詳解奔馳M274發(fā)動機渦輪增壓異常原因及故障兩例

◆文/河南 劉勤中

劉勤中(本刊編委會委員)

汽車維修工程師，從業(yè)23年，先后擔(dān)任一汽-大眾、通用、奔馳技術(shù)總監(jiān)(經(jīng)理)，具有扎實的理論基礎(chǔ)，在汽車電控診斷領(lǐng)域有著豐富的實戰(zhàn)經(jīng)驗和獨到的維修見解。先后榮獲一汽-大眾“優(yōu)秀技術(shù)經(jīng)理”稱號、一等獎；一汽－大眾服務(wù)杯全國總決賽亞軍；榮獲上汽通用“汽車維修技術(shù)金獎”；公開發(fā)表技術(shù)文章近100篇，達(dá)30余萬字。

奔馳上一代主流MRA后驅(qū)平臺使用的是M274型直列4缸縱置發(fā)動機(圖1)，于2013年首先裝配在E級車上(代號212)，之后在北京奔馳發(fā)動機工廠生產(chǎn)，應(yīng)用于國產(chǎn)C級、E級以及GLK、GLC等縱置布局的后驅(qū)及四驅(qū)車型上。其實際排量為1991mL(2.0L)，根據(jù)調(diào)校不同分為低功率版和高功率版，最大功率分別為135kW和155kW，峰值扭矩分別為300N·m和350N·m。M274型發(fā)動機的亮點技術(shù)包括第三代Blue DIRECT缸內(nèi)直噴技術(shù)、Camtronic可變氣門升程技術(shù)、Lanchester蘭徹斯特平衡軸、可變排量機油泵、以及低慣量渦輪增壓技術(shù)。

圖1 奔馳M274型發(fā)動機外觀

渦輪增壓是利用排氣推動渦輪葉片(排氣端)高速旋轉(zhuǎn)，從而帶動進(jìn)氣口附近的進(jìn)氣葉片轉(zhuǎn)動(進(jìn)氣端)，這樣就能對進(jìn)氣進(jìn)行增壓，以提高進(jìn)氣的壓力，增加進(jìn)氣密度以達(dá)到增加進(jìn)氣量的目的。但是，想要推動渦輪葉片轉(zhuǎn)動需要很大的排氣能量，發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時，渦輪增壓器無法工作，所以很多渦輪增壓系統(tǒng)在2 000r/min左右才開始工作。這就是“渦輪遲滯”現(xiàn)象。M274型采用的是低慣量渦輪(圖2)，通過內(nèi)置小型低慣量轉(zhuǎn)子大大緩解渦輪遲滯現(xiàn)象。

圖2 奔馳M274型發(fā)動機的低慣量渦輪

在奔馳M274發(fā)動機工況圖(圖3)中可以看到，不管是高功率版還是低功率版，從1 200r/min開始就可以輸出最大扭矩，且一直持續(xù)到4 000r/min(藍(lán)色線)。配合9.8：1的高壓縮比，使發(fā)動機能在低轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)高扭矩，并兼具發(fā)動機高轉(zhuǎn)速下的靈敏響應(yīng)。

圖3 奔馳M274型發(fā)動機外特性圖

奔馳M274型發(fā)動機采用的是IHI日本石川島生產(chǎn)的帶旁通閥的渦輪增壓器，在發(fā)動機上的位置如圖4所示。M274型發(fā)動機的進(jìn)氣增壓系統(tǒng)主要包括兩個方面的控制：增壓壓力控制；減速空氣旁通控制。

圖4 奔馳M274型發(fā)動機渦輪增壓器的位置

如果有過多廢氣流向渦輪，系統(tǒng)通過打開增壓壓力控制風(fēng)門，流向渦輪的廢氣通過旁路被轉(zhuǎn)移，以防渦輪轉(zhuǎn)動過快。一部分廢氣流通過旁路被引導(dǎo)至渦輪，由此可調(diào)節(jié)增壓壓力并限制渦輪轉(zhuǎn)速。通過這種方式，可將增壓壓力調(diào)節(jié)至符合發(fā)動機當(dāng)前負(fù)荷需求。渦輪轉(zhuǎn)速確定預(yù)壓縮空氣量和增壓壓力，增壓壓力由增壓空氣壓力和溫度傳感器不斷進(jìn)行監(jiān)測，并被發(fā)送至內(nèi)燃機控制單元。為避免渦輪增壓器過載，內(nèi)燃機控制單元通過渦輪增壓器上游的傳感器監(jiān)測排氣溫度和排氣壓力，如果存在過熱或機械過載的風(fēng)險，則降低增壓壓力。

