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

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

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

1 W-X系列智能柴油機(jī)氣閥換氣控制功能機(jī)理分析

UNIC-Engine Control System（簡(jiǎn)稱為UNIC-ECS）是W-X系列智能柴油機(jī)的智能化控制系統(tǒng)，是一個(gè)自動(dòng)控制的系統(tǒng)平臺(tái)，是柴油機(jī)控制系統(tǒng)的核心。其屬于柴油機(jī)內(nèi)部控制系統(tǒng)，由歐洲WinGD發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司研制、開(kāi)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(dòng)裝置和內(nèi)置的電子調(diào)速模塊，主要實(shí)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?！癠NIC”是“UNIfied Controls”的縮寫(xiě)，代表“一體化控制”，其控制功能主要體現(xiàn)在電子電路遠(yuǎn)程遙控控制、機(jī)旁本地控制和柴油機(jī)速度測(cè)量監(jiān)控這三個(gè)方面。其處理控制進(jìn)程中所有相關(guān)的驅(qū)動(dòng)和調(diào)節(jié)，采用模塊化設(shè)計(jì)、分布式控制的嵌入式控制模式。

主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：柴油機(jī)速度調(diào)節(jié)控制；柴油機(jī)燃油噴射、排氣閥啟閉驅(qū)動(dòng)、空氣啟動(dòng)閥啟閉和氣缸注油潤(rùn)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(rùn)滑共軌）的監(jiān)測(cè)和油壓控制；通過(guò)CANopen和ModbusRTU接口外部控制子系統(tǒng)：推進(jìn)控制系統(tǒng)（Propulsion Control System，PCS）和報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Alarm Monitor System，AMS）；柴油機(jī)性能優(yōu)化調(diào)整，IMO設(shè)置和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)監(jiān)控；系統(tǒng)故障報(bào)警指示和診斷；曲軸角度編碼器監(jiān)測(cè)控制。

此智能柴油機(jī)在正常啟動(dòng)運(yùn)行之后，柴油主機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)曲軸為由自由端同步驅(qū)動(dòng)的自帶伺服油泵（或外部動(dòng)力伺服油泵）提供動(dòng)力伺服油，并送入伺服油共軌單元先行蓄壓。此時(shí)，伺服油共軌管路中的共軌壓力能達(dá)到20~35 MPa。此過(guò)程中，伺服油共軌壓力的大小由控制系統(tǒng)根據(jù)柴油機(jī)負(fù)荷來(lái)決定，然后被加壓的伺服油再分別被送至各個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)排氣閥啟、閉驅(qū)動(dòng)，以及空氣啟動(dòng)閥啟、閉的智能時(shí)序控制?？刂葡到y(tǒng)內(nèi)置時(shí)序控制曲線決定了柴油主機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)規(guī)律，參見(jiàn)圖1。

圖1 柴油機(jī)排氣閥控制系統(tǒng)圖

2 W-X系列智能柴油機(jī)排氣閥控制模塊技術(shù)改進(jìn)研究

2.1 排氣閥控制單元（VCU）結(jié)構(gòu)改進(jìn)

W-X系列智能柴油機(jī)排氣閥控制單元（VCU）主要包括排氣閥驅(qū)動(dòng)器（Exhaust valve actuation）、技術(shù)改進(jìn)的排氣閥本體，以及相應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)機(jī)不同，排氣閥控制單元（VCU）代替凸輪和滾子作驅(qū)動(dòng)器裝置，排氣閥由高壓伺服油共軌壓力驅(qū)動(dòng)開(kāi)啟，由壓縮空氣彈簧實(shí)現(xiàn)關(guān)閉。閥桿的行程由模擬位置傳感器測(cè)量，并反饋到UNIC-ECS。

結(jié)構(gòu)上，此控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)，排氣閥驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖參見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 排氣閥驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖a

圖3 排氣閥驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖b

整個(gè)設(shè)備本體一體化鑄造，利用彈性緊固螺栓強(qiáng)力固定在伺服油共軌管路上，內(nèi)部主要有1個(gè)控制滑芯（slide rod）和1個(gè)主活塞（main piston），本體邊上附屬1個(gè)二位四通電磁換向閥，接收氣缸控制單元的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)控制伺服油共軌管路送來(lái)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(jìn)

