 000 h 耐久試驗(yàn) ，相關(guān)研究成果可為甲醇燃料在柴油機(jī)上的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

　　關(guān)鍵詞：甲醇 ；噴醇器 ；高壓共軌

　　中圖分類號 ：TK46

　　Reliability Study of High-Pressure Common Rail System for Methanol

　　XIANG Hui1, TAN Guibin2, CHEN Gang2, DENG Yuqing3

　　1. Research Institute of Tsinghua, Pearl River Delta, Guangzhou, Guangdong  510530, China;

　　2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Marine Energy Facilities , Guangdong University of Technology, Guangzhou, Guangdong  510006, China;

　　3. Huatsing Lubricant Technology (Guangzhou) Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong  510530, China

　　Abstract: Methanol is a highly efficient, clean, and synthesizable liquid oxygenated fuel, and green methanol is considered a promising carbon- neutral fuel. Methanol application technology in gasoline engines is mature, while its application in diesel engines, especially high-pressure methanol injection technology, is still in the exploratory stage. Current high-pressure methanol injection technology mainly consists of two technical approaches: hydraulic pressurization type and high-pressure common rail type, with the latter offering advantages in system response speed and control accuracy. Theoretical research on the reliability of high-pressure common rail system for methanol has been conducted , followed by experimental verification. The system has passed a 1 000 h durability test. This study provides a technical reference for the application of methanol fuel in diesel engines.

　　Keywords: methanol; methanol injector; high-pressure common rail

　　0  引言

　　2025 年 5 月， 生態(tài)環(huán)境部等七部門聯(lián)合印發(fā) 《美麗河湖保護(hù)與建設(shè)行動(dòng)方案（2025—2027 年） 》， 提出推動(dòng)甲醇等清潔燃料在河湖船舶領(lǐng)域的應(yīng)用， 為船舶采用更環(huán)保的燃料提供了政策依據(jù)[1] 。在此背景下， 甲醇燃料在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注， 其中采用高壓共軌系統(tǒng)噴射甲醇因響應(yīng)速度快 、控制精度高而成為重要研究方向 。然而， 甲醇的理化特性對甲醇高壓共軌系統(tǒng)零部件的可靠性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn) 。其噴醇器 、共軌泵等關(guān)鍵零部件在甲醇燃料工況的耐久性， 直接影響甲醇高壓共軌系統(tǒng)的性能表現(xiàn)與商業(yè)化進(jìn)程 。針對甲醇高

　　壓共軌系統(tǒng)的故障模式 ，如噴醇器噴射量異常 、控制活塞卡滯等問題 ，相關(guān)研究尚不充分， 亟須開展系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證 。本文通過對甲醇高壓共軌系統(tǒng)進(jìn)行耐久試驗(yàn) ，分析典型故障模式及其成因 ，驗(yàn)證系統(tǒng)可靠性， 旨在為該技術(shù)的工程化應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

　　1  甲醇噴射技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　1.1    甲醇低壓噴射技術(shù)

　　目前， 甲醇低壓噴射技術(shù)相對成熟 。該技術(shù)無需改變發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu) ，僅在進(jìn)氣系統(tǒng)加裝一套甲醇噴射裝置， 即可將柴油機(jī)改為柴油/甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī) ，其甲醇噴射壓力約為 5 bar 。該雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)采用純柴油模式 ， 中高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)向進(jìn)氣道噴入甲醇， 甲醇在進(jìn)氣道與空氣形成均質(zhì)混合氣后進(jìn)入氣缸，與隨后噴進(jìn)氣缸的柴油共同燃燒 。柴油和甲醇的噴射時(shí)刻和噴射量由控制系統(tǒng)精確控制 ， 具體的柴油/甲醇質(zhì)量比需在臺架上進(jìn)行精確標(biāo)定 。 甲醇低壓噴射技術(shù)克服了甲醇稀混合氣在柴油機(jī)上難以直接壓燃的技術(shù)障礙 ， 但是在中低負(fù)荷工況下主要燃料仍然是柴油 ，甲醇替代率有限[2]。

　　1.2    甲醇高壓噴射技術(shù)

　　瓦錫蘭四沖程柴油/甲醇微引燃雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用集成式噴醇器 。 甲醇噴射的開啟和關(guān)閉由液壓系統(tǒng)控制。液壓系統(tǒng)控制壓力為 37 MPa， 甲醇經(jīng)泵加壓至 60 MPa。

　　曼恩低速機(jī)柴油/甲醇微引燃雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用兩個(gè)噴油器與 1 個(gè)噴醇器 。柴油/甲醇雙燃料模式工作時(shí)， 噴醇器以相對較低的 0.8 MPa 輸醇壓力接收甲醇， 在噴醇器內(nèi)部由 30 MPa 的液壓系統(tǒng)將甲醇增壓至 55 MPa 后噴

　　入氣缸， 與柴油共同燃燒[3]。

　　2  甲醇高壓共軌系統(tǒng)故障模式分析

　　瓦錫蘭和曼恩均采用液壓技術(shù)對甲醇進(jìn)行增壓， 實(shí)現(xiàn)了甲醇的高壓噴射， 而采用高壓共軌系統(tǒng)噴射甲醇有利于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度， 可以實(shí)現(xiàn)對甲醇壓力 、流量的精準(zhǔn)控制。

