大功率柴油机和气体机可变气门技术

刘秋颖，王伟才，Christoph Mathey

（1 重庆ABB江津涡轮增压系统有限公司上海分公司 上海201208；2 ABB涡轮增压系统有限公司，瑞士）

可变气门正时（VVT）系统已经在汽车行业应用了数年，包括可变相位、可变气阀升程和排气阀再开等多种技术都可以在市场上找到。除了它对于排放和油耗的正面影响以外，主要的市场焦点仍然在于其操纵的灵活性，或者说＂愉快驾驶＂。现今这些系统可以作为汽车标准设备，可过去可变气门正时很少用于大功率柴油机和气体机。但是，随之而来的排放法规以及未来发展的目标在于提高涡轮增压大功率发动机的平均有效压力，特别是带有米勒正时的系统，并将在空气操控方面需要更多的灵活性。本文将阐述和讨论利用可变气门正时技术使发动机在性能上实现一些特性需求，包括瞬态性能、排放和增压。

同时本文阐述了一个新开发的可变气门正时系统，它现在正经历一个被广泛认可和资格确认阶段。可变气门正时的布置有较大的弹性，它允许应用在不同尺寸不同目的的柴油机和气体机上，并且应所有大功率发动机制造商的需求，可变气门正时正在用户化。甚至考虑了在现存发动机上进行翻新。可变气门正时系统是在这样一种情况下设计出来的：在运行中不需要提供外部动力、控制，可以整合到发动机控制单元。这种液力机械可变气门正时系统的一些设计特点是基于已经被校验过的汽车设计单元。本文将介绍首次试验结果。

可变气门正时（VVT）在发动机行业不是一个新的技术。早在1979年维也纳CIMAC会议，以及现今意大利瓦锡兰公司均提出了这个系统，此系统通过进气阀门关闭角正时和它本身设计的一定气门重叠角来实现一定的灵活度。此系统小范围地应用在了BL230.20DVM系列发动机上。如瓦锡兰的VIC系统和Cat－MaK的FCT系统已经应用到市场。所有这些现存的系统都有他们各自的优缺点。

在汽车发动机领域，有较高灵活性的不同可变气门正时系统经过较长的发展以后，已经在一些产品中得到了应用，证明了这种系统需要大量的研究和试验，而这些研究试验是不可低估的。因此对大功率发动机市场提出灵活性较大的可变气门正时系统是合理的，此系统基于在汽车应用中已经证实的技术以及用有限的修改可适用于不同类型发动机。自然地，也应该考虑到个体发动机制造商希望应用他们自己的布置结构和设计理念。因此进一步，最近两级增压的发展与先进的米勒正时结合已经清晰地明确了对于灵活的空气控制的需求，灵活的控制进气可使发动机实现在不同运行点下均达到最好的性能，同时满足未来的排放要求。

下面文章提出可变气门正时系统的设计、试验和应用潜力的预期，这种可变气门正时系统在不久的未来将由ABB涡轮增压系统公司开发并销售。

1 可变气门正时（VVT）设计

对于大功率柴油机和燃气机，一个可变气门正时系统的设计应该满足一定的条件，主要如下：可靠性；高耐久性；超载的长久性；容易维修；简单；易于集成；对不同应用情况、基于气阀正时的灵活性；合理的初期成本。

在这些边界条件以及需要短期市场化情况下，从开始便很清楚的知道：一个完善的新系统是不切实际的。多个研究机构理论上已经研究了一个电磁阀阀门组通过气阀正时和气阀升程将提供最大的灵活性。不过到目前为止，尽管做了很多努力仍不可能去除高功率需求这个主要的缺点。因此，ABB评估了可用的汽车VVT系统，并且得出结论：对于大功率发动机，最合适的VVT系统将是基于由Schaeffler提出的UniAir系统设计原则的系统［4］。最近这种系统被Fiat应用，并已经做完了基本的开发工作，市场上以MultiAir［5］的名义销售。

图1 可变气门正时（VVT）系统组件

UniAir系统是一个电—液力驱动机械气阀组系统，它也允许气阀实现可选择控制模型。此VVT系统的主要组件如图1。主要有泵单元；螺线管阀门；制动单元；储存器；温度传感器。

