大功率柴油機和氣體機可變氣門技術

劉秋穎，王偉才，Christoph Mathey

（1 重慶ABB江津渦輪增壓系統有限公司上海分公司 上海201208；2 ABB渦輪增壓系統有限公司，瑞士）

可變氣門正時（VVT）系統已經在汽車行業應用了數年，包括可變相位、可變氣閥升程和排氣閥再開等多種技術都可以在市場上找到。除了它對于排放和油耗的正面影響以外，主要的市場焦點仍然在于其操縱的靈活性，或者說＂愉快駕駛＂?，F今這些系統可以作為汽車標準設備，可過去可變氣門正時很少用于大功率柴油機和氣體機。但是，隨之而來的排放法規以及未來發展的目標在于提高渦輪增壓大功率發動機的平均有效壓力，特別是帶有米勒正時的系統，并將在空氣操控方面需要更多的靈活性。本文將闡述和討論利用可變氣門正時技術使發動機在性能上實現一些特性需求，包括瞬態性能、排放和增壓。

同時本文闡述了一個新開發的可變氣門正時系統，它現在正經歷一個被廣泛認可和資格確認階段?？勺儦忾T正時的布置有較大的彈性，它允許應用在不同尺寸不同目的的柴油機和氣體機上，并且應所有大功率發動機制造商的需求，可變氣門正時正在用戶化。甚至考慮了在現存發動機上進行翻新?？勺儦忾T正時系統是在這樣一種情況下設計出來的：在運行中不需要提供外部動力、控制，可以整合到發動機控制單元。這種液力機械可變氣門正時系統的一些設計特點是基于已經被校驗過的汽車設計單元。本文將介紹首次試驗結果。

可變氣門正時（VVT）在發動機行業不是一個新的技術。早在1979年維也納CIMAC會議，以及現今意大利瓦錫蘭公司均提出了這個系統，此系統通過進氣閥門關閉角正時和它本身設計的一定氣門重疊角來實現一定的靈活度。此系統小范圍地應用在了BL230.20DVM系列發動機上。如瓦錫蘭的VIC系統和Cat－MaK的FCT系統已經應用到市場。所有這些現存的系統都有他們各自的優缺點。

在汽車發動機領域，有較高靈活性的不同可變氣門正時系統經過較長的發展以后，已經在一些產品中得到了應用，證明了這種系統需要大量的研究和試驗，而這些研究試驗是不可低估的。因此對大功率發動機市場提出靈活性較大的可變氣門正時系統是合理的，此系統基于在汽車應用中已經證實的技術以及用有限的修改可適用于不同類型發動機。自然地，也應該考慮到個體發動機制造商希望應用他們自己的布置結構和設計理念。因此進一步，最近兩級增壓的發展與先進的米勒正時結合已經清晰地明確了對于靈活的空氣控制的需求，靈活的控制進氣可使發動機實現在不同運行點下均達到最好的性能，同時滿足未來的排放要求。

下面文章提出可變氣門正時系統的設計、試驗和應用潛力的預期，這種可變氣門正時系統在不久的未來將由ABB渦輪增壓系統公司開發并銷售。

1 可變氣門正時（VVT）設計

對于大功率柴油機和燃氣機，一個可變氣門正時系統的設計應該滿足一定的條件，主要如下：可靠性；高耐久性；超載的長久性；容易維修；簡單；易于集成；對不同應用情況、基于氣閥正時的靈活性；合理的初期成本。

在這些邊界條件以及需要短期市場化情況下，從開始便很清楚的知道：一個完善的新系統是不切實際的。多個研究機構理論上已經研究了一個電磁閥閥門組通過氣閥正時和氣閥升程將提供最大的靈活性。不過到目前為止，盡管做了很多努力仍不可能去除高功率需求這個主要的缺點。因此，ABB評估了可用的汽車VVT系統，并且得出結論：對于大功率發動機，最合適的VVT系統將是基于由Schaeffler提出的UniAir系統設計原則的系統［4］。最近這種系統被Fiat應用，并已經做完了基本的開發工作，市場上以MultiAir［5］的名義銷售。

圖1 可變氣門正時（VVT）系統組件

UniAir系統是一個電—液力驅動機械氣閥組系統，它也允許氣閥實現可選擇控制模型。此VVT系統的主要組件如圖1。主要有泵單元；螺線管閥門；制動單元；儲存器；溫度傳感器。

