渦輪增壓器電控廢氣旁通閥的失效分析

黃振霞，姚源，田彤,馬學(xué)文

上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007

0 引言

由于國內(nèi)排放要求及油耗要求日益嚴(yán)苛，市場(chǎng)上使用廢氣渦輪增壓器的增壓汽油機(jī)也日趨增多。渦輪增壓器渦端通常會(huì)集成廢氣旁通閥機(jī)構(gòu)。相對(duì)于氣動(dòng)廢氣旁通閥，電控廢氣旁通閥機(jī)構(gòu)能夠更靈活地控制增壓器廢氣旁通閥的開啟和關(guān)閉。低負(fù)荷時(shí)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓從而降低油耗；同時(shí)減少排氣的熱量損失，實(shí)現(xiàn)三催系統(tǒng)的快速起燃，達(dá)到降低排放的目的。此外，電控廢氣旁通閥的控制精度更高，發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)性能、排放以及駕駛性上的響應(yīng)更快，提高整車的加速性[1]。

然而，電控廢氣旁通閥機(jī)構(gòu)除了機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)外還有電控部件，控制策略及模型也不同于氣動(dòng)執(zhí)行器。隨著電控廢氣旁通閥的廣泛應(yīng)用，渦輪增壓器的失效模式也相應(yīng)地增加。

1 增壓器電控廢氣旁通閥失效模式

在某渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)中，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min拉升至1 800 r/min時(shí)扭矩正常，而轉(zhuǎn)速拉升至3 000 r/min以上再降至1 800 r/min時(shí)扭矩下降約10 N·m。更換增壓器后，上述故障消除。對(duì)比臺(tái)架數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，1 800 r/min扭矩異常時(shí)，對(duì)應(yīng)的廢氣旁通閥目標(biāo)開度為0，實(shí)際開度也是逼近0，但是對(duì)應(yīng)的執(zhí)行器反饋電壓值只有不到3.1 V(圖1)，與圖紙要求的全關(guān)電壓相差較遠(yuǎn)。即使考慮熱膨脹的影響，全關(guān)電壓不應(yīng)小于3.21 V。

圖1 廢氣旁通閥開度及執(zhí)行器反饋電壓示意

2 電控廢氣旁通閥介紹

如圖2所示，渦輪增壓器電控廢氣旁通閥機(jī)構(gòu)主要由固定于壓端的電子執(zhí)行器、執(zhí)行器曲軸、執(zhí)行器連桿、曲柄、搖臂、閥蓋等組成。

圖2 電控廢氣旁通閥機(jī)構(gòu)示意

電控廢氣旁通閥的控制包括廢氣旁通閥實(shí)際位置計(jì)算、零位自學(xué)習(xí)、廢氣旁通閥軟著陸三大功能塊。電子執(zhí)行器全關(guān)電壓由ECU對(duì)廢氣旁通閥零位自學(xué)習(xí)得到。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的尺寸偏差、熱膨脹、機(jī)構(gòu)磨損等因素影響，造成廢氣旁通閥全關(guān)的物理位置會(huì)存在偏差，對(duì)應(yīng)的電壓值也會(huì)變化。為保證增壓器的控制精度、保證實(shí)際使用中發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，ECU會(huì)對(duì)增壓器廢氣旁通閥電子執(zhí)行器全關(guān)電壓進(jìn)行自學(xué)習(xí)。實(shí)時(shí)地獲取實(shí)際廢氣旁通閥全關(guān)執(zhí)行器電壓值，再根據(jù)全關(guān)電壓計(jì)算不同開度對(duì)應(yīng)的電壓值，控制廢氣旁通閥達(dá)到對(duì)應(yīng)工況下的開度[2-3]。

電子執(zhí)行器自學(xué)習(xí)失敗或錯(cuò)誤的表現(xiàn)為：廢氣旁通閥無法精確控制，無法關(guān)到實(shí)際需要的位置，造成發(fā)動(dòng)機(jī)性能異常(如功率、扭矩下降)。

觸發(fā)自學(xué)習(xí)的條件：

(1)上電自學(xué)習(xí)；

(2)開度小于4% (設(shè)定值)時(shí)運(yùn)行過程中的自學(xué)習(xí)，需要開度大于30%以后才會(huì)進(jìn)行下次運(yùn)行過程中自學(xué)習(xí)。

3 失效原因分析

針對(duì)廢氣旁通閥全關(guān)電壓過小問題進(jìn)行故障樹分析，如圖3所示。

圖3 旁通閥全關(guān)電壓過小故障樹分析

電子執(zhí)行器內(nèi)的角度位置傳感器受到溫度變化的影響，存在一定的熱漂移(小于0.2 V)。對(duì)故障增壓器的電子執(zhí)行器做熱漂移測(cè)試，熱漂移量小于0.15 V在接受范圍內(nèi)。

全關(guān)電壓過小還可能是廢氣旁通閥并未關(guān)嚴(yán)，而誤判為關(guān)嚴(yán)，即電子執(zhí)行器自學(xué)習(xí)失敗，學(xué)到了錯(cuò)誤的全關(guān)位置。

