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

由于國內排放要求及油耗要求日益嚴苛，市場上使用廢氣渦輪增壓器的增壓汽油機也日趨增多。渦輪增壓器渦端通常會集成廢氣旁通閥機構。相對于氣動廢氣旁通閥，電控廢氣旁通閥機構能夠更靈活地控制增壓器廢氣旁通閥的開啟和關閉。低負荷時，降低發動機的排氣背壓從而降低油耗；同時減少排氣的熱量損失，實現三催系統的快速起燃，達到降低排放的目的。此外，電控廢氣旁通閥的控制精度更高，發動機的瞬態性能、排放以及駕駛性上的響應更快，提高整車的加速性[1]。

然而，電控廢氣旁通閥機構除了機械運動機構外還有電控部件，控制策略及模型也不同于氣動執行器。隨著電控廢氣旁通閥的廣泛應用，渦輪增壓器的失效模式也相應地增加。

1 增壓器電控廢氣旁通閥失效模式

在某渦輪增壓發動機性能試驗中，當轉速為1 000 r/min拉升至1 800 r/min時扭矩正常，而轉速拉升至3 000 r/min以上再降至1 800 r/min時扭矩下降約10 N·m。更換增壓器后，上述故障消除。對比臺架數據發現，1 800 r/min扭矩異常時，對應的廢氣旁通閥目標開度為0，實際開度也是逼近0，但是對應的執行器反饋電壓值只有不到3.1 V(圖1)，與圖紙要求的全關電壓相差較遠。即使考慮熱膨脹的影響，全關電壓不應小于3.21 V。

圖1 廢氣旁通閥開度及執行器反饋電壓示意

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構主要由固定于壓端的電子執行器、執行器曲軸、執行器連桿、曲柄、搖臂、閥蓋等組成。

圖2 電控廢氣旁通閥機構示意

電控廢氣旁通閥的控制包括廢氣旁通閥實際位置計算、零位自學習、廢氣旁通閥軟著陸三大功能塊。電子執行器全關電壓由ECU對廢氣旁通閥零位自學習得到。由于執行機構的尺寸偏差、熱膨脹、機構磨損等因素影響，造成廢氣旁通閥全關的物理位置會存在偏差，對應的電壓值也會變化。為保證增壓器的控制精度、保證實際使用中發動機的性能，ECU會對增壓器廢氣旁通閥電子執行器全關電壓進行自學習。實時地獲取實際廢氣旁通閥全關執行器電壓值，再根據全關電壓計算不同開度對應的電壓值，控制廢氣旁通閥達到對應工況下的開度[2-3]。

電子執行器自學習失敗或錯誤的表現為：廢氣旁通閥無法精確控制，無法關到實際需要的位置，造成發動機性能異常(如功率、扭矩下降)。

觸發自學習的條件：

(1)上電自學習；

(2)開度小于4% (設定值)時運行過程中的自學習，需要開度大于30%以后才會進行下次運行過程中自學習。

3 失效原因分析

針對廢氣旁通閥全關電壓過小問題進行故障樹分析，如圖3所示。

圖3 旁通閥全關電壓過小故障樹分析

電子執行器內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)。對故障增壓器的電子執行器做熱漂移測試，熱漂移量小于0.15 V在接受范圍內。

全關電壓過小還可能是廢氣旁通閥并未關嚴，而誤判為關嚴，即電子執行器自學習失敗，學到了錯誤的全關位置。

進行反復嘗試和對比發現，冷態手動自學習零位電壓為1.53 V,對應0開度時的執行器反饋電壓為5-1.53=3.47 V。而發動機運行時的自學習零位電壓，受排溫影響，在1.51～1.92 V間變化。當轉速為3 000 r/min降至1 800 r/min時，自學習零位電壓大于1.9 V，對應廢氣閥的目標開度為0，執行器反饋電壓值不到3.1 V，此時電子執行器占空比接近28%。試驗中當自學習零位電壓小于1.8 V時，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，對應的廢氣閥目標開發0及實際開度為1.8%，執行器反饋電壓值只有不到3.1 V”的情況下：人為沿著拉桿往關閉方向拉動廢氣閥曲柄，發現執行器反饋電壓增大至3.23 V，執行器實際開度減小為-2.8%。發動機扭矩恢復至正常水平。

增壓器控制軟件邏輯認為：在廢氣旁通閥電子執行器允許的持續占空比下，廢氣旁通閥就能關嚴。而實際廢氣旁通閥開度卻是4.6%[1.8%-(-2.8%)=4.6%]。對廢氣旁通閥關閉阻力并未做過測試，不同工況點下持續占空比是否能夠關嚴廢氣旁通閥也未做過校驗。

綜上，可判定扭矩下降原因為：在轉速為3 000～1 800 r/min內觸發了增壓器廢氣旁通閥自學習，而此時電子執行器持續占空比并不能將廢氣旁通閥關嚴，ECU學到了錯誤的零位(0開度位置)。

