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用于改善增压压力调节的新型废气放气阀执行器

发布时间:2019-02-11 15:04

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  废气涡轮增压是提高汽油机效率的一项关键技术。机电系统制造商Pierburg公司开发了一种可用于改进废气放气阀,调节增压压力的一种新型执行器方案,该执行器被固定在高温的涡轮壳上,并且将执行器与废气放气阀轴直接相连,从而获得了一种新型增压方案。

  随着发动机不断减小排量,通过小型化以降低CO2排放是发动机的一大发展趋势。为了保证自然吸气发动机的额定功率,因此通常会采用单级或多级增压装置。为了提高发动机低负荷运行时的效率而改变工作过程,如采用米勒循环,就需要更高的增压压力和更精确的调节方式。此外,考虑到实际行驶排放(RDE)的影响,就需要动态地调节发动机的每个参数,如增压压力等。

  目前,汽油机大多采用带有安装在涡轮侧的废气放气阀(WG)的单级废气涡轮增压器(ATL)进行增压。目前废气放气阀多采用全电动执行器机构,包括一个机械(DC)或电子整流(EC)的12 V直流电动机、带有失效保护弹簧的变速器和配备位置传感器的拉杆传动机构(图1a),该传动机构与固定在冷端压气机壳体上的执行器相连接,t同时执行器配备有一个位于废气放气阀轴端的偏心杠杆,而放气阀阀盘则位于相反轴端的另一个偏心杠杆上,放气阀由可达45°的回转运动来调节通过废气放气阀的气体的质量流量。

  为了按照需求提供精确的增压压力,用于增压压力调节的执行器传动机构要能根据需求扩展其工作参数范围。此外影响增压压力的还包括调节范围、动态调节性能以及抵御外界条件影响(例如溅水和高的环境温度)的可靠性,而且还要确保其产品价格具有一定竞争力。为了满足以上要求,应拓宽其工作自由度,并提高现有调节精度的潜力,Pierburg公司开发出了一种新型执行器方案,被称为热端废气放气阀执行器,该执行器可安装在涡轮壳上,并与废气放气阀轴直接相连(图1右)。

  新方案对涡轮壳进行的调整是在考虑到空间结构和结构强度的情况下,能将定位螺栓拧入到匹配的凸台中(图2)。执行器通过精确配合的间距轴套,以规定的间距布置于该凸台上。在执行器铝壳体的凸台中开有一个装入钢丝编织衬套的孔,该钢丝编织衬套已成功地应用于量产的废气再循环部件中,用于隔热和补偿间隙。通过冠形螺母的预紧力将执行器固定在涡轮壳上,预紧力可通过预先布置的钢丝编织衬套的挤压变形对执行器起限位作用。

  废气涡轮增压器涡轮壳上的废气放气阀轴通道口的加工凸台对执行器进行对中定位,并对执行器铝壳体中的对中定位套进行固定,通过一个淬硬耐磨的十字联轴节单元来实现执行器与废气放气阀之间的扭矩传递。十字联轴节单元由执行器和废气放气阀轴上的两个联轴节元件及其中间导向的带槽联轴节套组成。这种力的传递方式用于补偿不同布置角度的两根轴之间的热传导。

  为了降低对执行器的热损风险,除了隔热板之外,还通过模拟设计制成的冷却液通道,使冷却液冷却执行器的铝壳体(见图2)。壳体环绕布置在执行器轴周围进行冷却也能保证电机的正常运行。因此,出于降低成本的原因,采用传统的有刷电机替代电子整流电机,以此能加载较高的平均电流,并能采用低速比的两级变速器,该措施对于结构空间和动态性能都会产生有利的效果。同样,冷却也可保障失效保护螺旋弹簧的功能。表1列出了执行器的参数值。

  与常规的废气放气阀执行器相比,新方案具备显著的优势,如表2所示。由于执行器与废气放气阀轴直接相连,可取消拉杆传动机构,减少了调节过程所需的机械部件。避免部件运行后出现的磨损和老化问题,同样也消除了在机械传动机构连接部位为补偿热膨胀和角度调节误差所需的间隙。不仅如此,除了能实现精确的预调节和无滞后的位置调节之外,还避免了常规废气放气阀执行器中由于传动机构运行和停止而导致的噪声。

