桑梧海，劉永芳，于小蕾，甄冠富

康躍科技股份有限公司，山東壽光 262718

0 引言

渦輪增壓器可以大幅提高內(nèi)燃機(jī)動力性和燃油經(jīng)濟(jì)特性，并且能夠減少排放污染，因此廣泛用于內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域[1]。但渦輪增壓同時存在響應(yīng)滯后、低速扭矩不足、冒黑煙等問題[2]。渦輪調(diào)節(jié)技術(shù)是解決上述問題的有效措施，放氣閥和可變噴嘴渦輪是渦輪調(diào)節(jié)技術(shù)中兩種代表性方案[3-4]。其中，可變截面渦輪增壓器(variable nozzle turbocharger, VNT)將設(shè)計點選在發(fā)動機(jī)標(biāo)定點, 并隨轉(zhuǎn)速變化改變噴嘴環(huán)的葉片開度, 使渦輪的流量特性和效率特性發(fā)生變化，從而保持足夠的增壓壓力, 既改善低速性能，又避免了放氣閥經(jīng)濟(jì)性低的缺點[5-9]。

隨著國家排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，除了需要對壓氣機(jī)與渦輪機(jī)的性能和特性進(jìn)行提升外[10]，渦輪增壓器的工況匹配精度要求越來越高，控制系統(tǒng)是VNT的核心，VNT是否能充分發(fā)揮作用，完全取決于控制系統(tǒng)能否根據(jù)當(dāng)時的工況，迅速、準(zhǔn)確的改變可變噴嘴環(huán)的開度[11-13]。本文中針對VNT控制系統(tǒng)研發(fā)一種電液執(zhí)行器，可以連續(xù)、按比例地調(diào)節(jié)液流的壓力、流量等參數(shù)，充分發(fā)揮機(jī)電液一體化優(yōu)勢。

1 可變截面增壓器現(xiàn)有控制技術(shù)對比

目前，可變截面增壓器主要有氣動控制、氣電聯(lián)合控制和步進(jìn)電機(jī)控制三種控制方式。

1) 氣動控制。為廢氣旁通渦輪增壓器的控制方式，可靠性最好、成本最低，但控制精度低，現(xiàn)已基本不用于可變截面渦輪增壓器。

2)氣、電聯(lián)合控制方式。主要采用氣動執(zhí)行器加脈寬調(diào)節(jié)閥，即在氣動執(zhí)行器進(jìn)氣前安裝脈寬調(diào)節(jié)閥，通過脈沖調(diào)制(pulse width modulation，PWM)實現(xiàn)占空比的調(diào)整，不同占空比控制氣動執(zhí)行器氣嘴的進(jìn)氣壓力，實現(xiàn)對可變截面渦輪增壓器的調(diào)節(jié)。氣動執(zhí)行器加脈寬調(diào)節(jié)閥的控制方式可靠性適中、成本適中，控制精度優(yōu)于氣動控制。

3) 步進(jìn)電機(jī)控制。主要采用步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)對可變截面增壓器的調(diào)節(jié)，控制精度高，但可靠性差、成本高。

2 電液執(zhí)行器結(jié)構(gòu)與工作原理

在保證執(zhí)行器可靠性和控制精度的前提下實現(xiàn)最高性價比，是可變截面渦輪增壓器急需解決的技術(shù)問題。針對現(xiàn)有控制技術(shù)的優(yōu)缺點，本文中設(shè)計了一種高性價比的電液執(zhí)行器，應(yīng)用于某VNT控制系統(tǒng)。

2.1 結(jié)構(gòu)

電液執(zhí)行器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單，可以實現(xiàn)與控制閥的一體化設(shè)計，通過簡單的脈沖調(diào)制信號、封閉液壓控制對VNT噴嘴環(huán)葉片精準(zhǔn)控制。

圖2為電液執(zhí)行器實物圖，執(zhí)行器殼體與增壓器中間體設(shè)計在一起。

2.2 工作原理

實際工作中，電液執(zhí)行器控制系統(tǒng)得到指令后，將比例電磁閥1的桿端推力逐漸升高，推動傳動線軸2向靠近滑塊11的一側(cè)移動，線軸進(jìn)油配合邊5與殼體進(jìn)油配合邊3打開，機(jī)油從進(jìn)油孔4進(jìn)入，流經(jīng)液體通道10，最終流至液壓腔14中，機(jī)油進(jìn)油路線如圖1中曲線13，隨著液壓腔14中的機(jī)油量增加，機(jī)油推動滑塊11向靠近比例電磁閥1的一側(cè)移動，反饋彈簧8的壓縮增加，彈簧彈力會在某個點與比例電磁閥1的桿端推力相當(dāng)，當(dāng)兩個力平衡時，傳動線軸2處于平衡狀態(tài)，進(jìn)油配合邊關(guān)閉，油停止流動。當(dāng)比例電磁閥1的力逐漸減小，反饋彈簧8的彈力推動傳動線軸2向靠近比例電磁閥1的一側(cè)移動，線軸回油配合邊6與殼體回油配合邊7打開，機(jī)油從液壓腔14經(jīng)液體通道10，流入泄油通道16，進(jìn)而流入泄油孔15，最終流至回油孔，機(jī)油回油路線如圖1中曲線12?；瑝K11在執(zhí)行器內(nèi)腔運(yùn)動過程中，帶動驅(qū)動塊9轉(zhuǎn)動，驅(qū)動塊9轉(zhuǎn)動帶動傳動軸17旋轉(zhuǎn)，實行控制部件的調(diào)整。

