【德】S.Rothgang等
【譯】范明強(qiáng)
【編輯】伍賽特 何丹妮
摘要：廢氣渦輪增壓是提高汽油機(jī)效率的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。機(jī)電系統(tǒng)制造商Pierburg公司開發(fā)了一種可用于改進(jìn)廢氣放氣閥,調(diào)節(jié)增壓壓力的一種新型執(zhí)行器方案，該執(zhí)行器被固定在高溫的渦輪殼上，并且將執(zhí)行器與廢氣放氣閥軸直接相連，從而獲得了一種新型增壓方案。
關(guān)鍵詞：增壓 廢氣放氣閥 執(zhí)行器
1發(fā)動(dòng)機(jī)小型化及其增壓壓力調(diào)節(jié)
隨著發(fā)動(dòng)機(jī)不斷減小排量，通過小型化以降低CO2排放是發(fā)動(dòng)機(jī)的一大發(fā)展趨勢(shì)。為了保證自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率，因此通常會(huì)采用單級(jí)或多級(jí)增壓裝置。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的效率而改變工作過程，如采用米勒循環(huán)，就需要更高的增壓壓力和更精確的調(diào)節(jié)方式。此外，考慮到實(shí)際行駛排放（RDE）的影響，就需要?jiǎng)討B(tài)地調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)參數(shù)，如增壓壓力等。
目前，汽油機(jī)大多采用帶有安裝在渦輪側(cè)的廢氣放氣閥（WG）的單級(jí)廢氣渦輪增壓器（ATL）進(jìn)行增壓。目前廢氣放氣閥多采用全電動(dòng)執(zhí)行器機(jī)構(gòu)，包括一個(gè)機(jī)械（DC）或電子整流（EC）的12 V直流電動(dòng)機(jī)、帶有失效保護(hù)彈簧的變速器和配備位置傳感器的拉桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（圖1a），該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與固定在冷端壓氣機(jī)殼體上的執(zhí)行器相連接，t同時(shí)執(zhí)行器配備有一個(gè)位于廢氣放氣閥軸端的偏心杠桿，而放氣閥閥盤則位于相反軸端的另一個(gè)偏心杠桿上，放氣閥由可達(dá)45°的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來調(diào)節(jié)通過廢氣放氣閥的氣體的質(zhì)量流量。
(a)采用常規(guī)拉桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的廢氣放氣閥
(b)采用熱端廢氣放氣閥調(diào)節(jié)器的新方案
圖1 帶有廢氣放氣閥的廢氣渦輪增壓器
2熱端廢氣放氣閥執(zhí)行器
為了按照需求提供精確的增壓壓力，用于增壓壓力調(diào)節(jié)的執(zhí)行器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要能根據(jù)需求擴(kuò)展其工作參數(shù)范圍。此外影響增壓壓力的還包括調(diào)節(jié)范圍、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能以及抵御外界條件影響（例如濺水和高的環(huán)境溫度）的可靠性，而且還要確保其產(chǎn)品價(jià)格具有一定競(jìng)爭(zhēng)力。為了滿足以上要求，應(yīng)拓寬其工作自由度，并提高現(xiàn)有調(diào)節(jié)精度的潛力，Pierburg公司開發(fā)出了一種新型執(zhí)行器方案，被稱為熱端廢氣放氣閥執(zhí)行器，該執(zhí)行器可安裝在渦輪殼上，并與廢氣放氣閥軸直接相連（圖1右）。
新方案對(duì)渦輪殼進(jìn)行的調(diào)整是在考慮到空間結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，能將定位螺栓擰入到匹配的凸臺(tái)中（圖2）。執(zhí)行器通過精確配合的間距軸套，以規(guī)定的間距布置于該凸臺(tái)上。在執(zhí)行器鋁殼體的凸臺(tái)中開有一個(gè)裝入鋼絲編織襯套的孔，該鋼絲編織襯套已成功地應(yīng)用于量產(chǎn)的廢氣再循環(huán)部件中，用于隔熱和補(bǔ)償間隙。通過冠形螺母的預(yù)緊力將執(zhí)行器固定在渦輪殼上，預(yù)緊力可通過預(yù)先布置的鋼絲編織襯套的擠壓變形對(duì)執(zhí)行器起限位作用。
溫度傳感器的位置