與M270、M276、M278等發(fā)動機一樣，M274型發(fā)動機的增壓壓力控制也采用真空氣動控制方式，增壓壓力控制壓力轉(zhuǎn)換閥Y77/1安裝在發(fā)動機汽缸前端蓋處(圖5)。發(fā)動機控制單元N3/10通過評估當(dāng)前負(fù)荷獲得增壓需求值后，通過PWM信號促動增壓壓力控制轉(zhuǎn)換閥Y77/1，將真空儲蓄罐中的真空調(diào)制出促動增壓壓力控制風(fēng)門真空室所需要的特定大小的負(fù)壓(真空)，真空室再通過連桿改變廢氣旁通閥的開度，增壓系統(tǒng)的實物連接如圖6所示。

圖5 奔馳M274型發(fā)動機渦輪增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6 增壓系統(tǒng)實物連接示意圖

增壓壓力控制轉(zhuǎn)換閥Y77/1的占空比大于5%，受真空作用，真空室內(nèi)的彈簧回位，帶動長的操縱桿向右移動，短的向左移動。在全負(fù)荷范圍內(nèi)，控制風(fēng)門關(guān)閉，全部廢氣都用于驅(qū)動渦輪，形成最大的增壓壓力。這樣，通過改變流經(jīng)渦輪的廢氣量，來調(diào)節(jié)或控制增壓壓力。增壓壓力控制示意圖如圖7所示。

圖7 增壓系統(tǒng)壓力控制示意圖

增壓壓力控制轉(zhuǎn)換閥Y77/1的占空比小于5%或未被促動時，大氣壓克服彈簧的彈力，帶動長的操縱桿向左移動，而短的操縱桿向右移動，從而打開控制風(fēng)門，部分廢氣通過旁通回路進(jìn)入排氣管，從而減小增壓壓力。

奔馳M274型發(fā)動機采用電動直接控制方式控制減速空氣旁通。啟動減速模式后，由于軸、泵輪和渦輪的慣性，渦輪增壓器會繼續(xù)轉(zhuǎn)動一段時間。因此，如果快速關(guān)閉節(jié)氣門，一股增壓壓力波會傳回至渦輪增壓器。壓力波會使輸送量處于較低狀態(tài)，并在葉輪處形成高壓，引起增壓器泵動 (短促的咆哮聲和機械應(yīng)力)。系統(tǒng)會及時打開旁通空氣轉(zhuǎn)換閥Y101(圖8)，通過旁通管路快速減壓，從而防止發(fā)生增壓器泵動。

圖8 旁通空氣轉(zhuǎn)換閥Y101 示意圖

發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，旁通管路的膜片關(guān)閉；發(fā)動機關(guān)閉時，集成在減速空氣轉(zhuǎn)換閥中的彈簧將膜片壓入基座中。如果發(fā)動機控制單元N3/10通過實際數(shù)值電位計1和2(M16/6r1，M16/6r2) ，檢測到節(jié)氣門關(guān)閉而啟用減速模式，則會促動旁通空氣轉(zhuǎn)換閥Y101，膜片克服彈簧作用力和增壓壓力而被拉開，打開通向進(jìn)氣側(cè)的旁通管道，而釋放過多的增壓壓力。旁通空氣轉(zhuǎn)換閥Y101的剖面圖如圖9所示。

圖9 旁通空氣轉(zhuǎn)換閥Y101的剖面圖

如果發(fā)動機從減速模式切換至負(fù)荷狀態(tài)，旁通空氣轉(zhuǎn)換閥Y101將不再被促動， 彈簧將膜片壓向底座方向， 膜片被現(xiàn)有增壓壓力拉入底座，從而再次關(guān)閉旁通管道，此時減速空氣旁通狀態(tài)圖10所示。

圖10 減速時空氣旁通的狀態(tài)

奔馳M274型發(fā)動機增壓控制系統(tǒng)的工作原理如圖11所示。旁通空氣轉(zhuǎn)換閥Y101和增壓壓力控制轉(zhuǎn)換閥Y77/1從同一個Z結(jié)點獲得87號供電，其電路圖如圖12所示。

圖11 增壓控制系統(tǒng)的工作原理

圖12 增壓控制系統(tǒng)電路

上文系統(tǒng)介紹了奔馳M274型發(fā)動機增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制原理，下文將介紹兩個增壓系統(tǒng)(增壓壓力過低和增壓壓力過高)典型故障案例，進(jìn)一步了解系統(tǒng)的技術(shù)特點和故障診斷方法。

