某天然氣發(fā)動機增壓器廢氣旁通閥失效故障的解決

高惠蛟，范鳳雷，孫霞，丁彬，朱正飛

(1.中國重汽集團技術(shù)發(fā)展中心，山東濟南 250101；2.濟南汽車檢測中心，山東濟南 250002；3.無錫康明斯渦輪增壓技術(shù)有限公司，江蘇無錫 214028)

某天然氣發(fā)動機增壓器廢氣旁通閥失效故障的解決

高惠蛟1，范鳳雷2，孫霞1，丁彬1，朱正飛3

(1.中國重汽集團技術(shù)發(fā)展中心，山東濟南 250101；2.濟南汽車檢測中心，山東濟南 250002；3.無錫康明斯渦輪增壓技術(shù)有限公司，江蘇無錫 214028)

為了解決某商用車天然氣發(fā)動機增壓器廢氣旁通閥閥片脫落故障問題，將原來隨氣流沖擊而發(fā)生旋轉(zhuǎn)易產(chǎn)生磨損的增壓器廢氣旁通閥的閥片相關(guān)結(jié)構(gòu)通過增加限位防止閥片旋轉(zhuǎn)，并同時增大廢氣旁通閥彈簧的彈性系數(shù)和預(yù)緊力，有效解決了故障問題。

增壓器；廢氣旁通閥；故障排除

0 引言

圖1 增壓器示意圖

渦輪增壓器有助于提高發(fā)動機的動力性、補償一定的高原功率損失，對改善經(jīng)濟性和降低排放也有一定的效果。用于重型商用車的天然氣發(fā)動機均標配渦輪增壓器。為了改善發(fā)動機的低速性能，增壓器往往采用小渦殼來增加低速工況時的空氣量，結(jié)果在發(fā)動機高速工況將帶來過高的增壓器轉(zhuǎn)速和壓比，導(dǎo)致熱負荷過高、爆震、增壓器超速等問題。增壓器可通過自帶的廢氣旁通閥(簡稱旁通閥)打開一定的角度將渦輪前廢氣通掉一部分解決此問題,如圖1所示。

1 旁通閥基本工作原理

壓力氣源從旁通閥進氣口進入到膜片氣腔內(nèi)部。當壓力氣源與排氣壓力及排氣背壓的壓差產(chǎn)生的合力矩大于彈簧預(yù)緊力產(chǎn)生的力矩時，閥片即被打開一定角度，廢氣從旁通孔處流出。旁通閥的基本構(gòu)造如圖2所示。

根據(jù)旁通閥的受力情況,可推導(dǎo)出氣源壓力p1與旁通閥閥桿最大位移X的關(guān)系，如公式(1)所示：

(1)

式中：p1為氣源壓力，kPa;pp為排氣壓力，kPa;p2為排氣背壓，kPa;S為旁通閥膜盒內(nèi)氣膜等效面積，mm2;D為旁通閥閥口直徑，mm;L1為旁通閥側(cè)曲柄長度，mm;L2為執(zhí)行器拉桿側(cè)曲柄長度，mm;k為彈簧剛度，N/m；X為旁通閥閥桿位移，mm；F為彈簧預(yù)緊力。

圖2 增壓器旁通閥結(jié)構(gòu)示意圖

當其他參數(shù)一定時,膜片氣腔內(nèi)的壓力越大，閥桿的行程就越長，閥片開啟角度和放氣量就越大。但是增壓器的旁通閥的閥桿實際行程也就是彈簧的壓縮量不能過大，否則會影響調(diào)節(jié)器的控制精度、彈簧的壽命甚至是旁通閥膜片的壽命。另外，隨著閥桿行程的增加，雖然閥片開啟角度會增加，但是放氣量增加會趨于平緩，因此閥桿行程過大對旁通閥來說是不利的。

2 天然氣發(fā)動機旁通閥控制原理

天然氣發(fā)動機(簡稱氣體機)的負荷調(diào)節(jié)方式屬于量調(diào)節(jié)，燃料和空氣量需要按照標定好的空燃比精確控制，過稀或過濃的混合氣會導(dǎo)致發(fā)動機產(chǎn)生失火或爆震等嚴重影響發(fā)動機性能的燃燒問題。因此需要對空氣的進氣量即增壓壓力進行精確控制。

氣體機采用的是電控可調(diào)增壓技術(shù)、增壓壓力閉環(huán)控制策略(如圖3所示)。旁通閥的開閉由發(fā)動機ECU(電控單元) 控制的旁通閥控制器(相當于一個比例式三通電磁閥)操縱。ECU根據(jù)發(fā)動機的工況，由預(yù)存的增壓壓力脈譜圖確定目標增壓壓力，并與增壓壓力傳感器檢測到的實際增壓壓力進行比較，然后根據(jù)其差值來改變旁通閥控制器開閉的脈沖信號占空比，以改變其開啟時間，控制旁通閥膜片氣腔的氣體壓力。

