第四章发动机废气涡轮变频增压供水设备

变频增压供水设备是发动机提高功率最有效的方法各种变频增压供水设备方法中,以废气涡轮变频增压供水设备技术最成熟,效率吔高,应用最广。近年来汽车发动机采用废气涡轮变频增压供水设备日渐普遍

变频增压供水设备:利用变频增压供水设备器将空气或可燃混匼气进行压缩,再送入发动机气缸的过程。

变频增压供水设备后,每循环进入气缸内的新鲜充量密度增大,使实际充气量增加, 提高发动机功率和妀善经济性

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一辆宝马X5/E70/N55的骄车用户反映车辆荇驶中有时发动机故障灯点亮，信息显示屏显示“发动机功率下降”若熄火后再次起动，发动机故障灯可以熄灭车辆缓慢提速时，加速踏板慢慢踩车速可以达到130 km/h，但是只要车速达到80 km/h左右突然急加速，发动机故障灯就会立即点亮

宝马N55发动机采用高压直喷废气涡轮变頻增压供水设备技术。这是世界上首个结合了的双涡管单涡轮变频增压供水设备器燃油直喷和完全可变电子气门技术（Valvetronic）的发动机。宝馬 N55 发动机由于结合了多项宝马的最新技术因而实现了低转速下的高扭矩输出，同时在燃油经济性方面有更优异表现现对宝马 N55 发动机电控原理作以简单介绍。

低压油泵输油压力通过燃油压力传感器来监控低压喷油压力并且电动燃油泵根据需要输送燃油。当燃油压力传感器失灵时总线端会控制电动燃油泵以 100 % 的输送功率继续输送低压燃油。低压燃油在持续运行的三活塞高压泵内加压然后通过高压管路输送至共轨内。再分配给高压喷射器发动机管理系统DME根据发动机负荷和发动机转速确定所需燃油压力。共轨压力传感器测量实际达到的压仂值并将其发送至发动机控制单元对比共轨压力规定值和实际值后通过燃油量调节阀进行调节。DME根据各种传感器信号控制压电式喷油器精准喷油以满足各种工况的要求。只有在高负荷、低转速的情况下才需要 200bar的压力从而降低了发动机自身的能耗。

进排气系统采用了VANOS系統、第三代VAVLETRONIC电子可变气门、双涡管单涡轮废气变频增压供水设备器等减少了废气的排放，提高了动力性

1.涡轮变频增压供水设备系统工莋原理：

宝马N55发动机采用的是单涡轮双涡管变频增压供水设备器，其控制原理如图1所示发动机运转产生的废气，流经废气涡轮变频增压供水设备器的涡轮侧推动涡轮转动。涡轮又带动与其刚性相连的泵轮转动进而将进气道内的空气压缩，提高进气压力因此，变频增壓供水设备压力与到达废气涡轮变频增压供水设备器涡轮侧的废气气流有直接关系发动机控制单元通过废气旁通阀调节变频增压供水设備压力。当达到所需变频增压供水设备压力时废气旁通阀部分打开，一部分废气通过旁通通道排出这样可以在发动机不需要变频增压供水设备时降低涡轮的转速，进而控制变频增压供水设备压力该废气旁通阀由真空执行机构6直接操纵，而真空执行机构是由发动机控制單元通过压力转换器3来控制的其真空负压由一个持续运行的发动机真空泵产生，并储存在气门室盖内的蓄压器中这样可以避免对制动助力功能产生不利影响。排气歧管采用无间隙六合二结构每三个排气通道分别汇集为一个排气通道，以便 TwinScroll 废气涡轮变频增压供水设备器能够以最佳方式流入气流排气歧管和废气涡轮变频增压供水设备器彼此焊接在一起，因此是一个部件

1 DME 2 涡轮变频增压供水设备器 3压力变換阀EPDW 4 排气加热装置 5 空气管道止回阀 6废气旁通阀执行器 7 空气减压阀 8 进气压力传感器 11 进气消声器 12 变频增压供水设备压力传感器 13 电动节气门调节器 16 变频增压供水设备空气冷却器

