新型W-X系列智能柴油機的氣閥換氣控制模塊淺析

劉建安

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院 福州350100）

0 引 言

W-X系列智能柴油機，是在歐洲瓦錫蘭公司推出的RT-FLEX系列智控共軌柴油機基礎(chǔ)上技術(shù)發(fā)展的新一代電噴二沖程低速柴油機，其前身是瓦錫蘭RT-FLEX系列柴油機智能新型共軌電噴二沖程低速柴油機。自2012年第1臺W-6X35型柴油機設(shè)計制造并投入運行之后， 2013年第1臺W-6X72型柴油機投入運行，截止2018年年底，有中方參股的歐洲溫特圖爾發(fā)動機有限公司（Winterthur Gas and Diesel Ltd.，簡稱WinGD）共生產(chǎn)銷售125臺W-X系列新型智能柴油機，服務(wù)功率總共超過32 000 MW，此系列柴油機代表了當(dāng)時世界低速二沖程智能共軌電噴船舶柴油機的最前沿技術(shù)。

船舶傳統(tǒng)大型低速二沖程柴油機的換氣氣閥控制機構(gòu)是為了確保柴油機在良好的工作狀態(tài)中按設(shè)計的時序控制規(guī)定啟、閉各氣缸的進、排氣閥，以獲得優(yōu)良的柴油霧化燃燒工況，從而使柴油機循環(huán)穩(wěn)定輸出做功。傳統(tǒng)的柴油機換氣機構(gòu)主體包括氣閥進氣和排氣機構(gòu)、氣閥驅(qū)動機構(gòu)和凸輪軸以及凸輪軸傳動機構(gòu)三部分，而新型W-X系列智能柴油機的氣閥機構(gòu)，其凸輪軸以及凸輪軸傳動機構(gòu)部分則被取消，而氣閥驅(qū)動機構(gòu)被改進，控制過程中采用新型的排氣閥控制單元（Valve Control Unit，VCU）代之，以實現(xiàn)全過程電子控制、智能時序起動柴油機和調(diào)節(jié)啟、閉氣閥定時。

本文主要針對W-X系列智能柴油機的氣閥控制機理，尤其是排氣閥控制模塊改進技術(shù)部分進行研究。

1 W-X系列智能柴油機氣閥換氣控制功能機理分析

UNIC-Engine Control System（簡稱為UNIC-ECS）是W-X系列智能柴油機的智能化控制系統(tǒng)，是一個自動控制的系統(tǒng)平臺，是柴油機控制系統(tǒng)的核心。其屬于柴油機內(nèi)部控制系統(tǒng)，由歐洲WinGD發(fā)動機有限公司研制、開發(fā)，硬件系統(tǒng)主要包括UNIC-ECS硬件模塊、各種傳感裝置、驅(qū)動裝置和內(nèi)置的電子調(diào)速模塊，主要實現(xiàn)硬件模塊、軟件模塊，以及控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件模塊三種功能控制。“UNIC”是“UNIfied Controls”的縮寫，代表“一體化控制”，其控制功能主要體現(xiàn)在電子電路遠程遙控控制、機旁本地控制和柴油機速度測量監(jiān)控這三個方面。其處理控制進程中所有相關(guān)的驅(qū)動和調(diào)節(jié)，采用模塊化設(shè)計、分布式控制的嵌入式控制模式。

主要實現(xiàn)的功能如下：柴油機速度調(diào)節(jié)控制；柴油機燃油噴射、排氣閥啟閉驅(qū)動、空氣啟動閥啟閉和氣缸注油潤滑智能控制；各種共軌系統(tǒng)（包括燃油共軌、伺服控制油共軌和氣缸注油潤滑共軌）的監(jiān)測和油壓控制；通過CANopen和ModbusRTU接口外部控制子系統(tǒng)：推進控制系統(tǒng)（Propulsion Control System，PCS）和報警監(jiān)測系統(tǒng)（Alarm Monitor System，AMS）；柴油機性能優(yōu)化調(diào)整，IMO設(shè)置和數(shù)據(jù)存儲監(jiān)控；系統(tǒng)故障報警指示和診斷；曲軸角度編碼器監(jiān)測控制。