图2 VVT系统原理

这些组件如何共同工作并且创造VVT系统？如图2所示。整个液力系统由来自于发动机润滑油路的机油来供应。因此不需要独立的昂贵液力系统。

泵单元由凸轮轴通过推臂杆驱动，使置于进排气阀门之上的高压腔室以及制动单元提高压力。气阀通过液力腔与凸轮轴联系。螺线管阀门作为控制单元。

如果螺线管阀门关闭，高压腔中的润滑油的功能如机械连接棒。但是如果螺线管阀门开启，凸轮轴与阀门之间的直接连接被阻断。凸轮轴的升程和正时不再控制气阀行动，所以气阀关闭时只依赖于弹簧力和在高压腔中的压力水平。中等压力线路的油腔作用相当于压力储存器，它允许将高压腔压力注满，并且作用于凸轮关闭倾斜面。通过这种方法减少系统的能量损失。在气阀关闭相位期间，液力制动器的作用就如当气阀触碰底座时限制压力的阻尼器，因此避免了在这最后移动相位过程中有问题的载荷。

关闭和开启螺线管阀门允许不同阀门动作模式，这取决于发动机运行工况的需求（如图3）。

图3 运行模式

如果螺线管阀门关闭，气阀将完全根据机械凸轮型线动作。这种情况下，气阀保持开启一段最长的时间，这对一定的部分负荷运行工况点是有利的。在不同的运行点及时开启螺线管阀门，气阀允许选择性的关闭。例如可能利用这种运行模式通过进气阀关闭正时来实现不同米勒定时或者通过排气阀控制来实现可变扫气。在凸轮一个完整运行周期中，通过开启和关闭螺线管阀门可能实现一种叫做多升程的模式，这种模式对于预混气体机可能是一种有价值的选择。这种阀门激励有利于在气缸中创造漩涡和湍流来改善燃烧。

设计的整个VVT系统（图4）不仅满足了以上涉及到的大功率柴油机和气体机应用中的一般需求，也考虑到了在瞬态和稳态工况中的特殊需求。因此，未来发动机应用的优化空气控制系统一定要解决以下问题：

大功率发动机全速度运行工况下的适用性；变工况时快速动力调整；气缸中有效空气质量的精确控制；对于发动机组件（如增压系统、EGR系统等）相关的空气流量的灵活性适应；气缸间波动的补偿；进气条件补偿。

2 能量吸收

所有的电磁和电液VVT系统在操作时需要一定的能量。这里阐述的已开发电—液力系统目的是限制机械、液力和电力能量损失。通过初始计算，这些整体能量损失（包括螺线管阀门和控制电子器运行所需要的能量）应该少于所有发动机动力输出的1.5%。通过优化机械组件和燃烧以及特定运行点下气体交换过程，来减少这些损失。实际损失需要通过在发动机上试验来确定。

图4 VVT系统原型设计

图5 黏度影响

图6 控制单元

3 滑油黏性的影响

经证实，在汽车发动机上UniAir技术的应用过程中，滑油黏度即在VVT系统内部滑油温度的一种表示方法对气阀升程型线有影响，特别是在最大升程和气阀关闭的速度上。由于这个原因，滑油温度传感器已经被集成到气阀激励模块中。基于滑油温度测量，螺线管阀门动作点的时间可以根据已经被集成到气阀控制系统中的运算法则修正。保持滑油的影响在控制范围内对于实现如图5所示的气阀升程曲线十分重要。尽管滑油温度，以及由此相关的大功率发动机的滑油黏性被控制并且维持恒定，但是初始单元仍将包括这个设计特点。如果滑油黏性的影响在大功率发动机情况下可以忽略，就可以省略温度传感器。

4 控制单元

清晰可见，如果没有一个可靠和集成化的控制系统（如图6），这样的VVT系统是不可能被成功应用的。同时也很明显：潜在客户不希望在他们的发动机上每个子系统下都有独立的控制单元，并且他们希望有可能通过自己的需要和需求来设置系统。因此需要提供一个包括校准数据装置的软件代码将作为部分文件包。这个软件代码可以完全集成于发动机控制单元中。发动机制造商将有可能基于发动机的机械结构设置他们自己的运行模式架构、气阀正时和切换运行点。对瞬态和稳态运行工况采用不同设置的方式，软件开发是可实现的。

5 机械试验台

为了测试VVT系统的机械可靠性，建立了虚拟的单缸发动机。这个虚拟发动机包括（如图7）：VVT系统；气缸盖；凸轮轴和推力杆；凸轮轴轴承排列；电机驱动凸轮轴；基本架构；润滑油；控制单元。

