增壓器旁通閥動態(tài)設置方法的研究

張正華，吳永建，程利輝

1.河南交通職業(yè)技術學院汽車學院，河南鄭州 450005；2.宇通客車股份有限公司，河南鄭州 450000

0 引言

渦輪增壓器的廢氣旁通閥在高速工況下會自動打開，使部分廢氣不經(jīng)過渦輪做功，以限制增壓器的渦輪轉速，從而保證柴油機的熱負荷和機械負荷均在設計范圍以內(nèi)[1]。當增壓器性能樣機與柴油發(fā)動機匹配好后，在進行增壓器生產(chǎn)制造時，要對增壓器進行旁通閥設置，使其與匹配好的性能樣機一致，以保證發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。

1 旁通閥設置基本原理

渦輪增壓器的旁通閥系統(tǒng)主要由旁通閥、旁通閥軸、襯套、搖臂、連接桿和調節(jié)器等構件組成，如圖1所示。

圖1 渦輪增壓器的旁通閥系統(tǒng)結構

當設置好的渦輪增壓器在發(fā)動機上工作時，壓力氣源從調節(jié)器進氣口進入到膜片氣腔內(nèi)部。當作用在調節(jié)器膜片上的壓力與廢氣壓力及廢氣背壓的壓差產(chǎn)生的合力矩大于彈簧預緊力產(chǎn)生的力矩時，閥片即被打開一定角度，廢氣從旁通孔處流出[2]。

根據(jù)此時旁通閥的受力情況，可推導出氣源壓力與旁通閥開度的關系為：

(1)

式中：p1為進入到調節(jié)器內(nèi)的壓力，kPa；p2為廢氣壓力，kPa；p3為廢氣背壓，kPa；S為調節(jié)器內(nèi)氣膜的等效面積，mm；D為旁通閥的閥片直徑，mm；L2為調節(jié)器側的搖臂長度，mm；L1為旁通閥的擺臂長度，mm；k為彈簧剛度，N/mm；F0為旁通閥設置的預緊力，N；x為旁通閥設置好后彈簧再次壓縮的距離即旁通閥打開的位移，mm。

當進行渦輪增壓器生產(chǎn)制造時，對增壓器進行預緊力設置，此時無廢氣壓力和廢氣背壓。對公式(1)進行簡化得到旁通閥預緊力為：

F0=p1×S-kx

(2)

由式(2)可知，當x已知時，即可得到旁通閥設置時的預緊力。也可以看出當旁通閥的預緊力一定，旁通閥打開位移增加時，要求通入到調節(jié)器內(nèi)的輸入壓力也增高。故旁通閥設置是為了獲得所要求的預緊力，但不能直接得到，它通過通入調節(jié)器內(nèi)的壓力和旁通閥移動的位移間接得到。所以旁通閥動態(tài)設置反映的是連續(xù)通入到調節(jié)器內(nèi)的壓力與所記錄的旁通閥移動位移曲線，如圖2所示。它包括旁通閥打開的上升曲線和旁通閥關閉的下降曲線。由于調節(jié)器內(nèi)彈簧和自身結構原因，會出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象，即上升曲線和下降曲線不重合。

圖2 旁通閥設置壓力位移曲線

對圖2中獲得的壓力位移曲線進行數(shù)據(jù)處理，可獲得增壓器預緊力的壓力即設置壓力。先提取旁通閥打開和關閉壓力位移曲線中的穩(wěn)定直線段，然后做兩條穩(wěn)定直線段的中間擬合線，獲得壓力位移曲線設置方程，輸入設置位移即可得到該位移下的設置壓力。

2 預緊力對發(fā)動機性能的影響

柴油機在壓氣機性能曲線上的運行點如圖3所示。

圖3 柴油機在壓氣機性能曲線上的運行點

由圖3可以看到，柴油機運行時，當增壓壓力超過廢氣旁通閥彈簧的預緊力(開啟壓力)時，旁通閥隨即緩慢打開。自廢氣旁通閥開啟后，增壓器在柴油機運行點上的壓氣機壓力一般不再大幅升高，而趨向平緩，有的甚至保持不變[3]。

渦輪增壓器通過改變旁通閥的預緊力，可以獲得各種所需的放氣特性[4]。柴油機在壓氣機性能曲線上的運行線隨旁通閥預緊壓力的高低而變化。對某柴油機進行臺架試驗，結果表明，增壓器過早 (po=0.06 MPa)或過晚(po=0.10 MPa)放氣，均會使柴油機功率降低，導致油耗增高。不同旁通閥開啟壓力對某柴油機功率的變化曲線如圖4所示。

圖4 不同旁通閥開啟壓力對某柴油發(fā)動機功率的變化曲線

由圖4可知，增壓器旁通閥的預緊力對柴油機的性能有著重要影響，準確獲得與發(fā)動機性能相匹配的增壓器旁通閥的預緊力，是增壓器在生產(chǎn)制造時需要關注的重要參數(shù)。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)處理目標

