雪佛蘭克魯茲渦輪增壓控制原理與檢修

文/ 河南 劉勤中河北 喬士平

增壓壓力控制是通過在渦輪增壓器上集成一個壓差控制的內置式排氣旁通閥(Internal Wastegate Actuator)，又被稱為排氣泄壓閥。它由發動機控制模塊(ECM)通過脈寬調制(PWM)電磁閥進行控制，用于調節壓氣機的增壓值，這是目前應用的渦輪增壓器中最常見的壓力調整形式。在發動機處于較高轉速或者高負荷下，排氣氣流的一部分通過排氣泄壓閥流出渦輪外，這樣減少了流過渦輪的廢氣流量，降低了排氣背壓，從而防止渦輪增壓器轉速超速，避免增壓系統增壓壓力過大。在發動機低轉速或低負荷的情況下，排氣泄壓閥關閉，所有排氣流經渦輪并驅動渦輪。排氣泄壓閥由排氣泄壓閥膜片通過一個拉桿來操縱。排氣泄壓閥膜片上共有三個作用力，分別為廢氣壓力、彈簧張力和排氣泄壓閥執行器電磁閥調制出來的調節壓力，三個作用力的合力最終控制排氣泄壓閥的位置。圖3所示，排氣泄壓閥執行器電磁閥連接三根軟管，分別通空氣高壓端(泵輪后)、空氣低壓端(泵輪前)和排氣泄壓閥膜片閥。發動機控制模塊通過脈寬調制信號控制排氣泄壓閥執行器電磁閥，將高壓側和低壓側的空氣混合成所需調節壓力的空氣通往排氣泄壓閥膜片，占空比為100%時與低壓側(泵輪入口)相通，占空比為0時或斷電時與高壓側(泵輪出口)相通。

發動機怠速時，發動機控制模塊對渦輪增壓器排氣泄壓閥的參數指令為0。節氣門全開狀態下(發動機負載)或轉速首次提高時，發動機控制模塊對渦輪增壓器排氣泄壓閥參數指令到高達90%～100%。當增壓壓力到達適當水平時，發動機控制模塊將電磁閥的脈寬調制控制在65%～85%。節氣門關閉后，發動機控制模塊將指令渦輪增壓器排氣泄壓閥參數回復到0，以便使渦輪增壓器排氣泄壓閥根據空氣壓差比打開，降低渦輪的速度。

排氣泄壓閥在怠速狀態下完全關閉，所有的廢氣能量都通過渦輪(圖4)。排氣泄壓閥保持關閉有三個原因：①泵輪出口壓力小，傾向于關閉排氣泄壓閥；②膜片閥中的回位彈簧幫助保持排氣泄壓閥的關閉；③廢氣氣流的能量太低，不足于克服回位彈簧的張力。

如果在發動機低速時請求節氣門全開，則發動機控制模塊將以占空比100%指令增壓控制電磁閥，使渦輪增壓延遲最小。中等發動機負載且高轉速時，發動機控制模塊將以占空比為65%～80%指令增壓控制電磁閥。歧管壓力高至240kPa時，渦輪增壓器排氣泄壓閥打開(圖5)。

當發動機控制單元設置特定的故障診斷碼后，發動機控制模塊將限制增壓壓力的大小。限制增壓壓力是通過發動機控制模塊控制排氣泄壓閥控制電磁閥，保持占空比為0來實現的。這意味著發動機控制模塊在較大的發動機負載時，不能有效關閉排氣泄壓閥，此時系統限制為機械增壓。機械增壓意味著排氣泄壓閥將仍然移動，但是運動量被膜片閥中的回位彈簧的機械屬性、執行器的氣動屬性和排氣系統中排氣氣流的物理特性所限制。在這種操作模式下，歧管壓力的最大壓力值控制為140kPa。

以上講述的是增壓壓力控制，下面介紹一下超速切斷控制，渦輪增壓器上集成一個增壓空氣旁通閥，如圖6所示。增壓空氣旁通閥由發動機控制模塊通過增壓空氣旁通閥電磁閥進行控制，當超速切斷工況(大負荷行駛時，突然松開油門)時節氣門開度迅速減小，而渦輪增壓器有滯后性，轉速仍然較高，增壓空氣繼續流向節氣門，若不加以控制被阻障的高壓空氣會形成較大的氣流沖擊振動，可能造成節氣門、泵輪葉片和進氣管路的損壞。此時，發動機控制模塊將增壓空氣旁通閥電磁閥打開，接通增壓空氣旁通閥的真空回路，增壓氣體在渦輪增壓器中形成局部循環，避免增壓空氣沖擊節氣門，并且可以保持渦輪增壓器處于一個較高的轉速，以優化渦輪增壓器的加速響應性。