所有关键组件与真实的大功率柴油机相同。应用类似于实际发动机的滑油和冷却水温度为了用较合理的方式对VVT模块模拟预期的运行条件。第1步计划运行1 000h的耐久性试验，来证明系统的机械可靠性。在这试验期间，将运行不同的模式，同时记录在这个构架下吸收的能量数。这些试验也将提供关于激励单元内部滑油温度和压力性能的信息，同时考虑不同气阀间隙的影响。成功地结束这些试验以后，在实际发动机上VVT构架将被解除。

图7 试验台

6 发动机循环模拟

不同的出版物［6－7］表明合理的两级增压构架需要气阀组具有一定的灵活度。为了显示出VVT的作用，ABB对一个典型的符合IMOⅡ标准的中速柴油机构架（Pme＝2.5MPa）进行了不同发动机循环的计算。基于经校准的发动机模型，对以下运行情况完成了应用填满和放空方法的计算：

·用固定斜度的螺旋桨驱动的海上应用；

·柴油机电结构中海上应用；

·燃气和柴油模式下双燃料结构。

对于在气阀可变的任何程度下进行的所有计算，必须要考虑驱动VVT系统所需要的预期能量。对于不同负荷的任何计算，如果喷油正时保持恒定，则在满负荷下对所有用于比较的构架来说爆压总是相同的。

在这些情况下应用VVT的主要目标是：

·确保部分负荷下无烟运行（通过一定的空燃比限制指标）；

·优化瞬态特性；

·在部分负荷运行中发动机热负荷在可接受范围；·氮氧化合物排放及燃油消耗优化。

7 FPP应用

为了保持计算尽可能接近实际中存在的约束限制，因此可变范围被预先定义，如图8所示。

图8 FPP可变范围

图9 仿真结果

图9显示了3种发动机结构的仿真结果，其均在稳压排气系统条件下：一个是单级增压，带废气旁通和进排气旁通，一个是两级增压并且恒定进气阀关闭正时，另一个是两级增压并且可变进气阀关闭正时。单级增压发动机的进气阀在活塞行程最低点关闭，并且有较宽的扫气重叠角。废气旁通阀在85%负荷以上开启，同时进排气旁通在25%到65%负荷之间开启。两级增压发动机模型应用了非常先进的米勒正时，并且其扫气重叠角相当于单级增压的一半。这种系统已经使有效燃油消耗率和NOx排放在较广运行范围得到了较大的改善。延迟进气阀关闭增加了气缸内空气量，其结果致使发动机所有性能参数包括NOx排放得到改善。

在以优化燃油消耗率和NOx排放为目标下进行了一些附加计算，同时使其他性能参数也得到改善。第1阶段中保证进气阀关闭正时进一步可变，在第2阶段中保证排气阀关闭和进气阀关闭同时可变。在这个研究中，气阀可变的范围也由一定的限制因素定义，如图10中50%负荷工况点。

图10 FPP可变范围

利用其他进排气阀关闭正时进行的计算表明有进一步降低油耗的潜力，最多可降低曲耗1.5%，同时NOx提高10%（图11）。

为了评估VVT在发动机瞬态性能上的影响，通过按照螺旋桨特性线来改变发动机负荷的方式完成了发动机循环仿真。通常，在实际运行工况中应用一些负荷限制来抑制冒烟同时避免过高排气温度。因此为空燃比设置较低的限制，负荷改变不能降低这个限制。如图12所示，利用优化的稳态运行工况构架的两级增压系统在加速方面有一些困难。如果气阀重叠角改变，可能已经实现了改善，但是对进气阀关闭应用特殊的瞬态模式则所需时间减少了2／3。气阀重叠角的附加改变不能在低负荷下进一步改善性能，这是由于气阀重叠角已经很小并且气缸进排气压差很小。进气阀晚关可降低发动机压力。进气阀晚关一方面增加了发动机空气量，但是另一方面由于在满负荷条件下所决定的涡轮面积较小也增加了发动机背压。

图11 VVT系统优化潜力

图12 FPP特性线上瞬态性能

8 电控柴油机的应用

与FPP仿真一样，电控柴油机也需要设置一定的边界条件。模拟的单级增压发动机的原理与前面情况相同，除了废气旁通阀在90%开启和不应用进排气旁通不同。两级增压发动机模型与FPP计算相同（如图13）。

图13 电控柴油机的可变范围

图14表明单级增压和传统的正时以及废气旁通阀对有效油耗和NOx排放的仿真计算结果，并且两级增压和可变进气正时的仿真结果。温度和空燃比曲线没有显示出来，这是因为这些数据通常在转速不变运行工况下不予考虑。

