蓋瑞特渦輪增壓器故障檢測判斷與處理

張亮

(江西五十鈴發(fā)動機(jī)有限公司，江西南昌 330200)

蓋瑞特渦輪增壓器故障檢測判斷與處理

張亮

(江西五十鈴發(fā)動機(jī)有限公司，江西南昌 330200)

介紹五十鈴4JB1發(fā)動機(jī)所匹配的蓋瑞特渦輪增壓器的工作原理、使用要求及故障檢測判斷方法，涵蓋了增壓器在日常使用中會出現(xiàn)的絕大多數(shù)故障種類，并給出了處理措施。

渦輪增壓器；故障診斷；故障處理

0 引言

目前，國內(nèi)外重型汽車幾乎全部采用柴油發(fā)動機(jī)，并且絕大多數(shù)采用了渦輪增壓技術(shù)或渦輪增壓中冷技術(shù)。輕型汽車和轎車也有相當(dāng)數(shù)量的增壓器柴油機(jī)應(yīng)用。文中將針對五十鈴4JB1發(fā)動機(jī)所匹配的蓋瑞特渦輪增壓器工作原理、使用要求和故障檢測判斷及處理做出詳細(xì)闡述。

1 渦輪增壓器的工作原理及結(jié)構(gòu)

1.1 渦輪增壓器的工作原理

增壓器廢氣渦輪在排氣歧管廢氣高速沖擊下帶動同軸壓氣機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)壓氣機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)時，空氣經(jīng)進(jìn)氣道進(jìn)入壓氣機(jī)葉輪，并在離心力的作用下沿相鄰葉輪葉片間形成的流道從葉輪中心向葉輪周邊流動?？諝鈴男D(zhuǎn)的葉輪獲得能量，使其流速、壓力和溫度均有較大的增高，然后進(jìn)入蝸殼，繼續(xù)減速增壓，完成由動能向壓力能轉(zhuǎn)變的過程，并最終被引向壓氣機(jī)出口進(jìn)入氣缸，見圖1。

在相同的單位時間里，如果能夠把更多的空氣強(qiáng)制擠入氣缸提高容積效率，便能在相同的轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生較自然進(jìn)氣發(fā)動機(jī)更大的動力輸出。渦輪增壓利用廢氣驅(qū)動，基本沒有額外的能量損耗，對發(fā)動機(jī)沒有額外的能量負(fù)擔(dān)，便能輕易地創(chuàng)造出大馬力，且能提高15%～20%的燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放水平，提高動力和性能，在高原地區(qū)還具有功率補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)。

1.2 渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)

渦輪增壓器由壓氣機(jī)殼、渦輪殼、壓氣機(jī)葉輪、渦輪葉輪、中間體、推力軸承、浮動軸承、密封環(huán)、廢氣旁通閥及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，見圖2。

2 渦輪增壓器潤滑系統(tǒng)作用及密封原理

2.1 潤滑系統(tǒng)作用

潤滑系統(tǒng)主要有3個作用：冷卻來自渦輪工作的熱量；向軸承系統(tǒng)提供潤滑；為浮動軸承提供油膜支撐。潤滑系統(tǒng)示意圖見圖3。

2.2 增壓器密封原理

增壓器密封在結(jié)構(gòu)上不完全密封，其密封是依靠發(fā)動機(jī)工作時兩端殼體內(nèi)建立的壓力大于回油腔中的壓力(p1>p2)，所以增壓器的密封是一種動態(tài)密封，見圖4。

3 渦輪增壓器的使用要求

渦輪增壓器在高溫高速下工作，所以正確的使用和良好的維護(hù)保養(yǎng)對保證增壓器的使用壽命和性能非常重要。

(1)使用CD級以上機(jī)油。

(2)經(jīng)過小于20 μm的全流式機(jī)油濾清器過濾。

(3)發(fā)動機(jī)啟動3～4 s內(nèi)，增壓器進(jìn)油口必須建立69 kPa油壓。

(4)停機(jī)時間過長或更換潤滑油后須先預(yù)熱并潤滑增壓器。

(5)發(fā)動機(jī)負(fù)載運(yùn)行時，增壓器進(jìn)油口處潤滑油壓力在最大扭矩工況及以上轉(zhuǎn)速時應(yīng)在196～392 kPa范圍內(nèi)，低怠速工況應(yīng)不小于69 kPa。