此智能柴油機在正常啟動運行之后，柴油主機通過旋轉(zhuǎn)曲軸為由自由端同步驅(qū)動的自帶伺服油泵（或外部動力伺服油泵）提供動力伺服油，并送入伺服油共軌單元先行蓄壓。此時，伺服油共軌管路中的共軌壓力能達到20~35 MPa。此過程中，伺服油共軌壓力的大小由控制系統(tǒng)根據(jù)柴油機負(fù)荷來決定，然后被加壓的伺服油再分別被送至各個氣缸的排氣閥控制單元（VCU），在UNIC-ECS智能控制系統(tǒng)控制下，實現(xiàn)對柴油機排氣閥啟、閉驅(qū)動，以及空氣啟動閥啟、閉的智能時序控制?？刂葡到y(tǒng)內(nèi)置時序控制曲線決定了柴油主機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)規(guī)律，參見圖1。

圖1 柴油機排氣閥控制系統(tǒng)圖

2 W-X系列智能柴油機排氣閥控制模塊技術(shù)改進研究

2.1 排氣閥控制單元（VCU）結(jié)構(gòu)改進

W-X系列智能柴油機排氣閥控制單元（VCU）主要包括排氣閥驅(qū)動器（Exhaust valve actuation）、技術(shù)改進的排氣閥本體，以及相應(yīng)實現(xiàn)自動液壓控制功能的液壓油路管系、閥件、接頭等主要部件。

與傳統(tǒng)柴油發(fā)動機不同，排氣閥控制單元（VCU）代替凸輪和滾子作驅(qū)動器裝置，排氣閥由高壓伺服油共軌壓力驅(qū)動開啟，由壓縮空氣彈簧實現(xiàn)關(guān)閉。閥桿的行程由模擬位置傳感器測量，并反饋到UNIC-ECS。

結(jié)構(gòu)上，此控制系統(tǒng)的驅(qū)動設(shè)備模塊化設(shè)計，排氣閥驅(qū)動器結(jié)構(gòu)圖參見圖2和圖3。

圖2 排氣閥驅(qū)動器結(jié)構(gòu)圖a

圖3 排氣閥驅(qū)動器結(jié)構(gòu)圖b

整個設(shè)備本體一體化鑄造，利用彈性緊固螺栓強力固定在伺服油共軌管路上，內(nèi)部主要有1個控制滑芯（slide rod）和1個主活塞（main piston），本體邊上附屬1個二位四通電磁換向閥，接收氣缸控制單元的信號，從而實現(xiàn)控制伺服油共軌管路送來的高壓伺服油路的通斷。

2.2 排氣閥本體的結(jié)構(gòu)技術(shù)改進

W-X系列智能柴油機排氣閥本體結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進參見圖4。

圖4 排氣閥本體結(jié)構(gòu)圖

與傳統(tǒng)柴油機排氣閥以及早期的Rt-flex系列智能柴油機的排氣閥相比，W-X系列智能柴油機排氣閥有以下幾個顯著變化：

（1）排氣閥液壓驅(qū)動活塞使用雙活塞特殊結(jié)構(gòu)

此雙活塞結(jié)構(gòu)包括1個外活塞和1個內(nèi)活塞。這種設(shè)計可以減少液壓油控制量，并且使排氣閥在液壓開閥過程中運行工況更平穩(wěn)。

（2）將氣閥閥桿結(jié)構(gòu)的上端設(shè)計成精確外形的錐形體結(jié)構(gòu)

在此部位外接2個互為冗余的位置沖程傳感器，從而實現(xiàn)將排氣閥的開度信號實時、準(zhǔn)確地傳遞給氣缸控制單元，實現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測排氣閥的運動狀態(tài)和啟閉位置。位置傳感器能感受被測物的位置并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號，可用來檢測位置，反映某種狀態(tài)的開關(guān)。

