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发动机学员手册
第一部分发动机
1.1简介
近年来,新技术的发展使排放的有害气体CO、HC和NOx转化成无害的物质成为可能。
这个成功的关键是使用了三元催化转化器和电控燃油喷射。
燃油喷射技术的持续发展带来了不断改进的结果,推动了废气排放的进一步减少。
福特的Ecoboost涡轮增压燃油直喷发动机,可以使汽油发动机的燃油经济性提升达20%,二氧化碳排放降低15%。
使用涡轮增压结合汽油直喷同样也提高了动力输出。
在减少了燃油消耗的同时增加动力输出,因此有助于实现发动机小型化,同时保持发动机设计几乎没有改变或者使它越来越精简。
涡轮增压燃油直喷发动机的特点:
∙用更小排量、小尺寸的涡轮增压汽油发动机就可以传递同样的功率
∙在燃烧压力增加的工况下可以提高燃烧效率和降低油耗减少二氧化碳的排放
∙涡轮增压技术可以在低转速下提高扭矩输出
∙在燃油直喷、涡轮增压和可变正时的良好配合工作下可以提高发动低转速下扭矩输出从而补偿驾驶需求
∙燃油直喷可以降低燃烧室的温度,在高速大负荷时只需更少的燃油因此可以降低排气温度
涡轮增压燃油直喷发动机与常规发动机扭矩输出对比
ecoboost发动机的CO2排放与现在歧管喷射发动机排放对比
2.0LEcoBoost-SCTi(MI4)发动机
1.高压泵2.VCT3.油轨4.涡轮增压器
1.1.1技术参数
技术参数
项目
参数
发动机代码
TNBA
点火顺序
1-4-3-2
排放水平
欧V
缸径
87.5mm
行程
83.1mm
排量
1999cm³
压缩比
10:
1
6000rpm最大输出功率
149kW(203PS)
1750-4000rpm最大输出扭矩
300Nm
发动机最大转速(瞬间)
6800
发动机最大转速(连续)
6500
怠速
760
主轴承数量
5
凸轮轴驱动方式
链条
机油正常消耗量
0.5L/1000Km
扭矩输出图
1.1.2系统概述
发动机管理系统:
∙BoschPCMMED17.0
∙工作模式:
Ø均质模式
Ø催化器加热模式
∙BoschHDP5高压泵
∙BoschHDEV5.1喷油嘴,每个带有7个喷孔
∙150bar最大喷射压力
∙燃油计量阀位于高压泵上
∙燃油压力传感器在燃油轨上
∙上游HO2S和下游HO2S(BoschLSF4.2)
∙发动机油温油位传感器测量发动机油油温
∙VCT位于进气和排气凸轮轴
∙模块控制低压燃油管路
∙发动机管理策略遵守EuroV排放标准
废气排放限制
随着EUROV标准的引入,污染物排放中的废气排放限制要求更加严格。
乘用车EUROIV/EUROV废气排放限制对比(CO,HC,NOX,和PM(微粒,碳烟))(g/km)
遵守EUROV限制的改进措施
从表格中可以看到,EUROV的废气排放标准相比于EUROIV难题在于对NOX排放和PM(微粒物质)排放要求更加严格。
进气歧管喷射发动机:
进气歧管喷射汽油发动机已经达到了EUROIV标准,它们将会为在某些情况下达到EUROV标准作出改进。
这很大程度上要依靠改进PCM软件来实现。
一些改变通过改良催化转化器涂层,NOX的转化得到了提高;一些改变把催化转化器重新安装到离发动机足够近的地方,以便让三元催化转化器能够最快的达到工作温度。
涡轮增压缸内直喷汽油发动机:
依照EuroV排放标准,带有涡轮增压的汽油直喷发动机有了新的重要性。
第一款此类型的发动机是2.0LEcoBoost-SCTi(MI4),输出动力150kW(203PS).这款发动机将会应用到2010生产的Mondeo上,更多的涡轮增压汽油直喷发动机将随后从2010年年中生产。
这款发动机用缸内废气再循环(EGR)取代了外部的EGR机构,废气再循环是通过VCT实现的。
通过改进燃烧室布局以及采用新型燃油直喷,使PM(碳烟)的产生减少到了最低。
1.1.3基本工作原理
汽油直喷为进一步节油提供了巨大的潜力,结合涡轮增压系统,可减少燃油消耗高达20%。
汽油直喷发动机在燃烧室内形成空气燃油混合气,这种混合气形成类型叫做内部混合形成。