獲得增壓器旁通閥設置的壓力位移曲線后，須提取穩(wěn)定直線段的數(shù)據(jù)用于中間線擬合。由圖5可看出，壓力位移曲線是由非線性數(shù)據(jù)和線性數(shù)據(jù)組成，自動提取穩(wěn)定段的線性數(shù)據(jù)必須先對數(shù)據(jù)進行分割，識別和提取不同特征曲線間的分段點，是獲取穩(wěn)定段線性數(shù)據(jù)的前提。如何精確識別和提取非線性曲線和線性曲線的分段點，從而進行數(shù)據(jù)分割，對準確獲得設置壓力或在某設置壓力下的位移有較大的影響。

圖5 穩(wěn)定段線性數(shù)據(jù)的有效區(qū)間

3.2 數(shù)據(jù)分段

對壓力位移數(shù)據(jù)進行分段的方法中有一種是采用輪廓離散曲率估算法，離散曲率的估算方法有多種，采用圓弧估算的方法簡單且準確[5]。假設壓力位移數(shù)據(jù)點列(Qi)ni=1=(Q1,Q2, …，Qn-1,Qn)中，點Qi曲率Ki由相鄰的3個點Qi-1,Qi,Qi+1確定的圓所決定，如圖6所示。圖中圓的曲率即為點Qi的曲率，即

(3)

式中：Li=Qi-Qi-1;Mi=Qi+1-Qi-1；S為△Qi-1QiQi+1的面積。

圖6 中間離散點Qi曲率計算

對旁通閥設置的壓力位移曲線進行曲率計算，結果如圖7所示。圖中的非線性區(qū)域的曲率值波動較大，線性區(qū)域的曲率值波動較小且穩(wěn)定。為了能提取出數(shù)據(jù)分段點，設定曲率閾值K[6-7]，當在邊界特征過渡區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)點曲率值與K最接近時，該數(shù)據(jù)點作為線性區(qū)間的端點。由于需要提取連續(xù)的線性區(qū)間的數(shù)據(jù)作為擬合計算，故提出壓力數(shù)據(jù)至少在x范圍內(nèi)，曲率值小于該曲率閾值K作為目標線性區(qū)間。根據(jù)壓力上升曲線確定左邊界和壓力下降曲線確定右邊界，提取出旁通閥設定所需的線性區(qū)間。圖中曲率閾值K=2,x=0.02 MPa，提取的壓力區(qū)間為[1.445，2.005]MPa。

圖7 壓力位移曲線的曲率計算和線性區(qū)間確定

3.3 最小二乘擬合

在獲取線性區(qū)間數(shù)據(jù)后，對線性區(qū)間的上升數(shù)據(jù)和下降數(shù)據(jù)進行最小二乘擬合[8-10]。

f(x,y)=ax+by+c=0

(4)

對所提取的線性區(qū)間數(shù)據(jù)進行最小二乘擬合，得到擬合曲線如圖8所示。根據(jù)擬合方程計算，當匹配好的增壓器預緊力獲取的目標位移為1 mm(也可是其他規(guī)定值)時,設置壓力為0.143 8 MPa。該設置壓力用來作為生產(chǎn)制造旁通閥設置的技術要求，設置時控制目標壓力為0.143 8 MPa,依據(jù)上述方法得到該設置壓力的位移，如果在1 mm的位移下(給定位移設置公差)，說明設置滿足技術要求，反之需要調整設置的預緊力，直至滿足設置壓力下的位移要求。

圖8 最小二乘法擬合曲線

4 結論

(1)通過對渦輪增壓器旁通閥預緊力設置狀態(tài)進行受力分析，得出了旁通閥動態(tài)設置的方法。利用進入調節(jié)器內(nèi)的動態(tài)壓力和旁通閥動態(tài)位移的數(shù)據(jù)，計算得到壓力位移曲線方程，以此確定所要求的預緊力。

(2)獲得旁通閥預緊力設置的壓力位移數(shù)據(jù)之后，采用曲率計算的方法，在給定閾值的情況下識別線性數(shù)據(jù)與非線性數(shù)據(jù)的分界點。根據(jù)壓力上升曲線的分界點和下降曲線的分界點，確定所需計算壓力位移曲線方程的線性數(shù)據(jù)區(qū)間。

(3)采用最小二乘法，對所確定的線性區(qū)間數(shù)據(jù)進行擬合，得到壓力上升數(shù)據(jù)和下降數(shù)據(jù)的中間擬合線方程，即旁通閥預緊力動態(tài)設置的位移方程。最后，在給定位移的情況下，得到預緊力所需的設置壓力，從而完成增壓器旁通閥的動態(tài)設置。