电控可变截面增压系统检修see

2009.1,学习情境5：电控辅助系统检修,项目5.2：电控VGT系统检修,2009.1,1.废气涡轮增压器的结构和工作原理所谓增压就是将空气预先压缩然后再供人气缸，以期提高空气密度、增加空气量的一项投术。由于迸气量增加，可相应地增加循环供油量。从而可以增加发动机的功率，同时还可以改善燃油经济性和排放性能。其中柴油机上广泛采用的是废气涡轮增压，实现空气增压的装置是涡轮增压器。涡轮增压器由涡轮机和压气机构成。将发动机排出的废气引人涡轮机，利用废气所包含的能量推动涡轮机叶轮旋转，并带动与其同轴安装的压气机叶轮工作，新鲜空气在压气机内增压后进入气缸，工作原理如图1所示。增压后的车用发动机功率可以和比它排量大40%的发动机功率相媲美。,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,2009.1,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,图1涡轮增压器工作原理,2009.1,2.废气涡轮增压器种类废气涡轮增压器主要有三类：普通自由浮动增压器、旁通式涡轮增压器和可变喷嘴涡轮增压器。（1）普通自由浮动增压器增压发动机在大负荷、高转速运转时，具有输出功率大、经济性好的特点，但车用发动机经常在低速大转矩的工况下运行，需要较高的转矩储备系数。而普通增压柴油机的转矩特性较平坦，随增压度的提高，其转矩特性变差，不能满足车辆的要求。涡轮增压发动机在宽广的转速范围内运行，而固定流通截面的高压比涡轮增压器在发动机低速时，其压比将明显下降，不能和发动机在整个运转工况保持良好的匹配。,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,2009.1,（2）旁通式涡轮增压器增压器按低速大转矩工况匹配，在高转速工况时，利用放气阀在涡轮前放走一部分废气。涡轮前的放气阀由增压压力自动控制，当发动机转速超过一定大小时，增压压力便克服弹簧阻力使放气阀打开开始放气。该方法由于放气阀的开启，会造成较大的损失，使发动机高速时的经济性变差。不适于高速大功率较多工况的发动机。旁通式涡轮增压器工作原理图如图2所示。,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,2009.1,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,图2旁通阀式涡轮增压器工作原理图,2009.1,（3）可变截面涡轮增压器可变截面涡轮增压器通过改变涡轮的流通截面来实现与柴油机在各个车速工况下的最佳匹配。所有的工况点与发动机都有良好的匹配，使发动机的性能都达到最佳。图3为奥迪A6电控柴油机可变截面涡轮增压器，图4和图5为其结构与工作原理图。控制连杆通过控制连杆定位销带动调整环转动，通过导向销、轴带动叶片旋转，当叶片位置转动时，涡轮的流通截面相应改变。流通截面越小，废气的流速越大，同时涡轮的输出功率越大，增压比相应越高。当发动机处于不需要高增压比的情况下，叶片处于另外的极限位置，废气的流动损失也越小。,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,2009.1,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,图3奥迪A6电控柴油机废气涡轮增压器的结构,2009.1,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,图4可变涡轮增压器结构,1.传动拉杆2.摇臂3.传动销轴4.叶片5.支撑环6.转动盘A-接膜盒式真空执行器,2009.1,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,图5可变截面涡轮工作原理图,2009.1,3.废气涡轮增压器调节的目的轿车柴油机上的废气涡轮增压器系统采用的是可调增压器，这与载货汽车柴油机不一样。