带有进气阀关闭正时的两级增压系统在整个运行范围内对排放有较大的改善（大概减少50%），但是燃油消耗只在高负荷范围有改善。这里我们讨论在2%～3%区域内的性能改善。在更低的负荷下，状态的改变对传统的发动机结构有利，在1%～2%范围内优化。其中一个原因是单级增压有更高的爆压以及较低的交换气体耗功。

为了克服这个小的不足，已经实施了进一步的研究，正在探索利用VVT系统进行优化的可能性。这种情况下的边界条件也被预先设定，如图15所示的50%负荷工况点。

图14 仿真结果

图15 电控柴油机可变范围

图16表明，通过同时改变进排气关闭正时，对减少有效油耗和NOx排放有更大的潜力。油耗减少的潜能达到1.5%，同时可能减少NOx排放达到20%。在这里有个很有趣的现象，在高负荷下仅调整进气阀关闭正时，NOx排放可优化达10%同时油耗不恶化。低负荷运行下减少NOx排放的潜力相对较高，这也取决于气缸内残留废气增加，相当于内部EGR的作用。

利用越强的米勒定时，在负荷变化时就越需要快速响应，这是因为进气阀早关。因此，与传统的发动机相比，带有两级增压和米勒定时的发动机结构从一开始就存在一个关键的缺点。在这里也应用了与FFP相同的负荷限定系统。

图16 VVT系统优化潜力

图17 电控柴油机应用的瞬态特性

如图17所示，在3个阶段中从怠速到满负荷的负荷变化下瞬态特性的结果。结论与FPP情况十分相似。对于进气阀关闭，在两级增压运行最佳时，特殊瞬态模式可以得到改善。在一个负荷阶段这是显而易见的，但是也可发现在第3阶段负荷相应没有什么改变，这与发动机构架无关。

9 双燃料发动机

在双燃料发动机上安装VVT系统的主要原因是为了实现在液体和气体燃料运行模式下发动机性能均良好，并且燃气运行模式下稳态阶段可以控制空燃比。

现今，通过废气旁通阀的应用可实现空燃比的控制。这种废气旁通阀是通过这样一种方法来设计和校核的：甚至在改变进气空气条件时，预先设定的空燃比保持不变。因此进行了第1个仿真，目标是代替废气旁通阀。通过这些仿真计算可知，在满负荷下VVT的应用更加有利，经过废气旁通阀的燃气质量流量越大，增压压力就越高，这是由于先进的米勒正时和提高了的几何压缩比。

为了确定VVT最大的潜能，需要进一步研究，特别是结合了先进的米勒定时（πc＞5.5）、提高了动力输出以及在转速不变和可变情况下的部分负荷运行。

10 结束语

本文描述了ABB公司的VVT系统代表着支持未来发动机发展的一种可实施手段，发动机发展包括考虑个体客户的不同需求和应用的可能性。此系统将进一步加强两级增压应用的优点，鉴于其具有较高的灵活性。随着增压压力和满负荷下增压效率的提高，以及更加严格的运行要求，VVT的价值将变得越来越高。如上所述，VVT的优势很大程度依赖于边界条件和由发动机构架所决定的限制。VVT不只是一种提高发动机性能和稳态运行下观察数据的有效手段，而且它也能以一种高级的方式实现负荷变化。

越来越苛刻的边界条件和应用将对高灵活性的可变气门正时系统提出更高的需求，并且这里所述的系统对于这样一些需求来说是一种解决方案。

感 谢：作者需要感谢瑞士巴登ABB涡轮增压系统有限公司C.Christen先生，他完成了发动机循环仿真计算。感谢 Messrs.M.Haas，M.Berger和Schaeffler KG的T.Kremer，Herzogenaurach／D，他们在设计和开发VVT系统中做出了突出贡献，并且感谢Schaeffler KG允许引用如表1、表4、表5、表7的表格和图片。

［1］Zappa，G.and Franca，T.；A 4－stroke High speed Diesel Engine with Two－stage of Supercharging and Variable Compression Ratio，CIMAC 1979，Vienna.

［2］Wik，C.and Hallbäck，B.；Reducing emissions using2－stage trubocharging.，W？rtsil？Technical Journal，01 2008.

［3］Schlemmer－Kelling，U.；Entwicklungstendenzen bei mittelschnelllaufenden Grossdieselmotoren，Aufladetechnische Konferenz Dresden 2005.

［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 Hallbäck，B.Utilisation of 2－stage turbo charging as an emission reduction mean on a Wärtsilä4－stroke medium speed engine.，25th CIMAC World Congress in Vienna，Austria，2007.