涡轮增压器工作原理和维修

涡轮增压器工作原理和维修一、发动机和空气增压系统的工作原理在讨论涡轮增压发动机系统之前，先回顾一下内燃机的基本工作原理及其同空气增压系统的关系。内燃机 是一种耗气机械，因为燃油需要与空气混合才能完成燃烧冲程。一旦空燃比达到某一值后，再增加燃油，除了 将黑烟和未燃尽的燃油排到大气中外，不会产生更多功率。发动机供油越多，黑烟就越浓。因此，超过空燃比 极限后，增加供油量只会造成燃油消耗量过多、大气污染、废气温度升高，并使柴油机寿命缩短。由此可见， 增加空气量的能力对发动机来说是多么重要。涡轮增压器是一种利用发动机排气中的剩余能量来工作的空气泵。废气驱动涡轮叶轮总成，它与压气机叶 轮相连接，如图1所示。当涡轮增压器转子转动时，大量的压缩空气被输送到发动机的燃烧室里。由于增加了 压缩空气的重量，就可以使更多的燃油喷入到发动机里去，使发动机在尺寸不变的条件下而产生更多的功率。图1废气涡轮增压系统二、空气增压系统的优点涡轮增压有许多好处。非增压发动机通过曲轴的运动直接从大气中吸进空气，而涡轮增压器向发动机提供 压缩空气。由于进入气缸的空气增多，所以允许喷入较多的燃油，使发动机产生较多的功率并具有较高的燃烧 效率。这意味着一台尺寸和重量相同的发动机经增压后可以产生较多的功率，或者说，一台小排量发动机经增 压后可产生与较大发动机相同的功率。其它还有节约燃油和降低排放等优点。由于涡轮增压器为发动机提供了更多的空气，燃油在发动机气缸里燃烧时会燃烧得更充分、更彻底。发动 机进气管的空气保持正压力（大于大气压的压力）对发动机有几方面的好处。当发动机进排气门重叠开启时， 新鲜空气吹入燃烧室，清除所有残留在燃烧室里的废气，同时冷却气缸头、活塞和气门。涡轮增压器可使非增压发动机在高原上工作时得到氧气补偿（使其达到标准大气条件）。发动机和涡轮增 压器相匹配，使进气管压力保持海平面大气压。而一台自然吸气的发动机，随着海拔高度的增加，其功率将下 降。三、涡轮增压器的零部件废气涡轮增压器（囹2）是由废气驱动的涡轮和径流式压气机组成的，它们分别被 安装在轴的两头并有各自的铸造壳体。轴本身被安装在中间壳中并由中间壳来支撑。中间壳的两侧分别同压气机壳和涡轮壳相连接，典型的涡轮增压器转速可以在 100000转/分以上。晾气出n漏性叶旎JE气41-1粒浮座气进口 堂，出口图2涡轮增压器结构涡轮涡轮部分是个向心式的径流或混流装置， 壳的外直径处。废气流进涡轮，经叶轮叶片，由铸造的涡轮叶轮、叶轮隔热罩及涡轮壳组成，进气口位于涡轮 从涡轮壳直径的中心部位流出。压气机压气机部分是个离心式或径向外流式装置，由铸造的压气机叶轮、后盖板及压气机壳组成，进气口位于压 气机壳直径的中心部位处。空气在压气机内向外流，经叶轮叫片，从压气机壳的外直径处流出。中间壳和转子涡轮增压器卸去所连接的压气机壳和涡轮壳后剩下的部分称为中间壳和转子总成。中间壳（又称轴承壳） 以一个精心设计的轴承系统来支撑压气机和涡轮的轮轮系统。这一为高速运转而设计的轴承系统不能象曲轴的 轴承那样承受重的载荷，而是必须精确地定位两只叶轮的位置，使其尽可能靠近两端壳子的轮廓型线。这种定 位的关键是向中间壳油孔、轴承和轴之间的间隙注入润滑油。注入到间隙里的润滑油对提高涡轮增压器的效率 和延长使用寿命是极其重要的。