W-X系列智能柴油機(jī)排氣閥本體結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)參見(jiàn)圖4。

圖4 排氣閥本體結(jié)構(gòu)圖

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

（1）排氣閥液壓驅(qū)動(dòng)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(gè)外活塞和1個(gè)內(nèi)活塞。這種設(shè)計(jì)可以減少液壓油控制量，并且使排氣閥在液壓開(kāi)閥過(guò)程中運(yùn)行工況更平穩(wěn)。

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

在此部位外接2個(gè)互為冗余的位置沖程傳感器，從而實(shí)現(xiàn)將排氣閥的開(kāi)度信號(hào)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地傳遞給氣缸控制單元，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)排氣閥的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和啟閉位置。位置傳感器能感受被測(cè)物的位置并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)，可用來(lái)檢測(cè)位置，反映某種狀態(tài)的開(kāi)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(gè)物體接觸擠壓而動(dòng)作，常見(jiàn)的有行程開(kāi)關(guān)、二維矩陣式位置傳感器等。行程開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、價(jià)格低廉。當(dāng)某個(gè)物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中碰到行程開(kāi)關(guān)時(shí)，其內(nèi)部觸頭會(huì)動(dòng)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(shí)，就可以發(fā)出“動(dòng)作”信號(hào)的開(kāi)關(guān)，而無(wú)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(dòng)變壓器式等。在此系列柴油機(jī)中常使用電磁式位置傳感器。這兩個(gè)位置傳感器在工作過(guò)程中應(yīng)至少保證其中有一個(gè)處于良好工作狀態(tài)，才能實(shí)現(xiàn)柴油主機(jī)的負(fù)荷、燃油噴射壓力和排氣閥精準(zhǔn)開(kāi)度的完美配合。如果二者都有故障，排氣閥的開(kāi)關(guān)動(dòng)作將按照內(nèi)置固定的定時(shí)實(shí)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(yùn)行

當(dāng)排氣閥開(kāi)啟下行時(shí)，送入的一定壓力的壓縮空氣被進(jìn)一步壓縮，底部有個(gè)盤(pán)式彈簧（即圓盤(pán)式阻尼器），萬(wàn)一空氣彈簧壓力過(guò)低，其可抑制排氣閥的開(kāi)啟行程，以保證低壓時(shí)排氣閥的開(kāi)啟位置。

2.3 排氣閥控制單元液壓?jiǎn)?、閉閥門(mén)智能控制原理分析

參見(jiàn)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(guò)來(lái)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(jìn)口處進(jìn)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(jìn)行等待。此時(shí)，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(guò)控制滑桿閥芯上位通路泄壓到油箱，柴油機(jī)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(lái)的開(kāi)閥信號(hào)時(shí)，即此時(shí)VCU電磁閥被觸發(fā)到“打開(kāi)”位置，此時(shí)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(kāi)，來(lái)自伺服油共軌管路的高壓液壓油通過(guò)控制滑桿閥芯下位通路推動(dòng)主活塞上移加壓，上方來(lái)自主軸承液壓供給油（有的機(jī)型也可以來(lái)自伺服共軌油路的高壓油）被加壓后，通過(guò)高壓油管送到排氣閥上端并開(kāi)啟排氣閥。當(dāng)控制系統(tǒng)CCU送來(lái)關(guān)閥信號(hào)時(shí)，二位四通電磁換向閥動(dòng)作，下位通路，VCU內(nèi)部控制滑桿閥芯的控制端使油壓通過(guò)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(shí)，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(gè)排氣閥啟、閉過(guò)程中，UNIC-ECS通過(guò)2個(gè)位置傳感器實(shí)時(shí)傳遞過(guò)來(lái)的信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)序控制實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣閥的精準(zhǔn)定時(shí)啟、閉，此二位四通電磁換向閥相當(dāng)于RT-flex智能柴油機(jī)中VCU的二位三通電磁共軌閥。