载货汽车柴油机一般采用固定截面的增压器，能实现发动机与增压器的良好匹配。虽然此时增压压力随转速降低而下降，但由于发动机的转速变化范围不大，一般在的2500r/min以下，且强化程度不高，即使不采用增压器的调节措施，发动机与增压器仍能实现良好的匹配。,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,2009.1,轿车柴油机具有工况变化频繁且转速变化范围宽(最高转速可达5000r/min)等特点,因此，要求增压器在宽广的工况范围内有良好的流通特性和较高的效率。然而传统形式的涡轮增压器的涡轮喷嘴截面积或进气通道截面积的大小是固定的，面径比A/R值(A-通道人口最小截面积，R-涡轮中心与通道人口最小截面中心的距离)恒定不变。因而难以同时满足发动机低速和高速的全面要求。如果保证发动机在最大转矩点时有足够的增压压力，则在发动机标定转速时，就要出现过高的增压压力。这就带来发动机过高的机械负荷和涡轮增压器的严重超速，这是不允许的。若以考虑发动机额定转速时所需要的增压压力，则在发动机低速时，增压压力就下降过多，不能保证足够的转矩。人们提出了补燃法、放气法等方法解决上述问题。但从能量利用的角度来说，这些方法是不经济的。显然，在这种情况下，只能求助于可调增压器，使发动机在某转速以上保持不变的增压压力，或分阶段地实现调节.,一、废气涡轮增压器的结构、工作原理和种类,2009.1,长城哈弗车装备了具有电控高压共轨系统（Bosch公司的CRS2.0系统）的GW2.8TC型柴油机，该柴油机采用了带旁通阀式的废气涡轮增压器，增压器为Garret公司的GT22型或三菱公司的TF035HM增压器，其最高转速180000r/min，最高压比为1.83。,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗GW2.8TC型柴油机中的应用,2009.1,1.旁通阀式增压器的结构如图6所示，GW2.8TC型柴油机的废气涡轮增压器由涡轮、径流式压气机、中间壳、转子总成和旁通阀等组成。涡轮和压气机分别被安装在轴的两头，并有各自的铸造壳体，轴本身被安装在中间壳中，并由中间壳来支撑。,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗GW2.8TC型柴油机中的应用,2009.1,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗GW2.8TC型柴油机中的应用,图6废气蜗轮增压器的构成图,1.蜗轮壳2.蜗轮3.压气机4.压气机壳体5.旁通阀6.转子总成7.中间壳,2009.1,如图7所示，涡轮部分主要包括涡轮壳、单级径流式涡轮，它们是一个能量转换器。柴油机排出的废气经过涡轮壳喷向涡轮叶轮时，将废气的热能及压力能转变成动能，从而使涡轮高速旋转。,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗GW2.8TC型柴油机中的应用,图7蜗轮部分的构成图,1.蜗轮壳2.单级径流式蜗轮,2009.1,如图8所示，中间壳是支撑转子总成及固定涡轮壳、压气机壳的中间支撑体，也是润滑和冷却浮动轴承的润滑油箱。,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗GW2.8TC型柴油机中的应用,图8中间壳部分的构成图,1.压气机叶轮2.蜗轮叶轮3.浮动轴轴承4.转子总成5.中间壳,2009.1,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗GW2.8TC型柴油机中的应用,如图9所示，润滑系统的作用是冷却来自涡轮工作的热量、向轴承系统提供润滑、为转子动平衡提供油膜支撑。,图9增压器轴承及润滑,2009.1,如图10所示，涡轮轴与涡轮叶轮采用摩擦焊（利用焊件表面相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压焊方法）连成一体，压气机叶轮以过渡配合装入涡轮轴上，并用自锁螺母压紧。