詳解奔馳M274發動機渦輪增壓異常原因及故障兩例

◆文/河南 劉勤中

劉勤中(本刊編委會委員)

汽車維修工程師，從業23年，先后擔任一汽-大眾、通用、奔馳技術總監(經理)，具有扎實的理論基礎，在汽車電控診斷領域有著豐富的實戰經驗和獨到的維修見解。先后榮獲一汽-大眾“優秀技術經理”稱號、一等獎；一汽－大眾服務杯全國總決賽亞軍；榮獲上汽通用“汽車維修技術金獎”；公開發表技術文章近100篇，達30余萬字。

奔馳上一代主流MRA后驅平臺使用的是M274型直列4缸縱置發動機(圖1)，于2013年首先裝配在E級車上(代號212)，之后在北京奔馳發動機工廠生產，應用于國產C級、E級以及GLK、GLC等縱置布局的后驅及四驅車型上。其實際排量為1991mL(2.0L)，根據調校不同分為低功率版和高功率版，最大功率分別為135kW和155kW，峰值扭矩分別為300N·m和350N·m。M274型發動機的亮點技術包括第三代Blue DIRECT缸內直噴技術、Camtronic可變氣門升程技術、Lanchester蘭徹斯特平衡軸、可變排量機油泵、以及低慣量渦輪增壓技術。

圖1 奔馳M274型發動機外觀

渦輪增壓是利用排氣推動渦輪葉片(排氣端)高速旋轉，從而帶動進氣口附近的進氣葉片轉動(進氣端)，這樣就能對進氣進行增壓，以提高進氣的壓力，增加進氣密度以達到增加進氣量的目的。但是，想要推動渦輪葉片轉動需要很大的排氣能量，發動機轉速較低時，渦輪增壓器無法工作，所以很多渦輪增壓系統在2 000r/min左右才開始工作。這就是“渦輪遲滯”現象。M274型采用的是低慣量渦輪(圖2)，通過內置小型低慣量轉子大大緩解渦輪遲滯現象。

圖2 奔馳M274型發動機的低慣量渦輪

在奔馳M274發動機工況圖(圖3)中可以看到，不管是高功率版還是低功率版，從1 200r/min開始就可以輸出最大扭矩，且一直持續到4 000r/min(藍色線)。配合9.8：1的高壓縮比，使發動機能在低轉速下實現高扭矩，并兼具發動機高轉速下的靈敏響應。

圖3 奔馳M274型發動機外特性圖

奔馳M274型發動機采用的是IHI日本石川島生產的帶旁通閥的渦輪增壓器，在發動機上的位置如圖4所示。M274型發動機的進氣增壓系統主要包括兩個方面的控制：增壓壓力控制；減速空氣旁通控制。

圖4 奔馳M274型發動機渦輪增壓器的位置

如果有過多廢氣流向渦輪，系統通過打開增壓壓力控制風門，流向渦輪的廢氣通過旁路被轉移，以防渦輪轉動過快。一部分廢氣流通過旁路被引導至渦輪，由此可調節增壓壓力并限制渦輪轉速。通過這種方式，可將增壓壓力調節至符合發動機當前負荷需求。渦輪轉速確定預壓縮空氣量和增壓壓力，增壓壓力由增壓空氣壓力和溫度傳感器不斷進行監測，并被發送至內燃機控制單元。為避免渦輪增壓器過載，內燃機控制單元通過渦輪增壓器上游的傳感器監測排氣溫度和排氣壓力，如果存在過熱或機械過載的風險，則降低增壓壓力。

與M270、M276、M278等發動機一樣，M274型發動機的增壓壓力控制也采用真空氣動控制方式，增壓壓力控制壓力轉換閥Y77/1安裝在發動機汽缸前端蓋處(圖5)。發動機控制單元N3/10通過評估當前負荷獲得增壓需求值后，通過PWM信號促動增壓壓力控制轉換閥Y77/1，將真空儲蓄罐中的真空調制出促動增壓壓力控制風門真空室所需要的特定大小的負壓(真空)，真空室再通過連桿改變廢氣旁通閥的開度，增壓系統的實物連接如圖6所示。

圖5 奔馳M274型發動機渦輪增壓系統結構

圖6 增壓系統實物連接示意圖

增壓壓力控制轉換閥Y77/1的占空比大于5%，受真空作用，真空室內的彈簧回位，帶動長的操縱桿向右移動，短的向左移動。在全負荷范圍內，控制風門關閉，全部廢氣都用于驅動渦輪，形成最大的增壓壓力。這樣，通過改變流經渦輪的廢氣量，來調節或控制增壓壓力。增壓壓力控制示意圖如圖7所示。

圖7 增壓系統壓力控制示意圖

增壓壓力控制轉換閥Y77/1的占空比小于5%或未被促動時，大氣壓克服彈簧的彈力，帶動長的操縱桿向左移動，而短的操縱桿向右移動，從而打開控制風門，部分廢氣通過旁通回路進入排氣管，從而減小增壓壓力。