圖2 VVT系統原理

這些組件如何共同工作并且創造VVT系統？如圖2所示。整個液力系統由來自于發動機潤滑油路的機油來供應。因此不需要獨立的昂貴液力系統。

泵單元由凸輪軸通過推臂桿驅動，使置于進排氣閥門之上的高壓腔室以及制動單元提高壓力。氣閥通過液力腔與凸輪軸聯系。螺線管閥門作為控制單元。

如果螺線管閥門關閉，高壓腔中的潤滑油的功能如機械連接棒。但是如果螺線管閥門開啟，凸輪軸與閥門之間的直接連接被阻斷。凸輪軸的升程和正時不再控制氣閥行動，所以氣閥關閉時只依賴于彈簧力和在高壓腔中的壓力水平。中等壓力線路的油腔作用相當于壓力儲存器，它允許將高壓腔壓力注滿，并且作用于凸輪關閉傾斜面。通過這種方法減少系統的能量損失。在氣閥關閉相位期間，液力制動器的作用就如當氣閥觸碰底座時限制壓力的阻尼器，因此避免了在這最后移動相位過程中有問題的載荷。

關閉和開啟螺線管閥門允許不同閥門動作模式，這取決于發動機運行工況的需求（如圖3）。

圖3 運行模式

如果螺線管閥門關閉，氣閥將完全根據機械凸輪型線動作。這種情況下，氣閥保持開啟一段最長的時間，這對一定的部分負荷運行工況點是有利的。在不同的運行點及時開啟螺線管閥門，氣閥允許選擇性的關閉。例如可能利用這種運行模式通過進氣閥關閉正時來實現不同米勒定時或者通過排氣閥控制來實現可變掃氣。在凸輪一個完整運行周期中，通過開啟和關閉螺線管閥門可能實現一種叫做多升程的模式，這種模式對于預混氣體機可能是一種有價值的選擇。這種閥門激勵有利于在氣缸中創造漩渦和湍流來改善燃燒。

設計的整個VVT系統（圖4）不僅滿足了以上涉及到的大功率柴油機和氣體機應用中的一般需求，也考慮到了在瞬態和穩態工況中的特殊需求。因此，未來發動機應用的優化空氣控制系統一定要解決以下問題：

大功率發動機全速度運行工況下的適用性；變工況時快速動力調整；氣缸中有效空氣質量的精確控制；對于發動機組件（如增壓系統、EGR系統等）相關的空氣流量的靈活性適應；氣缸間波動的補償；進氣條件補償。

2 能量吸收

所有的電磁和電液VVT系統在操作時需要一定的能量。這里闡述的已開發電—液力系統目的是限制機械、液力和電力能量損失。通過初始計算，這些整體能量損失（包括螺線管閥門和控制電子器運行所需要的能量）應該少于所有發動機動力輸出的1.5%。通過優化機械組件和燃燒以及特定運行點下氣體交換過程，來減少這些損失。實際損失需要通過在發動機上試驗來確定。

圖4 VVT系統原型設計

圖5 黏度影響

圖6 控制單元

3 滑油黏性的影響

經證實，在汽車發動機上UniAir技術的應用過程中，滑油黏度即在VVT系統內部滑油溫度的一種表示方法對氣閥升程型線有影響，特別是在最大升程和氣閥關閉的速度上。由于這個原因，滑油溫度傳感器已經被集成到氣閥激勵模塊中?；诨蜏囟葴y量，螺線管閥門動作點的時間可以根據已經被集成到氣閥控制系統中的運算法則修正。保持滑油的影響在控制范圍內對于實現如圖5所示的氣閥升程曲線十分重要。盡管滑油溫度，以及由此相關的大功率發動機的滑油黏性被控制并且維持恒定，但是初始單元仍將包括這個設計特點。如果滑油黏性的影響在大功率發動機情況下可以忽略，就可以省略溫度傳感器。

4 控制單元

清晰可見，如果沒有一個可靠和集成化的控制系統（如圖6），這樣的VVT系統是不可能被成功應用的。同時也很明顯：潛在客戶不希望在他們的發動機上每個子系統下都有獨立的控制單元，并且他們希望有可能通過自己的需要和需求來設置系統。因此需要提供一個包括校準數據裝置的軟件代碼將作為部分文件包。這個軟件代碼可以完全集成于發動機控制單元中。發動機制造商將有可能基于發動機的機械結構設置他們自己的運行模式架構、氣閥正時和切換運行點。對瞬態和穩態運行工況采用不同設置的方式，軟件開發是可實現的。

5 機械試驗臺

為了測試VVT系統的機械可靠性，建立了虛擬的單缸發動機。這個虛擬發動機包括（如圖7）：VVT系統；氣缸蓋；凸輪軸和推力桿；凸輪軸軸承排列；電機驅動凸輪軸；基本架構；潤滑油；控制單元。