從排氣閥接收到“開(kāi)啟”命令，再到排氣閥閥桿的初始運(yùn)動(dòng)之間有極為短暫的一段延遲時(shí)間，被稱為“排氣閥開(kāi)閥死區(qū)時(shí)間”，UNIC-ECS在液壓開(kāi)閥動(dòng)作時(shí)也做了補(bǔ)償性考慮。柴油主機(jī)的負(fù)荷波動(dòng)變化決定了主機(jī)的伺服油共軌壓力。當(dāng)柴油主機(jī)工作在部分負(fù)荷工況時(shí)，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(kāi)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(jī)艙集控室，UNIC-ECS能智能監(jiān)控和管理柴油主機(jī)各缸排氣閥的運(yùn)行狀態(tài)，主要是排氣閥的開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)間和位置狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

在排氣閥控制系統(tǒng)中，排氣閥的實(shí)際開(kāi)啟和關(guān)閉角度是由氣缸控制單元模塊（CCU）根據(jù)曲軸實(shí)際角度，排氣閥的理論開(kāi)啟和關(guān)閉角以及VEC和VEO通過(guò)內(nèi)部程序運(yùn)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(kāi)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(shí)時(shí)測(cè)量、監(jiān)控的柴油機(jī)運(yùn)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(kāi)度角度變化表（VEC/VEO角度-轉(zhuǎn)速表）計(jì)算并補(bǔ)償操控排氣閥閥門(mén)關(guān)閉/開(kāi)啟的提前或滯后的角度，參見(jiàn)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(jī)在低負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速工況下，在噴油角度提前時(shí)，通過(guò)補(bǔ)償調(diào)節(jié)排氣關(guān)閉角度來(lái)調(diào)節(jié)氣缸壓縮壓力，使燃燒發(fā)火壓力比（/）處于一個(gè)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(jī)工作時(shí)，從啟動(dòng)開(kāi)始到低轉(zhuǎn)速運(yùn)行期間（0~60 r/min），為了在較低的柴油機(jī)壓縮壓力時(shí)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(shí)現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)燃燒，排氣閥提前關(guān)閉補(bǔ)償角度30°CA（Crankshaft Angle，曲軸角度），然后隨著轉(zhuǎn)速慢慢升高并達(dá)到正常負(fù)荷下的額定轉(zhuǎn)速，則VEC的角度補(bǔ)償控制不作用。

VEO智能控制主要為了實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)在高速、額定負(fù)荷工況下，提早以一定補(bǔ)償角度開(kāi)啟排氣閥，使柴油機(jī)廢氣壓力保持一定的常壓狀態(tài)，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性并使氣缸內(nèi)活塞沉積物減少。如圖6所示，當(dāng)柴油機(jī)隨著轉(zhuǎn)速慢慢升高并達(dá)到正常額定轉(zhuǎn)速（100 r/min），在105 r/min后，排氣閥提前正常開(kāi)啟角度1~2°CA開(kāi)啟，VEO控制通過(guò)補(bǔ)償角度更早開(kāi)啟排氣閥，保持穩(wěn)定的排氣反沖壓力，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速下的燃油經(jīng)濟(jì)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(dòng)運(yùn)算控制，人工無(wú)法手動(dòng)調(diào)節(jié)。

3 結(jié) 語(yǔ)

新型W-X系列智能柴油機(jī)作為船舶的主動(dòng)力推進(jìn)裝置在如今的遠(yuǎn)洋大型商船上應(yīng)用越來(lái)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(jìn)，可實(shí)現(xiàn)共軌高壓驅(qū)動(dòng)以及全過(guò)程電子精準(zhǔn)可控的時(shí)序智能調(diào)節(jié)氣閥啟、閉，從而使此系列柴油機(jī)可實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的柴油霧化燃燒，使功率在柴油機(jī)全負(fù)載范圍變化過(guò)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(jī)在低負(fù)載航行營(yíng)運(yùn)過(guò)程中易出現(xiàn)的各種因燃燒不良而導(dǎo)致的柴油機(jī)設(shè)備故障。