　　清華珠三角研究院對甲醇高壓共軌系統(tǒng)進(jìn)行了研究 ， 幾年來多次組織開展可靠性試驗(yàn) ， 積累了豐富經(jīng)驗(yàn) ，研制了性能優(yōu)良 、可靠性高的甲醇高壓共軌系統(tǒng)。

　　在耐久試驗(yàn)過程中 ，清華珠三角研究院對多種故障模式進(jìn)行了分析 ，并加以改進(jìn)。

　　2.1   噴醇器甲醇噴射量過大

　　在耐久試驗(yàn)過程中 ，最常見的失效模式是噴醇器的回醇量和噴醇量過大 。本研究對故障噴醇器進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)控制套筒密封錐面球窩下陷 、涂層不規(guī)則剝落 ，如圖 1 所示。

　　圖 1  控制套筒密封錐面球窩下陷、涂層不規(guī)則剝落

　　本研究分析了涂層不規(guī)則剝落的原因 ：①電磁閥通電后， 密封球升起過程中， 密封球與控制套筒的密封交線位置出現(xiàn)強(qiáng)烈的空化現(xiàn)象 ；②電磁閥斷電后， 密封球在落座的過程中出現(xiàn)徑向偏移 ，運(yùn)動(dòng)軌跡偏離控制套筒的中心線。

　　通過分析密封球的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)軌跡可以斷定， 控制套筒涂層不規(guī)則剝落與甲醇流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的渦流有關(guān) ，評價(jià)流場狀態(tài)的指標(biāo)是雷諾數(shù)（Re）。

　　Re 是一個(gè)無量綱數(shù) ，物理意義在于其代表了甲醇流動(dòng)中慣性力與黏性力的比值。

　　Re（1）

　　式中，ρVL為慣性力項(xiàng)；μ 為黏性力項(xiàng)。

　　慣性力項(xiàng)  (ρVL）： 傾向于使甲醇保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或促進(jìn)擾動(dòng)發(fā)展， 與質(zhì)量和加速度相關(guān)。

　　黏性力項(xiàng)  (μ)： 傾向于抑制流動(dòng)的擾動(dòng) ，使流動(dòng)趨于穩(wěn)定， 與甲醇內(nèi)部黏性摩擦相關(guān)。

　　通過 Re 可以判斷甲醇的流動(dòng)狀態(tài)是層流還是湍流。層流與湍流的流動(dòng)特征分別如下 ：①層流， 甲醇分層流動(dòng) ，各層間互不混合 、互不干擾 ；②湍流， 甲醇不再分層， 甲醇質(zhì)點(diǎn)除了沿主流方向運(yùn)動(dòng)外 ，還在各個(gè)方向上進(jìn)行隨機(jī) 、無序 、高頻率的脈動(dòng)和混合 。對于圓管內(nèi)流動(dòng)， 通常的判斷依據(jù)如下： 當(dāng) Re<2 300 時(shí)為層流， 當(dāng) 2 300<Re<4 000="" re="">4 000 時(shí)為湍流 。Re 決定甲醇流動(dòng)中慣性力與黏性力何者占主導(dǎo)地位 ：層流時(shí)黏性力占優(yōu) ， 流動(dòng)平穩(wěn) ； 湍流時(shí)慣性力占優(yōu) ， 流動(dòng)混亂 。需要注意的是 ，層流向湍流的轉(zhuǎn)變發(fā)生在一個(gè)范圍內(nèi)（2 300～4 000）， 而不是一個(gè)固定的點(diǎn)。

　　本研究利用專業(yè)設(shè)備實(shí)測了 700 bar 軌壓下某型號噴醇器的回醇量， 推算出節(jié)流孔中甲醇的實(shí)際平均流速，并計(jì)算了節(jié)流孔內(nèi)甲醇流束的 Re 約為 30 000。

　　從 Re 來看， 甲醇在控制套筒節(jié)流孔中的流動(dòng)狀態(tài)為湍流 ，流線速度和加速度變化復(fù)雜 ，流場中有強(qiáng)烈的旋渦 。在旋渦中心可能會(huì)出現(xiàn)局部負(fù)壓 ，加之甲醇表面張力較小 、飽和蒸氣壓和沸點(diǎn)較低 ，氣泡容易在甲醇中產(chǎn)生和破碎 ，進(jìn)而對控制套筒密封錐面造成氣蝕。

　　本研究經(jīng)過理論分析， 對控制閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，有效降低了空化程度。

　　2.2   噴醇器不噴射甲醇

　　噴醇器不噴射甲醇是另一個(gè)經(jīng)常出現(xiàn)的故障模式。在前期進(jìn)行的幾次試驗(yàn)中 ，試驗(yàn)運(yùn)行至 200 h 后 ，每組噴醇器均有1～2 支出現(xiàn)噴醇量減少 ，甚至不噴射甲醇的現(xiàn)象。

