涡轮增压器测试平台中液压系统的设计研究

刘波

上海凌动机电设备有限公司 上海 201407

引言

随着各国排放法规的日趋严格，美欧等成熟汽车市场以及中国、东南亚等高增长地区越来越多的应用涡轮增压器，以优化汽车的尾气排放，有效控制环境污染的恶化。涡轮增压器位于发动机进排气系统，通过压缩空气来增加进气量，空气的压力和密度增大可以使燃料燃烧更加充分，从而增加发动机的输出功率，降低废气中污染物的排放。涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩，让车子更有劲。一台发动机装上涡轮增压器后，其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够输出更大的功率。拿我们最常见的1.8T涡轮增压发动机来说，经过增压之后，动力可以达到2.4L发动机的水平，但是耗油量却并不比1.8L发动机高多少，在另外一个层面上来说就是提高燃油经济性和降低尾气排放。

1 总体需求

汽车涡轮增压器是汽车涡轮增压系统中最重要的部件，需要液压润滑冷却系统通过压力、流量、温度等精密控制，以使涡轮增压器支撑涡轮轴高效超高速运转。

传统的涡轮轴使用波司轴承(Bushing Bearing)结构，实际上是套在轴和壳体上的铜制圆环，在圆环与轴以及圆环与轴承座之间都有间隙，当发动机工作时，在机油压力的作用下，在这些部位形成了双层油膜，转子实际上是浮在机油油膜上高速转动的[1]。其完全倚仗高压进入轴承室的机油实现承托散热，因此才能高速地转动。由于涡轮轴高转运转阻力大，要求对轴承静压支承的机油压力和品质要求高，即要求轴承液压润滑系统提供高精度压力润滑支撑控制才能达到对涡轮轴的稳定动态控制，也是本项目的难点之一。

本液压系统既是针对涡轮增压器使用特点及工况要求，为出厂试验检验设备提供高精度的油压控制、流量控制及冷却润滑控制，使涡轮增压器生产厂家对产品进行全负荷出厂性能试验检测，达到出厂标准。

2 液压系统原理设及功能说明

2.1 液压系统组成

根据本液压系统工况要求，需要为试验台提供高精度的油压控制、流量控制及冷却润滑控制。为满足上述需求，选择相应的液压电气元器件搭建本套液压系统。

本液压系统由泵源，流量控制，压力控制，冷却控制，过滤及液位控制等子系统组成。下图1为液压系统图。

图1 液压系统图

2.2 液压系统功能原理

主泵系统工作原理：电磁阀9.1、30.1即 3DT、6DT得电系统空载状态下，主泵电机5.1（M1）启动，运行稳定后系统进入带载状态下3DT、6DT失电，高压油供给调压调速系统。

涡轮轴闭环流量控制系统：高压油通过比例流量阀19.1根据被测工件涡轮增压器器工艺要求电比例调节，提供给被测工件要求流量，并通过流量传感器23.1实时监测调节后的流量是否在工艺控制要求范围内，若超差通过上位机控制系统调节纠偏使通过涡轮轴承的流量达到润滑冷却要求[2]。

涡轮轴闭环压力控制系统：高压油通过比例减压阀20.1根据系统工艺要求电比例调节，提供给被测工件要求压力，并通过压力传感器22.1实时监测调节后的压力是否在工艺控制要求范围内，若超差通过上位机控制系统调节纠偏。通过压力精确控制满足涡轮增压器轴承超高速旋转润滑支撑要求。

循环过滤冷却回路工作原理：在液压系统启动前，需将主油箱及副油箱油温达到工艺要求，此时通过主油箱测电加热器11.1给油箱油液加温，主油箱侧温度传感器26.1实时监测油液温度；同时，主回路电机油泵组4.1启动，电磁阀9.1得电，将主油箱侧高温油液输送到副油箱；副油箱侧冷却循环电机油泵组4.2也同时启动将副油箱侧冷油输送到主油箱，这样通过不断往复循环。若油温超出工艺要求油温，启动风冷却器28.1，使主副油箱中油液都达到工艺要求。温度传感器待油温达到要求发出指令信号，主油路电机油泵组及循环冷却电机油泵组停机等待其他工作指令。

