張正華，吳永建，程利輝

1.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)學(xué)院，河南鄭州 450005；2.宇通客車(chē)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(huì)自動(dòng)打開(kāi)，使部分廢氣不經(jīng)過(guò)渦輪做功，以限制增壓器的渦輪轉(zhuǎn)速，從而保證柴油機(jī)的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷均在設(shè)計(jì)范圍以內(nèi)[1]。當(dāng)增壓器性能樣機(jī)與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)匹配好后，在進(jìn)行增壓器生產(chǎn)制造時(shí)，要對(duì)增壓器進(jìn)行旁通閥設(shè)置，使其與匹配好的性能樣機(jī)一致，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

1 旁通閥設(shè)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(diào)節(jié)器等構(gòu)件組成，如圖1所示。

圖1 渦輪增壓器的旁通閥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)設(shè)置好的渦輪增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)上工作時(shí)，壓力氣源從調(diào)節(jié)器進(jìn)氣口進(jìn)入到膜片氣腔內(nèi)部。當(dāng)作用在調(diào)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(yù)緊力產(chǎn)生的力矩時(shí)，閥片即被打開(kāi)一定角度，廢氣從旁通孔處流出[2]。

根據(jù)此時(shí)旁通閥的受力情況，可推導(dǎo)出氣源壓力與旁通閥開(kāi)度的關(guān)系為：

(1)

式中：p1為進(jìn)入到調(diào)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(diào)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(diào)節(jié)器側(cè)的搖臂長(zhǎng)度，mm；L1為旁通閥的擺臂長(zhǎng)度，mm；k為彈簧剛度，N/mm；F0為旁通閥設(shè)置的預(yù)緊力，N；x為旁通閥設(shè)置好后彈簧再次壓縮的距離即旁通閥打開(kāi)的位移，mm。

當(dāng)進(jìn)行渦輪增壓器生產(chǎn)制造時(shí)，對(duì)增壓器進(jìn)行預(yù)緊力設(shè)置，此時(shí)無(wú)廢氣壓力和廢氣背壓。對(duì)公式(1)進(jìn)行簡(jiǎn)化得到旁通閥預(yù)緊力為：

F0=p1×S-kx

(2)

由式(2)可知，當(dāng)x已知時(shí)，即可得到旁通閥設(shè)置時(shí)的預(yù)緊力。也可以看出當(dāng)旁通閥的預(yù)緊力一定，旁通閥打開(kāi)位移增加時(shí)，要求通入到調(diào)節(jié)器內(nèi)的輸入壓力也增高。故旁通閥設(shè)置是為了獲得所要求的預(yù)緊力，但不能直接得到，它通過(guò)通入調(diào)節(jié)器內(nèi)的壓力和旁通閥移動(dòng)的位移間接得到。所以旁通閥動(dòng)態(tài)設(shè)置反映的是連續(xù)通入到調(diào)節(jié)器內(nèi)的壓力與所記錄的旁通閥移動(dòng)位移曲線，如圖2所示。它包括旁通閥打開(kāi)的上升曲線和旁通閥關(guān)閉的下降曲線。由于調(diào)節(jié)器內(nèi)彈簧和自身結(jié)構(gòu)原因，會(huì)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(shè)置壓力位移曲線

對(duì)圖2中獲得的壓力位移曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可獲得增壓器預(yù)緊力的壓力即設(shè)置壓力。先提取旁通閥打開(kāi)和關(guān)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(shè)置方程，輸入設(shè)置位移即可得到該位移下的設(shè)置壓力。

2 預(yù)緊力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

柴油機(jī)在壓氣機(jī)性能曲線上的運(yùn)行點(diǎn)如圖3所示。

圖3 柴油機(jī)在壓氣機(jī)性能曲線上的運(yùn)行點(diǎn)

由圖3可以看到，柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)增壓壓力超過(guò)廢氣旁通閥彈簧的預(yù)緊力(開(kāi)啟壓力)時(shí)，旁通閥隨即緩慢打開(kāi)。自廢氣旁通閥開(kāi)啟后，增壓器在柴油機(jī)運(yùn)行點(diǎn)上的壓氣機(jī)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(guò)改變旁通閥的預(yù)緊力，可以獲得各種所需的放氣特性[4]。柴油機(jī)在壓氣機(jī)性能曲線上的運(yùn)行線隨旁通閥預(yù)緊壓力的高低而變化。對(duì)某柴油機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果表明，增壓器過(guò)早 (po=0.06 MPa)或過(guò)晚(po=0.10 MPa)放氣，均會(huì)使柴油機(jī)功率降低，導(dǎo)致油耗增高。不同旁通閥開(kāi)啟壓力對(duì)某柴油機(jī)功率的變化曲線如圖4所示。

