王 博 鄭喜旺 黃圣錦 陳明光 劉 凱 郭宇輝 馮永超

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動力總成有限公司）

引言

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，渦輪增壓發(fā)動機逐漸成為主流。渦輪增壓器的廣泛應(yīng)用，在降低發(fā)動機排量的同時提升了功率和轉(zhuǎn)矩，同時也降低了排放。在排量相同的情況下渦輪增壓機型功率較自然吸氣機型提升至少30%，碳排放減少10%～20%[1]。

由于渦輪增壓器是利用發(fā)動機排出的廢氣驅(qū)動渦輪運轉(zhuǎn)，所以整個系統(tǒng)需要承受較高的熱負荷，同時增壓器的工作轉(zhuǎn)速最高可達到20×104rpm 以上，這也對冷卻、潤滑提出了較高的要求。在如此嚴苛的工作環(huán)境下，增壓器經(jīng)常會出現(xiàn)諸如異響、漏油、超增壓或增壓壓力不足等失效模式。本文針對某型汽油發(fā)動機，重點研究增壓器滲漏機油失效原因、機理及試驗驗證、設(shè)計優(yōu)化等。

1 增壓器結(jié)構(gòu)及密封原理

1.1 增壓器工作原理

發(fā)動機燃燒排出的廢氣驅(qū)動渦輪高速旋轉(zhuǎn)，渦輪帶動同軸的壓輪高速旋轉(zhuǎn)，壓氣機工作增加氣體的壓力和密度，在同樣的發(fā)動機容積下，可以允許更多的氣體進入到發(fā)動機內(nèi)參與燃燒，進而提高發(fā)動機功率。同時由于燃燒更加充分，也可以進一步降低發(fā)動機油耗，增壓原理見圖1。

圖1 增壓器工作原理圖

1.2 增壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

增壓器內(nèi)部核心零部件有渦輪、葉輪、浮動軸承密封環(huán)等，如圖2 所示。

1）渦輪、葉輪：動力源、壓氣

2）浮動軸承：承載軸向和徑向載荷，支撐渦輪軸整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

3）中間體：連接壓氣機和渦輪機，包括軸承、油路系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)（汽油機）

4）密封環(huán)：密封油路

5）止推軸承：防止轉(zhuǎn)子軸軸向竄動

6）旁通閥執(zhí)行機構(gòu)：增壓器泄壓避免壓力超高

圖2 增壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.3 增壓器密封原理

增壓器在結(jié)構(gòu)上是不完全密封的。如圖3a 所示有沿密封環(huán)開口和周向兩個泄漏通道，所以密封的關(guān)鍵是圖3b 中P1、P2 的壓力平衡。如果P2 ＞P1，那么中間體內(nèi)的機油就有可能通過泄漏通道流出，造成漏油。渦輪端的密封原理也是一樣的。

圖3 增壓器的密封

1.4 機油泄露危害

渦輪增壓器的渦輪端和壓氣機端均有密封裝置，具有封氣和封油雙重作用。泄漏不僅使機油消耗量增加，還會使增壓器和發(fā)動機性能下降，發(fā)動機排放惡化，嚴重時可導(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60%以上[2]。因此增壓器的漏油問題是增壓器研究的熱點之一。

2 漏油原因分析

2.1 進氣負壓過大

從市場反饋情況來看，造成壓氣機漏油失效，較多的原因是由于用戶更換空濾不及時造成進氣負壓增加，P1 下降，影響了壓力的平衡。

2.2 回油不暢

除了壓力平衡外，密封環(huán)周圍是否有潤滑油堆積也是很關(guān)鍵的。因為即使壓力不平衡，密封環(huán)周圍沒有機油堆積也不會造成漏油，所以，回油一定要通暢，常見回油不暢原因有回油管彎曲、機油加注過量、發(fā)動機躥氣量大導(dǎo)致曲軸箱壓力過大，如圖4 所示。