進(jìn)行反復(fù)嘗試和對(duì)比發(fā)現(xiàn)，冷態(tài)手動(dòng)自學(xué)習(xí)零位電壓為1.53 V,對(duì)應(yīng)0開度時(shí)的執(zhí)行器反饋電壓為5-1.53=3.47 V。而發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的自學(xué)習(xí)零位電壓，受排溫影響，在1.51～1.92 V間變化。當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min降至1 800 r/min時(shí)，自學(xué)習(xí)零位電壓大于1.9 V，對(duì)應(yīng)廢氣閥的目標(biāo)開度為0，執(zhí)行器反饋電壓值不到3.1 V，此時(shí)電子執(zhí)行器占空比接近28%。試驗(yàn)中當(dāng)自學(xué)習(xí)零位電壓小于1.8 V時(shí)，并不存在扭矩下降的問題。

在“3 000 r/min降至1 800 r/min扭矩下降約10 N·m，對(duì)應(yīng)的廢氣閥目標(biāo)開發(fā)0及實(shí)際開度為1.8%，執(zhí)行器反饋電壓值只有不到3.1 V”的情況下：人為沿著拉桿往關(guān)閉方向拉動(dòng)廢氣閥曲柄，發(fā)現(xiàn)執(zhí)行器反饋電壓增大至3.23 V，執(zhí)行器實(shí)際開度減小為-2.8%。發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩恢復(fù)至正常水平。

增壓器控制軟件邏輯認(rèn)為：在廢氣旁通閥電子執(zhí)行器允許的持續(xù)占空比下，廢氣旁通閥就能關(guān)嚴(yán)。而實(shí)際廢氣旁通閥開度卻是4.6%[1.8%-(-2.8%)=4.6%]。對(duì)廢氣旁通閥關(guān)閉阻力并未做過測(cè)試，不同工況點(diǎn)下持續(xù)占空比是否能夠關(guān)嚴(yán)廢氣旁通閥也未做過校驗(yàn)。

綜上，可判定扭矩下降原因?yàn)椋涸谵D(zhuǎn)速為3 000～1 800 r/min內(nèi)觸發(fā)了增壓器廢氣旁通閥自學(xué)習(xí)，而此時(shí)電子執(zhí)行器持續(xù)占空比并不能將廢氣旁通閥關(guān)嚴(yán)，ECU學(xué)到了錯(cuò)誤的零位(0開度位置)。

經(jīng)檢查，ECU還未增加增壓器廢氣旁通閥全關(guān)電壓上下限閾值的判斷；故障增壓器的廢氣旁通閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)也并無卡滯。對(duì)故障增壓器和庫存增壓器新樣件的廢氣旁通閥關(guān)閉曲柄側(cè)推力進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)：全新增壓器樣件，關(guān)閉廢氣旁通閥的曲柄側(cè)推力為2.6～3.8 N，均值為3.0 N。

而故障件關(guān)閉廢氣旁通閥曲柄側(cè)推力為15.3 N，相較新件高出很多，庫存增壓器廢氣旁通閥關(guān)閉曲柄側(cè)推力分布如圖4所示。

圖4 庫存增壓器廢氣旁通閥關(guān)閉曲柄側(cè)推力分布

考慮到經(jīng)過高溫，廢氣旁通閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)熱膨脹會(huì)造成關(guān)閉時(shí)曲柄側(cè)推力增大，分別測(cè)量新件在室溫、300、500 ℃下、臺(tái)架高排溫下運(yùn)行2 h和8 h后的廢氣旁通閥關(guān)閉曲柄側(cè)推力。由表1和表2可知，高溫(≥500 ℃)下，曲柄側(cè)推力由新件時(shí)的3 N增大至約9 N。故障件關(guān)閉廢氣旁通閥曲柄側(cè)推力為15.3 N，依然明顯過大。

表1 渦輪搖臂開閉推力測(cè)試(溫度箱) 單位:N

表2 渦輪搖臂開閉推力測(cè)試(增壓器臺(tái)架) 單位:N

懷疑故障件存在零部件質(zhì)量問題，對(duì)故障件進(jìn)行拆解分析及尺寸檢測(cè)。同時(shí)，預(yù)留一定的余量，按照10 N的關(guān)閉側(cè)推力校核電子執(zhí)行器持續(xù)占空比下是否能夠提供足夠的扭矩。

3.1 故障件拆解分析及尺寸檢測(cè)

拆解故障增壓器發(fā)現(xiàn)，襯套端面和搖臂端面靠近閥片一側(cè)有明顯的摩擦痕跡,如圖5所示。對(duì)搖臂進(jìn)行尺寸檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，搖臂轉(zhuǎn)軸同軸度、垂直度超差，導(dǎo)致廢氣旁通閥關(guān)閉過程中搖臂端面與襯套面異常摩擦，執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)阻力增大。

