渦輪增壓器測試平臺中液壓系統的設計研究

劉波

上海凌動機電設備有限公司 上海 201407

引言

隨著各國排放法規的日趨嚴格，美歐等成熟汽車市場以及中國、東南亞等高增長地區越來越多的應用渦輪增壓器，以優化汽車的尾氣排放，有效控制環境污染的惡化。渦輪增壓器位于發動機進排氣系統，通過壓縮空氣來增加進氣量，空氣的壓力和密度增大可以使燃料燃燒更加充分，從而增加發動機的輸出功率，降低廢氣中污染物的排放。渦輪增壓的主要作用就是提高發動機進氣量，從而提高發動機的功率和扭矩，讓車子更有勁。一臺發動機裝上渦輪增壓器后，其最大功率與未裝增壓器的時候相比可以增加40%甚至更高。這樣也就意味著同樣一臺的發動機在經過增壓之后能夠輸出更大的功率。拿我們最常見的1.8T渦輪增壓發動機來說，經過增壓之后，動力可以達到2.4L發動機的水平，但是耗油量卻并不比1.8L發動機高多少，在另外一個層面上來說就是提高燃油經濟性和降低尾氣排放。

1 總體需求

汽車渦輪增壓器是汽車渦輪增壓系統中最重要的部件，需要液壓潤滑冷卻系統通過壓力、流量、溫度等精密控制，以使渦輪增壓器支撐渦輪軸高效超高速運轉。

傳統的渦輪軸使用波司軸承(Bushing Bearing)結構，實際上是套在軸和殼體上的銅制圓環，在圓環與軸以及圓環與軸承座之間都有間隙，當發動機工作時，在機油壓力的作用下，在這些部位形成了雙層油膜，轉子實際上是浮在機油油膜上高速轉動的[1]。其完全倚仗高壓進入軸承室的機油實現承托散熱，因此才能高速地轉動。由于渦輪軸高轉運轉阻力大，要求對軸承靜壓支承的機油壓力和品質要求高，即要求軸承液壓潤滑系統提供高精度壓力潤滑支撐控制才能達到對渦輪軸的穩定動態控制，也是本項目的難點之一。

本液壓系統既是針對渦輪增壓器使用特點及工況要求，為出廠試驗檢驗設備提供高精度的油壓控制、流量控制及冷卻潤滑控制，使渦輪增壓器生產廠家對產品進行全負荷出廠性能試驗檢測，達到出廠標準。

2 液壓系統原理設及功能說明

2.1 液壓系統組成

根據本液壓系統工況要求，需要為試驗臺提供高精度的油壓控制、流量控制及冷卻潤滑控制。為滿足上述需求，選擇相應的液壓電氣元器件搭建本套液壓系統。

本液壓系統由泵源，流量控制，壓力控制，冷卻控制，過濾及液位控制等子系統組成。下圖1為液壓系統圖。

圖1 液壓系統圖

2.2 液壓系統功能原理

主泵系統工作原理：電磁閥9.1、30.1即 3DT、6DT得電系統空載狀態下，主泵電機5.1（M1）啟動，運行穩定后系統進入帶載狀態下3DT、6DT失電，高壓油供給調壓調速系統。

渦輪軸閉環流量控制系統：高壓油通過比例流量閥19.1根據被測工件渦輪增壓器器工藝要求電比例調節，提供給被測工件要求流量，并通過流量傳感器23.1實時監測調節后的流量是否在工藝控制要求范圍內，若超差通過上位機控制系統調節糾偏使通過渦輪軸承的流量達到潤滑冷卻要求[2]。

渦輪軸閉環壓力控制系統：高壓油通過比例減壓閥20.1根據系統工藝要求電比例調節，提供給被測工件要求壓力，并通過壓力傳感器22.1實時監測調節后的壓力是否在工藝控制要求范圍內，若超差通過上位機控制系統調節糾偏。通過壓力精確控制滿足渦輪增壓器軸承超高速旋轉潤滑支撐要求。