經檢查，ECU還未增加增壓器廢氣旁通閥全關電壓上下限閾值的判斷；故障增壓器的廢氣旁通閥執行機構也并無卡滯。對故障增壓器和庫存增壓器新樣件的廢氣旁通閥關閉曲柄側推力進行測試發現：全新增壓器樣件，關閉廢氣旁通閥的曲柄側推力為2.6～3.8 N，均值為3.0 N。

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

圖4 庫存增壓器廢氣旁通閥關閉曲柄側推力分布

考慮到經過高溫，廢氣旁通閥執行機構熱膨脹會造成關閉時曲柄側推力增大，分別測量新件在室溫、300、500 ℃下、臺架高排溫下運行2 h和8 h后的廢氣旁通閥關閉曲柄側推力。由表1和表2可知，高溫(≥500 ℃)下，曲柄側推力由新件時的3 N增大至約9 N。故障件關閉廢氣旁通閥曲柄側推力為15.3 N，依然明顯過大。

表1 渦輪搖臂開閉推力測試(溫度箱) 單位:N

表2 渦輪搖臂開閉推力測試(增壓器臺架) 單位:N

懷疑故障件存在零部件質量問題，對故障件進行拆解分析及尺寸檢測。同時，預留一定的余量，按照10 N的關閉側推力校核電子執行器持續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

拆解故障增壓器發現，襯套端面和搖臂端面靠近閥片一側有明顯的摩擦痕跡,如圖5所示。對搖臂進行尺寸檢測發現，搖臂轉軸同軸度、垂直度超差，導致廢氣旁通閥關閉過程中搖臂端面與襯套面異常摩擦，執行機構運動阻力增大。

圖5 故障件搖臂端面異常磨損

3.2 電子執行器扭矩校核

電子執行器扭矩校核相關參數示意如圖6所示。

圖6 電子執行器扭矩校核相關參數示意

利用外特性中各發動機轉速下的渦前、渦后壓力計算對應轉速下關閉廢氣旁通閥需提供的扭矩。

關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為廢氣旁通閥關閉需要提供的扭矩；f為曲柄需克服的最大摩擦力(側推力)，f=10 N；p1t為對應工況下的渦前絕對壓力；p2t為對應工況下的渦后絕對壓力；c為渦前壓力脈沖系數；A1為廢氣旁通閥孔面積；A2為廢氣旁通閥蓋面積；L1為曲柄長度；L2為搖臂長度。

由表3可知，當轉速大于1 900 r/min時，需求的扭矩大于持續占空比下可以輸出的扭矩(780 N·mm)，廢氣旁通閥無法在持續占空比下關閉。

表3 各轉速下關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行器允許的持續占空比下，廢氣旁通閥就能關嚴；且持續關閉廢氣旁通閥，無論持續時間長短，電子執行器輸出的占空比都不能超出其允許的持續占空比。故而，只能用電子執行器在其持續占空比下能輸出的最小扭矩(780 N·mm)來做扭矩校核。

從標定數據來看，1 900 r/min以上轉速并不需要持續關閉廢氣旁通閥；只有觸發自學習時，或是在增壓器效率下降后或是高原環境下，才需要用持續占空比關閉廢氣旁通閥。

對于高于1 900 r/min觸發自學習，學到錯誤的全關位置，也不影響轉速降至1 900 r/min以下的廢氣旁通閥關閉。原因是在控制邏輯中，當目標開度0、反饋的開度也是0時，若增壓壓力依然未達到目標壓力，占空比將持續增大至持續占空比，此時反饋的廢氣旁通閥開度出現負值。

對于增壓器效率下降及高原環境使用的情況，由于廢氣旁通閥的需求開度取決于需求進氣壓力，當實際壓力達不到需求進氣壓力時，1 900 r/min以上轉速可能需要持續全關廢氣旁通閥。但廢氣旁通閥關閉需要的扭矩，與渦前渦后的壓差關聯，間接地與增壓壓力關聯。當增壓壓力較小時，可以理解為廢氣旁通閥關閉需要的扭矩也較小。所以，此時持續占空比也是可能關嚴廢氣旁通閥的。

4 結束語

廢氣旁通閥關閉時并不是絕對密封的，允許的泄漏量為10～20 L/min，實際的泄漏量與壓緊力、壓緊面的平面度和粗糙度等都有關系。廢氣旁通閥壓緊力又等于持續占空比輸出扭矩減去關閉需求的扭矩T，與發動機的具體運行工況相關。所以關閉廢氣旁通閥時的泄漏量是隨零件差異和具體運行工況波動的。零件制造不可能沒有偏差，也不可能做到完全一致，如果在某些工況點必須要持續關閉廢氣旁通閥，由于增壓器沒有任何的調整余量，零件的個體差異必然造成同款發動機間的扭矩波動。故而建議給廢氣旁通閥開度預留一定的余量，盡可能降低需求廢氣旁通閥持續全關的概率。此外，在性能開發階段需用發動機外特性數據校核廢氣旁通閥持續占空比扭矩輸出是否滿足需求；還需增加對關閉廢氣旁通閥曲柄側推力的檢測，避免在搬運或安裝過程中造成零件損傷導致曲柄側推力過大。