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  廢氣渦輪增壓是提高汽油機效率的一項關鍵技術。機電系統制造商Pierburg開發了一種可用于改進廢氣放氣閥,調節增壓壓力的一種新型執行器方案,該執行器被固定在高溫的渦輪殼上,并且將執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。

  隨著發動機不斷減小排量,通過小型化以降低CO2排放是發動機的一大發展趨勢。為了保證自然吸氣發動機的額定功率,因此通常會采用單級或多級增壓裝置。為了提高發動機低負荷運行時的效率而改變工作過程,如采用米勒循環,就需要更高的增壓壓力和更的調節方式。此外,考慮到實際行駛排放(RDE)的影響,就需要動態地調節發動機的每個參數,如增壓壓力等。

  目前,汽油機大多采用帶有安裝在渦輪側的廢氣放氣閥(WG)的單級廢氣渦輪增壓器(ATL)進行增壓。目前廢氣放氣閥多采用全電動執行器機構,包括一個機械(DC)或電子整流(EC)的12 V直流電動機、帶有失效保護彈簧變速器和配備位置傳感器的拉桿傳動機構(圖1a),該傳動機構與固定在冷端壓氣機殼體上的執行器相連接,t同時執行器配備有一個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偏心杠桿上,智能電動執行器放氣閥由可達45°的回轉運動來調節通過廢氣放氣閥的氣體的質量流量。

  為了按照需求提供的增壓壓力,用于增壓壓力調節的執行器傳動機構要能根據需求擴展其工作參數范圍。此外影響增壓壓力的還包括調節范圍、動態調節性能以及抵御外界條件影響(例如濺水和高的環境溫度)的可靠性,而且還要確保其產品價格具有一定競爭力。為了滿足以上要求,應拓寬其工作自由度,并提高現有調節精度的潛力,Pierburg開發出了一種新型執行器方案,被稱為熱端廢氣放氣閥執行器,該執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)。

  新方案對渦輪殼進行的調整是在考慮到空間結構和結構強度的情況下,能將定位螺栓擰入到匹配的凸臺中(圖2)。執行器通過配合的間距軸套,以規定的間距布置于該凸臺上。在執行器鋁殼體的凸臺中開有一個裝入鋼絲編織襯套的孔,該鋼絲編織襯套已成功地應用于量產的廢氣再循環部件中,用于隔熱和補償間隙。通過冠形螺母的預緊力將執行器固定在渦輪殼上,預緊力可通過預先布置的鋼絲編織襯套的擠壓變形對執行器起限位作用。

  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對執行器進行對中定位,并對執行器鋁殼體中的對中定位套進行固定,通過一個淬硬耐磨的十字聯軸節單元來實現執行器與廢氣放氣閥之間的扭矩傳遞。十字聯軸節單元由執行器和廢氣放氣閥軸上的兩個聯軸節元件及其中間導向的帶槽聯軸節套組成。這種力的傳遞方式用于補償不同布置角度的兩根軸之間的熱傳導。

  為了降低對執行器的熱損風險,除了隔熱板之外,還通過模擬設計制成的冷卻液通道,使冷卻液冷卻執行器的鋁殼體(見圖2)。殼體環繞布置在執行器軸周圍進行冷卻也能保證電機的正常運行。因此,出于降低成本的原因,采用傳統的有刷電機替代電子整流電機,以此能加載較高的平均電流,并能采用低速比的兩級變速器,該措施對于結構空間和動態性能都會產生有利的效果。同樣,冷卻也可保障失效保護螺旋彈簧的功能。表1列出了執行器的參數值。

  與常規的廢氣放氣閥執行器相比,新方案具備顯著的優勢,如表2所示。由于執行器與廢氣放氣閥軸直接相連,可取消拉桿傳動機構,減少了調節過程所需的機械部件。避免部件運行后出現的磨損和老化問題,同樣也消除了在機械傳動機構連接部位為補償熱膨脹和角度調節誤差所需的間隙。不僅如此,除了能實現的預調節和無滯后的位置調節之外,還避免了常規廢氣放氣閥執行器中由于傳動機構運行和停止而導致的噪聲。智能電動執行器智能電動執行器