图3是润滑油流动的示意图，它说明从发动机润滑系统流出的润滑油是如何通过油孔和油槽流入两个主轴 承的。润滑油流过轴承中的油孔去润滑和冷却轴承、轴承孔和轴颈。润滑油也从进油孔直接进入推力轴承，或 者通过在压气机壳后盖板的油道进入推力轴承。润滑油靠重力从中间壳排出。密封系统使中间壳同涡轮级和压 气机级分开。密封限制润滑油流进压气机和涡轮区域内，并阻止燃气和空气从这两个区域流入中间壳。密封系 统由活塞环密封、石墨和O形图密封、甩油环以及迷宫（螺纹状的）密封组成，以完成密封任务。当轴旋转和 壳体内气体压力建立起来时，密封开始起作用，如图3所示。图3涡轮增压器润滑油路各种卡环和螺栓用来防护转动部件或将它们定位。止推部件用来保证轴向位置。轴的螺母或车有螺纹的叶 轮用来连接压气机叶轮和涡轮叶轮。涡轮壳和压气机壳同中间壳及转子总成靠螺栓、V形卡箍和/或压板、锁 紧板来连接。四、操作步骤/预防性维护多年的经验告诉我们，造成涡轮增压器事故的主要原因是润滑问题，例如润滑油供油滞后、节流或缺油和 在润滑油里有杂质等。占第二位的原因是外来物体进入压气机叶轮或涡轮叶轮。要有良好的维护保养习惯，特别是对空气滤清器、润滑油品质和润滑油滤清器等的维护保养。因为涡轮增压器 工作转速很高，所以良好的维护保养是非常重要的。适当的操作步骤和预防性的维护保养，可以保证涡轮增压 器的使用寿命和良好性能。除了偶尔要对压气机进行清洗以外，不需要单独对涡轮增压器作周期性的维护保养。因为一般的维修人员 没有专用设备是不能对涡轮增压器做校准和调整工作，并且涡轮增压器的润滑油是由它所在的发动机供应的。 所以涡轮增压器的预防性维护保养主要是保证发动机与空气增压系统的完整性以及不让发动机以损害涡轮增压 器和发动机自身的方式来工作。应该鼓励车主遵守以下预防性措施，以确保涡轮增压器有最长的工作寿命：1) 在发动机润滑油压力建立以前，必须使发动机保持在怠速状态。发动机在启动之后立即加速，会使涡轮增压器在其轴承还来不及得到充分润滑的情况下就以最大转速工作。 涡轮增压器在润滑不充分的情况下工作会损坏它的轴承。重复地这样做会导致涡轮增压器过早地损坏。建议驾驶员起动发动机后应先怠速运行3 5分钟。2) 在发动机停车之前，要使它的温度和转速逐步地从最大值降下来。涡轮增压器的工作转速和连续工作温度都比其它机器要高。当发动机在最大输出功率或最大扭矩状态下工 作时，涡轮增压器的转速和温度也达到最大值。当发动机在这一工作点突然停车时，会使发动机尤其是涡轮增 压器出问题。这时需要发动机中速怠速或在轻负荷工况下工作一段时间，同时仍要保持发动机的润滑油压力和 流过冷却系统的空气量不变。遵循这些准则可以防止涡轮增压器长期在缺乏润滑油的情况下运转，并可以防止 涡轮增压器内部积碳现象，这是在热回吸的作用下使轴承或中间壳里的残留润滑油碳化而形成的。建议驾驶员在停机前应先怠速运行3 5分钟。3) 预先润滑涡轮增压器。在更换滑油或做任何维修(包括放出润滑油)之后，涡轮增压器需要进行预先润滑。在发动机启动前要将 曲轴盘动几次。启动发动机后，在进入高速运转前，让它怠速一段时间，以建立起整个润滑油循环和压力。4) 低温时启动发动机必须谨慎。当环境温度过低或车辆长时间不用时，会影响发动机建立正常的润滑油压力和流量。在这种情况下，发动 机启动后必须怠速几分钟才能进入高速工作状态。