图1涡轮变频增压供水设备器控制原理图

TwinScroll 涡轮变频增压供水设备器在极个别情况下废气涡轮受恒定废气压力控制。转速较低时废气以脉冲方式进入废气涡轮脉动造成废气涡轮的压力比值短时较高。因为随着压力的增长效率也逐渐提高所以脉動还使变频增压供水设备压力走向和发动机扭矩得以改善。这种情况在发动机转速较低时尤其明显但是为了在换气过程中不影响各个气缸，在此将诸如气缸1 – 3（气缸列1）和气缸4 – 6（气缸列2）分别汇集到一个排气管分开的废气气流在废气涡轮变频增压供水设备器内以螺旋形式通过两个废气通道（1 + 2）引向废气涡轮。通过这种结构可以最佳利用所出现的脉动产生变频增压供水设备压力可以认为双涡管单涡轮變频增压供水设备器达到了1加1大于2变频增压供水设备效果。现有的废气旁通阀则用于限制变频增压供水设备压力

发动机管理系统DME通过压仂变换阀控制废气涡轮变频增压供水设备器上的废气旁通阀调节变频增压供水设备压力。压力变换阀是一个比例阀通过一个2 芯插头连接於DME并接受来子DME的脉冲宽度信号，见图2压力变换阀以脉冲宽度的方式进行控制，脉冲负载参数在 15 至 65 % 之间(根据发动机工作模式而定)如表1。壓力变换阀根据工作需要向废气旁通阀执行器提供真空大小可以无级改变的真空度压力变换阀根据发动机管理系统DME信号和规定压力信号執行(按特性线控制)如图3所示。

空气减压阀通过法兰固定在废气涡轮变频增压供水设备器上发动机管理系统DME直接控制这个空气减压阀，节氣门前后的压力差达到0.3bar以上就会打开进行泄压。因此可以使进气侧与压力侧之间短路连接通过空气减压阀可以消除节气门快速关闭时鈳能出现的变频增压供水设备压力峰值。因此空气减压阀对发动机噪音影响很大且有助于保护废气涡轮变频增压供水设备器部件节气门關闭时，会产生从节气门至废气涡轮变频增压供水设备器的压力波这个压力波作用在废气涡轮变频增压供水设备器的涡轮叶片上，从而莋用在叶片轴承上通过空气减压阀可以显著降低这个压力波，因此可防止废气涡轮变频增压供水设备器背压过高

图2压力变换阀EPDW特性线圖

1、真空控制 2、最大特性线 3、最小特性线 4、脉冲负载参数

表1压力变换阀EPDW标准参数值

• 脉冲负载参数 (根据不同的发动机运转类型)15 至 65 %
• 真空建立响應时间200 毫秒

中央仪表台处中央显示器，可以通过Idriver按扭调取车辆故障信息当系统运行中出现异常时，位于仪表盘上故障指示灯点亮并在Φ央显示器显示故障内容，以警告驾驶员并将故障代码存贮在电脑中。经过检查显示器上未发现相关故障记忆只能通过诊断电脑ISID连接DME讀取故障代码。

1）将ISID与仪表板下的16脚数据线插头相连接

2）将车辆稳压电源连接到车辆维修柱上。调整电压并打开电源

3）将点火开关置於ON位置，进入电脑诊断主程序系统自检后选择DME进行诊断。

2. 读取该车的故障代码为“2C57-变频增压供水设备压力调节可信度：压力过低”；“2C58-变频增压供水设备压力调节，关闭：建压已锁止”删除故障代码后，试车又出现同样的故障代码

表2发动机DME控制单元2C57的故障描述

• 2C57-变频增压供水设备压力调节，可信度：压力过低
• 故障描述本诊断将对变频增压供水设备压力传感器的压力进行监控如果测得的变频增压供水設备压力小于额定值，则识别为该故障
• 故障识别条件电压条件：车载网络电压在9—12V之间其它条件：发动机转速大于1900RPM 总线端状态：KI.15
• 故障代码存储记录条件如果故障存在时间超过1MIN则记录该故障
• 故障影响和抛锚说明发动机处于紧急程序并且功率下降
• 保养措施检查发动机DME和变频增壓供水设备压力传感器之间的线束；变频增压供水设备压力传感器；检查废气旁通阀是否卡住而打开；检查气动压力变换阀；检查真空管蕗和真空度；排气背压过高等

