涡轮增压器利用排气的能量来推动涡轮,带动进气侧的泵轮实现增压,取消了类似机械增压器上的驱动带,减小了发动机的动力损失,同时将原来浪费掉的排气能量利用起来,大大提高了发动机的进气效率。目前市场上的涡轮增压器控制原理大同小异,本单元以上汽通用1.6T发动机(LLU)的涡轮增压器(图19-6)为例进行讲解。
涡轮增压器结构:
如图19-7所示,LUU发动机的涡轮增压器包含由中间壳体连接的两个腔室。两个腔室内分别安装着涡轮和泵轮,两个轮之间通过贯穿于中间壳体的轴相连。涡轮的腔室连通排气歧管,泵轮的腔室连通来自空气滤清器的进气软管。为了能得到最大的排气驱动力,涡轮增压器要尽量靠近发动机的排气歧管安装。当废气通过涡轮时,涡轮带动同轴的泵轮一起旋转,泵轮对来自空气滤清器的空气进行压缩,增压后的进气进入中冷器进行冷却,冷却后的空气通过节气门体进入进气歧管。涡轮增压器上面有两个执行器:废气旁通阀执行器和进气旁通阀执行器。废气旁通阀执行器通过杠杆机构控制废气阀门打开或关闭,进气旁通阀执行器(内部包含进气旁通阀门)通过真空管路控制进气旁通阀门打开或关闭。废气旁通阀门、进气旁通阀执行器分别如图19-8和图19-9所示。
涡轮增压器工作原理:
1.发动机低速运转时此时排气压力和温度都比较低,涡轮转速较低(约1000r/min)。由于转速较低,泵轮不能形成增压压力,此时发动机的进气效果同自然进气发动机一样。
2.发动机高速运转时随着发动机转速增高或负荷增大,排气的压力和温度都得到提升,泵轮和涡轮的转速也逐渐加快。当涡轮达到一定转速时,增压开始。当发动机全负荷运转时,涡轮转速可以达到10万-15万r/min。
涡轮增压器控制：
1.温度控制无论是机械增压器还是涡轮增压器,其作用都是向发动机进气歧管提供一个高于大气压的进气压力。
增压压力越高,发动机输出功率就越大。但是,在增压压力提升时,被压缩的空气温度也随之升高,高温的空气会降低充气效率。另外,空气在高温高压状态下,燃烧温度也相应提升,容易导致发动机产生爆震。
为消除以上空气高温带来的影响,需要对增压后的空气进行冷却。用来冷却增压空气的部件叫做中间冷却器(简称中冷器),其形状与发动机冷却系统散热器相似。其冷却方式有风冷和水冷,上汽通用使用的中冷器为风冷式,如图19-10所示。
涡轮增压器的涡轮与泵轮通过轴承支承,并由发动机润滑油对轴承进行润滑。涡轮增压器工作时,轴承产生的热量由发动机冷却液吸收,并输送到冷却系统进行散热。这样可以大大降低涡轮增压器温度,在发动机突然关机时也会减小机油结焦的可能性。
2.废气旁通控制涡轮增压器使用排气来进行增压,增压后会产生更多的排气,这样会使增压进一步加强。如此循环下去,过高的压力将对发动机产生严重损坏。为了控制增压压力,大多数涡轮增压器使用废气旁通执行器、废气旁通阀和废气旁通电磁阀来对增压压力进行控制。废气增压压力旁通控制如图19-11所示。
废气旁通执行器是一个膜盒控制装置,膜盒内部有一个膜片,膜片上端是一个空腔,通过管路连接到废气旁通电磁阀,膜片下端由弹簧支撑并与连杆做成一体,连杆通过一个杠杆机构控制废气旁通阀开启或关闭废气旁通电磁阀是一个三通电磁阀。废气旁通电磁阀三个接口分别与增压前的空气增压后的空气、废气旁通执行器膜盒相通(图19-12),并由ECM来控制。增压前的空气来自于进气管,增压后的空气来自于泵轮后部的气道。与废气旁通执行器膜盒连接的电磁阀接口在ECM的控制下可以分别与另外两个接口相通。
发动机低速运转时,废气旁通电磁阀关闭增压前的空气通道,同时打开增压后的空气通道。此时增压后的空气可以进入执行器膜盒。