案例1 2016款奔馳GLC250加速無力

故障現(xiàn)象

一輛2016款奔馳GLC250 4MATIC，搭載274.920型發(fā)動機，VIN碼為LE42539461L00＊＊＊＊，行駛里程為131 439km，該車發(fā)動機故障燈亮，且加速無力。

故障診斷與排除

接車后驗證故障現(xiàn)象，該車故障持續(xù)存在。連接診斷儀進(jìn)行快速測試，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機控制單元N3/10中存儲了3個故障碼(圖13)：P052E71-曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)閥門功能故障，促動器已抱死；P029921-廢氣渦輪增壓器1的增壓壓力過低，信號振幅小于最小振幅；P06DA00為當(dāng)前故障碼，根據(jù)廠家的技術(shù)通報，可以忽略。

圖13 故障車內(nèi)存儲的故障信息

通過試車發(fā)現(xiàn)，故障車車速達(dá)到80km/h后，明顯存在加速無力的現(xiàn)象，影響正常駕駛。試車加速時發(fā)現(xiàn)，增壓壓力的實際值總是低于標(biāo)準(zhǔn)值，比如標(biāo)準(zhǔn)值為150kPa時，實際增壓壓力只有110kPa左右。

由于曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)閥門Y58/2只在超速運轉(zhuǎn)模式(即松油門滑行的倒拖工況)下才關(guān)閉，以避免異響，對加速時動力性應(yīng)該沒有影響，因此，以故障碼P029921為線索進(jìn)行故障分析和排查。

根據(jù)故障碼、系統(tǒng)工作原理以及試車時增壓壓力實際值分析，導(dǎo)致增壓壓力過低的可能原因有：廢氣旁通閥控制真空室膜片泄漏；Y77/1增壓壓力控制轉(zhuǎn)換器連接的真空管路存在泄漏故障；Y77/1增壓壓力控制轉(zhuǎn)換器故障；廢氣渦輪增壓器機械故障，如旁通閥卡滯在打開位置、渦輪軸卡滯、泵輪葉片變形等；增壓器下游至節(jié)氣門之間(含中冷器)存在泄漏故障；中冷器冷卻液泄漏導(dǎo)致冷卻不足；旁通空氣轉(zhuǎn)換閥Y101泄漏；B28/6節(jié)氣門上游壓力傳感器信號失真。

對故障碼P029921進(jìn)行故障引導(dǎo)測試，怠速時增壓壓力調(diào)節(jié)器脈沖負(fù)載系數(shù)為98%(圖14)，在正常范圍87%～100%內(nèi)，正常。

圖14 故障碼P029921的引導(dǎo)測試結(jié)果

對故障碼P029921進(jìn)行故障引導(dǎo)測試后，促動檢測增壓壓力控制轉(zhuǎn)換器Y77/1，與正常車對比發(fā)現(xiàn)，渦輪增壓器的控制桿雖然能夠移動，但是移動距離小，且不迅速、不靈活，明顯存在異常。用真空表測量廢氣旁通閥真空室，結(jié)果最大負(fù)壓只能達(dá)到-20kPa，且無法保持，需要連續(xù)不斷地用真空槍手動抽真空。正常情況下該負(fù)壓能達(dá)到-80kPa，且可長時間保持，這說明故障車的真空室膜片存在泄漏。

用手拉動左側(cè)旁通閥與控制真空室之間的操縱桿，發(fā)現(xiàn)旁通閥沒有卡滯現(xiàn)象。用煙霧檢測器檢查Y77/1增壓壓力控制轉(zhuǎn)換器連接的真空管路，未發(fā)現(xiàn)泄漏情況。

綜合上述檢查分析，該車故障原因為廢氣旁通閥控制真空室膜片泄漏，導(dǎo)致渦輪增壓器廢氣旁通閥無法關(guān)閉，使得增壓壓力過小，從而出現(xiàn)發(fā)動機動力不足的故障現(xiàn)象。

由于廢氣旁通閥控制真空室不單獨提供，只能更換渦輪增壓器總成。更換后試車，該車加速正常，故障被徹底排除。

案例2 2018款奔馳E200L發(fā)動機動力不足

故障現(xiàn)象

一輛2018款奔馳E200L，搭載274.920型發(fā)動機，VIN碼為LE42131421L18＊＊＊＊，行駛里程為52 679km，車主反映，該車加速時發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升，但車速上不去，推背感不強。