在进气行程,只有新鲜的空气通过开启的进气门流入燃烧室。
燃油在高压作用下通过专门的喷油嘴被喷入燃烧室内。
燃烧过程
1.喷油嘴
2.进气门
3.火花塞
4.排气门
5.汽油喷雾团
对于汽油直喷,术语“燃烧过程”描述了混合汽形成及能量转换的方式。
影响燃烧的因素:
∙燃烧室及进气道的几何形状
∙燃油喷射和点火正时的校准
∙运用的工作模式
2.0LEcoBoost-SCTi(MI4)采用了壁面引导燃烧过程,喷油器位于进气门之间的边上,混合气通过活塞上的凹坑形成。
工作模式
2.0LEcoBoost-SCTi(MI4)应用了下列工作模式:
∙均质模式
∙催化器加热模式
均质工作模式:
∙当发动机在工作温度下,混合汽在均质工作模式产生。
∙在这个模式下,燃油喷射量按照与新鲜空气的理论比值14.7:
1精确计算。
∙燃油喷射在进气行程,这样有足够的剩余时间让全部混合汽混合均匀。
∙在均质工作模式,燃烧很大程度上相当于一个进气歧管喷油模式下的燃烧。
催化器加热工作模式:
∙当发动机温度低时,催化器加热工作模式可以用2次喷射为三元催化转化器提供快速的加热。
∙第一次喷射,同均质工作模式一样在进气行程喷油,第二次发生在压缩行程,当进气门关闭后快速的喷射。
这样形成一个浓的油核围绕在火花塞周围。
∙点火时刻被推迟,这样尽可能多的燃烧余热可以进入排气管,从而快速加热三元催化器。
燃油直喷发动机对比进气歧管喷射的优势
对于进气歧管喷射的发动机,燃油被喷入进气道,在这个过程中,喷射出的燃油会接触到进气道表面以及喷油嘴。
取决于主进气道壁和混合汽的温度,这会引起燃油凝结到这些元件的表面上,从而形成了壁膜。
燃油凝结成壁膜,会不受控制的流入燃烧室内。
这个特征就是被提到的壁膜损失。
燃油直喷对燃油流只有很少的阻碍,这样壁膜损失也因此相对的比较低,对燃油燃烧和废气排放产生积极的影响。
在过去,涡轮增压用到进气歧管喷射汽油发动机上主要是用来提高发动机性能。
现在,涡轮增压越来越多的被用来提高发动机在低速下的最大扭矩,尤其是在带有汽油直喷的涡轮增压发动机上。
对进气歧管喷射的增压发动机,一个主要问题是如何减少发动机爆震的趋势。
废气的高温被额外的喷油减弱,虽然这个措施降低了温度,也同样导致让废气过浓,增加了燃油消耗,因此产生非常高的废气排放。
对于燃油直喷型,通过以下措施把发动机爆震趋势降到最低:
∙汽油直喷的冷却效应
∙控制进气凸轮角度
汽油直喷的冷却效应
对于汽油直喷发动机,当燃油被直接喷射到汽缸内时,由于燃油的气化吸热作用使得燃烧室的温度降低,与类似的进气歧管喷射增压发动机相比,这样提高了几何压缩比和发动机效率。
控制进气凸轮角度
∙通过选择性的改变进气凸轮角度,能够影响实际的燃烧室压缩比
∙在接近全负荷的运行点的时候,吸入的过量空气被推回到进气管
∙如果爆震的趋势再次下降,压缩比可以继续提高,这样进一步提高部分负荷时的效率
1.2发动机管理系统
1.2.1电控系统概述
1.CKP传感器
2.ECT传感器
3.CMP传感器(进气凸轮轴)
4.CMP传感器(排气凸轮轴)
5.MAP传感器(进气歧管)
6.MAFT传感器
7.KS爆震传感器(1、2汽缸)
8.KS爆震传感器(3、4汽缸)
9.上游HO2S
10.下游HO2S
11.油压传感器(低压油路)
12.PSP开关
13.油压传感器(高压油路)
14.电瓶,点火开关和继电器
15.APP传感器
16.网关(例如仪表或者GEM)
17.低油压开关
18.CPP离合器踏板开关
19.发电机
20.机油油位传感器
21.电子节气门
22.带有大气压力传感器的PCM
23.MAPT进气歧管压力和温度传感器(中冷器)
24.FPDM(燃油泵控制模块)
25.电子油泵单元
26.喷油器
27.COP点火
28.燃油调节阀
29.VCT电磁阀(进气凸轮轴)
30.VCT电磁阀(排气凸轮轴)
31.冷却风扇控制和空调压力
32.EVAP电磁阀
33.增压压力控制电磁阀
PCM的管理系统采用的是MED17.0
针脚数量:
•A=96pins
•B=58pins
PCM的处理器时钟频率是80MHz.
