劉秋穎，王偉才，Christoph Mathey

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

可變氣門正時（VVT）系統(tǒng)已經(jīng)在汽車行業(yè)應(yīng)用了數(shù)年，包括可變相位、可變氣閥升程和排氣閥再開等多種技術(shù)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(xiàn)今這些系統(tǒng)可以作為汽車標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(guī)以及未來發(fā)展的目標(biāo)在于提高渦輪增壓大功率發(fā)動機的平均有效壓力，特別是帶有米勒正時的系統(tǒng)，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(shù)使發(fā)動機在性能上實現(xiàn)一些特性需求，包括瞬態(tài)性能、排放和增壓。

同時本文闡述了一個新開發(fā)的可變氣門正時系統(tǒng)，它現(xiàn)在正經(jīng)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(yīng)用在不同尺寸不同目的的柴油機和氣體機上，并且應(yīng)所有大功率發(fā)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(xiàn)存發(fā)動機上進行翻新?？勺儦忾T正時系統(tǒng)是在這樣一種情況下設(shè)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(fā)動機控制單元。這種液力機械可變氣門正時系統(tǒng)的一些設(shè)計特點是基于已經(jīng)被校驗過的汽車設(shè)計單元。本文將介紹首次試驗結(jié)果。

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

在汽車發(fā)動機領(lǐng)域，有較高靈活性的不同可變氣門正時系統(tǒng)經(jīng)過較長的發(fā)展以后，已經(jīng)在一些產(chǎn)品中得到了應(yīng)用，證明了這種系統(tǒng)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(fā)動機市場提出靈活性較大的可變氣門正時系統(tǒng)是合理的，此系統(tǒng)基于在汽車應(yīng)用中已經(jīng)證實的技術(shù)以及用有限的修改可適用于不同類型發(fā)動機。自然地，也應(yīng)該考慮到個體發(fā)動機制造商希望應(yīng)用他們自己的布置結(jié)構(gòu)和設(shè)計理念。因此進一步，最近兩級增壓的發(fā)展與先進的米勒正時結(jié)合已經(jīng)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(fā)動機實現(xiàn)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(tǒng)的設(shè)計、試驗和應(yīng)用潛力的預(yù)期，這種可變氣門正時系統(tǒng)在不久的未來將由ABB渦輪增壓系統(tǒng)公司開發(fā)并銷售。

1 可變氣門正時（VVT）設(shè)計

對于大功率柴油機和燃氣機，一個可變氣門正時系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)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(yīng)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(tǒng)是不切實際的。多個研究機構(gòu)理論上已經(jīng)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(tǒng)，并且得出結(jié)論：對于大功率發(fā)動機，最合適的VVT系統(tǒng)將是基于由Schaeffler提出的UniAir系統(tǒng)設(shè)計原則的系統(tǒng)［4］。最近這種系統(tǒng)被Fiat應(yīng)用，并已經(jīng)做完了基本的開發(fā)工作，市場上以MultiAir［5］的名義銷售。

圖1 可變氣門正時（VVT）系統(tǒng)組件

UniAir系統(tǒng)是一個電—液力驅(qū)動機械氣閥組系統(tǒng)，它也允許氣閥實現(xiàn)可選擇控制模型。此VVT系統(tǒng)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(tǒng)原理

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

泵單元由凸輪軸通過推臂桿驅(qū)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(lián)系。螺線管閥門作為控制單元。

如果螺線管閥門關(guān)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(guān)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(dāng)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(guān)閉傾斜面。通過這種方法減少系統(tǒng)的能量損失。在氣閥關(guān)閉相位期間，液力制動器的作用就如當(dāng)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(guān)閉和開啟螺線管閥門允許不同閥門動作模式，這取決于發(fā)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(guān)閉，氣閥將完全根據(jù)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(guān)閉。例如可能利用這種運行模式通過進氣閥關(guān)閉正時來實現(xiàn)不同米勒定時或者通過排氣閥控制來實現(xiàn)可變掃氣。在凸輪一個完整運行周期中，通過開啟和關(guān)閉螺線管閥門可能實現(xiàn)一種叫做多升程的模式，這種模式對于預(yù)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(chuàng)造漩渦和湍流來改善燃燒。

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

大功率發(fā)動機全速度運行工況下的適用性；變工況時快速動力調(diào)整；氣缸中有效空氣質(zhì)量的精確控制；對于發(fā)動機組件（如增壓系統(tǒng)、EGR系統(tǒng)等）相關(guān)的空氣流量的靈活性適應(yīng)；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(tǒng)在操作時需要一定的能量。這里闡述的已開發(fā)電—液力系統(tǒng)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(yīng)該少于所有發(fā)動機動力輸出的1.5%。通過優(yōu)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(fā)動機上試驗來確定。

