桑梧海，刘永芳，于小蕾，甄冠富

康跃科技股份有限公司，山东寿光 262718

0 引言

涡轮增压器可以大幅提高内燃机动力性和燃油经济特性，并且能够减少排放污染，因此广泛用于内燃机领域[1]。但涡轮增压同时存在响应滞后、低速扭矩不足、冒黑烟等问题[2]。涡轮调节技术是解决上述问题的有效措施，放气阀和可变喷嘴涡轮是涡轮调节技术中两种代表性方案[3-4]。其中，可变截面涡轮增压器(variable nozzle turbocharger, VNT)将设计点选在发动机标定点, 并随转速变化改变喷嘴环的叶片开度, 使涡轮的流量特性和效率特性发生变化，从而保持足够的增压压力, 既改善低速性能，又避免了放气阀经济性低的缺点[5-9]。

随着国家排放标准的日益严格，除了需要对压气机与涡轮机的性能和特性进行提升外[10]，涡轮增压器的工况匹配精度要求越来越高，控制系统是VNT的核心，VNT是否能充分发挥作用，完全取决于控制系统能否根据当时的工况，迅速、准确的改变可变喷嘴环的开度[11-13]。本文中针对VNT控制系统研发一种电液执行器，可以连续、按比例地调节液流的压力、流量等参数，充分发挥机电液一体化优势。

1 可变截面增压器现有控制技术对比

目前，可变截面增压器主要有气动控制、气电联合控制和步进电机控制三种控制方式。

1) 气动控制。为废气旁通涡轮增压器的控制方式，可靠性最好、成本最低，但控制精度低，现已基本不用于可变截面涡轮增压器。

2)气、电联合控制方式。主要采用气动执行器加脉宽调节阀，即在气动执行器进气前安装脉宽调节阀，通过脉冲调制(pulse width modulation，PWM)实现占空比的调整，不同占空比控制气动执行器气嘴的进气压力，实现对可变截面涡轮增压器的调节。气动执行器加脉宽调节阀的控制方式可靠性适中、成本适中，控制精度优于气动控制。

3) 步进电机控制。主要采用步进电机的旋转实现对可变截面增压器的调节，控制精度高，但可靠性差、成本高。

2 电液执行器结构与工作原理

在保证执行器可靠性和控制精度的前提下实现最高性价比，是可变截面涡轮增压器急需解决的技术问题。针对现有控制技术的优缺点，本文中设计了一种高性价比的电液执行器，应用于某VNT控制系统。

2.1 结构

电液执行器结构示意图如图1所示。该执行器结构简单，可以实现与控制阀的一体化设计，通过简单的脉冲调制信号、封闭液压控制对VNT喷嘴环叶片精准控制。

图2为电液执行器实物图，执行器壳体与增压器中间体设计在一起。

2.2 工作原理

实际工作中，电液执行器控制系统得到指令后，将比例电磁阀1的杆端推力逐渐升高，推动传动线轴2向靠近滑块11的一侧移动，线轴进油配合边5与壳体进油配合边3打开，机油从进油孔4进入，流经液体通道10，最终流至液压腔14中，机油进油路线如图1中曲线13，随着液压腔14中的机油量增加，机油推动滑块11向靠近比例电磁阀1的一侧移动，反馈弹簧8的压缩增加，弹簧弹力会在某个点与比例电磁阀1的杆端推力相当，当两个力平衡时，传动线轴2处于平衡状态，进油配合边关闭，油停止流动。当比例电磁阀1的力逐渐减小，反馈弹簧8的弹力推动传动线轴2向靠近比例电磁阀1的一侧移动，线轴回油配合边6与壳体回油配合边7打开，机油从液压腔14经液体通道10，流入泄油通道16，进而流入泄油孔15，最终流至回油孔，机油回油路线如图1中曲线12。滑块11在执行器内腔运动过程中，带动驱动块9转动，驱动块9转动带动传动轴17旋转，实行控制部件的调整。

电液执行器采用比例电磁阀，搭配机械传动部件，实现传动轴的旋转功能，相比步进电机，体积小、结构简单、成本低，而且，电液执行器壳体与中间体设计在一起，最大限度地控制了增压器最大外型尺寸。

2.3 台架试验

将电液执行器安装在某VNT上，台架试验在涡轮试验台完成。

电液执行器响应性测试试验台如图3所示，图中蓝色部件是角度传感器，加装在一个调节叶片上，传感器反馈调节叶片角度从全关到全开的角度信号，角度信号与执行器控制信号共同采集到电脑控制软件，通过执行器控制信号发出到调节叶片全开，记录所需时间，同时用步进电机进行相同测试，通过对比所需时间来判断响应性，表1为响应时间测试对比，多次测量结果显示，电液执行器平均比步进电机慢约12 ms。

表1 响应时间测试对比 ms

涡轮相似流量是衡量涡轮端流通能力的参数，涡轮相似流量[14]

控制精度及可靠性测试试验台如图4所示，该试验台对安装电液执行器的增压器整机进行控制精度及可靠性测试台架试验，通过调整不同占空比、电磁阀频率来调节不同叶片开度，进行增压器性能测试[15-16]。通过与步进电机对比，电液执行器可以准确将叶片开度调至步进电机控制位置，相同增压器转速下，涡轮机通流能力达到一致，将叶片开度调至70%的涡轮机通流能力对比如图5所示。控制精度测试后，在此台架上进行可靠性测试，测试按25%、50%、75%、100%四个叶片开度循环进行，每开度保持5 min，切换时间为1 min，共进行500 h[17]，执行器运行可靠。

台架实际测试结果表明：该电液执行器的响应性略低于步进电机，多次测试平均慢约12 ms；控制精度与步进电机持平，都可以准确调整至期望位置，但相比步进电机，电液执行器结构更加简单，成本、可靠性都要优于步进电机。另外，电液执行器以机油做为驱动力，更易实现执行器内部的冷却，整体温度较低，能够经受住更恶劣的涡前排温条件，因此更加符合中国市场的应用环境，是目前可变截面增压器当前性价比较高的一种控制方式。

3 结论

设计的电液执行器与可变截面涡轮增压器控制系统匹配，与现有的控制方式相比，具有明显的优势。

1)该电液执行器将执行器与控制阀一体化设计，最大限度控制了增压器外型尺寸；比例电磁阀只需简单的脉冲调制信号，结构和控制简单。

2)通过封闭的液压控制使得喷嘴叶片回位，液体来自涡轮增压器的润滑机油，通过设在电液执行器上的进、回油孔进行循环，结构紧凑、控制简单。

3)该执行器的响应性略低于步进电机，控制精度与步进电机持平，而成本、可靠性都要优于步进电机。