1.2.2进气系统
2.0LEcoBoost-SCTi(MI4)发动机的进气系统采用了废气涡轮增压装置,废气涡轮增压器能够提高发动机的充气效率,发动机的最大功率和扭矩输出能够得到大幅度的提升。
另外采用涡轮增压技术还能够提高发动机的燃油经济性和降低尾气排放。
发动机采用均质混合气燃烧方式而工作,发动机的扭矩就是通过电子节气门控制进入的空气数量来控制的,这个原理被称为是数量调节。
增压压力通过涡轮增压器产生后经过中冷器进入进气系统中,电子节气门在增压系统和进气系统之间形成了一个分界,节气门的开度最终决定了提供增压压力的大小或者是实际进气量的多少。
废气涡轮增压器
废气涡轮增压器和排气管制作成一个整体,涡轮增压器的冷却是通过发动机的冷却系统一起进行的。
涡轮增压控制电磁阀和回风阀都位于涡轮增压器总成上。
2.0LEcoBoost-SCTi(MI4)发动机管理系统软件允许最大的增压压力是1.2bar。
1
涡轮增压冷却液输出管
2
涡轮增压真空执行器
3
涡轮增压机油供油管
4
增压压力控制电磁阀
5
回风阀
6
涡轮增压机油回油管
7
涡轮增压旁通风门阀(控制增压压力)
8
涡轮增压旁通风门阀拉杆
9
涡轮增压冷却液输入管
增压压力调节
各种运转工况的增压压力的大小是通过控制增压压力控制电磁阀分别设定的。
PCM通过PWM信号来控制增压压力控制电磁阀,电磁阀通过控制作用在涡轮增压真空执行器装置上的气体压力来控制涡轮增压旁通风门阀的开度位置,增压器旁通风门阀开口的大小能够控制增压压力的大小。
增压器旁通风门阀在发动机静止的状态下是关闭的。
作用在涡轮增压真空执行器的压力因此取决于:
∙施加的增压压力
∙PWM信号的占空比
增压压力控制电磁阀
增压压力控制电磁阀的火线是由PCM提供的12V电压,当PCM控制地线接地时,电磁阀打开泄压通路。
PCM通过PWM信号来控制电磁阀的地线,这样保证了电磁阀控制的平顺性。
在开环控制的情况下电磁阀是关闭的。
下列为增压压力控制电磁阀占空比信号和执行器控制状态的关系:
占空比大约80%:
–涡轮增压旁通风门阀全部打开
占空比大约20%:
–涡轮增压旁通风门阀全部关闭
怠速时4000转时
回风阀
回风阀通过一个真空管连接到进气歧管中,如果节气门突然关闭,回风阀会因为进气歧管中的真空突然增加而打开,增压后的部分空气会通过回风阀打开所提供的通道又进入增压器的进气侧,这样,涡轮增压器的转速就得以保持。
回风阀在增压压力和进气歧管的两侧压力差异超过0.24bar的时候将会打开。
突然关闭节气门会导致节气门和涡轮增压器叶轮之间的空间内产生背压,因此,增压器的叶轮会被强烈的制动,被制动的涡轮增压器导致大量的增压压力损失而且在下一次需要产生增压效果的时候损失了动力。
回风阀可以防止如果突然关闭节气门的时候产生背压。
MAP传感器
MAP传感器位于进气歧管上,它用于监测节气门后方进气歧管里的绝对压力。
这个传感器与MAFT(空气流量和进气温度传感器)一起,用于计算空气流量。
MAP是一个压敏电阻型的传感器,由PCM提供5V的工作电压,产生的信号电压随着压力的增加而提高,信号电压的范围在0.5V—4.5V之间。
MAPT传感器
MAPT位于中冷器出口处,PCM通过这个传感器监测增压压力和进气温度。
通过监测这个信号,PCM可以判断经过增压的空气是否达到正确的增压压力,如果实际增压压力和目标增压压力存在差异,PCM通过控制增压压力控制电磁阀来调节增压压力。