奔馳M274型發動機采用電動直接控制方式控制減速空氣旁通。啟動減速模式后，由于軸、泵輪和渦輪的慣性，渦輪增壓器會繼續轉動一段時間。因此，如果快速關閉節氣門，一股增壓壓力波會傳回至渦輪增壓器。壓力波會使輸送量處于較低狀態，并在葉輪處形成高壓，引起增壓器泵動 (短促的咆哮聲和機械應力)。系統會及時打開旁通空氣轉換閥Y101(圖8)，通過旁通管路快速減壓，從而防止發生增壓器泵動。

圖8 旁通空氣轉換閥Y101 示意圖

發動機運轉時，旁通管路的膜片關閉；發動機關閉時，集成在減速空氣轉換閥中的彈簧將膜片壓入基座中。如果發動機控制單元N3/10通過實際數值電位計1和2(M16/6r1，M16/6r2) ，檢測到節氣門關閉而啟用減速模式，則會促動旁通空氣轉換閥Y101，膜片克服彈簧作用力和增壓壓力而被拉開，打開通向進氣側的旁通管道，而釋放過多的增壓壓力。旁通空氣轉換閥Y101的剖面圖如圖9所示。

圖9 旁通空氣轉換閥Y101的剖面圖

如果發動機從減速模式切換至負荷狀態，旁通空氣轉換閥Y101將不再被促動， 彈簧將膜片壓向底座方向， 膜片被現有增壓壓力拉入底座，從而再次關閉旁通管道，此時減速空氣旁通狀態圖10所示。

圖10 減速時空氣旁通的狀態

奔馳M274型發動機增壓控制系統的工作原理如圖11所示。旁通空氣轉換閥Y101和增壓壓力控制轉換閥Y77/1從同一個Z結點獲得87號供電，其電路圖如圖12所示。

圖11 增壓控制系統的工作原理

圖12 增壓控制系統電路

上文系統介紹了奔馳M274型發動機增壓系統結構和控制原理，下文將介紹兩個增壓系統(增壓壓力過低和增壓壓力過高)典型故障案例，進一步了解系統的技術特點和故障診斷方法。

案例1 2016款奔馳GLC250加速無力

故障現象

一輛2016款奔馳GLC250 4MATIC，搭載274.920型發動機，VIN碼為LE42539461L00＊＊＊＊，行駛里程為131 439km，該車發動機故障燈亮，且加速無力。

故障診斷與排除

接車后驗證故障現象，該車故障持續存在。連接診斷儀進行快速測試，發現發動機控制單元N3/10中存儲了3個故障碼(圖13)：P052E71-曲軸箱通風系統閥門功能故障，促動器已抱死；P029921-廢氣渦輪增壓器1的增壓壓力過低，信號振幅小于最小振幅；P06DA00為當前故障碼，根據廠家的技術通報，可以忽略。

圖13 故障車內存儲的故障信息

通過試車發現，故障車車速達到80km/h后，明顯存在加速無力的現象，影響正常駕駛。試車加速時發現，增壓壓力的實際值總是低于標準值，比如標準值為150kPa時，實際增壓壓力只有110kPa左右。

由于曲軸箱通風系統閥門Y58/2只在超速運轉模式(即松油門滑行的倒拖工況)下才關閉，以避免異響，對加速時動力性應該沒有影響，因此，以故障碼P029921為線索進行故障分析和排查。

根據故障碼、系統工作原理以及試車時增壓壓力實際值分析，導致增壓壓力過低的可能原因有：廢氣旁通閥控制真空室膜片泄漏；Y77/1增壓壓力控制轉換器連接的真空管路存在泄漏故障；Y77/1增壓壓力控制轉換器故障；廢氣渦輪增壓器機械故障，如旁通閥卡滯在打開位置、渦輪軸卡滯、泵輪葉片變形等；增壓器下游至節氣門之間(含中冷器)存在泄漏故障；中冷器冷卻液泄漏導致冷卻不足；旁通空氣轉換閥Y101泄漏；B28/6節氣門上游壓力傳感器信號失真。

對故障碼P029921進行故障引導測試，怠速時增壓壓力調節器脈沖負載系數為98%(圖14)，在正常范圍87%～100%內，正常。

圖14 故障碼P029921的引導測試結果

對故障碼P029921進行故障引導測試后，促動檢測增壓壓力控制轉換器Y77/1，與正常車對比發現，渦輪增壓器的控制桿雖然能夠移動，但是移動距離小，且不迅速、不靈活，明顯存在異常。用真空表測量廢氣旁通閥真空室，結果最大負壓只能達到-20kPa，且無法保持，需要連續不斷地用真空槍手動抽真空。正常情況下該負壓能達到-80kPa，且可長時間保持，這說明故障車的真空室膜片存在泄漏。

