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(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001;2.滬東重機(jī)有限公司，上海200129)

隨著船舶排放和經(jīng)濟(jì)性要求的提高，船用柴油機(jī)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(jī)生產(chǎn)商MANB＆W和WARTSILA公司分別生產(chǎn)了相應(yīng)的智能機(jī)，如 MAN-B＆W 公司的 ME型智能柴油機(jī)和WARTSILA公司的Sulzer RT-flex系列智能柴油機(jī)，均可實(shí)現(xiàn)高壓噴射、準(zhǔn)確的噴油定時(shí)和噴油率的優(yōu)化控制.RT-flex共軌柴油機(jī)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(dòng)系統(tǒng)、傳感器等［1-5］.其中排氣閥的動(dòng)作響應(yīng)的快慢對(duì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、排放性能和動(dòng)力性能具有重要影響.排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由機(jī)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(jī)的排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立其數(shù)值仿真模型，對(duì)排氣閥開啟過程、關(guān)閉過程進(jìn)行研究，揭示對(duì)排氣閥開啟及關(guān)閉特性的影響規(guī)律，為排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)原理圖.排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電控單元和機(jī)械液力單元2個(gè)部分，其中電控單元主要包括控制器、電磁閥等部分，機(jī)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(hào)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(yùn)動(dòng)，進(jìn)而控制伺服油對(duì)排氣閥的驅(qū)動(dòng).

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

2 排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是集電場(chǎng)、磁場(chǎng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)和流場(chǎng)于一體的復(fù)雜系統(tǒng).各個(gè)場(chǎng)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(dòng)方程，各個(gè)場(chǎng)的參數(shù)都會(huì)對(duì)最終的排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特性直接或間接產(chǎn)生作用.

因此，通過電磁場(chǎng)耦合方程、機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程、流場(chǎng)特性方程和高壓油管波動(dòng)方程，再結(jié)合柱塞腔連續(xù)方程、活塞運(yùn)動(dòng)方程、初始條件和邊界條件等就可以求解排氣閥驅(qū)動(dòng)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(gè)排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)值仿真模型如圖2所示.

圖2 排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算模型Fig.2 Exhaust valve drive system calculation model

2.2 仿真模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖3為實(shí)機(jī)在伺服油壓200 bar時(shí)排氣閥動(dòng)作的實(shí)測(cè)值與仿真值對(duì)比結(jié)果.由圖3(a)可知，實(shí)測(cè)值排氣閥整個(gè)開啟過程約為 60 ms，仿真值約為70 ms;由圖3(b)可知，實(shí)測(cè)值排氣閥整個(gè)關(guān)閉過程約為80 ms，仿真值約為80 ms.可見計(jì)算模型能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)排氣閥開啟及關(guān)閉過程.因此，可以用此模型對(duì)排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作進(jìn)一步的研究分析.

圖3 200 bar時(shí)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)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(dòng)作的排氣閥液壓控制單元進(jìn)油口倒角(通向排氣閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)活塞下部，決定了伺服油到活塞的連通時(shí)刻)，排氣閥液壓控制單元回油口倒角(排氣閥驅(qū)動(dòng)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(shí)刻)，節(jié)流孔(決定了排氣閥處伺服油的回油量)等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)排氣閥開啟過程及關(guān)閉過程的影響規(guī)律.

3.1 排氣閥液壓控制單元進(jìn)油口倒角

圖4、5為不同伺服油壓力條件下(140 bar，200 bar)，進(jìn)油口倒角在初始值基礎(chǔ)上每增加0.5 mm時(shí)對(duì)排氣閥開啟及關(guān)閉過程的影響規(guī)律.

圖4 排氣閥液壓控制單元進(jìn)油口倒角對(duì)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(jìn)油口倒角對(duì)排氣閥關(guān)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(jìn)油口倒角對(duì)排氣閥開啟及關(guān)閉過程的時(shí)間長(zhǎng)度影響并不明顯，但隨著進(jìn)油口倒角的增加，排氣閥開啟時(shí)刻依次提前，排氣閥關(guān)閉時(shí)刻延遲，且伺服油壓力越小，影響越明顯.進(jìn)油口倒角增加4 mm，排氣閥在伺服油壓力為140 bar時(shí)，開啟時(shí)刻提前 58.04 ms，而關(guān)閉時(shí)刻延遲99.6 ms;在伺服油壓力為200 bar時(shí)，開啟時(shí)刻提前38.5 ms，而關(guān)閉時(shí)刻延遲18.75 ms.這是因?yàn)檫M(jìn)油口倒角的大小影響活塞下部接通伺服油的時(shí)刻，倒角越大，活塞下部伺服油壓建壓時(shí)刻越靠前，相應(yīng)的活塞動(dòng)作時(shí)刻越靠前，從而使排氣閥動(dòng)作時(shí)刻也相應(yīng)提前.隨著伺服油壓的增大，充油速度增加，倒角變化對(duì)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(dòng)系統(tǒng)對(duì)進(jìn)油口倒角的變化越不敏感.由于加工的誤差和長(zhǎng)期工作的磨損，進(jìn)油口的倒角會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化，這將影響排氣閥的開啟和關(guān)閉時(shí)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(duì)排氣閥開啟及關(guān)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(duì)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(duì)排氣閥關(guān)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(shí)，排氣閥開啟過程基本不受回油口倒角變化的影響，而關(guān)閉過程的時(shí)間隨回油口倒角增加而逐漸減小.因?yàn)榕艢忾y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(duì)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(guān)閉時(shí)間.

排氣閥液壓控制單元回油口倒角增加4 mm，排氣閥關(guān)閉時(shí)間在伺服油壓力為140 bar時(shí)縮短22.86 ms，而在伺服油壓力為 200 bar時(shí)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(shí)對(duì)排氣閥開啟和關(guān)閉過程的影響規(guī)律.

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

圖9中排氣閥關(guān)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(shí)間出現(xiàn)很大差異，節(jié)流孔徑越大，排氣閥關(guān)閉時(shí)刻越提前.在伺服油壓為140 bar，節(jié)流孔徑增加到3.1 mm時(shí)，排氣閥關(guān)閉時(shí)刻提前442.3 ms.這是因?yàn)楣?jié)流孔徑變大使得排氣閥驅(qū)動(dòng)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(jìn)而壓力下降的速度增加，排氣閥關(guān)閉時(shí)刻提前.

圖8 節(jié)流孔徑對(duì)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(duì)排氣閥關(guān)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(jìn)油口倒角對(duì)排氣閥的運(yùn)動(dòng)特性有較大影響，隨著倒角的增大，排氣閥開啟時(shí)刻提前，關(guān)閉過程延后，且伺服油壓力為140 bar時(shí)的影響更為明顯.

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

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

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