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雷克萨斯NX200t车8AR-FTS发动机涡轮增压系统解析
发布日期:2018-01-02 15:59:19 来源:admin  点击:82
雷克萨斯NX200t车搭载8AR-FTS发动机,该款发动机集可变气门正时智能广角(VVT-iW)、双燃油喷射(D-4S)、双涡管涡轮增压器及气缸盖集成排气管等技术于一体,具有良好的动力性、经济性及排放净化性。目前搭载该款发动机的车型还有广汽丰田汉兰达、一汽丰田新皇冠等。下面笔者以雷克萨斯NX200t车为例,详细介绍8AR-FTS发动机涡轮增压系统。
1   8AR-FTS发动机涡轮增压系统的组成及工作原理
如图1所示,8AR-FTS发动机涡轮增压系统主要由涡轮增压器、中冷器、废气旁通阀执行器、真空调节阀、真空泵、空气旁通阀、电动冷却液泵及增压压力传感器等组成。
1—发动机控制单元;2—电动冷却液泵;3—中冷器;4—中冷器散热器;5—空气旁通阀;6—空气流量传感器;7—涡轮增压器;8—废气旁通阀执行器;9—真空调节阀;10—真空泵;11—发动机冷却液温度传感器;12—曲轴位置传感器;13—进气歧管绝对压力/温度传感器;14—节气门;15—增压压力传感器
图1 8AR-FTS发动机涡轮增压系统
1.1 涡轮增压器基本工作原理
涡轮增压器的驱动力来源于发动机排出的废气。涡轮增压器的涡轮和压缩机同轴安装(图2),当废气气流冲击涡轮时,涡轮高速旋转,同时带动压缩机以相同的速度旋转;经空气滤清器的空气被吸入压缩机,压缩后温度和压力升高;接着压缩空气进入中冷器冷却,然后经过节气门进入气缸,大大提高了发动机的充气效率。另外,该车采用双涡管单涡轮增压器(图3),废气由2个通道导入涡轮,其中气缸1和气缸4共用一个通道,气缸2和气缸3共用一个通道,这样可以更高效地利用脉冲增压效果。
 
图2 涡轮和压缩机同轴安装
 
图3 双涡管单涡轮增压器
1.2 增压压力限制控制
如图4所示,发动机控制单元根据发动机冷却液温度、发动机转速、负荷等信号,对真空调节阀(VRV)进行占空比控制,使废气旁通阀执行器在由真空泵(由排气凸轮轴驱动)产生的真空力的作用下控制废气旁通阀的开度,让部分废气从废气旁通阀排出,调节流过涡轮的废气量,从而有效控制进气增压压力,使之与发动机工况相适应。
当废气旁通阀执行器不受真空力时,废气旁通阀为全开状态;随着真空力的增压,废气旁通阀由部分关闭到完全关闭。
 
图4 增压压力限制控制
1.3 增压空气循环控制
 如图5所示,当发动机工况急剧变化或其他因素引起增压压力急剧上升时,如急加速后急松加速踏板,发动机控制单元控制空气旁通阀使涡轮增压器前后的空气导通,保持压力平衡,可有效避免空气喘振及叶轮损坏,同时能使涡轮保持在较高转速,在需要时能更迅速地向发动机提供所需的增压压力,减小涡轮增压器的迟滞现象。 
 
图5 增压空气循环控制
1.4 涡轮增压系统冷却控制
    由于涡轮增压器长时间处于高温环境中,热量积累较为严重,为有效保护涡轮增压器及降低进气温度,该款发动机采用了独立于发动机冷却系统的涡轮增压冷却系统(图6)。涡轮增压冷却系统中冷却液的循环动力源为电动冷却液泵,发动机控制单元对比由空气流量传感器测得的进气温度和由进气歧管绝对压力/温度传感器测得的经过中冷器后的进气温度,判断中冷器的冷却效率,然后通过占空比信号控制电动冷却液泵的转速,以实现最佳冷却液流率。
 