電液執(zhí)行器采用比例電磁閥，搭配機(jī)械傳動部件，實現(xiàn)傳動軸的旋轉(zhuǎn)功能，相比步進(jìn)電機(jī)，體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低，而且，電液執(zhí)行器殼體與中間體設(shè)計在一起，最大限度地控制了增壓器最大外型尺寸。

2.3 臺架試驗

將電液執(zhí)行器安裝在某VNT上，臺架試驗在渦輪試驗臺完成。

電液執(zhí)行器響應(yīng)性測試試驗臺如圖3所示，圖中藍(lán)色部件是角度傳感器，加裝在一個調(diào)節(jié)葉片上，傳感器反饋調(diào)節(jié)葉片角度從全關(guān)到全開的角度信號，角度信號與執(zhí)行器控制信號共同采集到電腦控制軟件，通過執(zhí)行器控制信號發(fā)出到調(diào)節(jié)葉片全開，記錄所需時間，同時用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相同測試，通過對比所需時間來判斷響應(yīng)性，表1為響應(yīng)時間測試對比，多次測量結(jié)果顯示，電液執(zhí)行器平均比步進(jìn)電機(jī)慢約12 ms。

表1 響應(yīng)時間測試對比 ms

渦輪相似流量是衡量渦輪端流通能力的參數(shù)，渦輪相似流量[14]

控制精度及可靠性測試試驗臺如圖4所示，該試驗臺對安裝電液執(zhí)行器的增壓器整機(jī)進(jìn)行控制精度及可靠性測試臺架試驗，通過調(diào)整不同占空比、電磁閥頻率來調(diào)節(jié)不同葉片開度，進(jìn)行增壓器性能測試[15-16]。通過與步進(jìn)電機(jī)對比，電液執(zhí)行器可以準(zhǔn)確將葉片開度調(diào)至步進(jìn)電機(jī)控制位置，相同增壓器轉(zhuǎn)速下，渦輪機(jī)通流能力達(dá)到一致，將葉片開度調(diào)至70%的渦輪機(jī)通流能力對比如圖5所示?？刂凭葴y試后，在此臺架上進(jìn)行可靠性測試，測試按25%、50%、75%、100%四個葉片開度循環(huán)進(jìn)行，每開度保持5 min，切換時間為1 min，共進(jìn)行500 h[17]，執(zhí)行器運(yùn)行可靠。

臺架實際測試結(jié)果表明：該電液執(zhí)行器的響應(yīng)性略低于步進(jìn)電機(jī)，多次測試平均慢約12 ms；控制精度與步進(jìn)電機(jī)持平，都可以準(zhǔn)確調(diào)整至期望位置，但相比步進(jìn)電機(jī)，電液執(zhí)行器結(jié)構(gòu)更加簡單，成本、可靠性都要優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。另外，電液執(zhí)行器以機(jī)油做為驅(qū)動力，更易實現(xiàn)執(zhí)行器內(nèi)部的冷卻，整體溫度較低，能夠經(jīng)受住更惡劣的渦前排溫條件，因此更加符合中國市場的應(yīng)用環(huán)境，是目前可變截面增壓器當(dāng)前性價比較高的一種控制方式。

3 結(jié)論

設(shè)計的電液執(zhí)行器與可變截面渦輪增壓器控制系統(tǒng)匹配，與現(xiàn)有的控制方式相比，具有明顯的優(yōu)勢。

1)該電液執(zhí)行器將執(zhí)行器與控制閥一體化設(shè)計，最大限度控制了增壓器外型尺寸；比例電磁閥只需簡單的脈沖調(diào)制信號，結(jié)構(gòu)和控制簡單。

2)通過封閉的液壓控制使得噴嘴葉片回位，液體來自渦輪增壓器的潤滑機(jī)油，通過設(shè)在電液執(zhí)行器上的進(jìn)、回油孔進(jìn)行循環(huán)，結(jié)構(gòu)緊湊、控制簡單。

3)該執(zhí)行器的響應(yīng)性略低于步進(jìn)電機(jī)，控制精度與步進(jìn)電機(jī)持平，而成本、可靠性都要優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。