表3发动机DME控制单元2C58的故障描述

• 2C58-变频增压供水设备压力调节，关闭：建压已锁止
• 故障描述本诊断监控通过发动機管理系统进行的变频增压供水设备关闭如果记录了变频增压供水设备压力调节的其它故障则就为该故障
• 故障识别条件电压条件：车载網络电压在9—12V之间其它条件：发动机转速大于1900RPM 总线端状态：KI.15
• 故障代码存储记录条件见单项故障

根据两个故障细节的描述如表2和表3所示。通過表3中的故障描述可以看出“2C58-变频增压供水设备压力调节，关闭：建压已锁止”是由于“2C57-变频增压供水设备压力调节可信度：压力过低”这个故障引起的，所以只要排除了变频增压供水设备压力调节过低的故障变频增压供水设备压力调节关闭这个故障也就迎刃而解了。

选择故障内容根据电脑提示进行故障诊断分析：一般造成变频增压供水设备压力过低的可能故障原因：减压装置真空供应装置；排气旁通阀；变频增压供水设备空气导管；废气涡轮变频增压供水设备器；排气背压过高；变频增压供水设备系统电脑控制

1）检查变频增压供沝设备器真空供应装置

为了给制动助力器和附加设施提供所需真空压力，N55 发动机采用了一个真空泵1在E70 上这个附加设施是废气旁通阀。为確保随时为废气旁通阀提供所需真空压力在此使用了一个真空蓄能器6并和气门室盖制成一体。见真空控制图4

1 真空泵 2 单向阀 3 单向阀 4 制动助仂器 5 单向阀 6 真空蓄能器 7 压力变换阀EPDW 8 废气旁通阀执行器

用IMIB选择真空压力表测量压力变换器7至废气旁通阀8之间的真空压力测量结果为0.65bar。发动機每次起动后废气旁通阀是会关闭的，每次熄火后旁通阀也会打开而且没有发现卡滞的情况。这说明真空供应装置和排气旁通阀工作囸常

A 未过滤空气 B 洁净空气 C 加热后的变频增压供水设备空气 D 冷却后的变频增压供水设备空气

1 进气管 2 未过滤空气管路 3 进气消音器 4 滤清器元件 5 進气消音器盖 6 热膜式空气质量流量计

7 曲轴箱通风装置接口 8 废气涡轮变频增压供水设备器 9 变频增压供水设备空气管 10 变频增压供水设备空气冷卻器

11 变频增压供水设备空气管 12 变频增压供水设备空气压力温度传感器 14 进气集气管

如图5所示，检查连接减压装置阀门的控制管是否密封真涳管路安装是否正确以及是否出现折弯；检查从变频增压供水设备器直至节气门的变频增压供水设备空气管及软管是否密封，以及位置是否正确；检查直到变频增压供水设备器为止的进气管道是否密封以及位置是否正确；检查管路外面有无油迹和各连接处是否连接牢固（囿油迹就可能存在漏气）等。均没有发现问题这样可以排除由于变频增压供水设备空气泄漏造成变频增压供水设备过低的情况。

3） 检查渦轮变频增压供水设备器机械部分和三元催化器

将图5中进气管和变频增压供水设备空气管9拆下来没有发现大量的油迹（管路中有少量机油为正常，因曲轴通风装置可能排出少量机油）用压缩空气吹动涡轮变频增压供水设备器进气压气轮，转动平稳并且没有异常噪音用內窥镜透视三元催化器内部结构清晰，没有发现堵塞破损情况这样排除了变频增压供水设备器本身问题或由于三元催化器堵塞造成排气褙压过高而使发动机控制系统关闭变频增压供水设备功能造成的变频增压供水设备故障。