  由于消除了由廢氣放氣閥軸承承受的與轉角無關的橫向力以及由渦輪殼上固定點直接承受的調節力矩,廢氣放氣閥軸承的導向長度可明顯縮短。為發動機試驗所匹配的廢氣渦輪增壓器,其廢氣放氣閥軸軸承的導向長度僅相當于常規系統的50%。除此之外,也避免了調節力傳遞到渦輪殼與壓氣機殼相連的部位上,以此減小了相關零部件的負荷。

  目前,使用新方案可加大約40°的閥門調節角而不會受到限制,并且執行器也無需調整。另外,消除了調節角度與拉桿運動學的依賴關系,并且不會對角速度產生負面影響。由于使用了一個非接觸式傳感器以及固定在從動齒輪內的隔熱環形磁鐵,能夠對360°范圍內的廢氣放氣閥的位置進行數據采集。因此,在冷起動階段就能在整個廢氣放氣閥調節范圍內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狀況。

  試驗在Pierburg的一臺功率為170 kW的直列4缸2.0 L發動機上進行,該款發動機采用廢氣放氣閥調節的單級渦輪增壓器,進行試驗驗證時則更換使用了帶有熱端廢氣放氣閥執行器的廢氣渦輪增壓器,并且對于后續的增壓壓力調節試驗都采用量產的發動機電控系統進行控制。不僅在特性曲線場測量框架下進行試驗驗證,還會在執行器承受高熱-機械負荷的全負荷運行工況點進行試驗,同時還考慮到瞬態運行過程。該熱端執行器能夠實現預先設定的所有試驗,并且會考慮到所有行駛條件下的運行狀況。

  為了保障工作條件下的執行器性能,還補充進行了發動機停機后的后加熱穩定性試驗。在該后加熱階段之前的發動機在小冷卻液流量狀況下進行,此類冷卻液可借助于一種測量程序使低流量穩定在20 L/h左右,該流量值能確保發動機在全負荷運行時,即使在較小的對流冷卻和80~90 ℃的冷卻液溫度情況下,也不會損毀廢氣渦輪增壓器和廢氣放氣閥執行器。在所有的試驗中,由一個單獨的不受發動機影響并且環境開放的調節單元執行器控制冷卻液的流動。冷卻液的溫度在執行器進口和出口處采集。

  在發動機轉速2 000 r/min全負荷運行時試驗載體隨著發動機停機,而停止供應冷卻液,同時對廢氣渦輪增壓器進行隔熱處理。

  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個傳感器和執行器支承凸臺上的個傳感器。同樣,還要采集從動齒輪上執行器軸的溫度、廢氣渦輪增壓器出口廢氣的溫度以及執行器與排氣歧管之間隔熱板下方的環境溫度。

  圖4中的曲線走向分別呈現出了零件各自的溫度。在廢氣渦輪增壓器下游廢氣溫度接近900 ℃的情況下,固定點定位螺栓的溫度約為350 ℃。在發動機停機后的后加熱階段殼體和軸的溫度升高到130~160 ℃之間,該溫度盡管數值較高但并非臨界溫度值。由于執行器軸、軸承和環境會將熱量傳導給冷卻液,因此在發動機停機后的12min內,冷卻液溫度會達到值105 ℃。因此即使在溫差條件下或是在發熱并不強烈的掃氣階段,執行器中的冷卻液對流大大減緩了零件和結構模塊的熱損傷,因此在累計運行時間超過500 h的整個試驗期間,執行器的性能絲毫沒有受到限制。

  本文所介紹的熱端廢氣放氣閥執行器是一種具有廣闊發展前景的新型附件,并在實際發動機上成功地進行了試驗和評價。不僅在發動機正常運行時,而且在受到發動機停機后加熱影響的熱負荷條件下,已證實了該方案具有良好的發展前景,目前已進入了量產階段。

  由于對該執行器的應用要求為具有良好的適應性。因此該執行器目前已應用于轎車發動機廢氣放氣閥增壓壓力調節領域,并且不受其他因素的限制。該熱端執行器的設計方案目前已在廢氣渦輪增壓器制造商處進行試驗,以便使該方案能用于改善調節增壓壓力。