由于增压压力较小,施加在执行器膜片上的空气压力不足以推动膜片下部的弹簧。在执行器弹簧的作用下,废气旁通阀门关闭,废气全部流经涡轮。由于涡轮转速较低,增压器没有增压效果。随着发动机转速升高,涡轮转速也随之升高,当泵轮转速达到一定值时,涡轮增压器开始进入增压状态。涡轮增压器工作中能够产生1.40bar的压力,瞬间可超过2bar。
涡轮增压器工作时,废气旁通阀门是一直关闭的。当增压压力升高到一定值时,增压后的空气压力足以推动旁通执行器膜片弹簧下移,废气旁通阀在连杆及杠杆机构的作用下打开废气旁通气道,绝大部分废气不经过涡轮而通过旁通气道直接进入排气歧管,涡轮增压器开始泄压。
为了获取更高的增压压力,发动机必须在涡轮增压器泄压之前控制废气旁通阀保持持续关闭。为此,ECM开始以占空比的方式控制废气旁通电磁阀关闭增压后的空气通道,同时打开增压前的空气通道(控制电路如图19-13所示)。此时滞留在执行器膜盒的增压空气通过增压前的空气通道进入进气管。由于执行器膜盒内的高压气体泄压,废气旁通执行器依然保持废气旁通阀的关闭,增压压力持续上升。当增压压力超过目标值时,ECM以占空比的形式控制废气旁通电磁阀打开增压后的空气通道,同时关闭增压前的空气通道。此时增压后的空气进入执行器膜盒。在杠杆机构的作用下,废气旁通阀打开旁通气道,涡轮增压器开始泄压。
ECM通过发动机转速、节气门开度、发动机温度、进气歧管压力等参数计算出目标增压压力值,通过进气增压压力传感器监测实际增压压力值,同时通过控制废气旁通电磁阀来实现目标增压压力与实际增压压力的一致。
3.进气旁通控制废气旁通阀控制着涡轮增压器的排气侧,而进气旁通阀则控制着涡轮增压器的进气侧。
当发动机处于进气增压状态下,如果突然关闭节气门,进气旁通阀则必须打开,释放增压压力。否则,进气管内部高压空气将会制动涡轮增压器的泵轮,导致泵轮转速急剧下降,从而造成再次加速时产生增压迟滞现象,同时过大的阻力有可能损坏泵轮叶片。
进气旁通阀可以将增压压力释放到涡轮增压器的进气端,同时保持泵轮的高转速。其控制方式通常分为两种:真空式和电机式。LLU发动机涡轮增压器的进气增压旁通控制是真空式的。
(1)真空式进气旁通控制原理真空式进气旁通控制装置由真空罐、进气旁通电磁阀、进气旁通执行器及其真空管路组成(图19-14)。
进气增压旁通控制原理如图19-15所示。
进气旁通电磁阀与废气旁通电磁阀基本相同,也是一个三通阀。但它们的控制方式不同,废气旁通电磁阀是占空比控制,进气旁通电磁阀是开关控制。进气旁通电磁阀的三个接口通过真空管分别与真空罐、进气歧管和进气旁通阀相连。进气旁通阀的接口在ECM的控制下可以分别与真空罐和进气歧管相通。
发动机停机和涡轮增压器工作时,进气旁通电磁阀始终是断电的。此时,进气旁通电磁阀关闭真空罐接口,打开进气歧管接口与进气旁通阀的接口,进气歧管空气进入进气旁通阀。此时,在进气歧管空气压力与弹簧弹力的作用下,进气旁通阀关闭进气旁通道,泵轮后端的增压空气全部通过中冷器。
当车辆行驶中突然关闭节气门时,ECM控制进气旁通电磁阀关闭进气歧管通向进气旁通阀的通道,同时打开真空罐通向进气旁通阀的通道(控制电路如图19-16所示)。在真空负压的作用下,进气旁通阀迅速打开进气旁通道,泵轮后端的高压空气被旁通到泵轮前端,进气歧管的压力得到释放,同时泵轮承受的阻力较小而依然保持较高的转速。
(2)电机式进气旁通控制由于真空式进气旁通控制管路较多,容易出现故障,真空管路一旦泄漏将会导致进气旁通阀不工作。所以现在越来越多的发动机采用步进电机式旁通阀(图19-17)来代替真空式旁通阀,步进电机式在ECM的控制下直接开启或关闭旁通阀。
