雷克薩斯NX200t車搭載8AR-FTS發(fā)動(dòng)機(jī)，該款發(fā)動(dòng)機(jī)集可變氣門正時(shí)智能廣角（VVT-iW）、雙燃油噴射（D-4S）、雙渦管渦輪增壓器及氣缸蓋集成排氣管等技術(shù)于一體，具有良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放凈化性。目前搭載該款發(fā)動(dòng)機(jī)的車型還有廣汽豐田漢蘭達(dá)、一汽豐田新皇冠等。下面筆者以雷克薩斯NX200t車為例，詳細(xì)介紹8AR-FTS發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)。
1 8AR-FTS發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)的組成及工作原理
如圖1所示，8AR-FTS發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)主要由渦輪增壓器、中冷器、廢氣旁通閥執(zhí)行器、真空調(diào)節(jié)閥、真空泵、空氣旁通閥、電動(dòng)冷卻液泵及增壓壓力傳感器等組成。
1—發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元；2—電動(dòng)冷卻液泵；3—中冷器；4—中冷器散熱器；5—空氣旁通閥；6—空氣流量傳感器；7—渦輪增壓器；8—廢氣旁通閥執(zhí)行器；9—真空調(diào)節(jié)閥；10—真空泵；11—發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度傳感器；12—曲軸位置傳感器；13—進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力/溫度傳感器；14—節(jié)氣門；15—增壓壓力傳感器
圖1 8AR-FTS發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)
1.1 渦輪增壓器基本工作原理
渦輪增壓器的驅(qū)動(dòng)力來源于發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣。渦輪增壓器的渦輪和壓縮機(jī)同軸安裝（圖2），當(dāng)廢氣氣流沖擊渦輪時(shí)，渦輪高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)壓縮機(jī)以相同的速度旋轉(zhuǎn)；經(jīng)空氣濾清器的空氣被吸入壓縮機(jī)，壓縮后溫度和壓力升高；接著壓縮空氣進(jìn)入中冷器冷卻，然后經(jīng)過節(jié)氣門進(jìn)入氣缸，大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率。另外，該車采用雙渦管單渦輪增壓器（圖3），廢氣由2個(gè)通道導(dǎo)入渦輪，其中氣缸1和氣缸4共用一個(gè)通道，氣缸2和氣缸3共用一個(gè)通道，這樣可以更高效地利用脈沖增壓效果。
圖2 渦輪和壓縮機(jī)同軸安裝
圖3 雙渦管單渦輪增壓器
1.2 增壓壓力限制控制
如圖4所示，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等信號(hào)，對(duì)真空調(diào)節(jié)閥（VRV）進(jìn)行占空比控制，使廢氣旁通閥執(zhí)行器在由真空泵（由排氣凸輪軸驅(qū)動(dòng)）產(chǎn)生的真空力的作用下控制廢氣旁通閥的開度，讓部分廢氣從廢氣旁通閥排出，調(diào)節(jié)流過渦輪的廢氣量，從而有效控制進(jìn)氣增壓壓力，使之與發(fā)動(dòng)機(jī)工況相適應(yīng)。
當(dāng)廢氣旁通閥執(zhí)行器不受真空力時(shí)，廢氣旁通閥為全開狀態(tài)；隨著真空力的增壓，廢氣旁通閥由部分關(guān)閉到完全關(guān)閉。
圖4 增壓壓力限制控制
1.3 增壓空氣循環(huán)控制
如圖5所示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況急劇變化或其他因素引起增壓壓力急劇上升時(shí)，如急加速后急松加速踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元控制空氣旁通閥使渦輪增壓器前后的空氣導(dǎo)通，保持壓力平衡，可有效避免空氣喘振及葉輪損壞，同時(shí)能使渦輪保持在較高轉(zhuǎn)速，在需要時(shí)能更迅速地向發(fā)動(dòng)機(jī)提供所需的增壓壓力，減小渦輪增壓器的遲滯現(xiàn)象。
圖5 增壓空氣循環(huán)控制
1.4 渦輪增壓系統(tǒng)冷卻控制