5) 要避免发动机长时间的怠速。当涡轮和压气机中气体压力过低和涡轮增压器轴的转速过低时，润滑油会通过密封件渗漏到涡轮和压气机 中。这一般不会造成机械损伤，但会弄脏叶轮，使用户产生抱怨。五、安装和启动步骤安装者应遵守下列预防措施，以确保成功地更换涡轮增压器。1) 要确保包括润滑油泵和整个发动机状态在内的发动机润滑系统的完好，确保所有通道和管路畅通，使它 们能够产生和保持所需的润滑油流量和压力。2) 要确保润滑油进口供油管路和出口排油管路清洁并布置适当。a. 润滑油进出油管路的布置应尽量减少从发动机排气管和其他高温热源传来的热量。b. 润滑油进油管被积碳堵塞时，要更换它。c. 若使用软管，要确保管子不硬化、不折叠，它的内衬不损坏、不剥落。d. 若使用金属管，要确保管子无节流或折叠现象。e. 一些润滑油进油软管有可以反复使用的接头，这样允许只调换软管而不换接头。要确认接头安装正确， 软管的内衬碎片不能被遗留在油管总成中。3) 当涡轮增压器润滑油进出口处使用液体成型的密封垫片和密封条时，曾经发现过这样的问题：即在拧紧 接头时，这种密封垫片和密封条因受挤压而被挤入润滑油的油道中。当这种材料进入润滑油进口后，流向一个 或多个轴承中去的润滑油将被堵塞或切断，润滑油流量和压力会迫使这种材料进入轴承，从而引起轴承的异常 磨损。在中间壳润滑油出口处，由于沉淀物增多，足以在出口处形成润滑油的节流现象。4) 对涡轮增压器进行预润滑时要注意不可使润滑油浸没增压器。5) 从开口的润滑油供油管道中清除空气。把润滑油排油管从涡轮增压器上拆卸下来，这时，盘动曲轴而不 启动发动机，直到润滑油从中间壳排油口中流出。若润滑油连续不断地从排油管中流出来，就表明空气泡已经 被排出润滑油系统。用漏斗把润滑油倒回到排油管中。6.要确保润滑油清洁并处于正常工作所需要的油量水 平上。如果有可能，应当用清洁的润滑油灌满润滑油滤清器，以减少启动发动机所需的时间。六、故障诊断在找出问题的原因之前，不能如通常所做的那样先轻率地把涡轮增压器从发动机上拆下来，而应该先检查 和评估涡轮增压器的工作情况。现场出现的问题大多数可以通过系统故障诊断来解决。如果必须把涡轮增压器 从发动机上拆下来，则在把软管、夹头和接头拆下来时，要确定接头是否是紧的，是否有漏气。因为一旦把涡 轮增压器拆下来后，就很难证实产生这类问题的真正原因。更换了新的涡轮增压器的立即出现故障可能与下列因素有关：1) 没有完全解决造成需要更换涡轮增压器的问题；2) 在更换涡轮增压器时产生的问题；3) 涡轮增压器本身有缺陷。一台已经正常运行的涡轮增压器，在以后的日子里是不大可能再发现缺陷的。因为在涡轮增压器工作时， 只要观察它的转速和温度就可以很快地发现问题。安装或发动机系统的问题也可以在更换涡轮增压器时立即暴 露出来。注意：如果涡轮增压器能自由转动并不擦内壳的话，就不要急于判定为涡轮增压器的问题。必须强调的是，涡轮增压器根本不会改变发动机本身的工作特性。涡轮增压器不是一种能源，它唯一作用 是向发动机提供更多的压缩空气，使发动机可以燃烧更多的燃油，从而产生更多的功率。它之所以能够工作完 全是取决于发动机废气的流量、压力和温度。涡轮增压器是一个完整的工作系统中的一个主要部件。只是为了 方便起见，才把涡轮增压器用螺栓安装在发动机的外面，但它的作用绝不亚于发动机的凸轮轴或活塞。