　　對故障噴醇器進(jìn)行拆檢 ， 發(fā)現(xiàn)控制活塞和針閥卡滯 ， 控制活塞需要施加一定外力才能從控制套筒中取出， 其外圓附著一圈淡黃色的黏性物質(zhì) ，該黏性物質(zhì)黏度很大 、厚度很薄 。針閥由于沒有設(shè)計(jì)尾桿， 無法從針閥體中取出 。將噴醇嘴偶件浸泡在校泵油中靜置 2～3天 ，針閥便可以從針閥體中順利取出。

　　通過理化分析 ，確定黏性物質(zhì)來自于機(jī)油中的某些不穩(wěn)定成分。

　　2.3   共軌泵不噴射甲醇

　　共軌泵發(fā)生故障的概率較低 ，故障模式均為柱塞與柱塞套卡死。分析原因 ：一是柱塞與柱塞套配合間隙設(shè)計(jì)不合理 ；二是潤滑油選擇不當(dāng) ，柱塞導(dǎo)向部位采用潤滑油強(qiáng)制潤滑 ，如果潤滑油黏度不適宜 ，會(huì)造成柱塞與柱塞套過度磨損。所采取的改進(jìn)措施是使用專用甲醇潤滑油。

　　3  甲醇高壓共軌系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

　　3.1   試驗(yàn)方案制定

　　根據(jù)各次試驗(yàn)的故障模式分析和改進(jìn)措施， 制定試驗(yàn)方案如下。

　?。?） 對控制閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 以降低甲醇流束的 Re。

　?。?） 在回醇管增設(shè)溢流閥， 調(diào)整回醇背壓， 以提高甲醇沸點(diǎn)， 降低空化強(qiáng)度。

　?。?）使用專用甲醇潤滑油 ， 并通過潤滑油泵加壓潤滑油 ，使其進(jìn)入共軌泵的潤滑油腔 ，潤滑油從共軌泵的軸蓋板處回流 ，將潤滑油壓力調(diào)整至 3～4 bar。

　?。?） 采用制冷裝置對管路中的甲醇進(jìn)行降溫， 控制甲醇箱溫度不超過 40 ℃。

　　3.2   試驗(yàn)過程監(jiān)控

　　在耐久試驗(yàn)過程中 ，對共軌泵軌壓和燃料計(jì)量閥占空比進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控 ，如有異常 ，立即停機(jī)檢查。每天定時(shí)檢測甲醇箱溫度 、共軌泵潤滑油腔溫度 、潤滑油箱溫度 、噴醇器回醇溫度 ，并做好試驗(yàn)記錄。每周在線檢測一次噴醇器在轉(zhuǎn)速 500 r/min、軌壓700 bar、脈寬2 000 μs 工況下的每分鐘甲醇噴射量， 以監(jiān)測噴醇量是否正常。通過 3 輪重復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)該可靠性試驗(yàn)方案有效可行。

　　3.3   試驗(yàn)結(jié)果分析

　　耐久試驗(yàn)開始前 ，使用定制試驗(yàn)臺測試噴醇器各工況點(diǎn)的單次甲醇噴射量 、方差和開啟延遲時(shí)間， 1 000 h耐久試驗(yàn)結(jié)束后 ，復(fù)測噴醇器性能， 并進(jìn)行對比， 噴醇器耐久試驗(yàn)前后性能對比見表 1。

　　表 1  噴醇器耐久試驗(yàn)前后性能對比

　　注 ：VL、V、VE、LL 分別表示全負(fù)荷工況、排放工況、預(yù)噴工況、怠速工況 。耐久試驗(yàn)前后對比為“耐久試驗(yàn)后測試值-耐久試驗(yàn)前測試值”。

　　對噴醇器進(jìn)行拆檢 ，檢查控制套筒密封錐面的磨損套筒密封交線外側(cè)錐面無異常磨損， 密封交線內(nèi)部區(qū)域情況 ，發(fā)現(xiàn)密封球與控制套筒的密封交線較清晰， 控制磨損較輕 。耐久試驗(yàn)合格的控制套筒如圖 2 所示。

　　圖2  耐久試驗(yàn)合格的控制套筒

　　通過對比耐久試驗(yàn)前后噴醇器的性能數(shù)據(jù)， 結(jié)合拆檢情況 ， 判斷該甲醇高壓共軌系統(tǒng)可以滿足 700 bar 軌壓 、1 000 h 耐久試驗(yàn)要求。

　　4  結(jié)論

　　高壓共軌系統(tǒng)是現(xiàn)代柴油機(jī)的核心部件， 是高效 、環(huán)保 、精密的燃油噴射系統(tǒng) 。 甲醇高壓共軌系統(tǒng)耐久試驗(yàn)的成功 ，驗(yàn)證了甲醇高壓噴射技術(shù)的可行性， 為甲醇高壓共軌系統(tǒng)后續(xù)臺架試驗(yàn)創(chuàng)造了條件。

　　作者簡介：向暉（1968—），男 ，碩士 ，高級工程師 ，研究方向?yàn)榈吞脊?jié)能環(huán)保潤滑材料。

　　參考文獻(xiàn)

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