进气温度传感器是一个负温度系数型的热敏电阻,PCM用这个温度信号用于修正增压压力和喷油脉宽。
1
MAPT传感器
2
电子节气门
3
增压器出口
4
中冷器进气管
5
中冷器出气管
6
中冷器
如果MAPT传感器失效,PCM无法得到增压后的空气压力信息,在这种故障模式下PCM不再对增压系统进行控制,电磁阀会一直处于不工作的状态。
当MAPT失效PCM控制增压电磁阀控制地线的占空比为恒定的98%
MAFT传感器
MAF传感器用于计量吸入发动机的进气量,它持续的将发动机进气量信息传递给PCM模块,PCM用这个信号计算:
∙喷油嘴持续开启时间
∙燃油压力
∙点火时刻
∙涡轮增压压力
∙发动机负荷
TCM模块也用这个信号用于换挡控制,这个信号是PCM模块通过CAN网络传递给TCM模块的。
MAFT传感器的火线供给的是电瓶电压,地线由PCM模块搭铁。
MAF产生的信号电压是0到5V之间不断变化的方波信号,PCM通过监测信号的频率来计量空气的流量。
信号的频率是随着空气流量的增加而提高的。
集成在MAF上面的温度传感器用于监测涡轮增压器前端的进气温度。
MAF和IAT的信号波形
双可变凸轮轴正时(VCT)
1
VCT单元-排气侧
2
VCT油压控制电磁阀(排气侧)
3
VCT油压控制电磁阀(进气侧)
4
CMP传感器-排气侧
5
CMP传感器-进气侧
6
VCT单元-进气侧
CMP传感器
所有进排气凸轮轴都配备了VCT单元,因此,每个凸轮轴的角度位置必须得单独测量。
每个凸轮轴上都装有一个用于测量各自凸轮轴相位角度的CMP传感器。
CMP是霍尔效应式的传感器。
VCT单元
A.VCT单元-排气侧B.VCT单元-进气侧
1.最大调节角度2.转子复位弹簧(每个腔2个)
VCT单元-进气侧
进气侧的VCT单元是源于2.3LDuratec-HE(MI4)发动机,但是为了满足新的调整需要量已经做了改进:
最主要的改变是最大可调节角度从35度增加到了50度。
VCT单元-排气侧
排气侧的VCT单元是这个款型发动机的一个新的设计,最大可调节角度也是50度,进气和排气侧VCT单元的不同之处:
∙进气侧VCT单元是4个油腔,而排气侧VCT单元是3个油腔
∙排气侧VCT单元有6个弹簧(2个弹簧依次布置在每一个油腔里面)可以增加转子达到极限位置
维修注意事项:
VCT单元在维修的时候只能更换总成。
VCT油压控制电磁阀
A.VCT油压控制电磁阀-排气侧
B.VCT油压控制电磁阀-进气侧
1.线束插头
2.定位凸缘
3.垫圈
从外观上来看,这2个电磁阀的安装位置以及线束插头的方向都是不一样的,而且内部控制特性也是不一样的,因此,千万不能把这2个电磁阀混淆。
双VCT(可变凸轮轴正时)允许内部EGR,所以2.0LEcoBoost-SCTi(MI4)发动机没有外部EGR阀。
1.1.3燃油系统
由于2.0LEcoBoost-SCTi(MI4)发动机采用的是缸内直喷的混合气形成方式,喷油时刻发生在发动机进气行程,故相对于进气歧管多点喷射的发动机,油与空气的混合时间更短,为了提高燃油的雾化效果和增加燃油与空气的混合时间,缸内直喷的发动机要求燃油有非常高的燃油压力。
2.0LEcoBoost-SCTi(MI4)发动机的最大燃油压力可达到150bar,燃油系统分为低压管路和高压管路两个部分。
1.高压泵2.高压燃油管
3.油轨4.燃油压力传感器
5.喷油嘴6.电子燃油泵和燃油滤清器
7.单向阀和过压保护阀8.低压燃油管
低压燃油管路