整个转子总成经过非常精确的动平衡，以保证高速运转情况下正常工作。,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗GW2.8TC型柴油机中的应用,2009.1,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗GW2.8TC型柴油机中的应用,图10涡轮叶轮、压气机叶轮与涡轮轴的连接,1.摩擦焊连接2.过渡配合连接,2009.1,如图11所示，转子总成的支撑采用内支撑在两叶轮之间的中间体上，即两个全浮式浮动轴承布置在两叶轮之间的中间体上，转子的轴向力由固定在中间体上的止推轴承装置承受。,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗GW2.8TC型柴油机中的应用,图11全浮式浮动轴承及止推轴承,1.全浮式浮动轴承2.止推轴承,2009.1,2.旁通阀式增压器的工作原理旁通式增压器具有低速扭矩大并能兼顾高低速性能的优点。其旁通阀工作是由增压压力来控制的。当增压压力达到预定值时，旁通阀打开，将部分多余废气排掉，控制涡轮增压器增压比，使发动机气缸内的爆发压力不超过发动机机械涡轮增压器负荷的允许值。采用旁通阀的目的是为了保证柴油机在低、中速范围内与涡轮增压器具有最佳的匹配效果，以便柴油机能够得到较充足的空气量，并与随之加大的燃油供给量相适应，增大低速扭矩，改善燃油消耗，在高速范围通过旁通阀放气（即部分废气不经过涡轮直接进入排气管）以避免增压器转子超速或增压压力过高而引起气缸内燃烧压力过大，加剧柴油机的及机械负荷等。,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗GW2.8TC型柴油机中的应用,2009.1,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗GW2.8TC型柴油机中的应用,如图12所示，旁通阀的开闭由增压压力自动控制。将压气机出口的增压压力引入旁通阀调节器的密闭压力室内，当增压压力达到或超过规定值时，其膜片将克服左边的弹簧力，与联动推杆一起向左移动，推动摇臂绕销轴旋转，使放气阀开启，实现排气旁通放气，控制增压器转速的上升。使发动机气缸内的爆发压力不超过发动机机械负荷的允许值。,2009.1,二、旁通阀式废气涡轮增压器在长城哈弗GW2.8TC型柴油机中的应用,图12旁通阀的结构及工作原理,A-废气入口B-废气出口C-进气入口D-进气出口1.调节螺母2.旁通阀3.摇臂4.销轴5.排气管6.涡轮,2009.1,华泰圣达菲车装备了具有电控高压共轨系统（Bosch公司的第二代产品CRDi）的D4EA柴油机，该柴油机采用了带中冷器（空气冷却）电子控制的可变截面涡轮增压器VGT，为美国Garret公司的GT27型增压器。D4EA发动机采用的可变截面增压器VGT剖面图如图13所示。,三、可变截面涡轮增压器在华泰圣达菲车D4EA柴油机中的应用,2009.1,图14VGT的实物剖面图,三、可变截面涡轮增压器在华泰圣达菲车D4EA柴油机中的应用,A-润滑油入口B-润滑油出口C-接VGT电磁阀1.压气机叶轮2.止推轴承3.全浮式浮动轴承4.废气涡轮5.膜盒式真空执行器,2009.1,旁通阀式废气涡轮增压器中，涡轮机转子叶片与壳体之间的截面积是固定不变的，在废气冲击下其转速与发动的转速有关。当发动机低转速工作时，废气的动能小，涡轮机的转子转速较低，同轴带动压气机的充气量相对较少，增压后的进气压力较低；而发动机高速旋转时，废气的动能大，同轴带动压气机的充气量相对较多，增压后的进气压力高。这种充气量的差异，限制了发动机中低时速功率的提高。可变截面废气涡轮增压器（VGT-VariableGeometryTurbocharger）正是针对此改进设计的，它主要是提高发动机中低速的充气量，从而提高发动机的功率、消除了传统涡轮增压器低转速时的“涡轮迟滞”现象。