增壓器密封結(jié)構(gòu)改進對漏油的影響研究

何 洪，曹立峰，吳新濤，吉建波

（1.中國北方發(fā)動機研究所（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。

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，尤其是在增壓系統(tǒng)采用如順序增壓、兩級增壓、機械增壓以及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，由于高壓級壓氣機轉(zhuǎn)動慣量小、升速快，造成對低壓級壓氣機的抽吸作用，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，二是采用其他接觸密封。由于接觸式機械密封成本高，機械功率損失大，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，如采用運轉(zhuǎn)200h的累積消耗量［4］；還可以通過發(fā)動機油耗儀來測量，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：直接觀察壓氣機背盤、用玻璃管在壓氣機出口收集觀察、用濾紙在壓氣機出口過濾后觀察［2，6］。

增壓器漏油機理表明，引起增壓器漏油的主要外部原因是發(fā)動機在某些工況造成渦輪增壓器壓氣機葉輪或渦輪輪背處產(chǎn)生負壓（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)動機廠家和增壓器廠家共同認可、在試驗室就能夠評價實際使用狀況下密封效果的試驗規(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)認可的增壓器潤滑油密封試驗規(guī)范，對發(fā)動機和增壓器的研發(fā)都是一個很好的促進。本項研究按照通常的條件進行測試。

1.2 測量對象

1）原機

原機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壓差，試驗結(jié)果見表1?？梢钥吹诫S著負壓差的加大，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壓差的變化

2.4 密封結(jié)構(gòu)改進對漏油的影響

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壓差的能力。為此對3種結(jié)構(gòu)的封油效果進行了評價。

試驗時機油壓力控制在0.3MPa和0.6MPa，機油供油溫度控制在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)速時壓氣機或渦輪端氣體壓力較高，不會出現(xiàn)密封負壓差的情況。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

原機采用了最普通的密封結(jié)構(gòu)，僅有甩油環(huán)加強了防漏油設(shè)計，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，有待于進一步研究。導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想得到驗證，實現(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，密封漏油抵御負壓差的能力越低；

b）試驗結(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。

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