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        增壓器密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)對漏油的影響研究

        2014-12-29 09:10:38曹立峰吳新濤吉建波
        車用發(fā)動機(jī) 2014年4期
        關(guān)鍵詞:增壓器供油漏油

        何 洪,曹立峰,吳新濤,吉建波

        (1.中國北方發(fā)動機(jī)研究所(天津),天津 300400;2.中國人民解放軍總裝備部裝甲兵軍事代表局,北京 100851)

        渦輪增壓器的渦輪端和壓氣機(jī)端均有密封裝置,具有封氣和封油雙重作用。泄漏不僅使機(jī)油消耗量增加,還會使增壓器和發(fā)動機(jī)性能下降,發(fā)動機(jī)排放惡化,嚴(yán)重時可導(dǎo)致增壓器不能正常工作或損壞。漏油引發(fā)的增壓器故障占較高的比例。統(tǒng)計(jì)表明,VTC254-13增壓器漏油故障率為14.6%[1]。更有數(shù)據(jù)表明漏油故障達(dá)60%以上[2]。因此增壓器的漏油問題是增壓器研究的熱點(diǎn)之一。

        低泄漏、甚至無泄漏密封的研究仍是增壓器漏油問題研究的重點(diǎn),尤其是在增壓系統(tǒng)采用如順序增壓、兩級增壓、機(jī)械增壓以及EGR系統(tǒng)的應(yīng)用背景下,增壓器密封在瞬態(tài)過程中的密封狀態(tài)越來越復(fù)雜。例如二級增壓的升速過程,由于高壓級壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動慣量小、升速快,造成對低壓級壓氣機(jī)的抽吸作用,易于造成漏油。增壓器密封的應(yīng)用條件更為苛刻,要在這樣的環(huán)境中保證密封效果變得更加困難,因此對無漏油密封的需求更為迫切。

        目前增壓器多采用活塞環(huán)式密封,在正常使用條件下,密封的壓氣機(jī)和渦輪側(cè)壓力高于潤滑油側(cè),因此密封處會有些漏氣[3],密封處的潤滑油在該壓力差的作用下,不會向葉輪側(cè)泄漏。實(shí)現(xiàn)低泄漏或零泄漏主要有兩種途徑,一是在活塞密封基礎(chǔ)上改進(jìn),二是采用其他接觸密封。由于接觸式機(jī)械密封成本高,機(jī)械功率損失大,油門踏板滯后也增大,通常多采用第一條途徑。

        1 研究對象與研究方法

        1.1 測量裝置與測量方法

        增壓器即使漏油,量也微小,測量困難,一般采用定性評價和定量測量兩種方法。定量測量漏油量,直接瞬時測量機(jī)油泄漏流量幾乎不可能,一般要持續(xù)一定的時間,如采用運(yùn)轉(zhuǎn)200h的累積消耗量[4];還可以通過發(fā)動機(jī)油耗儀來測量,如 M.Manni研究中采用的測量技術(shù)[5],增壓器采用獨(dú)立潤滑油系統(tǒng),1h測量4次,共持續(xù)12h。

        定性評價就是確定漏油還是不漏油,普遍采用可視化的方法,目測主觀評定:直接觀察壓氣機(jī)背盤、用玻璃管在壓氣機(jī)出口收集觀察、用濾紙?jiān)趬簹鈾C(jī)出口過濾后觀察[2,6]。

        增壓器漏油機(jī)理表明,引起增壓器漏油的主要外部原因是發(fā)動機(jī)在某些工況造成渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪或渦輪輪背處產(chǎn)生負(fù)壓(氣端壓力低于潤滑油端壓力),從而導(dǎo)致密封環(huán)兩端正常的壓力平衡破壞而使渦輪增壓器漏油。

        本研究研制了一種測量裝置,采用的是直接觀察壓氣機(jī)背盤的方法。該裝置通過提高軸承體內(nèi)氣體壓力的方法來模擬增壓器密封兩端負(fù)壓差時(即葉輪輪背氣體壓力低于軸承體內(nèi)氣體壓力)的情況(見圖1)。并且為了便于觀察增壓器的漏油情況或收集漏油,在不安裝壓氣機(jī)殼的情況下,以如圖1局部放大圖所示形狀的當(dāng)量輪代替壓氣機(jī)葉輪。

        研究增壓器漏油還須確定測試條件,擁有一個被發(fā)動機(jī)廠家和增壓器廠家共同認(rèn)可、在試驗(yàn)室就能夠評價實(shí)際使用狀況下密封效果的試驗(yàn)規(guī)范顯得尤其重要。沒有確定的測試條件,增壓器廠家很難在增壓器研制中去評價漏油情況。因此,如果能夠研究制定行業(yè)認(rèn)可的增壓器潤滑油密封試驗(yàn)規(guī)范,對發(fā)動機(jī)和增壓器的研發(fā)都是一個很好的促進(jìn)。本項(xiàng)研究按照通常的條件進(jìn)行測試。

        1.2 測量對象

        1)原機(jī)

        原機(jī)采用的是普通活塞環(huán)式密封,包括密封環(huán)、甩油片、擋油片、軸封套及背盤(見圖2)。

        2)泵輪

        圖3示出泵輪密封結(jié)構(gòu),由密封環(huán)、泵輪、擋油片、軸封套及背盤組成。

        3)導(dǎo)流槽

        圖4示出導(dǎo)流槽密封結(jié)構(gòu),由密封環(huán)、導(dǎo)流槽、甩油環(huán)、擋油片、軸封套及背盤組成。

        與普通密封結(jié)構(gòu)不同的是,背盤上增加了導(dǎo)流槽,將從止推軸承流出的潤滑油甩至導(dǎo)流槽周邊,經(jīng)導(dǎo)流槽流到回油腔,使得密封環(huán)處無潤滑油經(jīng)過,以此改善封油功能。