图6 涡轮增压冷却系统
2   涡轮增压系统的故障诊断
    2.1 涡轮增压系统数据流及主动测试
    在故障诊断时,可用故障检测仪GTS读取相关数据流(表1),以及对真空调节阀、空气旁通阀及电动冷却液泵进行主动测试(表2)。
表1 涡轮增压系统的数据流
数据流含义备注
Atmospheric Pressure大气压力
Intake Air Temperature
B1S1 (Turbo)
经过中冷器后的进气温度由进气歧管绝对压力/温度传感器测量
Wastegate Valve Control Duty Ratio真空调节阀控制占空比
Intercooler Water Pump Speed电动冷却液泵转速
Intercooler Water Pump电动冷却液泵驱动请求占空比
Target Boost Pressure目标增压压力由发动机控制单元计算
Air Bypass Valve Control空气旁通阀工作状
Boost Pressure Sensor实际增压压力由增压压力传感器测量
表2 涡轮增压系统的主动测试项目
测试项目含义控制状态
Activate the Air Bypass Valve激活空气旁通阀ON/OFF
Control the Intercooler Water Pump控制电动冷却液泵0%~100%
Control the Wastegate Valve Duty Ratio控制废气旁通阀(真空调节阀)0%~100%
2.2 涡轮增压系统常见故障
如图7所示,正常情况下,发动机怠速及空加速时的目标增压压力和实际增压压力均约为大气压力,这说明在这2种工况下涡轮增压器均无增压效果,因此若要判断涡轮增压系统的好坏,需要进行路试。
 
图7 发动机怠速及空加速时的数据流(截屏)
涡轮增压系统常见的故障为增压压力不足,导致车辆加速无力。如图8所示,目标增压压力为214.12 kPa,而实际增压压力为106.81 kPa,增压压力严重不足。导致增压压力不足的可能故障原因有:进气管路泄漏;废气旁通阀卡滞在打开位置;废气旁通阀执行器及其真空系统(真空泵、真空罐、真空调节阀及真空管等)故障;排气背压过大;涡轮增压器损坏。如图9所示,在不同状态下,通过废气隔热罩检修口观察废气旁通阀执行器拉杆的位置变化,可以判断废气旁通阀执行器的工作情况。若废气旁通阀执行器拉杆的位置无变化,说明废气旁通阀执行器卡滞或真空力不足。拔下废气旁通阀执行器的真空管,用手感觉是否存在吸力,若无吸力或吸力明显不足,说明真空系统存在故障。
 
图8 增压压力不足时的发动机数据流(截屏)
 
 
图9 不同状态下废气旁通阀执行器拉杆的位置
2.3  涡轮增压系统主要部件的检查
2.3.1 涡轮增压器
主要检查涡轮增压器是否存在漏油及异响。涡轮增压器漏油分为外漏和内漏,当涡轮增压器发生外漏时,可以从涡轮增压器外部(如机油管接头)观察到机油痕迹;当机油通过密封环从轴承壳泄漏至压缩机壳或涡轮壳时称为内漏,此时会有大量白烟从排气管冒出。涡轮增压器异响分为气流啸叫声和金属吱吱声,气流啸叫声的音量和音调会随着发动机转速的增加而增大,可能的故障原因为进气系统或涡轮增压器故障;金属吱吱声的音调相对恒定,一般不会随着发动机转速的变化而变化,可能的故障原因为涡轮增压器损坏。
 
2.3.2 真空泵
    脱开真空泵上的真空软管,将真空表软管连接到真空泵上,起动发动机并暖机2 min以上,发动机怠速时,检查真空泵的真空度,真空度应大于86.7 kPa。
2.3.3 空气旁通阀
脱开空气旁通阀导线连接器,测量其电阻,20 ℃时的电阻应为8.7Ω~9.2 Ω;直接向空气旁通阀施加蓄电池电压(时间不能超过10 s)或用故障检测仪对空气旁通阀进行主动测试,应能听到空气旁通阀工作的声音;拆下空气旁通阀,按下并松开空气旁通阀柱塞(图10)时,柱塞应能迅速返回原位,同时确保无异物卡住柱塞密封圈且柱塞密封圈无损坏。
 
图10 空气旁通阀
2.3.4 真空调节阀
    脱开向真空调节阀导线连接器,测量其电阻,20 ℃时的电阻应为11.1 Ω~12.5Ω。如图11所示,拆下真空调节阀,使用手动真空泵向真空调节阀端口 F 施加 67 kPa的真空度,然后由端口 E 吹入空气时,空气应从滤清器处流出;如图12所示,直接向真空调节阀施加蓄电池电压,然后由端口 E 吹入空气,空气应从端口 F 流出。
 
图11 向真空调节阀施加真空
 
图12 向真空调节阀提供蓄电池电压
 
 

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