船用低速智能柴油機排氣閥驅(qū)動特性

范立云，王昊，李清，宋恩哲，石勇，馬修真，吳朝暉

(1.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，黑龍江哈爾濱150001;2.滬東重機有限公司，上海200129)

隨著船舶排放和經(jīng)濟性要求的提高，船用柴油機向著大功率、低油耗、低排放、高可靠、高智能化方向發(fā)展.世界知名船用低速柴油機生產(chǎn)商MANB＆W和WARTSILA公司分別生產(chǎn)了相應的智能機，如 MAN-B＆W 公司的 ME型智能柴油機和WARTSILA公司的Sulzer RT-flex系列智能柴油機，均可實現(xiàn)高壓噴射、準確的噴油定時和噴油率的優(yōu)化控制.RT-flex共軌柴油機的電控裝置主要包括共軌單元、WECS控制系統(tǒng)、供油單元、噴射控制單元、排氣閥驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器等［1-5］.其中排氣閥的動作響應的快慢對柴油機的經(jīng)濟性、排放性能和動力性能具有重要影響.排氣閥驅(qū)動系統(tǒng)是由機械、液力和電磁部分協(xié)同發(fā)揮作用，本文以WARTSILA公司推出的Sulzer RT-flex系列低速柴油機的排氣閥驅(qū)動系統(tǒng)為研究對象，建立其數(shù)值仿真模型，對排氣閥開啟過程、關閉過程進行研究，揭示對排氣閥開啟及關閉特性的影響規(guī)律，為排氣閥驅(qū)動系統(tǒng)的研究及優(yōu)化設計提供理論支撐.

1 系統(tǒng)組成及工作原理

圖1為排氣閥驅(qū)動系統(tǒng)原理圖.排氣閥驅(qū)動系統(tǒng)包括電控單元和機械液力單元2個部分，其中電控單元主要包括控制器、電磁閥等部分，機械液力單元包括柱塞、活塞、低壓系統(tǒng)等部分.控制器通過發(fā)出控制信號控制電磁閥的通斷來控制柱塞下部的壓力，即控制柱塞位置的變化，而柱塞位置的變化影響油路的切換，從而影響活塞的運動，進而控制伺服油對排氣閥的驅(qū)動.

圖1 排氣閥驅(qū)動系統(tǒng)原理Fig.1 Exhaust valve drive system

2 排氣閥驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

排氣閥驅(qū)動系統(tǒng)是集電場、磁場、機械運動和流場于一體的復雜系統(tǒng).各個場通過各自的控制方程及相互作用的變量耦合在一起，通過油管內(nèi)的波動方程，各個場的參數(shù)都會對最終的排氣閥驅(qū)動系統(tǒng)特性直接或間接產(chǎn)生作用.

因此，通過電磁場耦合方程、機械運動方程、流場特性方程和高壓油管波動方程，再結(jié)合柱塞腔連續(xù)方程、活塞運動方程、初始條件和邊界條件等就可以求解排氣閥驅(qū)動系統(tǒng)各種特性參數(shù).本文在AMESim軟件中建立模型并求解［6-7］，整個排氣閥驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)值仿真模型如圖2所示.

圖2 排氣閥驅(qū)動系統(tǒng)計算模型Fig.2 Exhaust valve drive system calculation model

2.2 仿真模型計算值與實測值對比

圖3為實機在伺服油壓200 bar時排氣閥動作的實測值與仿真值對比結(jié)果.由圖3(a)可知，實測值排氣閥整個開啟過程約為 60 ms，仿真值約為70 ms;由圖3(b)可知，實測值排氣閥整個關閉過程約為80 ms，仿真值約為80 ms.可見計算模型能準確地預測排氣閥開啟及關閉過程.因此，可以用此模型對排氣閥驅(qū)動系統(tǒng)作進一步的研究分析.

圖3 200 bar時實測值與計算值對比Fig.3Comparison of measure and simulation value at 200 bar

3 排氣閥特性研究

本文主要研究了排氣閥動作的排氣閥液壓控制單元進油口倒角(通向排氣閥驅(qū)動系統(tǒng)活塞下部，決定了伺服油到活塞的連通時刻)，排氣閥液壓控制單元回油口倒角(排氣閥驅(qū)動系統(tǒng)活塞下部燃油通向低壓油路，決定了伺服油到低壓油路的連通時刻)，節(jié)流孔(決定了排氣閥處伺服油的回油量)等關鍵參數(shù)對排氣閥開啟過程及關閉過程的影響規(guī)律.

3.1 排氣閥液壓控制單元進油口倒角

圖4、5為不同伺服油壓力條件下(140 bar，200 bar)，進油口倒角在初始值基礎上每增加0.5 mm時對排氣閥開啟及關閉過程的影響規(guī)律.

