一種基于可變截面渦輪增壓器的電液執行器

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燃機動力性和燃油經濟特性，并且能夠減少排放污染，因此廣泛用于內燃機領域[1]。但渦輪增壓同時存在響應滯后、低速扭矩不足、冒黑煙等問題[2]。渦輪調節技術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節技術中兩種代表性方案[3-4]。其中，可變截面渦輪增壓器(variable nozzle turbocharger, VNT)將設計點選在發動機標定點, 并隨轉速變化改變噴嘴環的葉片開度, 使渦輪的流量特性和效率特性發生變化，從而保持足夠的增壓壓力, 既改善低速性能，又避免了放氣閥經濟性低的缺點[5-9]。

隨著國家排放標準的日益嚴格，除了需要對壓氣機與渦輪機的性能和特性進行提升外[10]，渦輪增壓器的工況匹配精度要求越來越高，控制系統是VNT的核心，VNT是否能充分發揮作用，完全取決于控制系統能否根據當時的工況，迅速、準確的改變可變噴嘴環的開度[11-13]。本文中針對VNT控制系統研發一種電液執行器，可以連續、按比例地調節液流的壓力、流量等參數，充分發揮機電液一體化優勢。

1 可變截面增壓器現有控制技術對比

目前，可變截面增壓器主要有氣動控制、氣電聯合控制和步進電機控制三種控制方式。

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，現已基本不用于可變截面渦輪增壓器。

2)氣、電聯合控制方式。主要采用氣動執行器加脈寬調節閥，即在氣動執行器進氣前安裝脈寬調節閥，通過脈沖調制(pulse width modulation，PWM)實現占空比的調整，不同占空比控制氣動執行器氣嘴的進氣壓力，實現對可變截面渦輪增壓器的調節。氣動執行器加脈寬調節閥的控制方式可靠性適中、成本適中，控制精度優于氣動控制。

3) 步進電機控制。主要采用步進電機的旋轉實現對可變截面增壓器的調節，控制精度高，但可靠性差、成本高。

2 電液執行器結構與工作原理

在保證執行器可靠性和控制精度的前提下實現最高性價比，是可變截面渦輪增壓器急需解決的技術問題。針對現有控制技術的優缺點，本文中設計了一種高性價比的電液執行器，應用于某VNT控制系統。

2.1 結構

電液執行器結構示意圖如圖1所示。該執行器結構簡單，可以實現與控制閥的一體化設計，通過簡單的脈沖調制信號、封閉液壓控制對VNT噴嘴環葉片精準控制。

圖2為電液執行器實物圖，執行器殼體與增壓器中間體設計在一起。

2.2 工作原理

實際工作中，電液執行器控制系統得到指令后，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的一側移動，線軸進油配合邊5與殼體進油配合邊3打開，機油從進油孔4進入，流經液體通道10，最終流至液壓腔14中，機油進油路線如圖1中曲線13，隨著液壓腔14中的機油量增加，機油推動滑塊11向靠近比例電磁閥1的一側移動，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，當兩個力平衡時，傳動線軸2處于平衡狀態，進油配合邊關閉，油停止流動。當比例電磁閥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的一側移動，線軸回油配合邊6與殼體回油配合邊7打開，機油從液壓腔14經液體通道10，流入泄油通道16，進而流入泄油孔15，最終流至回油孔，機油回油路線如圖1中曲線12。滑塊11在執行器內腔運動過程中，帶動驅動塊9轉動，驅動塊9轉動帶動傳動軸17旋轉，實行控制部件的調整。

電液執行器采用比例電磁閥，搭配機械傳動部件，實現傳動軸的旋轉功能，相比步進電機，體積小、結構簡單、成本低，而且，電液執行器殼體與中間體設計在一起，最大限度地控制了增壓器最大外型尺寸。

2.3 臺架試驗

將電液執行器安裝在某VNT上，臺架試驗在渦輪試驗臺完成。

電液執行器響應性測試試驗臺如圖3所示，圖中藍色部件是角度傳感器，加裝在一個調節葉片上，傳感器反饋調節葉片角度從全關到全開的角度信號，角度信號與執行器控制信號共同采集到電腦控制軟件，通過執行器控制信號發出到調節葉片全開，記錄所需時間，同時用步進電機進行相同測試，通過對比所需時間來判斷響應性，表1為響應時間測試對比，多次測量結果顯示，電液執行器平均比步進電機慢約12 ms。

表1 響應時間測試對比 ms

渦輪相似流量是衡量渦輪端流通能力的參數，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行器的增壓器整機進行控制精度及可靠性測試臺架試驗，通過調整不同占空比、電磁閥頻率來調節不同葉片開度，進行增壓器性能測試[15-16]。通過與步進電機對比，電液執行器可以準確將葉片開度調至步進電機控制位置，相同增壓器轉速下，渦輪機通流能力達到一致，將葉片開度調至70%的渦輪機通流能力對比如圖5所示。控制精度測試后，在此臺架上進行可靠性測試，測試按25%、50%、75%、100%四個葉片開度循環進行，每開度保持5 min，切換時間為1 min，共進行500 h[17]，執行器運行可靠。

臺架實際測試結果表明：該電液執行器的響應性略低于步進電機，多次測試平均慢約12 ms；控制精度與步進電機持平，都可以準確調整至期望位置，但相比步進電機，電液執行器結構更加簡單，成本、可靠性都要優于步進電機。另外，電液執行器以機油做為驅動力，更易實現執行器內部的冷卻，整體溫度較低，能夠經受住更惡劣的渦前排溫條件，因此更加符合中國市場的應用環境，是目前可變截面增壓器當前性價比較高的一種控制方式。

3 結論

設計的電液執行器與可變截面渦輪增壓器控制系統匹配，與現有的控制方式相比，具有明顯的優勢。

1)該電液執行器將執行器與控制閥一體化設計，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制信號，結構和控制簡單。

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油，通過設在電液執行器上的進、回油孔進行循環，結構緊湊、控制簡單。

3)該執行器的響應性略低于步進電機，控制精度與步進電機持平，而成本、可靠性都要優于步進電機。