用手拉動左側旁通閥與控制真空室之間的操縱桿，發現旁通閥沒有卡滯現象。用煙霧檢測器檢查Y77/1增壓壓力控制轉換器連接的真空管路，未發現泄漏情況。

綜合上述檢查分析，該車故障原因為廢氣旁通閥控制真空室膜片泄漏，導致渦輪增壓器廢氣旁通閥無法關閉，使得增壓壓力過小，從而出現發動機動力不足的故障現象。

由于廢氣旁通閥控制真空室不單獨提供，只能更換渦輪增壓器總成。更換后試車，該車加速正常，故障被徹底排除。

案例2 2018款奔馳E200L發動機動力不足

故障現象

一輛2018款奔馳E200L，搭載274.920型發動機，VIN碼為LE42131421L18＊＊＊＊，行駛里程為52 679km，車主反映，該車加速時發動機轉速上升，但車速上不去，推背感不強。

故障診斷與排除

試車發現，該車發動機故障燈雖然未點亮，但提速很慢，與正常車對比推背感很差，影響到正常的駕駛感受，且故障持續存在。

連接診斷儀進行快速測試，發動機控制單元N3/10中設置了1個存儲狀態的故障碼P023422-廢氣渦輪增壓器1的增壓壓力過高，信號振幅大于最大振幅，故障頻率為5次。從凍結數據看首次和最后一次，車速在60～100km/h之間時，發動機轉速均在2 400r/min左右，節氣門開度不足0.5%，基本處于關閉狀態(圖15)。這說明故障發生在超速運轉模式(即松油門滑行的倒拖工況)。

根據系統工作原理、故障碼及凍結數據分析，系統設置增壓壓力過高故障碼的可能原因有：廢氣旁通閥卡滯，打開不迅速，如廢氣旁通閥真空室拉桿被變形的隔熱板干涉；廢氣旁通閥真空室拉桿調整螺母松動、位移，導致旁通閥始終關閉或開度過小；旁通空氣轉換閥Y101卡滯，不能在超速運轉模式下打開；B28/6節氣門上游壓力傳感器信號失真或臟污，導致測量值比實際值高很多；Y77/1增壓壓力控制轉換器機械故障，導致廢氣旁通閥真空室真空釋放過慢；發動機控制單元軟件問題。

拉動廢氣旁通閥真空室拉桿進行檢查，發現旁通閥沒有卡滯現象，隔熱板與拉桿無干涉；檢查廢氣旁通閥真空室拉桿螺母，無松動、位移的情況；利用XENTRY診斷儀促動旁通空氣轉換閥Y101，可明顯感覺到Y101的振動，但拆下Y101檢查，未見異常；拆下B28/6節氣門上游壓力傳感器檢查發現，傳感器有些臟污的情況，用清洗劑清理干凈后裝復。

找來同款正常車進行對比發現，怠速時猛踩一腳油門，正常車真空室拉桿立即關閉旁通閥，之后拉桿又立即釋放，而故障車的真空室拉桿在踩油門的一瞬間也會立即關閉旁通閥，但是之后拉桿不能迅速釋放，而是緩慢釋放，導致廢氣旁通閥打開過慢。換上正常車的增壓壓力控制轉換器Y77/1后試車，拉桿收放迅速，故障現象消失。

綜合上述檢查分析，該車故障原因是Y77/1轉換器存在機械故障，導致廢氣旁通閥真空室真空釋放過慢，在超速運轉模式下，增壓壓力過高，發動機控制單元限制扭矩和功率的輸出，動力下降。換上新的Y77/1后，該車故障被徹底排除。

維修小結

1.奔馳各款發動機采用不同供應商的增壓器，如M275采用德國的KKK公司的渦輪增壓器，它曾經是奔馳公司的子公司，后并入美國博格華納(BorgWarner)公司。M274和M276及M278均采用IHI日本石川島渦輪增壓器，M282和OM642采用美國蓋瑞特(GARRETT，霍尼韋爾Honeywell旗下)渦輪增壓器，M264采用MHI日本三菱重工渦輪增壓器，M256的廢氣渦輪增壓器和電動輔助空氣壓縮機供應商均是美國博格華納(BorgWarner)。

2.奔馳渦輪增壓器的廢氣旁通閥控制方式的變化趨勢是從壓力氣動控制變為真空氣動控制，最終發展為通過促動器直接電動控制。采用壓力氣動控制(執行器為Y31/5)的發動機有M275、M277和M279；采用真空氣動控制(執行器為Y77/1)的發動有M270、M274、M276和M278)；采用直接電動控制(執行器為M16/7)的發動機有M264、M256和M282。

3.奔馳渦輪增壓器的減速空氣旁通控制方式的變化趨勢是由氣動控制變為電動控制。采用氣動控制(執行器為Y101)的發動機有M275、M277和M279；采用電動控制(執行器為Y101)的發動機有M270、M274、M276、M278、M256和M264。

4.使用真空表測量M270、M274、M276和M278的廢氣旁通閥控制真空室，真空標準值都在-80kPa左右。