由于渦輪增壓器長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境中，熱量積累較為嚴(yán)重，為有效保護(hù)渦輪增壓器及降低進(jìn)氣溫度，該款發(fā)動(dòng)機(jī)采用了獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的渦輪增壓冷卻系統(tǒng)（圖6）。渦輪增壓冷卻系統(tǒng)中冷卻液的循環(huán)動(dòng)力源為電動(dòng)冷卻液泵，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元對(duì)比由空氣流量傳感器測(cè)得的進(jìn)氣溫度和由進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力/溫度傳感器測(cè)得的經(jīng)過中冷器后的進(jìn)氣溫度，判斷中冷器的冷卻效率，然后通過占空比信號(hào)控制電動(dòng)冷卻液泵的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)最佳冷卻液流率。
圖6 渦輪增壓冷卻系統(tǒng)
2 渦輪增壓系統(tǒng)的故障診斷
2.1 渦輪增壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)流及主動(dòng)測(cè)試
在故障診斷時(shí)，可用故障檢測(cè)儀GTS讀取相關(guān)數(shù)據(jù)流（表1），以及對(duì)真空調(diào)節(jié)閥、空氣旁通閥及電動(dòng)冷卻液泵進(jìn)行主動(dòng)測(cè)試（表2）。
表1 渦輪增壓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流
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數(shù)據(jù)流 |
含義 |
備注 |
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Atmospheric Pressure |
大氣壓力 |
— |
Intake Air Temperature
B1S1 (Turbo) |
經(jīng)過中冷器后的進(jìn)氣溫度 |
由進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力/溫度傳感器測(cè)量 |
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Wastegate Valve Control Duty Ratio |
真空調(diào)節(jié)閥控制占空比 |
— |
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Intercooler Water Pump Speed |
電動(dòng)冷卻液泵轉(zhuǎn)速 |
— |
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Intercooler Water Pump |
電動(dòng)冷卻液泵驅(qū)動(dòng)請(qǐng)求占空比 |
— |
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Target Boost Pressure |
目標(biāo)增壓壓力 |
由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元計(jì)算 |
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Air Bypass Valve Control |
空氣旁通閥工作狀 |
— |
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Boost Pressure Sensor |
實(shí)際增壓壓力 |
由增壓壓力傳感器測(cè)量 |
表2 渦輪增壓系統(tǒng)的主動(dòng)測(cè)試項(xiàng)目
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測(cè)試項(xiàng)目 |
含義 |
控制狀態(tài) |
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Activate the Air Bypass Valve |
激活空氣旁通閥 |
ON/OFF |
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Control the Intercooler Water Pump |
控制電動(dòng)冷卻液泵 |
0%～100% |