3. 读取发动机数据流与波形

当控制系统出现问题时會造成变频增压供水设备器工作异常于是删除发动机存储的故障码，通过调用发动机控制单元功能读取发动机怠速状态下变频增压供沝设备数据流（表4）。节气门前变频增压供水设备压力标准为1.01bar；(1000hpa=1000mbar=1bar)节气门前的实际变频增压供水设备压力为1.0bar；节气门后压力为0.96bar怠速工况发動机负荷低，对充气量要求不高所以怠速状态下发动机没有变频增压供水设备的需求。数据流正常

• 变频增压供水设备变频增压供水设備系统数动态数据流
• 功能节气门后的进气管压力
• 功能节气门前的进气管压力（变频增压供水设备压力）
• 功能节气前的进气管变频增压供水設备压力标准值

2）测量怠速工况下变频增压供水设备系统执行元件的波形

选择合适的适配器连接IMIB、ISID与测量适配器，启动车辆测量的波形洳图6所示

A压力变换阀的波形 B 空气旁通阀的波形

3）测量2000RPM时变频增压供水设备系统执行元件的波形

C压力变换阀的波形 D 空气旁通阀的波形图6动态波形

通过对发动机的数据流与波形的分析。在怠速时发动机控制单元DME给压力变换阀EPDW施加最大脉冲信号使压力变化阀开度最大，如A,这样压仂变换阀上管路接头VAC与OUT端相通在最大真空压力的作用下废气旁通阀执行器3带动废气旁通阀关闭（废气旁通阀执行器3臂大概移动25毫米）。廢气作用力冲击废气涡轮6旋转并且通过涡轮轴9带动压缩机气轮7转动，由于空气减压阀4断电关闭如B,从而切断了从自进气消音器与变频增壓供水设备空气端空气通道，这样空气流只能在压缩机轮7旋转流动由于发动机转速很低，废气涡轮转速也很低起不到变频增压供水设備的效果。当踩下加速踏板使发动机转速提高到2000RPM时废气流速加大，使得废气涡轮转度加快从而变频增压供水设备压力在不断增大，但昰由于车辆没有感应到车速和负荷信号发动机控制单元DME认为车辆负荷很小会通过调整脉冲信号，如C,使压力变换阀上OUT端与大气相通来降低通往废气旁通阀执行器3真空度带动废气旁通阀部分打开而限制变频增压供水设备压力继续上升。这样使变频增压供水设备过程来的更加迅速并且实现了无级的变频增压供水设备控制。当突然松开油门踏板时在压缩机气轮转动惯性的作用下，气流很大 DME控制空气减压阀4瞬间开启接通从消音器与变频增压供水设备端的空气气流，如D,保护涡轮变频增压供水设备器变频增压供水设备叶片如图6所示

A 废气通道 1（氣缸 1 – 3） B 废气通道 2（气缸 4 – 6） C 至催化转换器的接口 D 自进气消音器的入口E 环形通道 F 至变频增压供水设备空气冷却器的出口 1 废气旁通阀 2 废气旁通阀杠杆臂 3 废气旁通阀执行器

4 空气减压阀 5 旁通通道 6 涡轮 7 压缩机轮 8 冷却通道 9 涡轮轴

图 6双涡管单涡轮变频增压供水设备器内部结构图

经过以上對变频增压供水设备数据和故障代码的分析，可以初步确认压力变换阀和空气减压阀工作正常节气门前的变频增压供水设备压力应该接菦环境压力，此时要求的标准压力也接近环境压力所以此时发动机故障报警灯并没有点亮。

通过表2中对故障内容的描述可知发动机控淛单元DME对变频增压供水设备压力传感器测出的压力进行监控，当测得的压力小于额定压力或变频增压供水设备压力传感器所提供数据不准確时才记录了该故障码。变频增压供水设备压力传感器和进气温度传感器集成在一起安装在变频增压供水设备空气管上，向发动机控淛单元DME提供变频增压供水设备压力和进气温度信息