圖4 VVT系統(tǒng)原型設(shè)計

圖5 黏度影響

圖6 控制單元

3 滑油黏性的影響

經(jīng)證實，在汽車發(fā)動機上UniAir技術(shù)的應(yīng)用過程中，滑油黏度即在VVT系統(tǒng)內(nèi)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(guān)閉的速度上。由于這個原因，滑油溫度傳感器已經(jīng)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(jù)已經(jīng)被集成到氣閥控制系統(tǒng)中的運算法則修正。保持滑油的影響在控制范圍內(nèi)對于實現(xiàn)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(guān)的大功率發(fā)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(shè)計特點。如果滑油黏性的影響在大功率發(fā)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(tǒng)（如圖6），這樣的VVT系統(tǒng)是不可能被成功應(yīng)用的。同時也很明顯：潛在客戶不希望在他們的發(fā)動機上每個子系統(tǒng)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(shè)置系統(tǒng)。因此需要提供一個包括校準(zhǔn)數(shù)據(jù)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(fā)動機控制單元中。發(fā)動機制造商將有可能基于發(fā)動機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)置他們自己的運行模式架構(gòu)、氣閥正時和切換運行點。對瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)運行工況采用不同設(shè)置的方式，軟件開發(fā)是可實現(xiàn)的。

5 機械試驗臺

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

所有關(guān)鍵組件與真實的大功率柴油機相同。應(yīng)用類似于實際發(fā)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(yù)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(tǒng)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(gòu)架下吸收的能量數(shù)。這些試驗也將提供關(guān)于激勵單元內(nèi)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(jié)束這些試驗以后，在實際發(fā)動機上VVT構(gòu)架將被解除。

圖7 試驗臺

6 發(fā)動機循環(huán)模擬

不同的出版物［6－7］表明合理的兩級增壓構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)的中速柴油機構(gòu)架（Pme＝2.5MPa）進行了不同發(fā)動機循環(huán)的計算。基于經(jīng)校準(zhǔn)的發(fā)動機模型，對以下運行情況完成了應(yīng)用填滿和放空方法的計算：

·用固定斜度的螺旋槳驅(qū)動的海上應(yīng)用；

·柴油機電結(jié)構(gòu)中海上應(yīng)用；

·燃氣和柴油模式下雙燃料結(jié)構(gòu)。

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(qū)動VVT系統(tǒng)所需要的預(yù)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(gòu)架來說爆壓總是相同的。

在這些情況下應(yīng)用VVT的主要目標(biāo)是：

·確保部分負荷下無煙運行（通過一定的空燃比限制指標(biāo)）；

·優(yōu)化瞬態(tài)特性；

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

7 FPP應(yīng)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(yù)先定義，如圖8所示。

圖8 FPP可變范圍

圖9 仿真結(jié)果

圖9顯示了3種發(fā)動機結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，其均在穩(wěn)壓排氣系統(tǒng)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(guān)閉正時，另一個是兩級增壓并且可變進氣閥關(guān)閉正時。單級增壓發(fā)動機的進氣閥在活塞行程最低點關(guān)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(fā)動機模型應(yīng)用了非常先進的米勒正時，并且其掃氣重疊角相當(dāng)于單級增壓的一半。這種系統(tǒng)已經(jīng)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(guān)閉增加了氣缸內(nèi)空氣量，其結(jié)果致使發(fā)動機所有性能參數(shù)包括NOx排放得到改善。

在以優(yōu)化燃油消耗率和NOx排放為目標(biāo)下進行了一些附加計算，同時使其他性能參數(shù)也得到改善。第1階段中保證進氣閥關(guān)閉正時進一步可變，在第2階段中保證排氣閥關(guān)閉和進氣閥關(guān)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(guān)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(fā)動機瞬態(tài)性能上的影響，通過按照螺旋槳特性線來改變發(fā)動機負荷的方式完成了發(fā)動機循環(huán)仿真。通常，在實際運行工況中應(yīng)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(shè)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(yōu)化的穩(wěn)態(tài)運行工況構(gòu)架的兩級增壓系統(tǒng)在加速方面有一些困難。如果氣閥重疊角改變，可能已經(jīng)實現(xiàn)了改善，但是對進氣閥關(guān)閉應(yīng)用特殊的瞬態(tài)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(jīng)很小并且氣缸進排氣壓差很小。進氣閥晚關(guān)可降低發(fā)動機壓力。進氣閥晚關(guān)一方面增加了發(fā)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(fā)動機背壓。

