甲醇高压共轨系统可靠性研究

　　编者按

　　在“双碳”目标持续推进、绿色甲醇加快走向交通运输与船舶动力应用的背景下，甲醇燃料在压燃式发动机上的工程化应用备受关注。本期刊发的《甲醇高压共轨系统可靠性研究》，由清华珠三角研究院、广东工业大学广东省海洋能源装备先进制造技术重点实验室、华粤清科（广州）技术有限公司相关研究人员完成。论文第一作者向晖先生，是中国润滑油信息网主办的LubTop中国润滑油行业年度总评榜荣誉导师。

　　本文围绕甲醇高压喷射关键技术，对甲醇高压共轨系统的典型故障模式、成因分析及改进措施进行了系统研究，并通过700 bar轨压、1000小时耐久试验验证了系统可靠性，为甲醇燃料在柴油机上的应用提供了重要技术参考。

　　从润滑油行业视角看，甲醇燃料推广不仅是燃料替代问题，更会带来喷射系统材料适配、运动副润滑、防磨防腐、沉积物控制等新课题。文中关于专用甲醇润滑油对共轨泵可靠性的支撑，也提示行业：面向低碳燃料的新型动力系统，润滑材料正从传统配套产品转向关键技术保障。中国润滑油信息网特刊发此文，以供行业参考。

　　向晖 1 ，谭桂斌 2 ， 陈刚 2 ，邓玉清 3

　　1. 清华珠三角研究院 ，广东广州   510530

　　2. 广东工业大学广东省海洋能源装备先进制造技术重点实验室 ，广东广州   510006

　　3. 华粤清科（广州）技术有限公司 ，广东广州   510530

　　摘要：甲醇是一种高效 、清洁 、可合成的液态含氧燃料 ，绿色甲醇被视为有前景的碳中和燃料 。汽油机燃用甲醇技术已较为成熟 ，而柴油机燃用甲醇 ，尤其是甲醇高压喷射技术仍处于研究探索阶段 。当前甲醇高压喷射技术主要分为液压增压式与高压共轨式两条技术路线 ，其中高压共轨方案在系统响应速度与控制精度方面更具优势 。对甲醇高压共轨系统的可靠性开展了理论研究 ，并进行了试验验证 。该系统已通过 1 000 h 耐久试验 ，相关研究成果可为甲醇燃料在柴油机上的应用提供技术参考。

　　关键词：甲醇 ；喷醇器 ；高压共轨

　　中图分类号 ：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， 生态环境部等七部门联合印发 《美丽河湖保护与建设行动方案（2025—2027 年） 》， 提出推动甲醇等清洁燃料在河湖船舶领域的应用， 为船舶采用更环保的燃料提供了政策依据[1] 。在此背景下， 甲醇燃料在压燃式发动机上的应用受到广泛关注， 其中采用高压共轨系统喷射甲醇因响应速度快 、控制精度高而成为重要研究方向 。然而， 甲醇的理化特性对甲醇高压共轨系统零部件的可靠性提出了严峻挑战 。其喷醇器 、共轨泵等关键零部件在甲醇燃料工况的耐久性， 直接影响甲醇高压共轨系统的性能表现与商业化进程 。针对甲醇高

　　压共轨系统的故障模式 ，如喷醇器喷射量异常 、控制活塞卡滞等问题 ，相关研究尚不充分， 亟须开展系统试验验证 。本文通过对甲醇高压共轨系统进行耐久试验 ，分析典型故障模式及其成因 ，验证系统可靠性， 旨在为该技术的工程化应用提供技术支撑。

　　1  甲醇喷射技术研究现状

　　1.1    甲醇低压喷射技术

　　目前， 甲醇低压喷射技术相对成熟 。该技术无需改变发动机的基本结构 ，仅在进气系统加装一套甲醇喷射装置， 即可将柴油机改为柴油/甲醇双燃料发动机 ，其甲醇喷射压力约为 5 bar 。该双燃料发动机的特点是启动时采用纯柴油模式 ， 中高负荷运行时向进气道喷入甲醇， 甲醇在进气道与空气形成均质混合气后进入气缸，与随后喷进气缸的柴油共同燃烧 。柴油和甲醇的喷射时刻和喷射量由控制系统精确控制 ， 具体的柴油/甲醇质量比需在台架上进行精确标定 。 甲醇低压喷射技术克服了甲醇稀混合气在柴油机上难以直接压燃的技术障碍 ， 但是在中低负荷工况下主要燃料仍然是柴油 ，甲醇替代率有限[2]。