  由于消除了由废气放气阀轴承承受的与转角无关的横向力以及由涡轮壳上固定点直接承受的调节力矩,废气放气阀轴承的导向长度可明显缩短。为发动机试验所匹配的废气涡轮增压器,其废气放气阀轴轴承的导向长度仅相当于常规系统的50%。除此之外,也避免了调节力传递到涡轮壳与压气机壳相连的部位上,以此减小了相关零部件的负荷。

  目前,使用新方案可加大约40°的阀门调节角而不会受到限制,并且执行器也无需调整。另外,消除了调节角度与拉杆运动学的依赖关系,并且不会对角速度产生负面影响。由于使用了一个非接触式传感器以及固定在从动齿轮内的隔热环形磁铁,能够对360°范围内的废气放气阀的位置进行数据采集。因此,在冷起动阶段就能在整个废气放气阀调节范围内降低涡轮的排气背压,并改善涡轮下游的废气后处理装置中的气体流动状况。

  试验在Pierburg公司的一台功率为170 kW的直列4缸2.0 L发动机上进行,该款发动机采用废气放气阀调节的单级涡轮增压器,进行试验验证时则更换使用了带有热端废气放气阀执行器的废气涡轮增压器,并且对于后续的增压压力调节试验都采用量产的发动机电控系统进行控制。不仅在特性曲线场测量框架下进行试验验证,还会在执行器承受高热-机械负荷的全负荷运行工况点进行试验,同时还考虑到瞬态运行过程。该热端执行器能够实现预先设定的所有试验,并且会考虑到所有行驶条件下的运行状况。

  为了保障极端工作条件下的执行器性能,还补充进行了发动机停机后的后加热稳定性试验。在该后加热阶段之前的发动机在最小冷却液流量状况下进行,此类冷却液可借助于一种测量程序使低流量稳定在20 L/h左右,该流量值能确保发动机在全负荷运行时,即使在较小的对流冷却和80~90 ℃的冷却液温度情况下,也不会损毁废气涡轮增压器和废气放气阀执行器。在所有的试验中,由一个单独的不受发动机影响并且环境开放的调节单元执行器控制冷却液的流动。冷却液的温度在执行器进口和出口处采集。

  在发动机转速2 000 r/min全负荷运行时试验载体随着发动机停机,而停止供应冷却液,同时对废气涡轮增压器进行隔热处理。

  图3示出了热电偶的安装位置,其中T1~T3分别为定位螺栓上的2个传感器和执行器支承凸台上的个传感器。同样,还要采集从动齿轮上执行器轴的温度、废气涡轮增压器出口废气的温度以及执行器与排气歧管之间隔热板下方的环境温度。

  图4中的曲线走向分别呈现出了零件各自的最高温度。在废气涡轮增压器下游废气温度接近900 ℃的情况下,固定点定位螺栓的温度约为350 ℃。在发动机停机后的后加热阶段壳体和轴的温度升高到130~160 ℃之间,该温度尽管数值较高但并非临界温度值。由于执行器轴、轴承和环境会将热量传导给冷却液,因此在发动机停机后的12min内,冷却液温度会达到最高值105 ℃。因此即使在极端温差条件下或是在发热并不强烈的扫气阶段,执行器中的冷却液对流大大减缓了零件和结构模块的热损伤,因此在累计运行时间超过500 h的整个试验期间,执行器的性能丝毫没有受到限制。

  本文所介绍的热端废气放气阀执行器是一种具有广阔发展前景的新型附件,并在实际发动机上成功地进行了试验和评价。不仅在发动机正常运行时,而且在受到发动机停机后加热影响的极端热负荷条件下,已证实了该方案具有良好的发展前景,目前已进入了量产阶段。

  由于对该执行器的应用要求为具有良好的适应性。因此该执行器目前已应用于轿车发动机废气放气阀增压压力调节领域,并且不受其他因素的限制。该热端执行器的设计方案目前已在废气涡轮增压器制造商处进行试验,以便使该方案能用于改善调节增压压力。

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