雪佛兰克鲁兹涡轮增压控制原理与检修

文/ 河南 刘勤中河北 乔士平

增压压力控制是通过在涡轮增压器上集成一个压差控制的内置式排气旁通阀(Internal Wastegate Actuator)，又被称为排气泄压阀。它由发动机控制模块(ECM)通过脉宽调制(PWM)电磁阀进行控制，用于调节压气机的增压值，这是目前应用的涡轮增压器中最常见的压力调整形式。在发动机处于较高转速或者高负荷下，排气气流的一部分通过排气泄压阀流出涡轮外，这样减少了流过涡轮的废气流量，降低了排气背压，从而防止涡轮增压器转速超速，避免增压系统增压压力过大。在发动机低转速或低负荷的情况下，排气泄压阀关闭，所有排气流经涡轮并驱动涡轮。排气泄压阀由排气泄压阀膜片通过一个拉杆来操纵。排气泄压阀膜片上共有三个作用力，分别为废气压力、弹簧张力和排气泄压阀执行器电磁阀调制出来的调节压力，三个作用力的合力最终控制排气泄压阀的位置。图3所示，排气泄压阀执行器电磁阀连接三根软管，分别通空气高压端(泵轮后)、空气低压端(泵轮前)和排气泄压阀膜片阀。发动机控制模块通过脉宽调制信号控制排气泄压阀执行器电磁阀，将高压侧和低压侧的空气混合成所需调节压力的空气通往排气泄压阀膜片，占空比为100%时与低压侧(泵轮入口)相通，占空比为0时或断电时与高压侧(泵轮出口)相通。

发动机怠速时，发动机控制模块对涡轮增压器排气泄压阀的参数指令为0。节气门全开状态下(发动机负载)或转速首次提高时，发动机控制模块对涡轮增压器排气泄压阀参数指令到高达90%～100%。当增压压力到达适当水平时，发动机控制模块将电磁阀的脉宽调制控制在65%～85%。节气门关闭后，发动机控制模块将指令涡轮增压器排气泄压阀参数回复到0，以便使涡轮增压器排气泄压阀根据空气压差比打开，降低涡轮的速度。

排气泄压阀在怠速状态下完全关闭，所有的废气能量都通过涡轮(图4)。排气泄压阀保持关闭有三个原因：①泵轮出口压力小，倾向于关闭排气泄压阀；②膜片阀中的回位弹簧帮助保持排气泄压阀的关闭；③废气气流的能量太低，不足于克服回位弹簧的张力。

如果在发动机低速时请求节气门全开，则发动机控制模块将以占空比100%指令增压控制电磁阀，使涡轮增压延迟最小。中等发动机负载且高转速时，发动机控制模块将以占空比为65%～80%指令增压控制电磁阀。歧管压力高至240kPa时，涡轮增压器排气泄压阀打开(图5)。

当发动机控制单元设置特定的故障诊断码后，发动机控制模块将限制增压压力的大小。限制增压压力是通过发动机控制模块控制排气泄压阀控制电磁阀，保持占空比为0来实现的。这意味着发动机控制模块在较大的发动机负载时，不能有效关闭排气泄压阀，此时系统限制为机械增压。机械增压意味着排气泄压阀将仍然移动，但是运动量被膜片阀中的回位弹簧的机械属性、执行器的气动属性和排气系统中排气气流的物理特性所限制。在这种操作模式下，歧管压力的最大压力值控制为140kPa。

以上讲述的是增压压力控制，下面介绍一下超速切断控制，涡轮增压器上集成一个增压空气旁通阀，如图6所示。增压空气旁通阀由发动机控制模块通过增压空气旁通阀电磁阀进行控制，当超速切断工况(大负荷行驶时，突然松开油门)时节气门开度迅速减小，而涡轮增压器有滞后性，转速仍然较高，增压空气继续流向节气门，若不加以控制被阻障的高压空气会形成较大的气流冲击振动，可能造成节气门、泵轮叶片和进气管路的损坏。此时，发动机控制模块将增压空气旁通阀电磁阀打开，接通增压空气旁通阀的真空回路，增压气体在涡轮增压器中形成局部循环，避免增压空气冲击节气门，并且可以保持涡轮增压器处于一个较高的转速，以优化涡轮增压器的加速响应性。