　　1.2    甲醇高压喷射技术

　　瓦锡兰四冲程柴油/甲醇微引燃双燃料发动机采用集成式喷醇器 。 甲醇喷射的开启和关闭由液压系统控制。液压系统控制压力为 37 MPa， 甲醇经泵加压至 60 MPa。

　　曼恩低速机柴油/甲醇微引燃双燃料发动机采用两个喷油器与 1 个喷醇器 。柴油/甲醇双燃料模式工作时， 喷醇器以相对较低的 0.8 MPa 输醇压力接收甲醇， 在喷醇器内部由 30 MPa 的液压系统将甲醇增压至 55 MPa 后喷

　　入气缸， 与柴油共同燃烧[3]。

　　2  甲醇高压共轨系统故障模式分析

　　瓦锡兰和曼恩均采用液压技术对甲醇进行增压， 实现了甲醇的高压喷射， 而采用高压共轨系统喷射甲醇有利于提高系统的响应速度和控制精度， 可以实现对甲醇压力 、流量的精准控制。

　　清华珠三角研究院对甲醇高压共轨系统进行了研究 ， 几年来多次组织开展可靠性试验 ， 积累了丰富经验 ，研制了性能优良 、可靠性高的甲醇高压共轨系统。

　　在耐久试验过程中 ，清华珠三角研究院对多种故障模式进行了分析 ，并加以改进。

　　2.1   喷醇器甲醇喷射量过大

　　在耐久试验过程中 ，最常见的失效模式是喷醇器的回醇量和喷醇量过大 。本研究对故障喷醇器进行拆检，发现控制套筒密封锥面球窝下陷 、涂层不规则剥落 ，如图 1 所示。

　　图 1  控制套筒密封锥面球窝下陷、涂层不规则剥落

　　本研究分析了涂层不规则剥落的原因 ：①电磁阀通电后， 密封球升起过程中， 密封球与控制套筒的密封交线位置出现强烈的空化现象 ；②电磁阀断电后， 密封球在落座的过程中出现径向偏移 ，运动轨迹偏离控制套筒的中心线。

　　通过分析密封球的不规则运动轨迹可以断定， 控制套筒涂层不规则剥落与甲醇流动时产生的涡流有关 ，评价流场状态的指标是雷诺数（Re）。

　　Re 是一个无量纲数 ，物理意义在于其代表了甲醇流动中惯性力与黏性力的比值。

　　Re（1）

　　式中，ρVL为惯性力项；μ 为黏性力项。

　　惯性力项  (ρVL）： 倾向于使甲醇保持运动状态或促进扰动发展， 与质量和加速度相关。

　　黏性力项  (μ)： 倾向于抑制流动的扰动 ，使流动趋于稳定， 与甲醇内部黏性摩擦相关。

　　通过 Re 可以判断甲醇的流动状态是层流还是湍流。层流与湍流的流动特征分别如下 ：①层流， 甲醇分层流动 ，各层间互不混合 、互不干扰 ；②湍流， 甲醇不再分层， 甲醇质点除了沿主流方向运动外 ，还在各个方向上进行随机 、无序 、高频率的脉动和混合 。对于圆管内流动， 通常的判断依据如下： 当 Re<2 300 时为层流， 当 2 300<Re<4 000="" re="">4 000 时为湍流 。Re 决定甲醇流动中惯性力与黏性力何者占主导地位 ：层流时黏性力占优 ， 流动平稳 ； 湍流时惯性力占优 ， 流动混乱 。需要注意的是 ，层流向湍流的转变发生在一个范围内（2 300～4 000）， 而不是一个固定的点。

　　本研究利用专业设备实测了 700 bar 轨压下某型号喷醇器的回醇量， 推算出节流孔中甲醇的实际平均流速，并计算了节流孔内甲醇流束的 Re 约为 30 000。

　　从 Re 来看， 甲醇在控制套筒节流孔中的流动状态为湍流 ，流线速度和加速度变化复杂 ，流场中有强烈的旋涡 。在旋涡中心可能会出现局部负压 ，加之甲醇表面张力较小 、饱和蒸气压和沸点较低 ，气泡容易在甲醇中产生和破碎 ，进而对控制套筒密封锥面造成气蚀。

　　本研究经过理论分析， 对控制阀结构进行了改进，有效降低了空化程度。

　　2.2   喷醇器不喷射甲醇

　　喷醇器不喷射甲醇是另一个经常出现的故障模式。在前期进行的几次试验中 ，试验运行至 200 h 后 ，每组喷醇器均有1～2 支出现喷醇量减少 ，甚至不喷射甲醇的现象。