,三、可变截面涡轮增压器在华泰圣达菲车D4EA柴油机中的应用,2009.1,华泰圣达菲车装备了具有电控高压共轨系统（Bosch公司的第二代产品CRDi）的D4EA柴油机，该柴油机采用了带中冷器（空气冷却）电子控制的可变截面涡轮增压器VGT，为美国Garret公司的GT27型增压器。D4EA发动机采用的可变截面增压器VGT剖面图如图14所示。VGT系统的组成如图15所示。,三、可变截面涡轮增压器在华泰圣达菲车D4EA柴油机中的应用,2009.1,图15圣达菲车D4EA柴油机VGT系统组成图,1.增压压力传感器2.膜盒式真空执行器3.摇臂4.VGT5.VGT电磁阀6.发电机7.真空泵,三、可变截面涡轮增压器在华泰圣达菲车D4EA柴油机中的应用,2009.1,参考图4，VGT的压气机部分与一般废气涡轮增压器相同，而在涡轮机侧除具有涡轮转子外，还有转动叶片组、传动及操纵结构（含膜盒式真空执行器及VGT电磁阀等）。在涡轮机转子一侧的圆形固定盘上，装有转动叶片组，它的几何位置由ECU通过控制VGT电磁阀、膜盒式真空执行器来控制。当发动机处于中低速时，废气的动能较小，膜盒式真空执行器使活动叶片组处于最大关闭位置，叶片间通道通道截面变小，因此废气进入涡轮机的速度加大，从而使涡轮机的转速提高，同轴带动压气机使充气量较普通的增压器增多。当发动机高速旋转时，废气动能增加，气膜盒式真空执行器推动活动叶片组逐步打开，最终至全开位置，叶片间通道截面增大，导致废气进入涡轮机速度减慢，从而使涡轮机转速降低，同轴带动的压气机使进气量维持在合适的范围内。,三、可变截面涡轮增压器在华泰圣达菲车D4EA柴油机中的应用,2009.1,三、可变截面涡轮增压器在华泰圣达菲车D4EA柴油机中的应用,不带VGT的D4EA柴油机（有旁通阀式涡轮增压器）的最大输出功率为83KW，最大输出扭矩为255N.m，而带VGT的D4EA柴油机（与前者比较，其它方面几乎相同）的最大输出功率增加了9KW，达到92KW，最大输出扭矩达285N.m，增加了30N.m。由此可见，VGT系统明显提高了发动机的动力性。,2009.1,上述电磁阀控制真空式VGT系统，由于受到电磁阀动作频率的影响，存在迟滞现象，为此可以采用电机驱动的直动式电控VGT系统。华泰清洁柴油机RA420（暂未批量生产）就采用了直动式电控VGT系统，并且带有位置传感器，能够实现闭环控制，如图16所示。,补充,2009.1,补充,图16华泰清洁柴油机RA420的直动式电控VGT系统,2009.1,说明：电控VGT系统可以通过诊断仪读取数据流，华泰圣达菲车D4EA柴油机怠速状态下，用Hi-Ds-Scanner诊断仪实测VGT数据流（占空比PWM）如图17所示。,图17圣达菲车D4EA柴油机怠速实测VGT数据流（占空比）,2009.1,图18圣达菲柴油机2.0VGT车新的VGT照片,2009.1,图19圣达菲柴油机2.0VGT照片,2009.1,（1）放气阀的开启压力规定值是由厂家设定（183Kpa），用户不得进行任何调整，即联动推杆上的调节螺母不得拧动，否则将会严重损害柴油机的动力性、经济性及使用可靠性。（2）任何情况下，不得以联动推杆作为把手或台阶予以承载或蹬踏。（3）在使用中，如发现引气管漏气或联动推杆不灵活时，应立即停车予以排除。（4）放气阀部分及密闭压力室不能维修，如发现损坏，必须更换整个涡轮壳装置。,四、废气涡轮增压器使用注意事项,2009.1,（1）增压器采用发动机润滑油进行润滑,必须使用厂家规定的机油和滤清器；（2）停机时间过长，起动发动机前，须预先润滑涡轮增压器；（3）发动机启动后3-4秒内，增压器进油口必须显示油压；（4）发动机负载运行时，增压器进油口处润滑油压力在最大扭矩工况及以上转速时，机油压力应在196392kpa范围之内，怠速工况应不小于69kpa；（5）润滑油进油温度应在100以下，最高不应超过120；,五、涡轮增压器使用要求,2009.1,（9）发动机停机之前，要使它的温度和转速逐步地从最大值降下来，这时,需要发动机中速怠速或在轻负荷工况下工作一段时间（35min)。