所有關鍵組件與真實的大功率柴油機相同。應用類似于實際發動機的滑油和冷卻水溫度為了用較合理的方式對VVT模塊模擬預期的運行條件。第1步計劃運行1 000h的耐久性試驗，來證明系統的機械可靠性。在這試驗期間，將運行不同的模式，同時記錄在這個構架下吸收的能量數。這些試驗也將提供關于激勵單元內部滑油溫度和壓力性能的信息，同時考慮不同氣閥間隙的影響。成功地結束這些試驗以后，在實際發動機上VVT構架將被解除。

圖7 試驗臺

6 發動機循環模擬

不同的出版物［6－7］表明合理的兩級增壓構架需要氣閥組具有一定的靈活度。為了顯示出VVT的作用，ABB對一個典型的符合IMOⅡ標準的中速柴油機構架（Pme＝2.5MPa）進行了不同發動機循環的計算。基于經校準的發動機模型，對以下運行情況完成了應用填滿和放空方法的計算：

·用固定斜度的螺旋槳驅動的海上應用；

·柴油機電結構中海上應用；

·燃氣和柴油模式下雙燃料結構。

對于在氣閥可變的任何程度下進行的所有計算，必須要考慮驅動VVT系統所需要的預期能量。對于不同負荷的任何計算，如果噴油正時保持恒定，則在滿負荷下對所有用于比較的構架來說爆壓總是相同的。

在這些情況下應用VVT的主要目標是：

·確保部分負荷下無煙運行（通過一定的空燃比限制指標）；

·優化瞬態特性；

·在部分負荷運行中發動機熱負荷在可接受范圍；·氮氧化合物排放及燃油消耗優化。

7 FPP應用

為了保持計算盡可能接近實際中存在的約束限制，因此可變范圍被預先定義，如圖8所示。

圖8 FPP可變范圍

圖9 仿真結果

圖9顯示了3種發動機結構的仿真結果，其均在穩壓排氣系統條件下：一個是單級增壓，帶廢氣旁通和進排氣旁通，一個是兩級增壓并且恒定進氣閥關閉正時，另一個是兩級增壓并且可變進氣閥關閉正時。單級增壓發動機的進氣閥在活塞行程最低點關閉，并且有較寬的掃氣重疊角。廢氣旁通閥在85%負荷以上開啟，同時進排氣旁通在25%到65%負荷之間開啟。兩級增壓發動機模型應用了非常先進的米勒正時，并且其掃氣重疊角相當于單級增壓的一半。這種系統已經使有效燃油消耗率和NOx排放在較廣運行范圍得到了較大的改善。延遲進氣閥關閉增加了氣缸內空氣量，其結果致使發動機所有性能參數包括NOx排放得到改善。

在以優化燃油消耗率和NOx排放為目標下進行了一些附加計算，同時使其他性能參數也得到改善。第1階段中保證進氣閥關閉正時進一步可變，在第2階段中保證排氣閥關閉和進氣閥關閉同時可變。在這個研究中，氣閥可變的范圍也由一定的限制因素定義，如圖10中50%負荷工況點。

圖10 FPP可變范圍

利用其他進排氣閥關閉正時進行的計算表明有進一步降低油耗的潛力，最多可降低曲耗1.5%，同時NOx提高10%（圖11）。

為了評估VVT在發動機瞬態性能上的影響，通過按照螺旋槳特性線來改變發動機負荷的方式完成了發動機循環仿真。通常，在實際運行工況中應用一些負荷限制來抑制冒煙同時避免過高排氣溫度。因此為空燃比設置較低的限制，負荷改變不能降低這個限制。如圖12所示，利用優化的穩態運行工況構架的兩級增壓系統在加速方面有一些困難。如果氣閥重疊角改變，可能已經實現了改善，但是對進氣閥關閉應用特殊的瞬態模式則所需時間減少了2／3。氣閥重疊角的附加改變不能在低負荷下進一步改善性能，這是由于氣閥重疊角已經很小并且氣缸進排氣壓差很小。進氣閥晚關可降低發動機壓力。進氣閥晚關一方面增加了發動機空氣量，但是另一方面由于在滿負荷條件下所決定的渦輪面積較小也增加了發動機背壓。

圖11 VVT系統優化潛力

圖12 FPP特性線上瞬態性能

8 電控柴油機的應用

與FPP仿真一樣，電控柴油機也需要設置一定的邊界條件。模擬的單級增壓發動機的原理與前面情況相同，除了廢氣旁通閥在90%開啟和不應用進排氣旁通不同。兩級增壓發動機模型與FPP計算相同（如圖13）。

圖13 電控柴油機的可變范圍

圖14表明單級增壓和傳統的正時以及廢氣旁通閥對有效油耗和NOx排放的仿真計算結果，并且兩級增壓和可變進氣正時的仿真結果。溫度和空燃比曲線沒有顯示出來，這是因為這些數據通常在轉速不變運行工況下不予考慮。