循環過濾冷卻回路工作原理：在液壓系統啟動前，需將主油箱及副油箱油溫達到工藝要求，此時通過主油箱測電加熱器11.1給油箱油液加溫，主油箱側溫度傳感器26.1實時監測油液溫度；同時，主回路電機油泵組4.1啟動，電磁閥9.1得電，將主油箱側高溫油液輸送到副油箱；副油箱側冷卻循環電機油泵組4.2也同時啟動將副油箱側冷油輸送到主油箱，這樣通過不斷往復循環。若油溫超出工藝要求油溫，啟動風冷卻器28.1，使主副油箱中油液都達到工藝要求。溫度傳感器待油溫達到要求發出指令信號，主油路電機油泵組及循環冷卻電機油泵組停機等待其他工作指令。

在副油箱測傳感器液位計10.1觸發液位高報警，循環冷卻電機5.2啟動，油泵4.2供油通過濾器13.1和冷卻器28.1將副油箱油液輸送到主泵油箱，直至10.1低位觸發或10.2高位觸發停止。

3 整體設備布局設計

液壓系統的結構設計需要滿足試驗臺整體設備布局要求，既要滿足試驗臺人機協同工作要求，也要滿足液壓站結構功能要求。液壓站的外形尺寸，安裝方式，液壓管路布局，電氣線路布局等與試驗臺整體設計需反復完善和優化。

由于將液壓站布置在試驗臺底部，空間非常緊湊和狹小，不利于售后保養等工作，故將液壓系統置于可滑動小車平臺上，這樣為設備今后維修保養工作的便攜性創造了條件（如圖2）。

圖2 液壓系統小車

4 液壓電控系統總體設計及分系統控制策略

4.1 液壓電控系統總體設計

液壓電控系統總體設計，主要包括PC及觸屏監控系統、以太網交換機、PLC主控制器、液壓系統開關量控制部件、壓力傳感器、流量傳感器、液位開關等。系統可通過總線控制現場操作，也可以實現遠程監控。

液壓電控系統協調及控制策略在于控制參數的解耦設計，這套系統在調試過程中需要壓力閉環控制，同時也需要流量閉環控制，但是這兩個控制參數是耦合的，也就是說如果流量變化會影響到壓力變化，如果壓力變化會影響到流量變化。根據以往應用經驗基礎上權衡考慮，系統擬采用復合控制策略，比例流量閥靠前，比例減壓閥靠后，然后選用高精度流量傳感器及高精度壓力傳感器布置于測試部件進油口處。根據試驗對象產品測試需求，提出的電氣控制策略及關鍵液壓部件原理布局來滿足要求。即通過上位機PLC軟件程序結合電氣控制器、比例流量閥與流量傳感器做閉環比例流量控制；上位機PLC軟件程序結合電氣控制器、比例減壓閥與壓力傳感器做閉環比例流量控制。這樣保證進入被測渦輪增壓器進口流量和壓力是可控的，為產線不同產品測試搭建具有一定柔性化的測試硬件平臺基礎。

4.2 液壓電控系統邏輯控制策略

液壓系統溫度、液位、油液過濾等控制也采用了軟閉環的控制策略和參數優化策略。由于對潤滑油液的試驗條件比較嚴格，溫度不夠時要加溫，溫度高時要降溫，將潤滑介質油溫控制要求范圍之內。這就要求系統設計時既要有加熱設備，也要有冷卻設備，還要求兩個設備根據油溫狀態實時調整。由于油液經過試驗工件回到油箱肯定會將污染顆粒帶到油液里面，這就需要過濾系統及注油分離存儲油箱。為了使溫度，過濾等技術指標參數要求達標，基于軟硬件結合設計自循環油溫過濾控制系統，根據溫度，液位等技術指標實時調整工作油箱的油液狀態。

根據測試產品性能測試需求，按電控系統邏輯控制策略編程的參數自適應測控程序，在滿足測試所需要的油液條件基礎上，采用復核控制不斷根據參數狀態實時調整自循環系統。最后經過設備試驗不斷完善指標，滿足產品測試及設備使用要求。

5 結束語

本套渦輪增壓器液壓控制系統經設計、加工制作、裝配調試等環節，整套電液控制系統軟件、硬件系統運行穩定，圓滿完成設計要求。設備應用到某國際品牌大企業渦輪增壓器出廠試驗流水線，穩定高效滿足客戶需求。設備成功投產后，為業主創造了良好的經濟效益。隨著本套系統的成功，在其他企業渦輪增壓器生產調試流水線的搭建中，本套系統根據客戶產品需求不斷進行優化設計，為多條產線提供配套支持，產生了較好的經濟效益。