圖4 排氣閥液壓控制單元進油口倒角對排氣閥開啟過程的影響Fig.4 Influence of exhaust valve opening process on inlet chamfering of hydraulic control unit on the exhaust valve

圖5 排氣閥液壓控制單元進油口倒角對排氣閥關閉過程的影響Fig.5 Influence of exhaust valve closing process on inlet chamfering of hydraulic control unit on the exhaust valve

由圖4、5可以看出，進油口倒角對排氣閥開啟及關閉過程的時間長度影響并不明顯，但隨著進油口倒角的增加，排氣閥開啟時刻依次提前，排氣閥關閉時刻延遲，且伺服油壓力越小，影響越明顯.進油口倒角增加4 mm，排氣閥在伺服油壓力為140 bar時，開啟時刻提前 58.04 ms，而關閉時刻延遲99.6 ms;在伺服油壓力為200 bar時，開啟時刻提前38.5 ms，而關閉時刻延遲18.75 ms.這是因為進油口倒角的大小影響活塞下部接通伺服油的時刻，倒角越大，活塞下部伺服油壓建壓時刻越靠前，相應的活塞動作時刻越靠前，從而使排氣閥動作時刻也相應提前.隨著伺服油壓的增大，充油速度增加，倒角變化對活塞下部伺服油壓的影響逐漸減小，因此，伺服油壓越高，排氣閥驅(qū)動系統(tǒng)對進油口倒角的變化越不敏感.由于加工的誤差和長期工作的磨損，進油口的倒角會隨著時間發(fā)生變化，這將影響排氣閥的開啟和關閉時刻.

3.2 排氣閥液壓控制單元回油口倒角

圖6、7為不同伺服油壓力條件下(140 bar，200 bar)，回油口倒角每增加0.5 mm對排氣閥開啟及關閉過程的影響規(guī)律.

圖6 排氣閥液壓控制單元回油口倒角對排氣閥開啟過程的影響Fig.6 Influence of exhaust valve opening process on outlet chamfering of hydraulic control unit on the exhaust valve

圖7 排氣閥液壓控制單元回油口倒角對排氣閥關閉過程的影響Fig.7 Influence of exhaust valve closing process on outlet chamfering of hydraulic control unit on the exhaust valve

由圖6、7可以看出，排氣閥液壓控制單元回油口倒角在4 mm范圍內(nèi)變化時，排氣閥開啟過程基本不受回油口倒角變化的影響，而關閉過程的時間隨回油口倒角增加而逐漸減小.因為排氣閥開啟過程中，并未涉及伺服油流回低壓油路，故排氣閥液壓控制單元回油口倒角的增加對排氣閥的開啟幾乎沒有影響，但增大排氣閥液壓控制單元的回油口倒角即增加了回流的流通面積，從而加速了伺服油流回低壓油路的速度，縮短了排氣閥的關閉時間.

排氣閥液壓控制單元回油口倒角增加4 mm，排氣閥關閉時間在伺服油壓力為140 bar時縮短22.86 ms，而在伺服油壓力為 200 bar時縮短20.28 ms.

3.3 節(jié)流孔影響

圖8、9為不同伺服油壓力條件下(140 bar，200 bar)，節(jié)流孔孔徑在1.7～3.1 mm 變化時對排氣閥開啟和關閉過程的影響規(guī)律.

由圖8可知，排氣閥開啟時間隨節(jié)流孔徑增大而逐漸增加，在伺服油壓為140 bar時，排氣閥開啟時間最大相差18 ms.

圖9中排氣閥關閉過程受節(jié)流孔徑的影響則更加顯著，隨節(jié)流孔徑增大，排氣閥開啟持續(xù)時間出現(xiàn)很大差異，節(jié)流孔徑越大，排氣閥關閉時刻越提前.在伺服油壓為140 bar，節(jié)流孔徑增加到3.1 mm時，排氣閥關閉時刻提前442.3 ms.這是因為節(jié)流孔徑變大使得排氣閥驅(qū)動系統(tǒng)的活塞上部的液壓伺服油通過節(jié)流孔的泄流量增加，從而使排氣閥端的液壓油量減少，進而壓力下降的速度增加，排氣閥關閉時刻提前.

圖8 節(jié)流孔徑對排氣閥開啟過程的影響Fig.8 Influence of exhaust valve opening process on throttle aperture

圖9 節(jié)流孔徑對排氣閥關閉過程的影響Fig.9 Influence of exhaust valve closing processon throttle aperture

4 結(jié)論

1)排氣閥液壓控制單元進油口倒角對排氣閥的運動特性有較大影響，隨著倒角的增大，排氣閥開啟時刻提前，關閉過程延后，且伺服油壓力為140 bar時的影響更為明顯.

2)排氣閥液壓控制單元回油口倒角僅對排氣閥的關閉過程有一定影響，隨著倒角的增大，排氣閥關閉速度增大，關閉時間減小.

3)節(jié)流孔越大，排氣閥開啟速度越慢，開啟時間也越長;同時隨著節(jié)流孔的增大，排氣閥的關閉時刻有較大程度的提前.

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