圖5 故障件搖臂端面異常磨損

3.2 電子執(zhí)行器扭矩校核

電子執(zhí)行器扭矩校核相關(guān)參數(shù)示意如圖6所示。

圖6 電子執(zhí)行器扭矩校核相關(guān)參數(shù)示意

利用外特性中各發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的渦前、渦后壓力計(jì)算對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下關(guān)閉廢氣旁通閥需提供的扭矩。

關(guān)閉廢氣旁通閥所需的扭矩T為:

T=f·L1+(p1t·C·A1-p2t·A2)·L2

(1)

式中:T為廢氣旁通閥關(guān)閉需要提供的扭矩；f為曲柄需克服的最大摩擦力(側(cè)推力)，f=10 N；p1t為對(duì)應(yīng)工況下的渦前絕對(duì)壓力；p2t為對(duì)應(yīng)工況下的渦后絕對(duì)壓力；c為渦前壓力脈沖系數(shù)；A1為廢氣旁通閥孔面積；A2為廢氣旁通閥蓋面積；L1為曲柄長(zhǎng)度；L2為搖臂長(zhǎng)度。

由表3可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于1 900 r/min時(shí)，需求的扭矩大于持續(xù)占空比下可以輸出的扭矩(780 N·mm)，廢氣旁通閥無法在持續(xù)占空比下關(guān)閉。

表3 各轉(zhuǎn)速下關(guān)閉廢氣旁通閥需提供的扭矩T

本款增壓器控制邏輯為：在廢氣旁通閥電子執(zhí)行器允許的持續(xù)占空比下，廢氣旁通閥就能關(guān)嚴(yán)；且持續(xù)關(guān)閉廢氣旁通閥，無論持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短，電子執(zhí)行器輸出的占空比都不能超出其允許的持續(xù)占空比。故而，只能用電子執(zhí)行器在其持續(xù)占空比下能輸出的最小扭矩(780 N·mm)來做扭矩校核。

從標(biāo)定數(shù)據(jù)來看，1 900 r/min以上轉(zhuǎn)速并不需要持續(xù)關(guān)閉廢氣旁通閥；只有觸發(fā)自學(xué)習(xí)時(shí)，或是在增壓器效率下降后或是高原環(huán)境下，才需要用持續(xù)占空比關(guān)閉廢氣旁通閥。

對(duì)于高于1 900 r/min觸發(fā)自學(xué)習(xí)，學(xué)到錯(cuò)誤的全關(guān)位置，也不影響轉(zhuǎn)速降至1 900 r/min以下的廢氣旁通閥關(guān)閉。原因是在控制邏輯中，當(dāng)目標(biāo)開度0、反饋的開度也是0時(shí)，若增壓壓力依然未達(dá)到目標(biāo)壓力，占空比將持續(xù)增大至持續(xù)占空比，此時(shí)反饋的廢氣旁通閥開度出現(xiàn)負(fù)值。

對(duì)于增壓器效率下降及高原環(huán)境使用的情況，由于廢氣旁通閥的需求開度取決于需求進(jìn)氣壓力，當(dāng)實(shí)際壓力達(dá)不到需求進(jìn)氣壓力時(shí)，1 900 r/min以上轉(zhuǎn)速可能需要持續(xù)全關(guān)廢氣旁通閥。但廢氣旁通閥關(guān)閉需要的扭矩，與渦前渦后的壓差關(guān)聯(lián)，間接地與增壓壓力關(guān)聯(lián)。當(dāng)增壓壓力較小時(shí)，可以理解為廢氣旁通閥關(guān)閉需要的扭矩也較小。所以，此時(shí)持續(xù)占空比也是可能關(guān)嚴(yán)廢氣旁通閥的。

4 結(jié)束語

廢氣旁通閥關(guān)閉時(shí)并不是絕對(duì)密封的，允許的泄漏量為10～20 L/min，實(shí)際的泄漏量與壓緊力、壓緊面的平面度和粗糙度等都有關(guān)系。廢氣旁通閥壓緊力又等于持續(xù)占空比輸出扭矩減去關(guān)閉需求的扭矩T，與發(fā)動(dòng)機(jī)的具體運(yùn)行工況相關(guān)。所以關(guān)閉廢氣旁通閥時(shí)的泄漏量是隨零件差異和具體運(yùn)行工況波動(dòng)的。零件制造不可能沒有偏差，也不可能做到完全一致，如果在某些工況點(diǎn)必須要持續(xù)關(guān)閉廢氣旁通閥，由于增壓器沒有任何的調(diào)整余量，零件的個(gè)體差異必然造成同款發(fā)動(dòng)機(jī)間的扭矩波動(dòng)。故而建議給廢氣旁通閥開度預(yù)留一定的余量，盡可能降低需求廢氣旁通閥持續(xù)全關(guān)的概率。此外，在性能開發(fā)階段需用發(fā)動(dòng)機(jī)外特性數(shù)據(jù)校核廢氣旁通閥持續(xù)占空比扭矩輸出是否滿足需求；還需增加對(duì)關(guān)閉廢氣旁通閥曲柄側(cè)推力的檢測(cè)，避免在搬運(yùn)或安裝過程中造成零件損傷導(dǎo)致曲柄側(cè)推力過大。