新型W-X系列智能柴油机的气阀换气控制模块浅析

刘建安

（福建船政交通职业学院 福州350100）

0 引 言

W-X系列智能柴油机，是在欧洲瓦锡兰公司推出的RT-FLEX系列智控共轨柴油机基础上技术发展的新一代电喷二冲程低速柴油机，其前身是瓦锡兰RT-FLEX系列柴油机智能新型共轨电喷二冲程低速柴油机。自2012年第1台W-6X35型柴油机设计制造并投入运行之后， 2013年第1台W-6X72型柴油机投入运行，截止2018年年底，有中方参股的欧洲温特图尔发动机有限公司（Winterthur Gas and Diesel Ltd.，简称WinGD）共生产销售125台W-X系列新型智能柴油机，服务功率总共超过32 000 MW，此系列柴油机代表了当时世界低速二冲程智能共轨电喷船舶柴油机的最前沿技术。

船舶传统大型低速二冲程柴油机的换气气阀控制机构是为了确保柴油机在良好的工作状态中按设计的时序控制规定启、闭各气缸的进、排气阀，以获得优良的柴油雾化燃烧工况，从而使柴油机循环稳定输出做功。传统的柴油机换气机构主体包括气阀进气和排气机构、气阀驱动机构和凸轮轴以及凸轮轴传动机构三部分，而新型W-X系列智能柴油机的气阀机构，其凸轮轴以及凸轮轴传动机构部分则被取消，而气阀驱动机构被改进，控制过程中采用新型的排气阀控制单元（Valve Control Unit，VCU）代之，以实现全过程电子控制、智能时序起动柴油机和调节启、闭气阀定时。

本文主要针对W-X系列智能柴油机的气阀控制机理，尤其是排气阀控制模块改进技术部分进行研究。

1 W-X系列智能柴油机气阀换气控制功能机理分析

UNIC-Engine Control System（简称为UNIC-ECS）是W-X系列智能柴油机的智能化控制系统，是一个自动控制的系统平台，是柴油机控制系统的核心。其属于柴油机内部控制系统，由欧洲WinGD发动机有限公司研制、开发，硬件系统主要包括UNIC-ECS硬件模块、各种传感装置、驱动装置和内置的电子调速模块，主要实现硬件模块、软件模块，以及控制系统的应用软件模块三种功能控制。“UNIC”是“UNIfied Controls”的缩写，代表“一体化控制”，其控制功能主要体现在电子电路远程遥控控制、机旁本地控制和柴油机速度测量监控这三个方面。其处理控制进程中所有相关的驱动和调节，采用模块化设计、分布式控制的嵌入式控制模式。

主要实现的功能如下：柴油机速度调节控制；柴油机燃油喷射、排气阀启闭驱动、空气启动阀启闭和气缸注油润滑智能控制；各种共轨系统（包括燃油共轨、伺服控制油共轨和气缸注油润滑共轨）的监测和油压控制；通过CANopen和ModbusRTU接口外部控制子系统：推进控制系统（Propulsion Control System，PCS）和报警监测系统（Alarm Monitor System，AMS）；柴油机性能优化调整，IMO设置和数据存储监控；系统故障报警指示和诊断；曲轴角度编码器监测控制。

此智能柴油机在正常启动运行之后，柴油主机通过旋转曲轴为由自由端同步驱动的自带伺服油泵（或外部动力伺服油泵）提供动力伺服油，并送入伺服油共轨单元先行蓄压。此时，伺服油共轨管路中的共轨压力能达到20~35 MPa。此过程中，伺服油共轨压力的大小由控制系统根据柴油机负荷来决定，然后被加压的伺服油再分别被送至各个气缸的排气阀控制单元（VCU），在UNIC-ECS智能控制系统控制下，实现对柴油机排气阀启、闭驱动，以及空气启动阀启、闭的智能时序控制。控制系统内置时序控制曲线决定了柴油主机的转速调节规律，参见图1。

图1 柴油机排气阀控制系统图

2 W-X系列智能柴油机排气阀控制模块技术改进研究

2.1 排气阀控制单元（VCU）结构改进

W-X系列智能柴油机排气阀控制单元（VCU）主要包括排气阀驱动器（Exhaust valve actuation）、技术改进的排气阀本体，以及相应实现自动液压控制功能的液压油路管系、阀件、接头等主要部件。

