【德】S.Rothgang等
【譯】範明強
【编辑】伍赛特 何丹妮
摘要：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公司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，並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。
關鍵詞：增压 废气放气阀 执行器
1發動機小型化及其增壓壓力調節
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。爲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。爲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精確的調節方式。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。
(a)采用常規拉杆傳動機構的廢氣放氣閥
(b)采用熱端廢氣放氣閥調節器的新方案
图1 带有废气放气阀的废气涡轮增压器
2熱端廢氣放氣閥執行器
爲了按照需求提供精確的增壓壓力，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範圍。此外影響增壓壓力的還包括調節範圍、動態調節性能以及抵禦外界條件影響（例如濺水和高的環境溫度）的可靠性，而且還要確保其産品價格具有一定競爭力。爲了滿足以上要求，應拓寬其工作自由度，並提高現有調節精度的潛力，Pierburg公司開發出了一種新型執行器方案，被稱爲熱端廢氣放氣閥執行器，該執行器可安裝在渦輪殼上，並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台中（圖2）。執行器通過精確配合的間距軸套，以規定的間距布置于該凸台上。在執行器鋁殼體的凸台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産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。
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台對執行器進行對中定位，並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。
爲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，並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産生有利的效果。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。
3品質比較
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，可取消拉杆傳動機構，減少了調節過程所需的機械部件。避免部件運行後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爲補償熱膨脹和角度調節誤差所需的間隙。不僅如此，除了能實現精確的預調節和無滯後的位置調節之外，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。
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。爲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，並且執行器也無需調整。另外，消除了調節角度與拉杆運動學的依賴關系，並且不會對角速度産生負面影響。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°範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範圍內降低渦輪的排氣背壓，並改善渦輪下遊的廢氣後處理裝置中的氣體流動狀況。
4在試驗發動機上的驗證
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。
圖3示出了熱電偶的安裝位置，其中T1～T3分別爲定位螺栓上的2個傳感器和執行器支承凸台上的個傳感器。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。
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。
图3 发动机停机后加热试验结果
5結論和展望
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,並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後加熱影響的極端熱負荷條件下，已證實了該方案具有良好的發展前景，目前已進入了量産階段。
由于對該執行器的應用要求爲具有良好的適應性。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，並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。