增压空气旁通阀电磁阀是个开关阀，当节气门突然关闭，如果增压器的压力值超过标定压力值，ECM会立即驱动增压空气旁通阀电磁阀通电打开，接通增压空气旁通阀与真空罐的管路，并持续1s以上，使增压空气旁通阀动作，打开旁通气道。在进气歧管旁边有一个增压空气旁通阀真空罐，作用是提供瞬时真空源。当ECM不通电时，增压空气旁通阀电磁阀与进气歧管相通，但因真空度不够，增压空气旁通阀处于关闭位置，只有在急减速时才会打开。这是一种冗余设计，在增压空气旁通阀电磁阀失效时，超速切断控制系统也能起到一定的保护作用，避免增压压力过高造成机件损坏。

发动机控制模块首先确认节气门位置传感器、发动机转速传感器和增压压力传感器的完整性，之后根据这3个传感器的信号计算出一个的模拟空气流量，并将这个计算结果与空气流量传感器实际测量的空气流量值进行比较，来判断增压空气旁通阀是否卡在关闭位置。如果发动机控制模块检测到进气系统的一系列脉动值超过了标定阈值，就会设置故障诊断码P2261(涡轮增压器进气旁通阀卡滞)。

了解了增压系统的控制原理和结构，下面通过一个故障实例的排除，加深一下理解。

一辆雪佛兰科鲁兹装配1.6T涡轮增压发动机(代号LLU)，行驶里程9623km。故障现象为发动机故障灯亮、行驶加速无力、松油门后发动机有“呲”的异响声。

维修人员接车后，经反复试车，发现异响出现在松开加速踏板以后。用听诊器倾听，确定声音来自涡轮增压器内部。用GDS2+MDI检查ECM，显示有故障码P2261，含义为涡轮增压器旁通阀卡住(当前故障)；故障码P0171，含义为燃油修正系统低电压(历史)。

维修人员观察排气泄压阀在松油门以后会立即关闭，尝试用钳子夹住排气泄压阀的拉杆，使其不能完全关闭，结果异响消失了，说明异响可能是增压压力控制系统失控，而产生的气流冲击声。因故障码P2261直接指向超速切断控制系统，所以首先检查增压空气旁通阀及其控制元件，结果发现旁通阀真空罐壳体有裂缝(图7)。更换增压空气旁通阀真空罐(零件号90502721)后异响消失，故障排除。

在这个故障中，排气泄压阀属于增压压力控制系统，而损坏件真空罐属于超速切断控制系统，分属于增压控制的两个系统。那为什么用钳子夹住排气泄压阀的拉杆，使其不能完全关闭，结果异响就消失了呢？这是因为真空罐破裂导致增压空气旁通阀真空度不足，无法打开，进气管内的压力比正常值大，发动机控制模块(ECM)通过脉宽调制(PWM)信号控制排气泄压阀执行器电磁阀调制出的调节压力也与正常值不同，最终导致排气气流冲击排气泄压阀和涡轮产生“呲”的气流声，用钳子夹住排气泄压阀的拉杆，使排气泄压阀开度大一些，增大旁通的废气流量，改变了气流的分布，所以异响消失了。

对于设置故障诊断码P0171(燃油修正系统低电压)，分析很可能由于真空罐破裂引起进气歧管漏气导致。因为部分空气没有经过空气流量计的计量进入发动机，所以导致混合汽偏稀，从而设置P0171的故障代码。但是在更换真空罐并行驶几天以后，发动机故障灯又亮了，ECM又设置了P0171(燃油修正系统低电压)。维修人员检查发现，原来是机油加注口盖上的O型密封圈断裂丢失了，新鲜空气经此处被吸入气门室盖，再经曲轴箱通风管路进入进气歧管。更换机油加注口盖以后，故障彻底排除。