与传统柴油发动机不同，排气阀控制单元（VCU）代替凸轮和滚子作驱动器装置，排气阀由高压伺服油共轨压力驱动开启，由压缩空气弹簧实现关闭。阀杆的行程由模拟位置传感器测量，并反馈到UNIC-ECS。

结构上，此控制系统的驱动设备模块化设计，排气阀驱动器结构图参见图2和图3。

图2 排气阀驱动器结构图a

图3 排气阀驱动器结构图b

整个设备本体一体化铸造，利用弹性紧固螺栓强力固定在伺服油共轨管路上，内部主要有1个控制滑芯（slide rod）和1个主活塞（main piston），本体边上附属1个二位四通电磁换向阀，接收气缸控制单元的信号，从而实现控制伺服油共轨管路送来的高压伺服油路的通断。

2.2 排气阀本体的结构技术改进

W-X系列智能柴油机排气阀本体结构以及结构设计的改进参见图4。

图4 排气阀本体结构图

与传统柴油机排气阀以及早期的Rt-flex系列智能柴油机的排气阀相比，W-X系列智能柴油机排气阀有以下几个显著变化：

（1）排气阀液压驱动活塞使用双活塞特殊结构

此双活塞结构包括1个外活塞和1个内活塞。这种设计可以减少液压油控制量，并且使排气阀在液压开阀过程中运行工况更平稳。

（2）将气阀阀杆结构的上端设计成精确外形的锥形体结构

在此部位外接2个互为冗余的位置冲程传感器，从而实现将排气阀的开度信号实时、准确地传递给气缸控制单元，实现精准监测排气阀的运动状态和启闭位置。位置传感器能感受被测物的位置并转换成可用输出信号，可用来检测位置，反映某种状态的开关。

不同于位移传感器，位置传感器有接触式和接近式两种。接触式传感器的触头由两个物体接触挤压而动作，常见的有行程开关、二维矩阵式位置传感器等。行程开关结构简单、动作可靠、价格低廉。当某个物体在运动过程中碰到行程开关时，其内部触头会动作，从而完成控制。接近式位置传感器是指当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号的开关，而无需和物体直接接触。其有很多种类，主要有电磁式、光电式和差动变压器式等。在此系列柴油机中常使用电磁式位置传感器。这两个位置传感器在工作过程中应至少保证其中有一个处于良好工作状态，才能实现柴油主机的负荷、燃油喷射压力和排气阀精准开度的完美配合。如果二者都有故障，排气阀的开关动作将按照内置固定的定时实现启闭。

（3）空气弹簧活塞直接在气阀头部上壳体空气压缩腔室内运行

当排气阀开启下行时，送入的一定压力的压缩空气被进一步压缩，底部有个盘式弹簧（即圆盘式阻尼器），万一空气弹簧压力过低，其可抑制排气阀的开启行程，以保证低压时排气阀的开启位置。

2.3 排气阀控制单元液压启、闭阀门智能控制原理分析

参见图3和图5，排气阀智能启闭控制功能原理如下：经由伺服油共轨总管送过来的高压控制油，在排气阀关闭状态下，送出两路控制油压：其中一路油压送至二位四通电磁换向阀的进口处进行等待，另一路油压送至VCU内部控制滑杆阀芯的上部液压控制端处进行等待。此时，控制滑芯处于上位通路，VCU中主活塞下方的伺服油控制油压通过控制滑杆阀芯上位通路泄压到油箱，柴油机排气阀在空气弹簧的压缩压力下关闭。

图5 排气阀控制单元控制原理图

当VCU电磁阀接收到UNIC-ECS气缸控制单元（Cylinder Control Unit，CCU）送来的开阀信号时，即此时VCU电磁阀被触发到“打开”位置，此时电磁阀上位通路，控制滑杆阀芯的上部液压控制端液压油路泄压，VCU控制滑杆阀芯的下部液压控制端受控，控制滑芯下位通路打开，来自伺服油共轨管路的高压液压油通过控制滑杆阀芯下位通路推动主活塞上移加压，上方来自主轴承液压供给油（有的机型也可以来自伺服共轨油路的高压油）被加压后，通过高压油管送到排气阀上端并开启排气阀。当控制系统CCU送来关阀信号时，二位四通电磁换向阀动作，下位通路，VCU内部控制滑杆阀芯的控制端使油压通过电磁换向阀下位到油箱泄压，从而使滑杆阀芯上位通路，切断高压控制油的供给，将主活塞下方的压力油泄压到油箱。此时，排气阀内部的空气弹簧活塞提供的压缩压力足以将排气阀关闭。