涡轮增 压器不可能纠正或克服诸如发动机燃油系统、发动机定时、空气滤清器堵塞、轴瓦故障等一类的机械故障或缺 陷问题。因此，如果一台增压的发动机发生故障，而涡轮增压器已经被检查并已确定是工作正常的，那么就要 象对非增压的发动机一样进行故障检修。简单地替换一台好的涡轮增压器并不能排除发动机本身的机械故障。了解涡轮增压器在整个发动机工作系统中的作用，对成功地诊断和排除故障是非常重要的。同样，更好地 了解涡轮增压器的一些特点会有助于判定涡轮增压器的损坏或缺陷以及每次都能一次就安装正确。下面的步骤 是对发动机工作情况变化的综合评估。在发动机上进行故障分析也将有助于揭露任何外部的或与造成涡轮增压 器故障有关的发动机的问题，这些故障必须被排除，以避免新换上的涡轮增压器的损坏。警告：1) 做增压器检查时不能起动发动机，且必须要等到发动机冷下来后才能开始检查。2) 在不装进气管和不连接空气滤清器的情况下使涡轮增压器运转，会造成人员伤害。外来物体进入涡轮 增压器内可能会造成机组损坏。涡轮增压器故障诊断流程图发动机功率不足或发动机排气冒黑烟句能的原困及排除的措推:f网*2诚懑 清式口节 涎浴进成 气油中造 S在器而 的或清富 E件洼燔否.在油浴式室气渡清 器中油的帖度太大压气机与发勃机进 勺管的逑佳松动否.发耕机进气管漏，咨1是1是 更唤宁甄建清器零 件或测洗油港式空 气通*器讲口讳明按照发动机制造厂 霞的堆特孕地对空 气谑清器进行维帏篇要时拧案接头处 KS希阿霍动折制造厂 蔺的难怯手册rL发动机排昔漏闻里湍帏堆压器连援法 兰姓氟帜鸟涡轮殖压的转子忌 成有牯合成擘殖现 象窒气津滂器与调鸵 宇压盎的压虬之 间的管遒窟上节就1 a1 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调节到适当高度七、维修检查基本步骤如下：1)目测和仪器检测检查涡轮增压器的外部和安装情况。听一听是否有不正常的机械噪声。目测一下是否有漏气、堵塞、温度过高、 节流或叶轮碰壳体的情况。在怠速或低功率时看起来似乎是少量的、不严重的系统漏气，在额定负荷时会严重 地影响发动机的空燃比和涡轮增压器壳体中的气体压力。所以一旦这种漏气发生，在额定负荷时将会产生严重 问题。a.听一听是否有不正常的机械噪声并看一看振动情况。b. 听一听是否有高频噪声，这可能表明有空气或燃气泄漏。c. 听一听周期性噪声的程度，这可能表明在空气滤清器和管道中有节流。d. 检查螺母、螺栓、压板和垫片是否有漏装或松动现象。e. 检查发动机进排气管及其管道和固定件是否有松动和损坏。f. 检查润滑油进出管道是否有节流或损坏现象。g. 检查涡轮增压器壳体是否有裂纹或损坏。h. 检查外部润滑油或冷却介质是否有泄漏，检查涡轮增压器外表面是否有污物沉淀（表明空气、润滑油、 排气或冷却介质泄漏）。i. 检查是否有明显的热变色。j. 检查空气滤清器是否有明显的节流现象。k. 查废气放气阀是否有自由运动和损坏。必须确保软管情况良好，接头是紧的。按照设备的原始规范来检 查校准和控制系统。l. 核实涡轮增压器的结构参数对该用途来说是否是正确的。记住：这些问题被排除的本身往往不会除掉作为故障指示物的残留物。这些残留物的存在常常会引起对涡轮增 压器的不准确评价。