渦輪增壓器測試平臺中液壓系統(tǒng)的設(shè)計研究

劉波

上海凌動機(jī)電設(shè)備有限公司 上海 201407

引言

隨著各國排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，美歐等成熟汽車市場以及中國、東南亞等高增長地區(qū)越來越多的應(yīng)用渦輪增壓器，以優(yōu)化汽車的尾氣排放，有效控制環(huán)境污染的惡化。渦輪增壓器位于發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)，通過壓縮空氣來增加進(jìn)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(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)進(jìn)氣量，從而提高發(fā)動機(jī)的功率和扭矩，讓車子更有勁。一臺發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)在經(jīng)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(fā)動機(jī)來說，經(jīng)過增壓之后，動力可以達(dá)到2.4L發(fā)動機(jī)的水平，但是耗油量卻并不比1.8L發(fā)動機(jī)高多少，在另外一個層面上來說就是提高燃油經(jīng)濟(jì)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(tǒng)中最重要的部件，需要液壓潤滑冷卻系統(tǒng)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(zhuǎn)。

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

本液壓系統(tǒng)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(shè)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(chǎn)廠家對產(chǎn)品進(jìn)行全負(fù)荷出廠性能試驗檢測，達(dá)到出廠標(biāo)準(zhǔn)。

2 液壓系統(tǒng)原理設(shè)及功能說明

2.1 液壓系統(tǒng)組成

根據(jù)本液壓系統(tǒng)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(yīng)的液壓電氣元器件搭建本套液壓系統(tǒng)。

本液壓系統(tǒng)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(tǒng)組成。下圖1為液壓系統(tǒng)圖。

圖1 液壓系統(tǒng)圖

2.2 液壓系統(tǒng)功能原理

主泵系統(tǒng)工作原理：電磁閥9.1、30.1即 3DT、6DT得電系統(tǒng)空載狀態(tài)下，主泵電機(jī)5.1（M1）啟動，運行穩(wěn)定后系統(tǒng)進(jìn)入帶載狀態(tài)下3DT、6DT失電，高壓油供給調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。

渦輪軸閉環(huán)流量控制系統(tǒng)：高壓油通過比例流量閥19.1根據(jù)被測工件渦輪增壓器器工藝要求電比例調(diào)節(jié)，提供給被測工件要求流量，并通過流量傳感器23.1實時監(jiān)測調(diào)節(jié)后的流量是否在工藝控制要求范圍內(nèi)，若超差通過上位機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)糾偏使通過渦輪軸承的流量達(dá)到潤滑冷卻要求[2]。

渦輪軸閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)：高壓油通過比例減壓閥20.1根據(jù)系統(tǒng)工藝要求電比例調(diào)節(jié)，提供給被測工件要求壓力，并通過壓力傳感器22.1實時監(jiān)測調(diào)節(jié)后的壓力是否在工藝控制要求范圍內(nèi)，若超差通過上位機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)糾偏。通過壓力精確控制滿足渦輪增壓器軸承超高速旋轉(zhuǎn)潤滑支撐要求。

循環(huán)過濾冷卻回路工作原理：在液壓系統(tǒng)啟動前，需將主油箱及副油箱油溫達(dá)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(cè)溫度傳感器26.1實時監(jiān)測油液溫度；同時，主回路電機(jī)油泵組4.1啟動，電磁閥9.1得電，將主油箱側(cè)高溫油液輸送到副油箱；副油箱側(cè)冷卻循環(huán)電機(jī)油泵組4.2也同時啟動將副油箱側(cè)冷油輸送到主油箱，這樣通過不斷往復(fù)循環(huán)。若油溫超出工藝要求油溫，啟動風(fēng)冷卻器28.1，使主副油箱中油液都達(dá)到工藝要求。溫度傳感器待油溫達(dá)到要求發(fā)出指令信號，主油路電機(jī)油泵組及循環(huán)冷卻電機(jī)油泵組停機(jī)等待其他工作指令。

在副油箱測傳感器液位計10.1觸發(fā)液位高報警，循環(huán)冷卻電機(jī)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(fā)或10.2高位觸發(fā)停止。