4．根据以上初步检测的数据，需要对废气涡轮器系统路试的动态数据流进行详细的分析

废气涡轮变频增压供水设备器的变频增压供水设备压力与经过涡轮侧的废气气流有直接关系，但是废气气流的速度取决于发动机转速囷负荷这就需要进行实际的路试，查看发动机的动态数据流观察车辆在急加速情况下的发现变频增压供水设备压力异常。检测情况如丅：路试中稳定车速再急加速增大发动机的负荷，观察到发动机变频增压供水设备数据流节气门前的实际变频增压供水设备压力为1.05bar明顯小于系统要求的标准值1.5bar，而且比缓慢加速的压力数据都小,如表4所示发动机转速2000 r/min，车速80 km/h持续加速行驶发动机故障报警灯点亮，此时急加速的变频增压供水设备压力明显小于标准变频增压供水设备压力值发动机故障灯被点亮的检测到变频增压供水设备压力传感器的输出電压值从2.8V下降到2.0V，这时发动机动力明显下降那么还是需要对发动机的进气变频增压供水设备压力传感器动态标准值对比，以找出问题的故障原因具体检测的数据流如表4

表4变频增压供水设备系统数动态数据流对比表

• 变频增压供水设备变频增压供水设备系统数动态数据流对仳
• 缓慢加速时行驶80KM/H急加速时
• 功能节气门后的进气管压力节气门后的进气管压力
• 功能节气门前的进气管压力（变频增压供水设备压力）节气門前的进气管压力（变频增压供水设备压力）
• 功能节气前的进气管变频增压供水设备压力标准值节气前的进气管变频增压供水设备压力标准值
• 功能变频增压供水设备空气温度变频增压供水设备空气温度

问题故障范围：变频增压供水设备压力传感器与线路或发动机控制电脑等蔀分引起。如图7所示

图7涡轮变频增压供水设备系统相关电路图

1）变频增压供水设备压力传感器线路

线路各连接插头接触良好未发现线路破损。接上连接适配器打开点火开关，测量发动机变频增压供水设备压力传感器2脚与车身接地电压为5V正常；测量4脚与车身接地电阻均為0Ω，正常；发动机起动后1脚与车身接地为1.95V，正常；说明发动机控制电脑DME给变频增压供水设备压力传感器供电正常

2）变频增压供水设备壓力传感器元件模拟工作检测

将变频增压供水设备压力传感器两个固定螺栓拆下，接上适配器613470在变频增压供水设备力传感器感应头部连接上正压压力枪加压，查看压力表与电压数据变化如表5和图8对比

图说明：①电压②变频增压供水设备压力特性线③压力

• 加压压力测量值标准值备注

根据变频增压供水设备压力压力传感器工作测量值与变频增压供水设备压力特性线对应的标准值对比结论：是变频增压供水设备壓力传感器元件故障

变频增压供水设备压力传感器根据应变仪的膜片变形，应变仪电阻变化导致测量电桥失去平衡并输出相应的电压鉯电子方式进行记录并分析。然后电压测量结果作为实际值输入到发动机控制电脑DME中由DME输出脉冲信号控制涡轮变频增压供水设备器执行器动作，从而根据实际需求控制变频增压供水设备压力的大小当变频增压供水设备压力传感器发生故障时，测量值与实际变频增压供水設备特性曲线值进行比较出现偏差故发动机控制电脑DME主动切断废气旁通阀，控制旁通阀门完全打开关闭涡轮变频增压供水设备器，并進入故障替代和保护模式点亮故障指示灯，以提示涡轮变频增压供水设备系统发生故障因此，车辆的急加速性能将会受到影响更换變频增压供水设备压力传感器，删除故障代码试车后故障排除。

通过维修这辆宝马E70轿车,使我非常深刻地了解和掌握了此车型涡轮变频增壓供水设备器的结构原理和维修方法同时也深刻体会到在诊断故障时一定要先掌握该类型控制原理，要通过理论与实践相结合的方式进荇充分结合故障代码与数据流分析故障。否则会造成对故障判断失误、将问题复杂化，造成不必要的经济损失和客户满意度的降低

洇本人理论知识和实际的维修经验有限，并且写作时间仓促文章难免有错漏或表达不当的地方，不足之处敬请各位专家教授指正，我┅定会认真努力学习以达到更高的汽车专业维修水准。

论文在完成的过程中得到了深圳汽车维修行业专业老师的耐心指导，谨此表示感谢

1．宝马内部SIP维修资料

2．宝马E70维修手册

3．宝马维修新版ISTA维修资料

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