发动机电控系统结构原理与检修项目一：汽车发动机电控系统诊断与维修1.3.5

任务1

电子节气门控制系统检修怠速控制系统的认知可变气门控制系统检修任务2

任务3

可变进气管道控制系统检修任务4

进气增压控制系统检修任务5

情境描述一辆2016年款一汽大众迈腾B7轿车，装备1.8T涡轮增压发动机，报修加速无力。初步诊断是废气涡轮增压系统故障。你的主管把这个检修任务分配给你，你能完成吗？情境提示加速无力的故障较为常见，通常发动机导致该故障的系统有进气系统、排气系统、燃油系统。产生该故障现象发动机不一定会存有故障代码，作为维修技师，必须熟悉各系统的诊断方法才可以对该车辆进行维修。本情境中，根据故障现象，排除其他系统的原因后，如果确认故障出现在涡轮增压系统，应检查涡轮增压系统是否工作和泄漏。因为设计原因，如果使用机油品质不对，可能造成涡轮增压器烧毁，必要时应更换涡轮增压器。情境导入技能目标1.能够进行增压压力的检测；2.能够进行涡轮增压控制系统部件的检测。学习目标知识目标1.能描述涡轮增压器的基本结构原理；2.能描述涡轮增压器增压压力的控制方法；3.能描述机械增压系统的结构与原理。基本知识进气增压系统主要作用就是提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩。发动机采用增压系统后进气控制系统向气缸提供的空气比仅靠活塞自然吸入的空气更多，压力更高。当更多的空气被压入气缸时，发动机电子控制单元必须增加燃油量以保持14.7：1的空燃比，使发动机功率增大，适应高速、大功率要求，从而改善发动机的动力性。一台发动机装上增压器后，其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。增压技术已经成为提高发动机功率、完善发动机性能的重要手段。1.涡轮增压系统的功用基本知识进气增压系统有废气涡轮增压、机械增压、电动增压等。废气涡轮增压是最常用的一种增压技术。废气涡轮增压（TurboBoost），是一种利用内燃机运作所产生的废气驱动空气压缩机的技术。它利用从发动机排气管排出的具有压力和较高温度的废气驱动涡轮机旋转，与涡轮同轴相连的泵轮便被带动旋转，如图4-5-1所示，将吸入的新鲜空气进行压缩后再进入发动机气缸内，从而在气缸体积不变的情况下达到增加气缸空气量的目的。如果我们在车辆尾部看到Turbo或者T，即表明该车采用的发动机是涡轮增压发动机了，例如如奥迪A6的1.8T，帕萨特1.8T和大众TSI。图4-5-1废气涡轮增压系统基本知识废气涡轮增压基本原理如图4-5-2所示。发动机工作时，由排气管排出的高温、高压废气流经增压器的涡轮壳，在废气进入涡轮壳时利用废气通道截面的变化（由大到小）来提高废气的流速，使高速流动的废气按一定方向冲击涡轮，并带动压气机叶轮一起旋转，增压器转子的转速很高，每分钟上万转甚至数十万转。经空气滤清器滤清后的空气被吸入压气机壳，旋转的压气机叶轮将进入压气机壳的空气甩向叶轮边缘出气口，使空气的压力和流速升高，并利用压气机出气口处通道截面的变化（由小到大）进一步提高空气压力，增压后的空气经进气冷却器（中冷器）和进气管进入气缸。图4-5-2废气涡轮增压基本原理图2.废气涡轮增压组成和工作原理基本知识通过使用废气增压器可以得到较大的扭矩，同时可以达到较高的发动机功率，这一切是通过吸入的空气被压缩实现的。因为空气被压缩因此在每一个吸气冲程有更多的空气也就是更多的氧气进入燃烧室内，通过氧气供给量的提高可以得到更好的燃烧效果，同时功率也增加。发动机中的废气带有热量和动能，这些能量用于驱动涡轮增压器的废气涡轮机，废气经过这个过程丧失了部分能量并冷却下来。废气涡轮机驱动空气增压器，增压器压缩被吸入的气体，气体变热，因此浓度降低，在增压空气冷却器中被冷却，浓度也相应增大，如图4-5-3所示。