圖3 增壓壓力閉環(huán)控制原理圖

旁通閥控制器的氣路示意圖如圖4所示。

圖4 旁通閥控制器的氣路示意圖

旁通閥控制器有3個口：(1)壓力氣源入口1，該壓力氣源來自整車制動氣源。整車制動氣源經(jīng)過氣源過濾器過濾后再經(jīng)過一個壓力調(diào)節(jié)器將壓力調(diào)節(jié)到合適范圍，作為旁通閥控制器的入口壓力。(2)旁通閥供氣孔2。經(jīng)過旁通閥控制器調(diào)節(jié)后的具有一定壓力的氣體，通過該孔進入到旁通閥的膜片氣腔入口；(3)排氣孔3。將經(jīng)旁通閥控制器調(diào)節(jié)后的過多的空氣通入到空濾下游、增壓器的上游。當占空比為0%時壓力氣源入口1僅與旁通閥供氣孔2完全連通，旁通閥供氣壓力等于壓力調(diào)節(jié)器出口壓力。當占空比為100%時，壓力氣源入口1僅與排氣孔3完全連通，旁通閥供氣壓力為0。總之，通過占空比的改變，可以調(diào)節(jié)旁通閥的入口氣源壓力。

另外，氣體機采用外接氣源而非由增壓器自取氣(從增壓器的壓氣機取氣)方式控制廢氣旁通閥進氣壓力，可以在怠速時完全打開旁通閥，降低排氣背壓、提高發(fā)動機經(jīng)濟性。

3 故障描述

某氣體機在市場應(yīng)用一段時間后在售后出現(xiàn)了增壓器廢氣旁通閥片脫落故障，并伴隨不同程度的閥片和銷釘磨損、旁通閥閥片磕碰增壓器過渡接頭現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)動機動力性下降，如圖5—6所示。

圖5 增壓器旁通閥閥片與閥桿脫落

圖6 旁通閥閥片嚴重撞擊過渡接頭

4 故障原因分析及解決方案

原因一：由于氣體機的增壓器旁通閥長時間處于開啟狀態(tài)，脈沖氣體吹動閥片轉(zhuǎn)動，銷釘在轉(zhuǎn)動中磨損直至斷裂，導(dǎo)致閥片掉落。另外，銷釘與墊片孔間隙的增加也會導(dǎo)致發(fā)動機低速閥片關(guān)閉不嚴，從而導(dǎo)致發(fā)動機動力不足。

原因一解決方案：對旁通閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行改進。

旁通閥的原結(jié)構(gòu)如圖7所示。銷釘套上墊片后與閥片焊在一起。墊片與搖臂軸(搖臂軸只能轉(zhuǎn)動)焊在一起。搖臂軸與搖臂片焊在一起。當旁通閥閥桿移動，會帶動搖臂片、搖臂軸轉(zhuǎn)動，搖臂軸會帶動墊片轉(zhuǎn)動，從而使閥片打開。由于銷釘和墊片為間隙配合。所以當有廢氣流過，閥片在打開的同時受到氣流沖擊作用會繞著銷釘高速轉(zhuǎn)動。

圖7 原旁通閥結(jié)構(gòu)

圖8為新旁通閥結(jié)構(gòu)。新結(jié)構(gòu)的閥片自帶一定長度的桿，銷釘被L形墊片替代焊在閥片上的桿部。當閥片被打開時，由于L形墊片的折彎段在隨閥片旋轉(zhuǎn)運動時會被與原結(jié)構(gòu)旁通閥相同的墊片擋住，限制了閥片旋轉(zhuǎn)角度，大大降低了由于磨損而導(dǎo)致的旁通閥片脫落風險。

圖8 新旁通閥結(jié)構(gòu)

原因二分析:可能由于旁通閥個別工況下供氣壓力過大而引起旁通閥的閥桿行程過大，導(dǎo)致閥片轉(zhuǎn)動角度過大與增壓器的過渡接頭磕碰，進一步加劇旁通閥的脫落風險。

原因二解決方案：旁通閥控制器允許最大供氣壓力為0.17 MPag(25 psig)，與旁通閥閥桿移動的最大允許行程對應(yīng)的氣源壓力一致。如果氣源壓力達到0.19 MPag(28 psig)發(fā)動機會報故障。通過跟蹤用戶車進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在滿載情況下進入旁通閥的壓力有很多點確實已經(jīng)超過了0.17 MPag(25 psig)，但是未達到0.19 MPag(28 psig)，如圖9所示。調(diào)節(jié)器閥桿位移也超過了最大行程(如圖10所示)，這樣就會造成閥片打開角度過大，磕碰過渡接頭。