(6)潤滑油進(jìn)油溫度應(yīng)在100 ℃以下，最高不應(yīng)超過120 ℃。

(7)需防止?jié)櫥凸?yīng)不足。

(8)防止雜質(zhì)進(jìn)入潤滑油，不論是固態(tài)還是液態(tài)。

(9)防止增壓器回油管不暢通、曲軸箱壓力過高、發(fā)動機(jī)下竄氣量過大及潤滑油油面高過增壓器回油孔位置。潤滑油液面示意圖見圖5。

(10)當(dāng)壓氣機(jī)進(jìn)口處負(fù)壓超過6.5 kPa時，應(yīng)清潔或更換空氣濾芯。

(11)渦輪出口的排氣背壓不應(yīng)超過10.0 kPa。

(12)排氣溫度不應(yīng)高于700 ℃，增壓器工作溫度區(qū)間為500～700 ℃。

(13)切勿將旁通閥推桿當(dāng)作拎把來搬動增壓器總成，見圖6。

4 渦輪增壓器故障檢測分析與判斷處理

4.1 增壓器漏油

故障現(xiàn)象： 增壓器葉輪轉(zhuǎn)動靈活，葉片無擦殼現(xiàn)象，壓氣機(jī)殼體或渦輪殼進(jìn)氣口無機(jī)油，而出氣口有機(jī)油流出，詳見圖7和圖8。

4.1.1 原因分析

在結(jié)構(gòu)上，增壓器兩端各安裝有金屬密封環(huán)，但這是一種不完全密封，增壓器的密封還是依靠在正常工作時兩端殼體內(nèi)建立的壓力(p1)大于中間體回油腔中的壓力(p2)，這樣增壓器才不會出現(xiàn)漏油(見圖4)。當(dāng)這種平衡被打破，即使增壓器沒有損壞，如出現(xiàn)p2>p1，增壓器壓氣機(jī)出口就會出現(xiàn)漏油。

4.1.2 檢查步驟及處理方法

(1)檢查發(fā)動機(jī)空氣濾清器或進(jìn)氣管路是否堵塞導(dǎo)致進(jìn)氣負(fù)壓過大 ，如空氣濾清器臟則清潔空氣濾清器或更換濾芯，如管路阻塞則清潔管路或維修管路。

(2)檢查壓氣機(jī)殼出氣口到進(jìn)氣管之間的連接管路是否漏氣，如有泄漏(見圖9)則擰緊卡箍或更換管路與卡箍。

(3)檢查曲軸箱內(nèi)壓力是否過高，曲軸箱呼吸器或通風(fēng)管是否堵塞。如曲軸箱內(nèi)壓力過高(見圖10)，則應(yīng)按發(fā)動機(jī)廠家指導(dǎo)手冊排查；如曲軸箱呼吸器或通風(fēng)管堵塞，則應(yīng)立即維修或更換。

(4)檢查曲軸箱是否液位過高，如油位高出刻度，則應(yīng)放出多余機(jī)油，防止機(jī)油堵住增壓器回油口(見圖5)。

(5)檢查發(fā)動機(jī)下竄氣是否過大，如竄氣(見圖11)則應(yīng)按發(fā)動機(jī)廠家指導(dǎo)手冊排查。

(6)檢查增壓器回油管是否撞彎或損壞導(dǎo)致回油節(jié)流，如回油堵塞或彎曲變形(見圖12)，應(yīng)維修或更換，盡量保持回油管垂直向下。

(7)檢查中間體回油腔是否積碳或回油口堵塞導(dǎo)致回油不暢，如不暢，則應(yīng)清理回油腔和增壓器回油口。中間回油體積炭圖片見圖13。

(8)檢查渦殼進(jìn)氣口與排氣管出氣口的連接處是否有漏氣，如有漏氣應(yīng)立即修復(fù)。

圖10 曲軸箱內(nèi)壓力過高 圖11 發(fā)動機(jī)下竄氣過大 圖12 回油管撞彎導(dǎo)致回油節(jié)流

(9)檢查車輛是否長時間怠速或長時間使用排氣制動，此種情況應(yīng)盡量避免。

(10)檢查其他導(dǎo)致增壓器壓力密封失效的因素并將其排除。

4.2 渦輪增壓器葉輪打壞

故障現(xiàn)象：增壓器壓氣機(jī)葉輪或渦輪葉輪被外來異物打壞或被粉塵磨損，見圖14—16。

4.2.1 原因分析

增壓器壓氣機(jī)葉輪被進(jìn)氣氣流中帶入的外來物體打壞，或渦輪葉輪被排氣氣流中帶入的物體打壞。

4.2.2 檢查步驟及處理方法

(1)檢查發(fā)動機(jī)是否維護(hù)不當(dāng)，導(dǎo)致外來物體遺留在管路中。如是，清理異物并更換增壓器。

(2)檢查發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣管路中或氣缸是否有破損物體。如是，清理異物，維護(hù)發(fā)動機(jī)并更換增壓器。