图4-5-3增压器冷却效果图基本知识废气涡轮增压器主要由废气涡轮机和空气增压器两部分组成，废气涡轮机和空气增压器的叶轮安装在同一轴上；涡轮的进气口与发动机排气管相连，出气口与排气消声器相连；压气机的进气口前端装有空气滤清器，排气口则经中冷器与进气管相连。废气涡轮增压器如图4-5-4所示。图4-5-4废气涡轮增压结构图基本知识3.控制增压压力的方法增压器的增压压力取决于内部涡轮的转速，而在发动机转速和负荷一定时，废气涡轮增压器涡轮的转速与废气流经涡轮的速度有关。因此，改变废气流经涡轮的速度即可实现对增压压力的控制。控制增压压力的方法主要有三种：旁通阀式、节流阀式和可调叶片式。旁通阀式增压控制是利用旁通阀控制流经涡轮的废气量；节流阀式增压控制是利用节流阀控制涡轮进气口流通截面；可调叶片式增压控制是利用可调叶片控制涡轮受力有效截面。最终都是通过改变废气流经涡轮速度，实现对增压压力的控制。基本知识图4-5-5旁通阀式增压压力控制系统（1）旁通阀式增压压力控制旁通阀式增压压力控制系统如图4-5-5所示。旁通管道的导通与关闭由旁通阀内部膜片两侧增压后的空气压力与大气压力的合力所决定。当增压后的空气压力大于大气压力时，膜片向下拱曲带动旁通阀阀芯向下移动，旁通管道逐渐由关闭向导通过渡，部分尾气直接经旁通管道排出，增压空气压力随废气涡轮机内涡轮转速下降而减小；当增压空气压力减小至小于大气压力时，膜片向上拱曲带动旁通阀阀芯向上移动，旁通管道逐渐由导通向关闭过渡，增压空气压力随废气涡轮机内涡轮转速上升而增大。由此，增压空气压力始终在废气涡轮增压器设定的压力上下波动。基本知识节流阀式增压压力控制装置如图4-5-6所示。节流阀安装在增压器的涡轮进口处，当发动机低速运转时，节流阀关闭以减小涡轮进口截面，使废气流速加快，增压器转速提高，以避免低速运转时增压压力不足的现象。当发动机转速较高时，节流阀开启以增大涡轮进口截面，使废气流速减慢，以防止高速时增压器超速现象。图4-5-6节流阀式增压压力控制阀装置（2）节流阀式增压压力控制基本知识可调叶片式涡轮增压器如图4-5-7所示，图4-5-7可调叶片式涡轮增压器（3）可调叶片式增压压力控制基本知识可调叶片式增压压力控制系统如图4-5-8所示。调整环安装在增压器的涡轮壳上，与可调叶片和轴制成一体的叶片拨销位于调整环相应的卡槽内，叶片轴由支撑环支撑，调整环转动时，可通过相应的卡槽驱动叶片拨销和叶片一起转动，从而改变叶片角度，如图4-5-8所示。控制连杆通过调整环拨销控制相应的卡槽驱动调整环转动，控制连杆的转动则由ECU通过电磁阀和驱动气室来控制。控制电磁阀采用占空比控制型，但只有4个位置变化，相应的可调叶片也有4个角度位置，能够对废气涡轮增压器实现四级转换控制。图4-5-8可调叶片式增压压力控制系统图基本知识可调叶片式增压压力控制原理如图4-5-9所示。图4-5-9可调叶片式增压压力控制原理图基本知识发动机低速运转时，ECU通过电磁阀和驱动气室控制调整环转动，使可调叶片角度减小。由于废气经过可调叶片流向涡轮时的通道截面变小，使废气流速加快，冲击涡轮叶片的外边缘，涡轮驱动力矩增大，所以废气涡轮增压器转速较高，从而增压压力相对提高，如图4-5-10所示。图4-5-10发动机低速运转时基本知识反之，可调叶片角度增大时，增压压力则相对减小，如图4-5-11所示。图4-5-11发动机高速运转时拓展知识涡轮增压器（TurboBooster）的发明者是谁，比较公认的说法是瑞士工程师比希，他于1905年申报了此项专利。当时主要应用于飞机发动机和坦克发动机，直到1961年美国通用汽车公司才将涡轮增压器试探性的装在其生产的某种车型上。20世纪70年代成为了涡轮增压器的一个转折点，装配增压发动机的保时捷911问世。