当问题已经被排除而残余物仍旧保留着时，会造成对涡轮增压器的错误评价。例如，若在 检测前已先把空气滤清器调换成新的，但是残留物（如发动机进气管中由于以前节流时残留的润滑油助保留着， 会使您错误地认为残留物不是节流造成的，而是别的原因造成的，人人而得出不存在空气阻塞的结论，即使残 留物证明可能发生过节流。在完成故障诊断的其余部分之后，再排除任何安装上的问题。如果涡轮增压器的零件损坏了，则应当先更换零 件，然后再进行校正，以防重新产生问题.浅析公交车辆柴油机涡轮增压器的匹配林德恩（青岛公交集团有限责任公司 工程师）近年来，配备废气涡轮增压器的大功率柴油机在公交车上被广泛采用。由于公共汽车的运行条 件比较特殊，一般在公路运行车辆使用的涡轮增压柴油机并不适合公共汽车使用。采用废气涡轮增压器来提高进气压力，增加气缸内充气量不仅可以提高发动机功率，还可以减 小单位功率质量，相对降低燃油消耗。其主要性能和工作特点是：废气涡轮增压器的一个主要性能指标是压力升高比n k（简称压比）， 它是压气机的出口压力（增压压力）Pk与压气机进口压力Po之比值，即叮n k=PK/P0,废气涡轮增压 器按压比大小可分为低增压比n 2. 0三种型式。增压空气的压力随着柴油机转速和负荷的变化而不断变化。低速运转时，即使增加负荷，废气 流量也不大，排气能量小，涡轮增压器转速低，增压空气的压力低，发动机扭矩增量过小。高速高 负荷时，排气能量大，涡轮增压器转速高，增压压力高，柴油机扭矩增量大。在增压器的涡轮壳上安装的排气旁通阀（如图1），当柴油机高速高负荷时，增压气体通过管道 进入旁通阀调节器，作用在调节器内的膜片上，当空气压力达到一定值时，就克服弹簧的预紧力， 打开排气旁通阀，使一部分废气不通过涡轮，直接经过旁通阀进入排气管，以降低增压器转速，控 制压比，以防止增压器转速过高造成机件损伤。图1涡轮增压器及旁通阀示意图而在柴油机低速运转时，增压器的增压作用不大，会使得发动机充气量不足，产生冒黑烟现象。 加速时，柴油机的排气到达涡轮以及涡轮转速的增加都有一定时间的滞后。增压器对空气增压的滞 后也会有冒黑烟现象。为了防止冒黑烟，增压柴油机上通常装有增压补偿器（也叫冒烟限制器）。接 在进气岐管上的气管使增压补偿器的膜片室与进气岐管相通，把增压空气通入膜片窒（如图2）。当 膜片通过连接机构使供油调节拉杆向减油方向移动，即减少了供油量，限制了黑烟的产生。而当增 压空气的压力达到一定值，进入膜片室的增压空气克服膜片弹簧的预紧力，膜片通过连接机构使供 油调节拉杆向加油方向移动（如图中箭头所示），会增加供油量，提高了柴油机的扭矩和功率。图2增压补偿器原理图公共汽车起步、停车频繁。从起步到停车所经过的距离很短。要提高平均运行车速，必须提高 车辆的起步速度，使车辆在短时间、短距离之内达到比较高的车速。这就要求公交车的发动机中、 低速扭矩要大，以适合公交车频繁起步的要求。青岛公交集团车辆配备的涡轮增压柴油机，压力升高比偏低，在发动机低速时无明显的增压效 果，发动机扭矩无明显增加。通过增加低速喷油量的方法提高低速扭矩，又造成了车辆起步、加速 时排冒黑烟。为了满足公交车辆的实际需要，要求柴油机动力强劲，低速扭矩大，并且尾气排放达标。在不 增大缸径的情况下，只能在发动机低速时，通过增加气缸内的进气量和适当的进油量（保证过量空气 系数足够大），来增大柴油机的低速扭矩，同时减少尾气排放。