圖4 常見回油不暢

2.3 問題解決

解決密封問題的關(guān)鍵是增壓器內(nèi)部壓力平衡，要解決密封問題有以下2 個難點：

1）增壓壓力和渦前壓力最高值都會變大，這對壓力的平衡都是不利的；

2）密封環(huán)周圍的壓力存在差異：由于渦殼和壓氣機殼不是360 度對稱，所以流道內(nèi)的壓力存在一定的差異，這就導(dǎo)致了葉輪背面和密封環(huán)周圍的壓力存在差異。

3 密封試驗驗證

為了避免市場上出現(xiàn)增壓器漏油問題，在發(fā)動機臺架和整車上進行增壓器機油密封試驗是直接和必須的。

3.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備如圖5 所示。

圖5 試驗設(shè)備

3.2 樣件制作方法

按照圖6 所示分別在增壓器活塞環(huán)內(nèi)/外側(cè)打孔并布置壓力傳感器，壓端、渦端各2 個（225/226 與211/210），渦輪前/后各1 個（P3/P4），必要時根據(jù)實際需求需采集增壓器轉(zhuǎn)速、曲軸箱壓力。

圖6 工裝壓力分布點

3.3 設(shè)備、工裝連接

將225/226/211/210/P3/P4 6 個傳感器通過氣管連接至壓力盒子上對應(yīng)接口處并進行記錄。

3.4 數(shù)據(jù)采集

設(shè)備連接完畢后，打開INCA 軟件并設(shè)定標定名稱后開始進行數(shù)據(jù)采集，主要包含以下測試工況、路況。

常用工況：冷啟動、暖機工況、熱機怠速、急加速/急減速；

常用路況：城市、高速、山路、國道。

3.5 數(shù)據(jù)分析

1）通過INCA 采集壓力數(shù)據(jù)，過程記錄并對比各壓力值變化，確認是否有壓差失衡異常點。

2）保存采集數(shù)據(jù)，使用MDA 軟件打開保存數(shù)據(jù)，如圖7 所示，詳細分析增壓器活塞環(huán)內(nèi)外壓差是否滿足要求、曲軸箱壓力、渦輪前/后壓力值是否有問題。

圖7 數(shù)據(jù)分析

4 常見密封問題及解決方法

目前市場上常見的增壓器漏油主要包含壓氣機端漏油和渦輪端漏油2 種。其中壓氣機端漏油是常見的情況，造成漏油的可能原因主要有如下幾種。

1）空濾臟，進氣負壓大導(dǎo)致225 壓力急劇下降從而不滿足壓差要求，出現(xiàn)壓氣機端漏油問題。

解決方法：定期更換、清洗空濾濾芯。

2）壓氣機殼出氣口到發(fā)動機進氣管之間的連接管路漏氣導(dǎo)致225 壓力降低，不滿足壓差或渦殼進氣口與排氣管出氣口的連接處漏氣背壓低導(dǎo)致210降低，不滿足壓差。