廢氣渦輪增壓器渦輪殼上的廢氣放氣閥軸通道口的加工凸臺(tái)對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行對(duì)中定位，并對(duì)執(zhí)行器鋁殼體中的對(duì)中定位套進(jìn)行固定，通過一個(gè)淬硬耐磨的十字聯(lián)軸節(jié)單元來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器與廢氣放氣閥之間的扭矩傳遞。十字聯(lián)軸節(jié)單元由執(zhí)行器和廢氣放氣閥軸上的兩個(gè)聯(lián)軸節(jié)元件及其中間導(dǎo)向的帶槽聯(lián)軸節(jié)套組成。這種力的傳遞方式用于補(bǔ)償不同布置角度的兩根軸之間的熱傳導(dǎo)。
為了降低對(duì)執(zhí)行器的熱損風(fēng)險(xiǎn)，除了隔熱板之外，還通過模擬設(shè)計(jì)制成的冷卻液通道，使冷卻液冷卻執(zhí)行器的鋁殼體（見圖2）。殼體環(huán)繞布置在執(zhí)行器軸周圍進(jìn)行冷卻也能保證電機(jī)的正常運(yùn)行。因此，出于降低成本的原因，采用傳統(tǒng)的有刷電機(jī)替代電子整流電機(jī)，以此能加載較高的平均電流，并能采用低速比的兩級(jí)變速器，該措施對(duì)于結(jié)構(gòu)空間和動(dòng)態(tài)性能都會(huì)產(chǎn)生有利的效果。同樣，冷卻也可保障失效保護(hù)螺旋彈簧的功能。表1列出了執(zhí)行器的參數(shù)值。
3品質(zhì)比較
與常規(guī)的廢氣放氣閥執(zhí)行器相比，新方案具備顯著的優(yōu)勢(shì)，如表2所示。由于執(zhí)行器與廢氣放氣閥軸直接相連，可取消拉桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，減少了調(diào)節(jié)過程所需的機(jī)械部件。避免部件運(yùn)行后出現(xiàn)的磨損和老化問題，同樣也消除了在機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接部位為補(bǔ)償熱膨脹和角度調(diào)節(jié)誤差所需的間隙。不僅如此，除了能實(shí)現(xiàn)精確的預(yù)調(diào)節(jié)和無滯后的位置調(diào)節(jié)之外，還避免了常規(guī)廢氣放氣閥執(zhí)行器中由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行和停止而導(dǎo)致的噪聲。
由于消除了由廢氣放氣閥軸承承受的與轉(zhuǎn)角無關(guān)的橫向力以及由渦輪殼上固定點(diǎn)直接承受的調(diào)節(jié)力矩，廢氣放氣閥軸承的導(dǎo)向長(zhǎng)度可明顯縮短。為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)所匹配的廢氣渦輪增壓器，其廢氣放氣閥軸軸承的導(dǎo)向長(zhǎng)度僅相當(dāng)于常規(guī)系統(tǒng)的50%。除此之外，也避免了調(diào)節(jié)力傳遞到渦輪殼與壓氣機(jī)殼相連的部位上，以此減小了相關(guān)零部件的負(fù)荷。
目前，使用新方案可加大約40°的閥門調(diào)節(jié)角而不會(huì)受到限制，并且執(zhí)行器也無需調(diào)整。另外，消除了調(diào)節(jié)角度與拉桿運(yùn)動(dòng)學(xué)的依賴關(guān)系，并且不會(huì)對(duì)角速度產(chǎn)生負(fù)面影響。由于使用了一個(gè)非接觸式傳感器以及固定在從動(dòng)齒輪內(nèi)的隔熱環(huán)形磁鐵，能夠?qū)?60°范圍內(nèi)的廢氣放氣閥的位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。因此，在冷起動(dòng)階段就能在整個(gè)廢氣放氣閥調(diào)節(jié)范圍內(nèi)降低渦輪的排氣背壓，并改善渦輪下游的廢氣后處理裝置中的氣體流動(dòng)狀況。
4在試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上的驗(yàn)證
試驗(yàn)在Pierburg公司的一臺(tái)功率為170 kW的直列4缸2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行，該款發(fā)動(dòng)機(jī)采用廢氣放氣閥調(diào)節(jié)的單級(jí)渦輪增壓器，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)則更換使用了帶有熱端廢氣放氣閥執(zhí)行器的廢氣渦輪增壓器，并且對(duì)于后續(xù)的增壓壓力調(diào)節(jié)試驗(yàn)都采用量產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行控制。不僅在特性曲線場(chǎng)測(cè)量框架下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，還會(huì)在執(zhí)行器承受高熱-機(jī)械負(fù)荷的全負(fù)荷運(yùn)行工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)還考慮到瞬態(tài)運(yùn)行過程。該熱端執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)先設(shè)定的所有試驗(yàn)，并且會(huì)考慮到所有行駛條件下的運(yùn)行狀況。