不同于位移傳感器，位置傳感器有接觸式和接近式兩種。接觸式傳感器的觸頭由兩個物體接觸擠壓而動作，常見的有行程開關(guān)、二維矩陣式位置傳感器等。行程開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、價格低廉。當(dāng)某個物體在運動過程中碰到行程開關(guān)時，其內(nèi)部觸頭會動作，從而完成控制。接近式位置傳感器是指當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時，就可以發(fā)出“動作”信號的開關(guān)，而無需和物體直接接觸。其有很多種類，主要有電磁式、光電式和差動變壓器式等。在此系列柴油機中常使用電磁式位置傳感器。這兩個位置傳感器在工作過程中應(yīng)至少保證其中有一個處于良好工作狀態(tài)，才能實現(xiàn)柴油主機的負(fù)荷、燃油噴射壓力和排氣閥精準(zhǔn)開度的完美配合。如果二者都有故障，排氣閥的開關(guān)動作將按照內(nèi)置固定的定時實現(xiàn)啟閉。

（3）空氣彈簧活塞直接在氣閥頭部上殼體空氣壓縮腔室內(nèi)運行

當(dāng)排氣閥開啟下行時，送入的一定壓力的壓縮空氣被進一步壓縮，底部有個盤式彈簧（即圓盤式阻尼器），萬一空氣彈簧壓力過低，其可抑制排氣閥的開啟行程，以保證低壓時排氣閥的開啟位置。

2.3 排氣閥控制單元液壓啟、閉閥門智能控制原理分析

參見圖3和圖5，排氣閥智能啟閉控制功能原理如下：經(jīng)由伺服油共軌總管送過來的高壓控制油，在排氣閥關(guān)閉狀態(tài)下，送出兩路控制油壓：其中一路油壓送至二位四通電磁換向閥的進口處進行等待，另一路油壓送至VCU內(nèi)部控制滑桿閥芯的上部液壓控制端處進行等待。此時，控制滑芯處于上位通路，VCU中主活塞下方的伺服油控制油壓通過控制滑桿閥芯上位通路泄壓到油箱，柴油機排氣閥在空氣彈簧的壓縮壓力下關(guān)閉。

圖5 排氣閥控制單元控制原理圖

當(dāng)VCU電磁閥接收到UNIC-ECS氣缸控制單元（Cylinder Control Unit，CCU）送來的開閥信號時，即此時VCU電磁閥被觸發(fā)到“打開”位置，此時電磁閥上位通路，控制滑桿閥芯的上部液壓控制端液壓油路泄壓，VCU控制滑桿閥芯的下部液壓控制端受控，控制滑芯下位通路打開，來自伺服油共軌管路的高壓液壓油通過控制滑桿閥芯下位通路推動主活塞上移加壓，上方來自主軸承液壓供給油（有的機型也可以來自伺服共軌油路的高壓油）被加壓后，通過高壓油管送到排氣閥上端并開啟排氣閥。當(dāng)控制系統(tǒng)CCU送來關(guān)閥信號時，二位四通電磁換向閥動作，下位通路，VCU內(nèi)部控制滑桿閥芯的控制端使油壓通過電磁換向閥下位到油箱泄壓，從而使滑桿閥芯上位通路，切斷高壓控制油的供給，將主活塞下方的壓力油泄壓到油箱。此時，排氣閥內(nèi)部的空氣彈簧活塞提供的壓縮壓力足以將排氣閥關(guān)閉。

在整個排氣閥啟、閉過程中，UNIC-ECS通過2個位置傳感器實時傳遞過來的信號實現(xiàn)對排氣閥的精確啟、閉位置監(jiān)控，從而利用電磁換向閥的精準(zhǔn)時序控制實現(xiàn)對排氣閥的精準(zhǔn)定時啟、閉，此二位四通電磁換向閥相當(dāng)于RT-flex智能柴油機中VCU的二位三通電磁共軌閥。

從排氣閥接收到“開啟”命令，再到排氣閥閥桿的初始運動之間有極為短暫的一段延遲時間，被稱為“排氣閥開閥死區(qū)時間”，UNIC-ECS在液壓開閥動作時也做了補償性考慮。柴油主機的負(fù)荷波動變化決定了主機的伺服油共軌壓力。當(dāng)柴油主機工作在部分負(fù)荷工況時，油壓較低，由于較低的燃油壓力，伺服油壓必須和排氣閥的開啟速度相適應(yīng)。