圖11 VVT系統(tǒng)優(yōu)化潛力

圖12 FPP特性線上瞬態(tài)性能

8 電控柴油機的應(yīng)用

與FPP仿真一樣，電控柴油機也需要設(shè)置一定的邊界條件。模擬的單級增壓發(fā)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(yīng)用進排氣旁通不同。兩級增壓發(fā)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(tǒng)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(jié)果，并且兩級增壓和可變進氣正時的仿真結(jié)果。溫度和空燃比曲線沒有顯示出來，這是因為這些數(shù)據(jù)通常在轉(zhuǎn)速不變運行工況下不予考慮。

帶有進氣閥關(guān)閉正時的兩級增壓系統(tǒng)在整個運行范圍內(nèi)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(qū)域內(nèi)的性能改善。在更低的負荷下，狀態(tài)的改變對傳統(tǒng)的發(fā)動機結(jié)構(gòu)有利，在1%～2%范圍內(nèi)優(yōu)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(jīng)實施了進一步的研究，正在探索利用VVT系統(tǒng)進行優(yōu)化的可能性。這種情況下的邊界條件也被預(yù)先設(shè)定，如圖15所示的50%負荷工況點。

圖14 仿真結(jié)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(guān)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(xiàn)象，在高負荷下僅調(diào)整進氣閥關(guān)閉正時，NOx排放可優(yōu)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(nèi)殘留廢氣增加，相當(dāng)于內(nèi)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(yīng)，這是因為進氣閥早關(guān)。因此，與傳統(tǒng)的發(fā)動機相比，帶有兩級增壓和米勒定時的發(fā)動機結(jié)構(gòu)從一開始就存在一個關(guān)鍵的缺點。在這里也應(yīng)用了與FFP相同的負荷限定系統(tǒng)。

圖16 VVT系統(tǒng)優(yōu)化潛力

圖17 電控柴油機應(yīng)用的瞬態(tài)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(tài)特性的結(jié)果。結(jié)論與FPP情況十分相似。對于進氣閥關(guān)閉，在兩級增壓運行最佳時，特殊瞬態(tài)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(fā)現(xiàn)在第3階段負荷相應(yīng)沒有什么改變，這與發(fā)動機構(gòu)架無關(guān)。

9 雙燃料發(fā)動機

在雙燃料發(fā)動機上安裝VVT系統(tǒng)的主要原因是為了實現(xiàn)在液體和氣體燃料運行模式下發(fā)動機性能均良好，并且燃氣運行模式下穩(wěn)態(tài)階段可以控制空燃比。

現(xiàn)今，通過廢氣旁通閥的應(yīng)用可實現(xiàn)空燃比的控制。這種廢氣旁通閥是通過這樣一種方法來設(shè)計和校核的：甚至在改變進氣空氣條件時，預(yù)先設(shè)定的空燃比保持不變。因此進行了第1個仿真，目標(biāo)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(yīng)用更加有利，經(jīng)過廢氣旁通閥的燃氣質(zhì)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(jié)合了先進的米勒定時（πc＞5.5）、提高了動力輸出以及在轉(zhuǎn)速不變和可變情況下的部分負荷運行。

10 結(jié)束語

本文描述了ABB公司的VVT系統(tǒng)代表著支持未來發(fā)動機發(fā)展的一種可實施手段，發(fā)動機發(fā)展包括考慮個體客戶的不同需求和應(yīng)用的可能性。此系統(tǒng)將進一步加強兩級增壓應(yīng)用的優(yōu)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(yán)格的運行要求，VVT的價值將變得越來越高。如上所述，VVT的優(yōu)勢很大程度依賴于邊界條件和由發(fā)動機構(gòu)架所決定的限制。VVT不只是一種提高發(fā)動機性能和穩(wěn)態(tài)運行下觀察數(shù)據(jù)的有效手段，而且它也能以一種高級的方式實現(xiàn)負荷變化。

越來越苛刻的邊界條件和應(yīng)用將對高靈活性的可變氣門正時系統(tǒng)提出更高的需求，并且這里所述的系統(tǒng)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(tǒng)有限公司C.Christen先生，他完成了發(fā)動機循環(huán)仿真計算。感謝 Messrs.M.Haas，M.Berger和Schaeffler KG的T.Kremer，Herzogenaurach／D，他們在設(shè)計和開發(fā)VVT系統(tǒng)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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