(3)檢查是否使用劣質(zhì)的空氣濾芯。如是，更換濾芯及增壓器。

(4)檢查是否進(jìn)氣管路不密封導(dǎo)致進(jìn)氣未經(jīng)過濾。如是，擰緊或更換管路并更換增壓器。

(5)檢查是否未按發(fā)動機(jī)廠家的規(guī)定維護(hù)空氣濾清器濾芯。如是，更換空氣濾清器濾芯并更換增壓器。

4.3 渦輪增壓器葉輪擦殼

故障現(xiàn)象：增壓器動平衡遭到破壞，壓氣機(jī)葉輪或渦輪葉輪出現(xiàn)擦殼及中間軸磨損，見圖17—18。

4.3.1 原因分析

潤滑油在增壓器中有3個作用：潤滑、冷卻、為軸承系統(tǒng)提供壓力油膜。 如出現(xiàn)潤滑油供應(yīng)不足，機(jī)油壓力低，或潤滑油中混入其他液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)等潤滑方面的問題，增壓器葉輪將出現(xiàn)擦殼甚至斷軸現(xiàn)象。

4.3.2 檢查步驟及處理方法

(1)檢查發(fā)動機(jī)的機(jī)油濾清器是否不符合使用規(guī)范，或使用劣質(zhì)機(jī)油濾芯。

(2)檢查機(jī)油濾芯是否被擊穿或發(fā)動機(jī)油道被堵塞。

(3)檢查是否沒有按規(guī)定更換潤滑油。

(4)檢查是否在更換增壓器或作預(yù)潤滑時，雜質(zhì)進(jìn)入潤滑油管路。

(5)檢查是否有密封膠或密封墊片碎片流入潤滑油道。

以上情況會導(dǎo)致增壓器內(nèi)部零件出現(xiàn)磨損、拉絲等情況，并導(dǎo)致增壓器擦殼(見圖19和圖20)。請維護(hù)發(fā)動機(jī)、清潔油道，更換機(jī)油濾芯和機(jī)油，并更換增壓器。

(6)檢查是否不按規(guī)定更換潤滑油，或使用劣質(zhì)潤滑油。

(7)檢查是否在大負(fù)荷工作后突然停機(jī)，且未作怠速。

(8)檢查是否在發(fā)動機(jī)運(yùn)行前不作怠速。

(9)檢查是否在更換增壓器后未作預(yù)潤滑。

(10)檢查是否潤滑油泵故障，或潤滑油壓力低。

以上情況會導(dǎo)致增壓器潤滑不良，零部件出現(xiàn)磨損及高溫變色(圖21—22)等現(xiàn)象，并導(dǎo)致增壓器擦殼。

(11)檢查機(jī)油是否老化結(jié)膠。機(jī)油老化結(jié)膠圖片見圖23。

(12)檢查是否混入其他液態(tài)物質(zhì)，導(dǎo)致增壓器軸頸出現(xiàn)磨損，見圖24。

(13)檢查是否排氣端背壓高，如排氣制動損壞導(dǎo)致排氣不暢或消聲器堵塞及后處理裝置堵塞等導(dǎo)致排氣受阻。

(14)檢查是否殼體遭受外力或增壓器連接管路扭曲變形等造成單邊擦殼，見圖25—26。

4.4 渦輪增壓器異常噪聲

故障現(xiàn)象：在工作中，增壓器發(fā)出非常刺耳的噪聲。

4.4.1 原因分析

比較常見的原因有漏氣、增壓器擦殼、本體松動等。

4.4.2 檢查步驟及處理方法

(1)檢查進(jìn)氣管路是否漏氣，可用肥皂水測漏，見圖27。

(2)檢查排氣管路是否漏氣，如排氣歧管處、渦端法蘭連接處、排氣尾管處，可根據(jù)廢氣熏黑的顏色來判斷，見圖28。

(3)檢查增壓器壓氣機(jī)及渦端葉輪，看是否有擦殼現(xiàn)象。如有，則按擦殼現(xiàn)象處理，如有松動則擰緊緊固件。

(4)檢查增壓器是否與發(fā)動機(jī)不匹配，如件號不對或進(jìn)氣受阻。若件號不匹配則更換增壓器，若是進(jìn)氣受阻則清潔維護(hù)空氣濾清器。