2.4 排氣閥的VEC和VEO智能控制功能分析

在機艙集控室，UNIC-ECS能智能監(jiān)控和管理柴油主機各缸排氣閥的運行狀態(tài)，主要是排氣閥的開啟、關(guān)閉時間和位置狀態(tài)監(jiān)測。

在排氣閥控制系統(tǒng)中，排氣閥的實際開啟和關(guān)閉角度是由氣缸控制單元模塊（CCU）根據(jù)曲軸實際角度，排氣閥的理論開啟和關(guān)閉角以及VEC和VEO通過內(nèi)部程序運算而獲得。

VEC指“可變排氣閥關(guān)閉角度（Variable Exhaust-Valve Closing）”，VEO指“可變排氣閥開啟 角 度（Variable Exhaust-Valve Opening）”。VEC和VEO的智能控制指UNIC-ECS中各缸的CCM-20以實時測量、監(jiān)控的柴油機運行工況和曲軸角度數(shù)值為基礎(chǔ)，根據(jù)可變排氣閥關(guān)閉/開度角度變化表（VEC/VEO角度-轉(zhuǎn)速表）計算并補償操控排氣閥閥門關(guān)閉/開啟的提前或滯后的角度，參見圖6。

圖6 VEC/VEO角度-轉(zhuǎn)速表

VEC的智能調(diào)節(jié)指當(dāng)柴油機在低負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速工況下，在噴油角度提前時，通過補償調(diào)節(jié)排氣關(guān)閉角度來調(diào)節(jié)氣缸壓縮壓力，使燃燒發(fā)火壓力比（/）處于一個可接受、更優(yōu)化的范圍內(nèi)。分析圖6中的VEC控制，當(dāng)柴油機工作時，從啟動開始到低轉(zhuǎn)速運行期間（0~60 r/min），為了在較低的柴油機壓縮壓力時還能保持正常工況下允許范圍內(nèi)較高的發(fā)火壓力比（/），從而實現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)燃燒，排氣閥提前關(guān)閉補償角度30°CA（Crankshaft Angle，曲軸角度），然后隨著轉(zhuǎn)速慢慢升高并達到正常負(fù)荷下的額定轉(zhuǎn)速，則VEC的角度補償控制不作用。

VEO智能控制主要為了實現(xiàn)柴油機在高速、額定負(fù)荷工況下，提早以一定補償角度開啟排氣閥，使柴油機廢氣壓力保持一定的常壓狀態(tài)，從而提高燃油經(jīng)濟性并使氣缸內(nèi)活塞沉積物減少。如圖6所示，當(dāng)柴油機隨著轉(zhuǎn)速慢慢升高并達到正常額定轉(zhuǎn)速（100 r/min），在105 r/min后，排氣閥提前正常開啟角度1~2°CA開啟，VEO控制通過補償角度更早開啟排氣閥，保持穩(wěn)定的排氣反沖壓力，實現(xiàn)柴油機高轉(zhuǎn)速下的燃油經(jīng)濟性，并讓更少的沉積物積聚在活塞下方，排氣閥的VEC和VEO智能控制均由UNIC-ECS自動運算控制，人工無法手動調(diào)節(jié)。

3 結(jié) 語

新型W-X系列智能柴油機作為船舶的主動力推進裝置在如今的遠洋大型商船上應(yīng)用越來越廣泛。其智能的換氣控制功能模塊（尤其是排氣閥控制模塊）在傳統(tǒng)技術(shù)上有了很多技術(shù)改進，可實現(xiàn)共軌高壓驅(qū)動以及全過程電子精準(zhǔn)可控的時序智能調(diào)節(jié)氣閥啟、閉，從而使此系列柴油機可實現(xiàn)更優(yōu)化的柴油霧化燃燒，使功率在柴油機全負(fù)載范圍變化過程中都能得到最充分發(fā)揮。船舶低負(fù)載節(jié)油航行，也能有效避免傳統(tǒng)柴油機在低負(fù)載航行營運過程中易出現(xiàn)的各種因燃燒不良而導(dǎo)致的柴油機設(shè)備故障。