2.0LEcoBoost-SCTi(MI4)的低压燃油管路采用电子无回油供油系统,电子油泵在每种状态下只是把需要的燃油量输送给高压油泵,因此没有必要回油。
在油箱上安装了一个单独的FPDM(油泵控制模块)控制低压油路的压力。
1.油压传感器(低压油路)
2.高压油泵
3.低压油管
4.电子油泵单元
5.油泵控制模块
工作原理
FPDM(油泵控制模块)模块的供电是由GEM提供的。
PCM通过一条硬线将所需要油压控制信息传递给FPDM,这个信号是一个低频(大约300到500HZ)的PWM信号,占空比在10%到85%之间。
FPDM在收到PCM发送过来的所需油压的控制信息后又以高频信号(大约10KHZ)驱动油泵,此时占空比在0-100%之间。
低压管路的油压传感器把当前的低压管路油压值送给PCM,这样就构成了闭环控制。
由于PCM对低压管路油压进行控制,所以施加在高压油泵上的油压只有3.8-6.2bar(绝对压力)。
1.GEM2.FPDM(油泵控制模块)3.PCM
4.低压油路油压传感器5.高压油泵6.发动机
7.过压保护阀8.单向阀9.泄放阀
10.电子油泵11.机械泵12.汽油滤清器
13.电子油泵控制线路
泄放阀
电子油泵在长时间高速运转时会产生很高的热量,当燃油通过油泵后就会使燃油的温度升高,低压燃油管路里容易形成气泡,严重的情况下产生气堵会造成发动机停机或难以启动。
使用泄放阀(直径为0.55mm)可以除去油管中的燃油蒸汽,提高低压管的燃油流速,从而避免在任何工况下产生气泡(气阻)。
单向阀和过压保护阀
油管上安装有一个单向阀和过压保护阀,这是两个元件,但一起安装。
过压保护阀防止低压端压力过高,当压力达到8.3到9.3bar时,阀门开启,多余的燃油返回到油箱。
单向阀确保发动机停机后的油压稳定,防止燃油回流到油箱。
单向阀的弹簧弹力是预先设定好的,只有在压力超过1.25bar(绝对压力)才会打开。
以前的无回油系统中,发动机停机后,油压会直接施加在油泵和汽滤上。
发动机再次启动时,油泵必须克服这个油压才能把然后送往油轨,这样就会增加油泵的负荷,从而造成油泵磨损量增大。
引入单向阀和过压保护阀后,当发动机一旦停机,油泵和汽滤上的油压也会迅速降低。
低压油路油压传感器
低压油路油压传感器监测低压油路的燃油压力,PCM通过油压传感器的信号实现低压管路油压闭环控制。
低压油路油压力传感器输出的电压信号是随着油压的上升而上升的。
低压油路油压力传感器输出特性
低压油管的拆卸
低压油管的拆卸用到使用310-137专用工具
燃油低压管路维修说明:
∙怠速时,油压稳定在3.2到3.4bar(绝对压力),发动机停机后油压逐渐降低,大约30分钟后,油压会稳定在至少2.1bar。
∙维修燃油系统时,必须先泄压,而且严格按照维修手册上的操作程序进行。
油压测试
1.泄压
在开始进行燃油系统的维修工作前必须先将燃油的压力泄掉:
1.在怠速时将燃油计量阀(IMV)的连接插头拔掉
2.在GEM上拔掉油泵保险F13(FPDM)
2.使用油管拆卸专用工具拆卸油管,然后接上油压测试管路。
高压燃油管路
部件概况
1.高压油泵
2.燃油管路接头(低压燃油)
3.高压燃油管路
4.油压传感器
5.油轨
6.燃油喷射器
高压油泵
1.三段式凸轮
2.高压油泵
3.泵柱塞
4.桶式挺杆
5.高压油泵支座
6.密封垫
HDP5型高压泵是由凸轮驱动的单缸泵,它安装在供油油路中,下列部件集成在油泵上:
∙油量计量阀,
∙高压限压阀
∙低压侧压力缓冲器.