在副油箱测传感器液位计10.1触发液位高报警，循环冷却电机5.2启动，油泵4.2供油通过滤器13.1和冷却器28.1将副油箱油液输送到主泵油箱，直至10.1低位触发或10.2高位触发停止。

3 整体设备布局设计

液压系统的结构设计需要满足试验台整体设备布局要求，既要满足试验台人机协同工作要求，也要满足液压站结构功能要求。液压站的外形尺寸，安装方式，液压管路布局，电气线路布局等与试验台整体设计需反复完善和优化。

由于将液压站布置在试验台底部，空间非常紧凑和狭小，不利于售后保养等工作，故将液压系统置于可滑动小车平台上，这样为设备今后维修保养工作的便携性创造了条件（如图2）。

图2 液压系统小车

4 液压电控系统总体设计及分系统控制策略

4.1 液压电控系统总体设计

液压电控系统总体设计，主要包括PC及触屏监控系统、以太网交换机、PLC主控制器、液压系统开关量控制部件、压力传感器、流量传感器、液位开关等。系统可通过总线控制现场操作，也可以实现远程监控。

液压电控系统协调及控制策略在于控制参数的解耦设计，这套系统在调试过程中需要压力闭环控制，同时也需要流量闭环控制，但是这两个控制参数是耦合的，也就是说如果流量变化会影响到压力变化，如果压力变化会影响到流量变化。根据以往应用经验基础上权衡考虑，系统拟采用复合控制策略，比例流量阀靠前，比例减压阀靠后，然后选用高精度流量传感器及高精度压力传感器布置于测试部件进油口处。根据试验对象产品测试需求，提出的电气控制策略及关键液压部件原理布局来满足要求。即通过上位机PLC软件程序结合电气控制器、比例流量阀与流量传感器做闭环比例流量控制；上位机PLC软件程序结合电气控制器、比例减压阀与压力传感器做闭环比例流量控制。这样保证进入被测涡轮增压器进口流量和压力是可控的，为产线不同产品测试搭建具有一定柔性化的测试硬件平台基础。

4.2 液压电控系统逻辑控制策略

液压系统温度、液位、油液过滤等控制也采用了软闭环的控制策略和参数优化策略。由于对润滑油液的试验条件比较严格，温度不够时要加温，温度高时要降温，将润滑介质油温控制要求范围之内。这就要求系统设计时既要有加热设备，也要有冷却设备，还要求两个设备根据油温状态实时调整。由于油液经过试验工件回到油箱肯定会将污染颗粒带到油液里面，这就需要过滤系统及注油分离存储油箱。为了使温度，过滤等技术指标参数要求达标，基于软硬件结合设计自循环油温过滤控制系统，根据温度，液位等技术指标实时调整工作油箱的油液状态。

根据测试产品性能测试需求，按电控系统逻辑控制策略编程的参数自适应测控程序，在满足测试所需要的油液条件基础上，采用复核控制不断根据参数状态实时调整自循环系统。最后经过设备试验不断完善指标，满足产品测试及设备使用要求。

5 结束语

本套涡轮增压器液压控制系统经设计、加工制作、装配调试等环节，整套电液控制系统软件、硬件系统运行稳定，圆满完成设计要求。设备应用到某国际品牌大企业涡轮增压器出厂试验流水线，稳定高效满足客户需求。设备成功投产后，为业主创造了良好的经济效益。随着本套系统的成功，在其他企业涡轮增压器生产调试流水线的搭建中，本套系统根据客户产品需求不断进行优化设计，为多条产线提供配套支持，产生了较好的经济效益。