　　对故障喷醇器进行拆检 ， 发现控制活塞和针阀卡滞 ， 控制活塞需要施加一定外力才能从控制套筒中取出， 其外圆附着一圈淡黄色的黏性物质 ，该黏性物质黏度很大 、厚度很薄 。针阀由于没有设计尾杆， 无法从针阀体中取出 。将喷醇嘴偶件浸泡在校泵油中静置 2～3天 ，针阀便可以从针阀体中顺利取出。

　　通过理化分析 ，确定黏性物质来自于机油中的某些不稳定成分。

　　2.3   共轨泵不喷射甲醇

　　共轨泵发生故障的概率较低 ，故障模式均为柱塞与柱塞套卡死。分析原因 ：一是柱塞与柱塞套配合间隙设计不合理 ；二是润滑油选择不当 ，柱塞导向部位采用润滑油强制润滑 ，如果润滑油黏度不适宜 ，会造成柱塞与柱塞套过度磨损。所采取的改进措施是使用专用甲醇润滑油。

　　3  甲醇高压共轨系统试验验证

　　3.1   试验方案制定

　　根据各次试验的故障模式分析和改进措施， 制定试验方案如下。

　　（1） 对控制阀结构进行优化设计， 以降低甲醇流束的 Re。

　　（2） 在回醇管增设溢流阀， 调整回醇背压， 以提高甲醇沸点， 降低空化强度。

　　（3）使用专用甲醇润滑油 ， 并通过润滑油泵加压润滑油 ，使其进入共轨泵的润滑油腔 ，润滑油从共轨泵的轴盖板处回流 ，将润滑油压力调整至 3～4 bar。

　　（4） 采用制冷装置对管路中的甲醇进行降温， 控制甲醇箱温度不超过 40 ℃。

　　3.2   试验过程监控

　　在耐久试验过程中 ，对共轨泵轨压和燃料计量阀占空比进行实时监控 ，如有异常 ，立即停机检查。每天定时检测甲醇箱温度 、共轨泵润滑油腔温度 、润滑油箱温度 、喷醇器回醇温度 ，并做好试验记录。每周在线检测一次喷醇器在转速 500 r/min、轨压700 bar、脉宽2 000 µs 工况下的每分钟甲醇喷射量， 以监测喷醇量是否正常。通过 3 轮重复试验验证，确认该可靠性试验方案有效可行。

　　3.3   试验结果分析

　　耐久试验开始前 ，使用定制试验台测试喷醇器各工况点的单次甲醇喷射量 、方差和开启延迟时间， 1 000 h耐久试验结束后 ，复测喷醇器性能， 并进行对比， 喷醇器耐久试验前后性能对比见表 1。

　　表 1  喷醇器耐久试验前后性能对比

　　注 ：VL、V、VE、LL 分别表示全负荷工况、排放工况、预喷工况、怠速工况 。耐久试验前后对比为“耐久试验后测试值-耐久试验前测试值”。

　　对喷醇器进行拆检 ，检查控制套筒密封锥面的磨损套筒密封交线外侧锥面无异常磨损， 密封交线内部区域情况 ，发现密封球与控制套筒的密封交线较清晰， 控制磨损较轻 。耐久试验合格的控制套筒如图 2 所示。

　　图2  耐久试验合格的控制套筒

　　通过对比耐久试验前后喷醇器的性能数据， 结合拆检情况 ， 判断该甲醇高压共轨系统可以满足 700 bar 轨压 、1 000 h 耐久试验要求。

　　4  结论

　　高压共轨系统是现代柴油机的核心部件， 是高效 、环保 、精密的燃油喷射系统 。 甲醇高压共轨系统耐久试验的成功 ，验证了甲醇高压喷射技术的可行性， 为甲醇高压共轨系统后续台架试验创造了条件。

　　作者简介：向晖（1968—），男 ，硕士 ，高级工程师 ，研究方向为低碳节能环保润滑材料。

　　参考文献

　　[1]   吴秀霞 . 内河新能源船撬动千亿元 “ 蓝海 ”[N]. 中国船舶报 , 2026-01-07(5).

　　[2]   吴继盛,吴家正,刘洪运 . 甲醇作柴油机替代燃料的研究现状与展望[J]. 节能技术,2021,39(1):9-14.

　　[3]   姚春德,姚安仁 . 甲醇燃料的应用现状及其展望[J]. 汽车安全与节能学报,2023, 14(5):521-535.