4.5 發(fā)動機(jī)動力不足

故障現(xiàn)象：服務(wù)站認(rèn)為增壓器故障導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)動力不足。

4.5.1 原因分析

如增壓器出現(xiàn)卡滯、轉(zhuǎn)動不靈活或擦殼現(xiàn)象，則會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)動力不足；反之，當(dāng)增壓器外觀檢查無異常、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動順暢靈活、葉片無擦殼，則說明增壓器本身狀態(tài)良好，需要檢查發(fā)動機(jī)其他系統(tǒng)。

4.5.2 檢查步驟及處理方法

(1)如出現(xiàn)增壓器卡滯、轉(zhuǎn)動不靈活，則可拆開增壓器進(jìn)回油管，從增壓器進(jìn)油口噴入化油器清洗劑，并轉(zhuǎn)動增壓器葉輪，反復(fù)操作幾次，將轉(zhuǎn)子部件間隙中的結(jié)膠物清洗掉，見圖29，直到增壓器能靈活轉(zhuǎn)動，再對增壓器進(jìn)行預(yù)潤滑并重新連接進(jìn)回油管；若機(jī)油結(jié)膠或進(jìn)氣臟則可從進(jìn)氣口與出氣口噴入化油器清洗劑，等待幾分鐘再用氣槍吹出，直至增壓器葉輪能靈活轉(zhuǎn)動。

(2)檢查空氣濾清器是否堵塞。如是，則清潔或更換濾芯。

(3)檢查壓氣機(jī)與進(jìn)氣管路或渦端之后的排氣管路是否發(fā)生節(jié)流現(xiàn)象。如是，則消除節(jié)流現(xiàn)象或更換已損壞的零件。

(4)檢查壓氣機(jī)與發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管是否連接松動。如是，則擰緊接頭處螺栓。

(5)檢查發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管與排氣管是否漏氣，請參閱發(fā)動機(jī)制造廠商維修手冊來處理。

(6)檢查渦輪增壓器連接法蘭處是否漏氣。如是，則更換連接法蘭處墊片并擰緊松脫的螺栓。

(7)檢查渦輪增壓器是否有擦殼現(xiàn)象。如有，請按前面所述的擦殼故障現(xiàn)象處理。

(8)檢查是否是發(fā)動機(jī)本身的故障，如燃油系統(tǒng)、正時系統(tǒng)等。如有，請按發(fā)動機(jī)制造廠商的維修手冊處理。

4.6 其他故障現(xiàn)象

故障現(xiàn)象：殼體破裂或裂紋，旁通閥推桿斷裂等。

4.6.1 原因分析

如出現(xiàn)殼體破裂等現(xiàn)象應(yīng)檢查增壓器是否受外力沖擊。

4.6.2 檢查步驟及處理方法

(1)殼體裂紋或破裂(見圖30)，若能排除受外力撞擊或管路扭曲等原因，則屬于材料強(qiáng)度不夠。

(2)葉輪輪轂破裂(見圖31)，若能排除遭受外力沖擊，則屬于材料缺陷。

(3)壓氣機(jī)出口撞擊損壞(見圖32)，應(yīng)檢查是否連接管路松動或管路扭曲變形所致。

(4)旁通閥推桿臂斷裂(見圖33)，若能排除外力撞擊和振動過大等因素，可判定為材料缺陷。

5 結(jié)論

從上述各點(diǎn)可知，增壓器需在遵守使用規(guī)范的條件下精心

維護(hù)，才能有效延長其使用壽命。對使用過程中出現(xiàn)的各類故障，文中給出了較詳細(xì)的失效模式分析與故障診斷流程，在蓋瑞特增壓器或其他真空膜片閥式FGT增壓器的日常使用中，均可按上述診斷流程進(jìn)行故障判定。

【1】陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

【2】李駿.汽車發(fā)動機(jī)節(jié)能減排先進(jìn)技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2011.

Failure Detection and Treatment of Garrett Turbocharger

ZHANG Liang

(Jiangxi Isuzu Engine Co.,Ltd.,Nanchang Jiangxi 330200,China)

The working principle, operating requirements and failure treatment methods of Garrett turbocharger for Isuzu 4JB1 engine were introduced. Most of the failure categories during daily usage were covered, corresponding failure treatment methods were given.

Turbocharger; Failure diagnosis; Failure treatment

2015-10-13

張亮，男，本科，從事柴油發(fā)動機(jī)產(chǎn)品開發(fā)及規(guī)劃管理工作。E-mail：ZHL821022@126.com。