        2 密封結(jié)構(gòu)漏油的影響因素分析

        分別調(diào)整增壓器潤滑油供油溫度、壓力、增壓器轉(zhuǎn)速、密封兩端壓差值,測試了幾種參數(shù)對增壓器密封漏油的影響。

        2.1 供油壓力和供油溫度的影響

        在固定增壓器轉(zhuǎn)速、潤滑油供油溫度的條件下,給定不同的增壓器供油壓力,測試密封漏油能夠承受的負(fù)壓差邊界,結(jié)果見圖5。由圖5可看出,隨著供油壓力提高,密封漏油能夠承受的負(fù)壓差降低了,表明抵御漏油的能力下降了。

        然后固定增壓器轉(zhuǎn)速和潤滑油供油壓力,給定不同的增壓器供油溫度,再次測試密封漏油能夠承受的負(fù)壓差邊界,結(jié)果見圖6。由圖6可看出,隨著供油溫度的提高,密封漏油能夠承受的負(fù)壓差降低了,表明抵御漏油的能力下降了。

        分析其原因,當(dāng)潤滑油量足夠大時,甩油或?qū)Я鞑鄣却胧┚涂赡苁?。由圖7和圖8可見,隨著潤滑油供油壓力和潤滑油供油溫度增大,密封處潤滑油流量是增大的。

        2.2 增壓器轉(zhuǎn)速的影響

        對漏油影響較大的另一因素是增壓器轉(zhuǎn)速。在油溫和壓力固定的條件下,隨著增壓器轉(zhuǎn)速的升高,密封漏油能夠承受的負(fù)壓差邊界隨轉(zhuǎn)速升高呈降低趨勢,而潤滑油流量卻明顯增加,結(jié)果見圖9和10。

        2.3 密封兩端壓差的影響

        在轉(zhuǎn)速、油壓和油溫固定條件下提高負(fù)壓差,試驗(yàn)結(jié)果見表1。可以看到隨著負(fù)壓差的加大,在漏油邊界附近,漏油會隨之增加。

        表1 密封漏油情況隨兩端負(fù)壓差的變化

        2.4 密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)對漏油的影響

        本研究的最終目的是要在增壓器處于工作轉(zhuǎn)速、正常供油的條件下,研究提高密封抵御負(fù)壓差的能力。為此對3種結(jié)構(gòu)的封油效果進(jìn)行了評價。

        試驗(yàn)時機(jī)油壓力控制在0.3MPa和0.6MPa,機(jī)油供油溫度控制在50℃和70℃,增壓器轉(zhuǎn)速控制在5 000~12 000r/min,一般漏油發(fā)生在低轉(zhuǎn)速工況,所以轉(zhuǎn)速控制在低轉(zhuǎn)速,高轉(zhuǎn)速時壓氣機(jī)或渦輪端氣體壓力較高,不會出現(xiàn)密封負(fù)壓差的情況。在各種工況下,增加密封兩端的壓差,尋找到漏油發(fā)生時密封兩端的壓差極限值,以此評價3種密封結(jié)構(gòu)的密封效果(見表2)。

        表2 3種結(jié)構(gòu)密封的防漏油效果對比

        原機(jī)采用了最普通的密封結(jié)構(gòu),僅有甩油環(huán)加強(qiáng)了防漏油設(shè)計(jì),壓差為1.5~2.0kPa時就發(fā)生了漏油,在3種結(jié)構(gòu)中防漏效果最差。泵輪結(jié)構(gòu)較原機(jī)有所改善,漏油時壓差提高到4.0~4.5kPa,但在低速時防漏效果存疑,有待于進(jìn)一步研究。導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想得到驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了防泄漏功能,將漏油壓差提高到了7.0~12.0kPa。上述結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)改進(jìn)顯著提高了防泄漏能力,活塞環(huán)密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化還是有潛力的。

        3 結(jié)論

        a)潤滑油溫度、壓力、增壓器轉(zhuǎn)速和密封兩端負(fù)壓差的大小均對漏油的發(fā)生有影響,潤滑油溫度、壓力和增壓器轉(zhuǎn)速越高,密封漏油抵御負(fù)壓差的能力越低;

        b)試驗(yàn)結(jié)果表明,采用新型導(dǎo)流槽的密封漏油發(fā)生的兩端壓差提高到了7.0kPa,較原型提高了5.5kPa;結(jié)構(gòu)的改進(jìn)顯著影響漏油發(fā)生,活塞環(huán)密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化還是有潛力的;

        c)自行研制的采用密閉回油腔的密封漏油測量裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)模擬密封壓差的漏油試驗(yàn)。

        [1] 佟占杰.VTC254-13型增壓器漏油原因分析及改進(jìn)措施[J].內(nèi)燃機(jī)車,2005(12):28-31.

        [2] 邵澤華.261P-13型機(jī)車增壓器常見故障分析[J].內(nèi)燃機(jī)車,2001(11):44-45.

        [3] Hong He.Study on the Seal Leakage of Turbocharger[C]//Proceedings of The Fourth International Symposium on Fluid Machinery and Fluid Engineering.北京:清華大學(xué)出版社,2008.

        [4] 魏名山.車用渦輪增壓器密封結(jié)構(gòu)的檢測[J].車用發(fā)動機(jī),2004(4):50-52.

        [5] Manni M.A Study of Oil Consumption on a Diesel Engine with Independently Lubricated Turbocharger[C].SAE Paper 2002-01-2730.

        [6] Clemens Simon.Turbocharger Seal for Zero oil Consumption and minimized Blow-By[J].MTZ,2010,71:36-41.

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