帶有進氣閥關閉正時的兩級增壓系統在整個運行范圍內對排放有較大的改善（大概減少50%），但是燃油消耗只在高負荷范圍有改善。這里我們討論在2%～3%區域內的性能改善。在更低的負荷下，狀態的改變對傳統的發動機結構有利，在1%～2%范圍內優化。其中一個原因是單級增壓有更高的爆壓以及較低的交換氣體耗功。

為了克服這個小的不足，已經實施了進一步的研究，正在探索利用VVT系統進行優化的可能性。這種情況下的邊界條件也被預先設定，如圖15所示的50%負荷工況點。

圖14 仿真結果

圖15 電控柴油機可變范圍

圖16表明，通過同時改變進排氣關閉正時，對減少有效油耗和NOx排放有更大的潛力。油耗減少的潛能達到1.5%，同時可能減少NOx排放達到20%。在這里有個很有趣的現象，在高負荷下僅調整進氣閥關閉正時，NOx排放可優化達10%同時油耗不惡化。低負荷運行下減少NOx排放的潛力相對較高，這也取決于氣缸內殘留廢氣增加，相當于內部EGR的作用。

利用越強的米勒定時，在負荷變化時就越需要快速響應，這是因為進氣閥早關。因此，與傳統的發動機相比，帶有兩級增壓和米勒定時的發動機結構從一開始就存在一個關鍵的缺點。在這里也應用了與FFP相同的負荷限定系統。

圖16 VVT系統優化潛力

圖17 電控柴油機應用的瞬態特性

如圖17所示，在3個階段中從怠速到滿負荷的負荷變化下瞬態特性的結果。結論與FPP情況十分相似。對于進氣閥關閉，在兩級增壓運行最佳時，特殊瞬態模式可以得到改善。在一個負荷階段這是顯而易見的，但是也可發現在第3階段負荷相應沒有什么改變，這與發動機構架無關。

9 雙燃料發動機

在雙燃料發動機上安裝VVT系統的主要原因是為了實現在液體和氣體燃料運行模式下發動機性能均良好，并且燃氣運行模式下穩態階段可以控制空燃比。

現今，通過廢氣旁通閥的應用可實現空燃比的控制。這種廢氣旁通閥是通過這樣一種方法來設計和校核的：甚至在改變進氣空氣條件時，預先設定的空燃比保持不變。因此進行了第1個仿真，目標是代替廢氣旁通閥。通過這些仿真計算可知，在滿負荷下VVT的應用更加有利，經過廢氣旁通閥的燃氣質量流量越大，增壓壓力就越高，這是由于先進的米勒正時和提高了的幾何壓縮比。

為了確定VVT最大的潛能，需要進一步研究，特別是結合了先進的米勒定時（πc＞5.5）、提高了動力輸出以及在轉速不變和可變情況下的部分負荷運行。

10 結束語

本文描述了ABB公司的VVT系統代表著支持未來發動機發展的一種可實施手段，發動機發展包括考慮個體客戶的不同需求和應用的可能性。此系統將進一步加強兩級增壓應用的優點，鑒于其具有較高的靈活性。隨著增壓壓力和滿負荷下增壓效率的提高，以及更加嚴格的運行要求，VVT的價值將變得越來越高。如上所述，VVT的優勢很大程度依賴于邊界條件和由發動機構架所決定的限制。VVT不只是一種提高發動機性能和穩態運行下觀察數據的有效手段，而且它也能以一種高級的方式實現負荷變化。

越來越苛刻的邊界條件和應用將對高靈活性的可變氣門正時系統提出更高的需求，并且這里所述的系統對于這樣一些需求來說是一種解決方案。

感 謝：作者需要感謝瑞士巴登ABB渦輪增壓系統有限公司C.Christen先生，他完成了發動機循環仿真計算。感謝 Messrs.M.Haas，M.Berger和Schaeffler KG的T.Kremer，Herzogenaurach／D，他們在設計和開發VVT系統中做出了突出貢獻，并且感謝Schaeffler KG允許引用如表1、表4、表5、表7的表格和圖片。

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［4］Michael Haas；Martin Rauch；Elektrohydraulischer vollvariabler Ventiltrieb；MTZ 03／2010.

［5］Bernard，L.et altri；Elekrohydraulische Ventilsteuerung mit dem“MultiAir”－ Verfahren；MTZ 12／2009.

［6］Wik，C.and Hallb?ck，B.Utilisation of 2－stage turbo charging as an emission reduction mean on a W?rtsil?4－stroke medium speed engine.，25th CIMAC World Congress in Vienna，Austria，2007.