HDP5型高压泵的特点:
1.桶式挺杆位于排气凸轮轴上的三段式凸轮与油泵柱塞之间
2.泵到油轨中的油量是通过燃油计量阀控制
3.泵油油量取决于发动机转速和油量计量阀的控制
4.高压油泵产生的最大油压是150bar
高压泵结构
1.高压腔2.燃油计量阀3.低压燃油
4.O形圈5.泵柱塞垫圈6.泵柱塞弹簧
7.泵柱塞8.安装法兰9.高压接口
10.限压阀11.气体减震缓冲器12.压力缓冲器隔膜
凸轮轴上的三段式凸轮的旋转运动驱动着油泵柱塞的上下运动。
当油量计量阀关闭时,柱塞的向上运动使高压腔里的燃油增压。
压力缓冲器
压力缓冲器衰减低压管路中由高压泵产生的脉冲振动,这样保证了高压腔在发动机转速比较高的情况下也有比较好的充油效果。
压力缓冲器由两层隔膜组成,气垫就在两层隔膜之间。
泵油行程:
泵油行程中,在油量计量阀关闭之前一些燃油先会被从高压腔中压回到低压燃油管路中(看泵油如何工作).这个压力使得隔膜变形,同时在各个工作点上被分离出来的一定量的燃油被收集。
吸油行程:
储存在缓冲器隔膜中的燃油在吸油行程中被释放。
限压阀
高压泵上集成有油压限压阀。
限压阀帮助保护组件,由此确保高压系统的可靠运行。
这个阀限制油轨中的最大油压为200bar,如果超过最大允许值,这个阀打开同时过量的燃油流回低压侧。
燃油计量阀(IMV)
燃油计量阀是一个电磁阀,由PCM通过PWM信号控制电磁阀的地线。
燃油计量阀的作用是保证进入到油轨当中的燃油压力与需要的油压保持一致。
采用燃油计量阀,可以提供给喷油器所需要的油压并且保证油轨当中的油压。
燃油计量阀在断电状态下处于全开。
燃油计量阀与油压传感器一起组成一个闭环控制系统。
注意:
断电情况下燃油计量阀处于打开的状态,不能使燃油产生高压。
U电压
I电流
L阀升程
t时间
1上升阶段
2保持阶段
电磁阀在2个阶段发挥作用:
∙上升阶段:
在这个阶段,电磁阀获得PCM提供的最大电压,这使得进油阀迅速的关闭。
∙保持阶段:
在这个阶段,电磁阀由PCM提供的PWM信号控制,提供的电流能保证进油阀保持在关闭的状态。
较小的保持电流可以避免PCM过热。
注意:
燃油计量阀是高压油泵的一个部分,不能单独更换。
当阀出现故障的时候,整个高压油泵都必须整体更换。
燃油计量阀持续通电控制的时间超过3秒将导致燃油计量阀损坏,故不能将外接电源连接到燃油计量阀上。
怠速时燃油计量阀上的控制波形
高压泵泵油过程
燃油计量阀没有被作动
A.泵柱塞行程B.油量计量阀作动C.吸油行程
D.泵油行程1.排油阀2.高压管路(去往油轨)
3.泵柱塞4.高压油腔5.进油阀
a.燃油计量阀打开(断电)
在吸油行程泵柱塞向下运动,在燃油计量阀打开的情况下燃油通过进油阀流到高压腔。
高压油腔的充油过程是下列两种因素共同起作用:
1.泵柱塞的向下运动使得燃油被吸到高压腔
2.燃油被低压侧的压力压到高压油腔中
在随后的泵油行程,在柱塞到达下止点后燃油计量阀
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