但让涡轮增压技术焕发青春的非瑞典SAAB萨博公司莫属，它于1977年推出的SAAB99车型将涡轮增压技术传播的更广泛，但那时的涡轮增压器仅限于装配在小车的汽油发动机上面。一直到上世纪80年代中期，欧美的卡车制造商才将涡轮增压技术应用在各自的柴油发动机上面，而国产车是在这10年才开始逐渐流行带涡轮增压器车型的。1.涡轮发展历史拓展知识机械增压系统，如图4-5-16所示，由发动机曲轴和皮带相连的机械增压系统装置在发动机上，发动机工作时，增压器的转子旋转靠输出轴的动力来支持，空气增压直至吹到进气道中。主要优点：发动机转速和增压器的转子是速度同步进行的，因而不存在超前或滞后，发动机动力输出流畅而稳定。Audi3.0L-V6-TFSI-发动机是奥迪公司首款使用机械式增压器的发动机。这是一种使用罗茨式增压器的发动机，它是以奥迪V型发动机家族中的3.2L-V6-自然吸气式发动机为基础而开发的。2.机械增压系统（罗茨式涡轮增压系统）图4-5-16机械增压系统拓展知识罗茨式增压器采用机械增压方式，这是奥迪公司的一种全新技术，它是一种旋转活塞式结构的装置。该装置采用挤压原理工作，内部并无压缩过程。该增压器有一个壳体，壳体内有两个轴（转子）在转动。这两个转子采用机械方式来驱动，比如采用曲轴驱动。这两个转子是由壳体外的齿轮来传动的（传动比相同），两个转子同步转动，但旋向相反。于是两个转子工作起来就像在“彼此啮合”。其结构的重要之处在于：两个转子彼此之间以及其与壳体之间是密封的。困难之处：只许产生非常小的摩擦。在工作时（转子转动），叶片和外壁之间的空气就被从空气入口（吸气侧）输送到空气出口（压力侧），如图4-5-17。输送空气的压力是因回流而产生的。（1）罗茨式涡轮增压器的基本原理图4-5-17机械增压器增压原理拓展知识早期的增压器配备的是双叶片转子如图4-5-18所示。现在多数配备的是三叶片的螺旋形转子，如图4-5-19所示，这样才能才能保证产生较高的增压压力，最重要的是产生恒定的增压压力（效率高）。图4-5-18双叶片转子图4-5-19三叶片螺旋转子拓展知识两个四叶片式转子以扭转160°的方式布置，如图4-5-20所示。两个转子都采用免维护滚动轴承来工作。为了使得磨合阶段的磨损尽可能小，转子表面涂有一层石墨层。这个涂层可保证最佳密封状态，防止漏气（转子与转子之间以及转子与转子孔之间）。从而可增大发动机的功率。（2）奥迪3.0TFSI发动机增压器转子图4-5-20四叶片转子拓展知识罗茨式增压器的驱动是永久式的（就是一直在被驱动着）。因此如果没有增压压力调节机构的话，罗茨式增压器在任何转速时都会产生相对于这个转速的最大气流（也就是最大增压压力）。但是，并非在所有工况都需要增压空气，这就会在增压器压力侧形成很高的气阻。这种气阻会造成发动机出现不必要的功率损失。因此，必须有相应的措施能调节增压压力。在较旧的系统上，采用电磁离合器来关闭皮带驱动机构，从而达到限制增压压力的目的。对于3.0L-V6-TFSI-发动机来说，采用的是调节翻板控制单元J808来调节增压压力的。该控制单元用螺栓固定在增压模块内，将压力侧与进气侧连接起来。打开旁通翻板，输送过来的部分空气就可通过打开的旁通通道被引回到罗茨式增压器的进气侧。这个旁通翻板的作用类似于汽油发动机废气涡轮增压器的废气泄放阀。（3）气流和增压压力的调节拓展知识图4-5-21全负荷增压空气流向a.全负荷工况（旁通翻板关闭）在全负荷工况，空气经节气门、罗茨式增压器和增压空气冷却器流向发动机，如图4-5-21所示。拓展知识图4-5-22部分负荷增压空气流向b.部分负荷工况（旁通翻板打开）在部分负荷、怠速和超速工况，输送过来的部分空气经打开的旁通通道被引回到进气侧，如图4-5-22所示。拓展知识优点：需要时可立即获得增压压力；增压压力是连续供给的，且随转速升高而增大；增压空气并非一定被冷却过度；寿命高，保养方便；结构紧凑（节省空间，安装在内V型内