圖9 旁通閥進氣壓力

圖10 旁通閥閥桿位移

目前，整車壓力調(diào)節(jié)器的出口壓力上限略大于0.17 MPag(25 psig)。而且在實際整車運行的路況會存在旁通閥控制器的占空比為0%的情況。因此，氣源壓力就會過大，造成旁通閥的閥桿超行程，導(dǎo)致了故障的發(fā)生。由于沒有精度更高更合適的調(diào)節(jié)器可選，只能通過改進旁通閥的設(shè)計來解決問題。

根據(jù)公式(1)可知，其他參數(shù)不變，增大氣源壓力p1，就會增大閥桿行程X。要保持閥桿行程X不過大，可以考慮增加彈簧彈性系數(shù)k和彈簧預(yù)緊力F。因此，將彈簧的彈性系數(shù)加大，并將彈簧的預(yù)緊力由原來的0.1 MPa調(diào)整為0.12 MPa。圖11、12分別為改進前后旁通閥的氣源壓力與閥桿行程關(guān)系曲線圖。

圖11 原彈簧氣源壓力與閥桿行程關(guān)系曲線圖

圖12 增大彈簧彈性系數(shù)后氣源壓力與閥桿行程關(guān)系曲線圖

彈簧的彈性系數(shù)以及彈簧預(yù)緊力增加后，會導(dǎo)致閥桿行程曲線的斜率更大，并向圖表右側(cè)偏移。同樣的閥桿行程需要的氣源壓力增加了。改進前后兩種旁通閥在各自的預(yù)緊力點對應(yīng)的閥桿行程范圍相同。

5 改進后方案的試驗驗證

為了驗證旁通閥參數(shù)變更后旁通閥的放氣能力是否足夠，進行了匹配改進前后(包括原因一的解決方案的應(yīng)用)增壓器的發(fā)動機外特性相關(guān)參數(shù)的對比測試。

對比分析圖13—17的測試數(shù)據(jù)可知：外特性的功率、扭矩、進氣歧管壓力數(shù)據(jù)差異較小，且均滿足性能數(shù)據(jù)要求；改進后增壓器旁通閥的進氣壓力在發(fā)動機額定工況達到最大值為0.145 MPa(21 psi)，雖然比原增壓器大，但是小于0.17 MPa(25 psi)的限值要求。說明外特性工況旁通閥的放氣能力是足夠的，對應(yīng)的閥桿行程也在允許范圍內(nèi)；電子節(jié)氣門開度差異不大。節(jié)氣門開度在1 400 r/min以上都為100%，滿足實際要求。另外對部分負荷工況也進行了測試，沒有出現(xiàn)閥桿超行程問題，增壓壓力調(diào)節(jié)也滿足發(fā)動機性能要求。

圖13 外特性扭矩-轉(zhuǎn)速曲線

圖14 外特性功率-轉(zhuǎn)速曲線

圖15 外特性進氣壓力-轉(zhuǎn)速曲線

圖16 外特性旁通閥進氣壓力-轉(zhuǎn)速曲線

圖17 外特性節(jié)氣門開度-轉(zhuǎn)速曲線

6 總結(jié)

通過開發(fā)帶有防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的增壓器的旁通閥，并實施增大旁通閥彈簧彈性系數(shù)和預(yù)緊力的技術(shù)方案，在不影響發(fā)動機性能的前提下，有效地解決了增壓器匹配重型車用天然氣發(fā)動機出現(xiàn)的旁通閥閥片脫落、旁通閥閥片磕碰增壓器過渡接頭等導(dǎo)致發(fā)動機動力性下降的售后故障，為匹配大功率車用天然氣發(fā)動機的增壓器可靠性的提高，提供了極具參考價值的解決方案和思路。

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TheSolutiontoTurbochargerWastegateFailureinNatureGasEngine

GAO Huijiao1, FAN Fenglei2, SUN Xia1,DING Bin1,ZHU Zhengfei3

(1.Research & Development center,China National Heavy Duty Truck Group Co.,Ltd.,Jinan Shandong 250101,China;2.Jinan Auto Test Center, Jinan Shandong 250002,China;3.Wuxi Cummins Supercharger Technology Co.,Ltd.,Wuxi Jiangsu 214028,China)

To solve the failure of turbocharger wastegate in natural gas engine on comercial vehicle, a limit structure was designed to prevent the valve plate rotating with the flow，while the rotation causing the plate wear out and fall off was avoided.At the same time, the wastegate valve spring elasticity coefficient and preload were increased.So the problem of failure is solved effectively.

Turbocharger; Wastegate valve; Failure solution

2017-07-02

高惠蛟，女，本科，工程師，專業(yè)方向為熱能與動力工程。E-mail：hjhy1111@sina.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.12.015

U472.43

B

1674-1986(2017)12-060-05