為了保障極端工作條件下的執(zhí)行器性能，還補(bǔ)充進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后的后加熱穩(wěn)定性試驗(yàn)。在該后加熱階段之前的發(fā)動(dòng)機(jī)在最小冷卻液流量狀況下進(jìn)行，此類冷卻液可借助于一種測(cè)量程序使低流量穩(wěn)定在20 L/h左右，該流量值能確保發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，即使在較小的對(duì)流冷卻和80～90 ℃的冷卻液溫度情況下，也不會(huì)損毀廢氣渦輪增壓器和廢氣放氣閥執(zhí)行器。在所有的試驗(yàn)中，由一個(gè)單獨(dú)的不受發(fā)動(dòng)機(jī)影響并且環(huán)境開放的調(diào)節(jié)單元執(zhí)行器控制冷卻液的流動(dòng)。冷卻液的溫度在執(zhí)行器進(jìn)口和出口處采集。
在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)試驗(yàn)載體隨著發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，而停止供應(yīng)冷卻液，同時(shí)對(duì)廢氣渦輪增壓器進(jìn)行隔熱處理。
圖3示出了熱電偶的安裝位置，其中T1～T3分別為定位螺栓上的2個(gè)傳感器和執(zhí)行器支承凸臺(tái)上的個(gè)傳感器。同樣，還要采集從動(dòng)齒輪上執(zhí)行器軸的溫度、廢氣渦輪增壓器出口廢氣的溫度以及執(zhí)行器與排氣歧管之間隔熱板下方的環(huán)境溫度。
圖4中的曲線走向分別呈現(xiàn)出了零件各自的最高溫度。在廢氣渦輪增壓器下游廢氣溫度接近900 ℃的情況下，固定點(diǎn)定位螺栓的溫度約為350 ℃。在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后的后加熱階段殼體和軸的溫度升高到130～160 ℃之間，該溫度盡管數(shù)值較高但并非臨界溫度值。由于執(zhí)行器軸、軸承和環(huán)境會(huì)將熱量傳導(dǎo)給冷卻液，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后的12min內(nèi)，冷卻液溫度會(huì)達(dá)到最高值105 ℃。因此即使在極端溫差條件下或是在發(fā)熱并不強(qiáng)烈的掃氣階段，執(zhí)行器中的冷卻液對(duì)流大大減緩了零件和結(jié)構(gòu)模塊的熱損傷，因此在累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過500 h的整個(gè)試驗(yàn)期間，執(zhí)行器的性能絲毫沒有受到限制。
圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后加熱試驗(yàn)結(jié)果
5結(jié)論和展望
本文所介紹的熱端廢氣放氣閥執(zhí)行器是一種具有廣闊發(fā)展前景的新型附件,并在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)上成功地進(jìn)行了試驗(yàn)和評(píng)價(jià)。不僅在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，而且在受到發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后加熱影響的極端熱負(fù)荷條件下，已證實(shí)了該方案具有良好的發(fā)展前景，目前已進(jìn)入了量產(chǎn)階段。
由于對(duì)該執(zhí)行器的應(yīng)用要求為具有良好的適應(yīng)性。因此該執(zhí)行器目前已應(yīng)用于轎車發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣放氣閥增壓壓力調(diào)節(jié)領(lǐng)域，并且不受其他因素的限制。該熱端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)方案目前已在廢氣渦輪增壓器制造商處進(jìn)行試驗(yàn)，以便使該方案能用于改善調(diào)節(jié)增壓壓力。