配备小容量（高增压比）的涡轮增压器 与柴油机的中、低速相匹配，来提高中、低速增压空气的压力，增加气缸内的充气量，并通过合理 调整喷油泵的供油量，提高柴油机中、低速时的扭矩，满足公交车辆的中、低速需要。柴油机配备小容量（高增压比）的涡轮增压器，满足了发动机的中、低速要求，然而在柴油机高 速高负荷时又出现增压过高、增压器转速过高的问题。由于公交车辆的特殊运行条件，在柴油机高 速高负荷时没有进一步增加扭矩的要求，因此应该合理选择排气旁通阀的调节器弹簧的弹性系数，并且设定合理的预紧力，在转速高到一定值时使排气 旁通阀打开，放掉一部分废气，把增压器的转速和增压空气的压力控制在合理范围内。在发动机各种转速下，喷油泵的供油量不仅要满足车辆的动力需求，同时必须使发动机的尾气 排放达标。在发动机低转速时增压空气的压力低，增压补偿器的膜片不移动，不会额外增加喷油泵 的供油量。当发动机的转速达到一定值，随着发动机转速和增压空气压力的不断升高，增压空气推 动补偿器的膜片，使喷油泵的供油量逐渐增加到最大值。因此，给发动机配备高增压比的增压器后， 要合理选择增压补偿器膜片弹簧的弹性系数，预紧力设定合理，确保在各种转速下喷油泵供油量适 当，使柴油机空气过量系数足够大，防止出现冒黑烟现象。（上接第28页）同时还应疏通和建立应急配件供应渠道，争取在较短的时间内（24小时）能提供一定批量的货源， 以便一旦发生短期内不能恢复供气时的应急处理。由于柴油机系压燃式，CNG发动机为点燃式，两者的气缸压缩比有较大的差异。为了在应急 改装时不至于更多更换气缸盖而增加费用及备件的组织供应困难问题，建议设计时使用专用带钢 衬片加厚的气缸垫或更换活塞设计，而不采用增加缸盖燃烧室容积的方法，以便在由纯天然气专 用发动机作临时逆转改造为柴油机时，仅用更换少量配件带来方便。另外，由于LPG与CNG的物理特性相近，两种气体燃料发动机均已成熟，相关部门应进一步 研究两种燃料互换的可能性及相应装置和技术规范，以便在地区停气或气源不足时的临时替用。 3.3政策引导、干预思路政府可根据当地气源状况预测应急情况下的供气能力及城市公交的必保车数等参数，制定出 台保留一定比例的汽油一一压缩天然气两用燃料发动机或柴油、天然气双燃料发动机及其他燃料 动力发动机的相关政策。柴油、天然气双燃料发动机对原柴油供应系统进行了改造，增加了一套CNG供气系统，采用 两套系统联动配合，其特点是保留了原压缩比及柴油供油系统，可以使用纯柴油，该车热效率较 高，动力性较好。改造后可运用天然气取代30%60%的柴油，运行中无黑烟，排放可轻松达 欧I标准，如进一步投入、完善，改为电喷技术后，排放可达欧II标准甚至欧III标准。目前因为 此种改装保留了两套燃料供应系统，其结构较为复杂，改装成本相对较高，且柴油替代率随工况 变化。故此技术一般未予选用及推广，但作为城市公交的应急系统，考虑却是可行的和必要的。 鉴于此技术的局限性及所需改装费用相对较高，因此建议国家应对按规定要求保留的双燃料发动 机、两用燃料发动机及汽、柴油机适当给予补助、扶持。4 结束语从技术角度方面看，城市公交车应首先选用纯天然气汽车发动机。从消除潜在危机的角度方面看， 政府及企业应采取相应预防措施及制定处理预案，以消除后顾之忧。