解決方法：查找漏氣點，緊固處理。

3）長時間下坡倒拖工況，內(nèi)外壓差不滿足或出現(xiàn)負值。

解決方法：盡量避免長時間下坡路況。

4）長時間低怠速運行，內(nèi)外壓差長時間處于臨界點。

解決方法：盡量避免長時間怠速工況。

5）增壓器回油不暢密封圈大量機油堆積，機油被迫從密封環(huán)泄漏擠壓出去。

解決方法：確認機油量是否過多，查找回油管是否堵塞，修復(fù)處理。

6）曲軸箱內(nèi)油壓或油位過高，曲軸箱通風(fēng)管堵塞—回油不通暢，密封圈大量機油堆積。

解決方法：確認曲軸箱管路是否堵塞，PCV 閥是否故障，修復(fù)處理。

7）發(fā)動機竄氣量過大，曲軸箱壓力高—回油不通暢，密封圈大量機油堆積渦輪端漏油。

解決方法：檢查缸筒是否拉缸、活塞環(huán)是否磨損斷裂、氣門油封是否老化，修復(fù)處理。

渦輪端漏油不多見。導(dǎo)致渦輪端漏油的最主要原因是回油不通暢，主要跟回油管的布置和曲軸箱壓力高有關(guān)[3]。

5 增壓器設(shè)計優(yōu)化方案

為規(guī)避出現(xiàn)密封失效導(dǎo)致的漏油問題，特別是壓氣機端漏油問題，通常在以下幾個方面進行考慮[4]。

5.1 增壓器匹配

根據(jù)壓力封油的原理，我們將P1 和P2 相同的點在壓氣機map 上可以劃出一條曲線，稱為漏油臨界曲線，見圖8。在增壓器匹配時，如果各工況的運行點在map 上都高于漏油臨界曲線，那么漏油的風(fēng)險就會較小；反之漏油的風(fēng)險較高，會造成大量的漏油。

5.2 增壓器密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

5.2.1 多密封環(huán)設(shè)計

多密封環(huán)設(shè)計能夠提高增壓器的密封能力，以下是幾種常見的方案，見圖9。多密封環(huán)設(shè)計就是增加一道或多道密封環(huán)，來延緩或降低氣路和油路的流通。在降低竄氣量上效果明顯，通常2 道密封環(huán)的結(jié)構(gòu)比一道環(huán)能降低竄氣量30%。

圖8 漏油臨界曲線

圖9 壓氣機端多密封環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

5.2.2 擋油環(huán)

擋油環(huán)能幫助阻擋機油進入密封環(huán)區(qū)域，從而提高密封能力，見圖10、11。

圖10 擋油環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

圖11 擋油環(huán)對比試驗效果

5.2.3 動態(tài)密封

另一種改善密封的結(jié)構(gòu)是動態(tài)密封。如圖12 所示，在推力軸承套沿軸向鉆一些孔，利用離心力的作用，可以將進入背板和推力軸承套之間的機油甩出，使機油不易進入密封環(huán)區(qū)域。動態(tài)密封結(jié)構(gòu)有效可靠，成本增加小。

圖12 動態(tài)密封圖

5.2.4 背板下沉設(shè)計

根據(jù)壓力密封的原理，增加葉輪背面的壓力能有效提高漏油密封能力。如圖13 所示。通過在背板上增加倒角使增壓后的氣體更容易進入葉輪背面，這種方法簡單有效，且不增加成本。不利的地方是可能會犧牲壓氣機效率，對發(fā)動機的動力性和油耗帶來影響。

圖13 背板下沉結(jié)構(gòu)示意圖

從圖14 的試驗對比結(jié)果來看，背板下沉結(jié)構(gòu)能明顯提高輪背的壓力，特別是在發(fā)動機低速時。

5.2.5 渦輪端密封設(shè)計

因使用工況原因，完全的密封無法實現(xiàn)，渦輪端會存在輕微滲漏的情況，在機油流出渦殼及中間殼體配合部位設(shè)計時應(yīng)考慮二者的密封結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)空腔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致機油堆積從而漏出。目前該配合部位的主流設(shè)計有3 種，如圖15 所示。

1）圓弧面密封結(jié)構(gòu)；

2）平面密封結(jié)構(gòu)；

3）斜面密封結(jié)構(gòu)。

圖14 背板下沉試驗對比，上圖為背板下沉

圖15 增壓器渦輪機密封結(jié)構(gòu)

6 結(jié)論

增壓器漏油不只是單體零部件問題，涉及到進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)等系統(tǒng)性問題，對于出現(xiàn)的增壓器漏油問題，如果沒有找到根本原因并解決，盲目更換增壓器后仍然會漏油。因此在遇到該類問題時須系統(tǒng)性進行問題排查，對于設(shè)計失誤產(chǎn)生漏油問題可以從增壓器密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面加以解決。