3 整體設(shè)備布局設(shè)計

液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要滿足試驗臺整體設(shè)備布局要求，既要滿足試驗臺人機(jī)協(xié)同工作要求，也要滿足液壓站結(jié)構(gòu)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(shè)計需反復(fù)完善和優(yōu)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(yǎng)等工作，故將液壓系統(tǒng)置于可滑動小車平臺上，這樣為設(shè)備今后維修保養(yǎng)工作的便攜性創(chuàng)造了條件（如圖2）。

圖2 液壓系統(tǒng)小車

4 液壓電控系統(tǒng)總體設(shè)計及分系統(tǒng)控制策略

4.1 液壓電控系統(tǒng)總體設(shè)計

液壓電控系統(tǒng)總體設(shè)計，主要包括PC及觸屏監(jiān)控系統(tǒng)、以太網(wǎng)交換機(jī)、PLC主控制器、液壓系統(tǒng)開關(guān)量控制部件、壓力傳感器、流量傳感器、液位開關(guān)等。系統(tǒng)可通過總線控制現(xiàn)場操作，也可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

液壓電控系統(tǒng)協(xié)調(diào)及控制策略在于控制參數(shù)的解耦設(shè)計，這套系統(tǒng)在調(diào)試過程中需要壓力閉環(huán)控制，同時也需要流量閉環(huán)控制，但是這兩個控制參數(shù)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(jù)以往應(yīng)用經(jīng)驗基礎(chǔ)上權(quán)衡考慮，系統(tǒng)擬采用復(fù)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(jìn)油口處。根據(jù)試驗對象產(chǎn)品測試需求，提出的電氣控制策略及關(guān)鍵液壓部件原理布局來滿足要求。即通過上位機(jī)PLC軟件程序結(jié)合電氣控制器、比例流量閥與流量傳感器做閉環(huán)比例流量控制；上位機(jī)PLC軟件程序結(jié)合電氣控制器、比例減壓閥與壓力傳感器做閉環(huán)比例流量控制。這樣保證進(jìn)入被測渦輪增壓器進(jìn)口流量和壓力是可控的，為產(chǎn)線不同產(chǎn)品測試搭建具有一定柔性化的測試硬件平臺基礎(chǔ)。

4.2 液壓電控系統(tǒng)邏輯控制策略

液壓系統(tǒng)溫度、液位、油液過濾等控制也采用了軟閉環(huán)的控制策略和參數(shù)優(yōu)化策略。由于對潤滑油液的試驗條件比較嚴(yán)格，溫度不夠時要加溫，溫度高時要降溫，將潤滑介質(zhì)油溫控制要求范圍之內(nèi)。這就要求系統(tǒng)設(shè)計時既要有加熱設(shè)備，也要有冷卻設(shè)備，還要求兩個設(shè)備根據(jù)油溫狀態(tài)實時調(diào)整。由于油液經(jīng)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(tǒng)及注油分離存儲油箱。為了使溫度，過濾等技術(shù)指標(biāo)參數(shù)要求達(dá)標(biāo)，基于軟硬件結(jié)合設(shè)計自循環(huán)油溫過濾控制系統(tǒng)，根據(jù)溫度，液位等技術(shù)指標(biāo)實時調(diào)整工作油箱的油液狀態(tài)。

根據(jù)測試產(chǎn)品性能測試需求，按電控系統(tǒng)邏輯控制策略編程的參數(shù)自適應(yīng)測控程序，在滿足測試所需要的油液條件基礎(chǔ)上，采用復(fù)核控制不斷根據(jù)參數(shù)狀態(tài)實時調(diào)整自循環(huán)系統(tǒng)。最后經(jīng)過設(shè)備試驗不斷完善指標(biāo)，滿足產(chǎn)品測試及設(shè)備使用要求。

5 結(jié)束語

本套渦輪增壓器液壓控制系統(tǒng)經(jīng)設(shè)計、加工制作、裝配調(diào)試等環(huán)節(jié)，整套電液控制系統(tǒng)軟件、硬件系統(tǒng)運行穩(wěn)定，圓滿完成設(shè)計要求。設(shè)備應(yīng)用到某國際品牌大企業(yè)渦輪增壓器出廠試驗流水線，穩(wěn)定高效滿足客戶需求。設(shè)備成功投產(chǎn)后，為業(yè)主創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著本套系統(tǒng)的成功，在其他企業(yè)渦輪增壓器生產(chǎn)調(diào)試流水線的搭建中，本套系統(tǒng)根據(jù)客戶產(chǎn)品需求不斷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，為多條產(chǎn)線提供配套支持，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益。