圖4 不同旁通閥開(kāi)啟壓力對(duì)某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)功率的變化曲線

由圖4可知，增壓器旁通閥的預(yù)緊力對(duì)柴油機(jī)的性能有著重要影響，準(zhǔn)確獲得與發(fā)動(dòng)機(jī)性能相匹配的增壓器旁通閥的預(yù)緊力，是增壓器在生產(chǎn)制造時(shí)需要關(guān)注的重要參數(shù)。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)處理目標(biāo)

獲得增壓器旁通閥設(shè)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(dòng)提取穩(wěn)定段的線性數(shù)據(jù)必須先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，識(shí)別和提取不同特征曲線間的分段點(diǎn)，是獲取穩(wěn)定段線性數(shù)據(jù)的前提。如何精確識(shí)別和提取非線性曲線和線性曲線的分段點(diǎn)，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)分割，對(duì)準(zhǔn)確獲得設(shè)置壓力或在某設(shè)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(duì)壓力位移數(shù)據(jù)進(jìn)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(jiǎn)單且準(zhǔn)確[5]。假設(shè)壓力位移數(shù)據(jù)點(diǎn)列(Qi)ni=1=(Q1,Q2, …，Qn-1,Qn)中，點(diǎn)Qi曲率Ki由相鄰的3個(gè)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)Qi曲率計(jì)算

對(duì)旁通閥設(shè)置的壓力位移曲線進(jìn)行曲率計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。圖中的非線性區(qū)域的曲率值波動(dòng)較大，線性區(qū)域的曲率值波動(dòng)較小且穩(wěn)定。為了能提取出數(shù)據(jù)分段點(diǎn)，設(shè)定曲率閾值K[6-7]，當(dāng)在邊界特征過(guò)渡區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)曲率值與K最接近時(shí)，該數(shù)據(jù)點(diǎn)作為線性區(qū)間的端點(diǎn)。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(jì)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(biāo)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(shè)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(jì)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(duì)線性區(qū)間的上升數(shù)據(jù)和下降數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合[8-10]。

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

(4)

對(duì)所提取的線性區(qū)間數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算，當(dāng)匹配好的增壓器預(yù)緊力獲取的目標(biāo)位移為1 mm(也可是其他規(guī)定值)時(shí),設(shè)置壓力為0.143 8 MPa。該設(shè)置壓力用來(lái)作為生產(chǎn)制造旁通閥設(shè)置的技術(shù)要求，設(shè)置時(shí)控制目標(biāo)壓力為0.143 8 MPa,依據(jù)上述方法得到該設(shè)置壓力的位移，如果在1 mm的位移下(給定位移設(shè)置公差)，說(shuō)明設(shè)置滿足技術(shù)要求，反之需要調(diào)整設(shè)置的預(yù)緊力，直至滿足設(shè)置壓力下的位移要求。

圖8 最小二乘法擬合曲線

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)渦輪增壓器旁通閥預(yù)緊力設(shè)置狀態(tài)進(jìn)行受力分析，得出了旁通閥動(dòng)態(tài)設(shè)置的方法。利用進(jìn)入調(diào)節(jié)器內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓力和旁通閥動(dòng)態(tài)位移的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到壓力位移曲線方程，以此確定所要求的預(yù)緊力。

(2)獲得旁通閥預(yù)緊力設(shè)置的壓力位移數(shù)據(jù)之后，采用曲率計(jì)算的方法，在給定閾值的情況下識(shí)別線性數(shù)據(jù)與非線性數(shù)據(jù)的分界點(diǎn)。根據(jù)壓力上升曲線的分界點(diǎn)和下降曲線的分界點(diǎn)，確定所需計(jì)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(duì)所確定的線性區(qū)間數(shù)據(jù)進(jìn)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(yù)緊力動(dòng)態(tài)設(shè)置的位移方程。最后，在給定位移的情況下，得到預(yù)緊力所需的設(shè)置壓力，從而完成增壓器旁通閥的動(dòng)態(tài)設(shè)置。