因为当发动机在最大输出功率或最大扭矩状态下工作时，涡轮增压器的转速和温度也达到最大值。这时突然停机，会使涡轮增压器在缺油的情况下运转，并导致轴承或中间壳里的残留润滑油碳化而形成积碳。,五、涡轮增压器使用要求,2009.1,1.涡轮增压器的日常检查必须在发动机冷下来后才能进行检查，检查中不能开动发动机，以免造成人员伤害。涡轮增压器的日常检查包括下列内容：（1）检查空气滤清器与增压器、增压器与发动机进排气管之间的连接管路密封性和紧固情况；（2）检查涡轮增压器进回油管有无损坏或节流现象，接头处连接螺栓有无松动；（3）检查机油品质、清洗或更换机油滤芯；（4）检查空气滤清器并定期清洁或更换滤芯；（5）检查发动机曲轴箱呼吸器是否通畅，保证曲轴箱压力正常。,六、涡轮增压器的日常检查、清洁方法,2009.1,2.涡轮增压器的清洁方法涡轮增压器属精密高速旋转机械，其最高转速为180000r/min，正常转速也在每分钟几万到十多万转，因此，一般情况下，不允许对增压器总成进行解体与维修。当增压器因粘污或积碳过多造成转子转动不灵活或柴油机性能变差时，可在不全部解体增压器的情况下进行简单的清理与清洗，具体方法如下：,六、涡轮增压器的日常检查、清洁方法,2009.1,（1）清除增压器表面的灰尘及油污；（2）把增压器从柴油机上拆下，注意不得以联动推杆为把手拎起增压器；（3）应先拆下引气管，然后拆下放气阀调节装置；（4）拆下压气机壳、涡轮壳及进回油管和冷却液管连接部件；（5）清理和清洗压气机壳、涡轮壳以及两个叶轮表面；（6）从进油口处注入适量的干净清洗剂，同时用手转动叶轮，反复进行直到转动灵活。,六、涡轮增压器的日常检查、清洁方法,2009.1,大多数涡轮增压器的损坏，主要由下列原因造成：与润滑有关的问题、外来物体进入、异常噪音、工作温度过高、使用和保养不善等。仔细地检查涡轮增压器上被损坏的零件，并正确地分析它们的工作条件，常常能精确地确定产生问题的原因。当在某些情况中一时找不出原因时，则要针对每一种情况逐一查找原因，如果涡轮增压器是由于外界因素而被破坏的，并且找不出故障原因而加以修复，那么其更换件又会很快地以相同的方式被损坏。,七增压器失效模式分析,2009.1,（一）与润滑有关的问题1使用不洁润滑油不洁润滑油进入增压器会导致转轴、轴承、轴承座孔的磨损，并破坏转子的动平衡，最后造成增压器损坏。下列情况会导致润滑油不洁：（1）柴油机使用的润滑油滤清器不符合规定，或使用伪劣滤芯；（2）使用中滤芯被击穿，或柴油机主油道滤清器被堵塞，润滑油进入旁通道；（3）没有按规定周期，更换润滑油；（4）更换增压器或作预润滑时，杂质进入润滑油管路。,七增压器失效模式分析,2009.1,2润滑油不足增压器润滑油有润滑和冷却功能，润滑油不足，首先，影响导致冷却功能下降，导致增压器过热，烧坏增压器的轴及轴承等，并破坏转子动平衡，最后导致增压器损坏。以下情况会导致供油不足：（1）没有按规定定期更换润滑油或使用CD级以上的润滑油，导致润滑油结焦，丧失其功能；（2）柴油机在大负荷工作后突然停机，导致转子和轴承过热，损坏增压器；（3）开机后未怠速运行，马上加负荷或更换增压器前未作预润滑，导致转子缺油，产生干摩擦，损坏增压器；（4）进油管路或润滑油滤清器堵塞、润滑油泵故障、或润滑油压力低等。,七增压器失效模式分析,2009.1,3增压器漏油增压器漏油是一种比较常见的故障现象，如果及时发现并排除故障原因，可有效避免使涡轮增压器失效。下列情况会导致增压器漏油：（1）发动机空滤器或进气管路阻塞，导致进气负压过大；（2）增压器回油管撞弯或损坏，导致回油节流；（3）中间体油腔内积碳，导致回油不畅；（4）压气机壳出气口到发动机进气管之间的连接管路是否漏气；（5）涡壳进气口与排气管出气口的连接处是否漏气；（6）怠速时间过长；（7）曲轴箱内油压或油位过高，曲轴箱通风管堵塞；（8）发动机下窜气过大。,七增压器失效模式分析,2009.1,七增压器失效模式分析,（二）外来异物进入增压器外