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Control the Wastegate Valve Duty Ratio |
控制廢氣旁通閥（真空調(diào)節(jié)閥） |
0%～100% |
2.2 渦輪增壓系統(tǒng)常見故障
如圖7所示，正常情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速及空加速時(shí)的目標(biāo)增壓壓力和實(shí)際增壓壓力均約為大氣壓力，這說明在這2種工況下渦輪增壓器均無(wú)增壓效果，因此若要判斷渦輪增壓系統(tǒng)的好壞，需要進(jìn)行路試。
圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速及空加速時(shí)的數(shù)據(jù)流（截屏）
渦輪增壓系統(tǒng)常見的故障為增壓壓力不足，導(dǎo)致車輛加速無(wú)力。如圖8所示，目標(biāo)增壓壓力為214.12 kPa，而實(shí)際增壓壓力為106.81 kPa，增壓壓力嚴(yán)重不足。導(dǎo)致增壓壓力不足的可能故障原因有：進(jìn)氣管路泄漏；廢氣旁通閥卡滯在打開位置；廢氣旁通閥執(zhí)行器及其真空系統(tǒng)（真空泵、真空罐、真空調(diào)節(jié)閥及真空管等）故障；排氣背壓過大；渦輪增壓器損壞。如圖9所示，在不同狀態(tài)下，通過廢氣隔熱罩檢修口觀察廢氣旁通閥執(zhí)行器拉桿的位置變化，可以判斷廢氣旁通閥執(zhí)行器的工作情況。若廢氣旁通閥執(zhí)行器拉桿的位置無(wú)變化，說明廢氣旁通閥執(zhí)行器卡滯或真空力不足。拔下廢氣旁通閥執(zhí)行器的真空管，用手感覺是否存在吸力，若無(wú)吸力或吸力明顯不足，說明真空系統(tǒng)存在故障。
圖8 增壓壓力不足時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)流（截屏）
圖9 不同狀態(tài)下廢氣旁通閥執(zhí)行器拉桿的位置
2.3 渦輪增壓系統(tǒng)主要部件的檢查
2.3.1 渦輪增壓器
主要檢查渦輪增壓器是否存在漏油及異響。渦輪增壓器漏油分為外漏和內(nèi)漏，當(dāng)渦輪增壓器發(fā)生外漏時(shí)，可以從渦輪增壓器外部（如機(jī)油管接頭）觀察到機(jī)油痕跡；當(dāng)機(jī)油通過密封環(huán)從軸承殼泄漏至壓縮機(jī)殼或渦輪殼時(shí)稱為內(nèi)漏，此時(shí)會(huì)有大量白煙從排氣管冒出。渦輪增壓器異響分為氣流嘯叫聲和金屬吱吱聲，氣流嘯叫聲的音量和音調(diào)會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增大，可能的故障原因?yàn)檫M(jìn)氣系統(tǒng)或渦輪增壓器故障；金屬吱吱聲的音調(diào)相對(duì)恒定，一般不會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，可能的故障原因?yàn)闇u輪增壓器損壞。
2.3.2 真空泵
脫開真空泵上的真空軟管，將真空表軟管連接到真空泵上，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并暖機(jī)2 min以上，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，檢查真空泵的真空度，真空度應(yīng)大于86.7 kPa。
2.3.3 空氣旁通閥
脫開空氣旁通閥導(dǎo)線連接器，測(cè)量其電阻，20 ℃時(shí)的電阻應(yīng)為8.7Ω～9.2 Ω；直接向空氣旁通閥施加蓄電池電壓（時(shí)間不能超過10 s）或用故障檢測(cè)儀對(duì)空氣旁通閥進(jìn)行主動(dòng)測(cè)試，應(yīng)能聽到空氣旁通閥工作的聲音；拆下空氣旁通閥，按下并松開空氣旁通閥柱塞（圖10）時(shí)，柱塞應(yīng)能迅速返回原位，同時(shí)確保無(wú)異物卡住柱塞密封圈且柱塞密封圈無(wú)損壞。
圖10 空氣旁通閥
2.3.4 真空調(diào)節(jié)閥
脫開向真空調(diào)節(jié)閥導(dǎo)線連接器，測(cè)量其電阻，20 ℃時(shí)的電阻應(yīng)為11.1 Ω～12.5Ω。如圖11所示，拆下真空調(diào)節(jié)閥，使用手動(dòng)真空泵向真空調(diào)節(jié)閥端口 F 施加 67 kPa的真空度，然后由端口 E 吹入空氣時(shí)，空氣應(yīng)從濾清器處流出；如圖12所示，直接向真空調(diào)節(jié)閥施加蓄電池電壓，然后由端口 E 吹入空氣，空氣應(yīng)從端口 F 流出。
圖11 向真空調(diào)節(jié)閥施加真空
圖12 向真空調(diào)節(jié)閥提供蓄電池電壓