在整个排气阀启、闭过程中，UNIC-ECS通过2个位置传感器实时传递过来的信号实现对排气阀的精确启、闭位置监控，从而利用电磁换向阀的精准时序控制实现对排气阀的精准定时启、闭，此二位四通电磁换向阀相当于RT-flex智能柴油机中VCU的二位三通电磁共轨阀。

从排气阀接收到“开启”命令，再到排气阀阀杆的初始运动之间有极为短暂的一段延迟时间，被称为“排气阀开阀死区时间”，UNIC-ECS在液压开阀动作时也做了补偿性考虑。柴油主机的负荷波动变化决定了主机的伺服油共轨压力。当柴油主机工作在部分负荷工况时，油压较低，由于较低的燃油压力，伺服油压必须和排气阀的开启速度相适应。

2.4 排气阀的VEC和VEO智能控制功能分析

在机舱集控室，UNIC-ECS能智能监控和管理柴油主机各缸排气阀的运行状态，主要是排气阀的开启、关闭时间和位置状态监测。

在排气阀控制系统中，排气阀的实际开启和关闭角度是由气缸控制单元模块（CCU）根据曲轴实际角度，排气阀的理论开启和关闭角以及VEC和VEO通过内部程序运算而获得。

VEC指“可变排气阀关闭角度（Variable Exhaust-Valve Closing）”，VEO指“可变排气阀开启 角 度（Variable Exhaust-Valve Opening）”。VEC和VEO的智能控制指UNIC-ECS中各缸的CCM-20以实时测量、监控的柴油机运行工况和曲轴角度数值为基础，根据可变排气阀关闭/开度角度变化表（VEC/VEO角度-转速表）计算并补偿操控排气阀阀门关闭/开启的提前或滞后的角度，参见图6。

图6 VEC/VEO角度-转速表

VEC的智能调节指当柴油机在低负荷、低转速工况下，在喷油角度提前时，通过补偿调节排气关闭角度来调节气缸压缩压力，使燃烧发火压力比（/）处于一个可接受、更优化的范围内。分析图6中的VEC控制，当柴油机工作时，从启动开始到低转速运行期间（0~60 r/min），为了在较低的柴油机压缩压力时还能保持正常工况下允许范围内较高的发火压力比（/），从而实现更优质燃烧，排气阀提前关闭补偿角度30°CA（Crankshaft Angle，曲轴角度），然后随着转速慢慢升高并达到正常负荷下的额定转速，则VEC的角度补偿控制不作用。

VEO智能控制主要为了实现柴油机在高速、额定负荷工况下，提早以一定补偿角度开启排气阀，使柴油机废气压力保持一定的常压状态，从而提高燃油经济性并使气缸内活塞沉积物减少。如图6所示，当柴油机随着转速慢慢升高并达到正常额定转速（100 r/min），在105 r/min后，排气阀提前正常开启角度1~2°CA开启，VEO控制通过补偿角度更早开启排气阀，保持稳定的排气反冲压力，实现柴油机高转速下的燃油经济性，并让更少的沉积物积聚在活塞下方，排气阀的VEC和VEO智能控制均由UNIC-ECS自动运算控制，人工无法手动调节。

3 结 语

新型W-X系列智能柴油机作为船舶的主动力推进装置在如今的远洋大型商船上应用越来越广泛。其智能的换气控制功能模块（尤其是排气阀控制模块）在传统技术上有了很多技术改进，可实现共轨高压驱动以及全过程电子精准可控的时序智能调节气阀启、闭，从而使此系列柴油机可实现更优化的柴油雾化燃烧，使功率在柴油机全负载范围变化过程中都能得到最充分发挥。船舶低负载节油航行，也能有效避免传统柴油机在低负载航行营运过程中易出现的各种因燃烧不良而导致的柴油机设备故障。