增壓空氣旁通閥電磁閥是個開關閥，當節氣門突然關閉，如果增壓器的壓力值超過標定壓力值，ECM會立即驅動增壓空氣旁通閥電磁閥通電打開，接通增壓空氣旁通閥與真空罐的管路，并持續1s以上，使增壓空氣旁通閥動作，打開旁通氣道。在進氣歧管旁邊有一個增壓空氣旁通閥真空罐，作用是提供瞬時真空源。當ECM不通電時，增壓空氣旁通閥電磁閥與進氣歧管相通，但因真空度不夠，增壓空氣旁通閥處于關閉位置，只有在急減速時才會打開。這是一種冗余設計，在增壓空氣旁通閥電磁閥失效時，超速切斷控制系統也能起到一定的保護作用，避免增壓壓力過高造成機件損壞。

發動機控制模塊首先確認節氣門位置傳感器、發動機轉速傳感器和增壓壓力傳感器的完整性，之后根據這3個傳感器的信號計算出一個的模擬空氣流量，并將這個計算結果與空氣流量傳感器實際測量的空氣流量值進行比較，來判斷增壓空氣旁通閥是否卡在關閉位置。如果發動機控制模塊檢測到進氣系統的一系列脈動值超過了標定閾值，就會設置故障診斷碼P2261(渦輪增壓器進氣旁通閥卡滯)。

了解了增壓系統的控制原理和結構，下面通過一個故障實例的排除，加深一下理解。

一輛雪佛蘭科魯茲裝配1.6T渦輪增壓發動機(代號LLU)，行駛里程9623km。故障現象為發動機故障燈亮、行駛加速無力、松油門后發動機有“呲”的異響聲。

維修人員接車后，經反復試車，發現異響出現在松開加速踏板以后。用聽診器傾聽，確定聲音來自渦輪增壓器內部。用GDS2+MDI檢查ECM，顯示有故障碼P2261，含義為渦輪增壓器旁通閥卡住(當前故障)；故障碼P0171，含義為燃油修正系統低電壓(歷史)。

維修人員觀察排氣泄壓閥在松油門以后會立即關閉，嘗試用鉗子夾住排氣泄壓閥的拉桿，使其不能完全關閉，結果異響消失了，說明異響可能是增壓壓力控制系統失控，而產生的氣流沖擊聲。因故障碼P2261直接指向超速切斷控制系統，所以首先檢查增壓空氣旁通閥及其控制元件，結果發現旁通閥真空罐殼體有裂縫(圖7)。更換增壓空氣旁通閥真空罐(零件號90502721)后異響消失，故障排除。

在這個故障中，排氣泄壓閥屬于增壓壓力控制系統，而損壞件真空罐屬于超速切斷控制系統，分屬于增壓控制的兩個系統。那為什么用鉗子夾住排氣泄壓閥的拉桿，使其不能完全關閉，結果異響就消失了呢？這是因為真空罐破裂導致增壓空氣旁通閥真空度不足，無法打開，進氣管內的壓力比正常值大，發動機控制模塊(ECM)通過脈寬調制(PWM)信號控制排氣泄壓閥執行器電磁閥調制出的調節壓力也與正常值不同，最終導致排氣氣流沖擊排氣泄壓閥和渦輪產生“呲”的氣流聲，用鉗子夾住排氣泄壓閥的拉桿，使排氣泄壓閥開度大一些，增大旁通的廢氣流量，改變了氣流的分布，所以異響消失了。

對于設置故障診斷碼P0171(燃油修正系統低電壓)，分析很可能由于真空罐破裂引起進氣歧管漏氣導致。因為部分空氣沒有經過空氣流量計的計量進入發動機，所以導致混合汽偏稀，從而設置P0171的故障代碼。但是在更換真空罐并行駛幾天以后，發動機故障燈又亮了，ECM又設置了P0171(燃油修正系統低電壓)。維修人員檢查發現，原來是機油加注口蓋上的O型密封圈斷裂丟失了，新鮮空氣經此處被吸入氣門室蓋，再經曲軸箱通風管路進入進氣歧管。更換機油加注口蓋以后，故障徹底排除。