故障診斷與排除

試車發(fā)現(xiàn)，該車發(fā)動機故障燈雖然未點亮，但提速很慢，與正常車對比推背感很差，影響到正常的駕駛感受，且故障持續(xù)存在。

連接診斷儀進(jìn)行快速測試，發(fā)動機控制單元N3/10中設(shè)置了1個存儲狀態(tài)的故障碼P023422-廢氣渦輪增壓器1的增壓壓力過高，信號振幅大于最大振幅，故障頻率為5次。從凍結(jié)數(shù)據(jù)看首次和最后一次，車速在60～100km/h之間時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速均在2 400r/min左右，節(jié)氣門開度不足0.5%，基本處于關(guān)閉狀態(tài)(圖15)。這說明故障發(fā)生在超速運轉(zhuǎn)模式(即松油門滑行的倒拖工況)。

根據(jù)系統(tǒng)工作原理、故障碼及凍結(jié)數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)設(shè)置增壓壓力過高故障碼的可能原因有：廢氣旁通閥卡滯，打開不迅速，如廢氣旁通閥真空室拉桿被變形的隔熱板干涉；廢氣旁通閥真空室拉桿調(diào)整螺母松動、位移，導(dǎo)致旁通閥始終關(guān)閉或開度過小；旁通空氣轉(zhuǎn)換閥Y101卡滯，不能在超速運轉(zhuǎn)模式下打開；B28/6節(jié)氣門上游壓力傳感器信號失真或臟污，導(dǎo)致測量值比實際值高很多；Y77/1增壓壓力控制轉(zhuǎn)換器機械故障，導(dǎo)致廢氣旁通閥真空室真空釋放過慢；發(fā)動機控制單元軟件問題。

拉動廢氣旁通閥真空室拉桿進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)旁通閥沒有卡滯現(xiàn)象，隔熱板與拉桿無干涉；檢查廢氣旁通閥真空室拉桿螺母，無松動、位移的情況；利用XENTRY診斷儀促動旁通空氣轉(zhuǎn)換閥Y101，可明顯感覺到Y(jié)101的振動，但拆下Y101檢查，未見異常；拆下B28/6節(jié)氣門上游壓力傳感器檢查發(fā)現(xiàn)，傳感器有些臟污的情況，用清洗劑清理干凈后裝復(fù)。

找來同款正常車進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，怠速時猛踩一腳油門，正常車真空室拉桿立即關(guān)閉旁通閥，之后拉桿又立即釋放，而故障車的真空室拉桿在踩油門的一瞬間也會立即關(guān)閉旁通閥，但是之后拉桿不能迅速釋放，而是緩慢釋放，導(dǎo)致廢氣旁通閥打開過慢。換上正常車的增壓壓力控制轉(zhuǎn)換器Y77/1后試車，拉桿收放迅速，故障現(xiàn)象消失。

綜合上述檢查分析，該車故障原因是Y77/1轉(zhuǎn)換器存在機械故障，導(dǎo)致廢氣旁通閥真空室真空釋放過慢，在超速運轉(zhuǎn)模式下，增壓壓力過高，發(fā)動機控制單元限制扭矩和功率的輸出，動力下降。換上新的Y77/1后，該車故障被徹底排除。

維修小結(jié)

1.奔馳各款發(fā)動機采用不同供應(yīng)商的增壓器，如M275采用德國的KKK公司的渦輪增壓器，它曾經(jīng)是奔馳公司的子公司，后并入美國博格華納(BorgWarner)公司。M274和M276及M278均采用IHI日本石川島渦輪增壓器，M282和OM642采用美國蓋瑞特(GARRETT，霍尼韋爾Honeywell旗下)渦輪增壓器，M264采用MHI日本三菱重工渦輪增壓器，M256的廢氣渦輪增壓器和電動輔助空氣壓縮機供應(yīng)商均是美國博格華納(BorgWarner)。

2.奔馳渦輪增壓器的廢氣旁通閥控制方式的變化趨勢是從壓力氣動控制變?yōu)檎婵諝鈩涌刂疲罱K發(fā)展為通過促動器直接電動控制。采用壓力氣動控制(執(zhí)行器為Y31/5)的發(fā)動機有M275、M277和M279；采用真空氣動控制(執(zhí)行器為Y77/1)的發(fā)動有M270、M274、M276和M278)；采用直接電動控制(執(zhí)行器為M16/7)的發(fā)動機有M264、M256和M282。

3.奔馳渦輪增壓器的減速空氣旁通控制方式的變化趨勢是由氣動控制變?yōu)殡妱涌刂啤２捎脷鈩涌刂?執(zhí)行器為Y101)的發(fā)動機有M275、M277和M279；采用電動控制(執(zhí)行器為Y101)的發(fā)動機有M270、M274、M276、M278、M256和M264。

4.使用真空表測量M270、M274、M276和M278的廢氣旁通閥控制真空室，真空標(biāo)準(zhǔn)值都在-80kPa左右。