淺析汽車發(fā)動機渦輪增壓器原理及故障

趙俊鑫，葛偉廷，齊洪波，汪記偉，楊萬里，王瑞平,2

（1.寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司，浙江 寧波 315800）

引言

隨著汽車工業(yè)的不斷進步，汽車的各方面性能也在不斷地進步著。汽車不斷自主創(chuàng)新，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，給汽車的發(fā)動機加裝渦輪增壓器，有效地提高汽車的動力性。一般情況之下，加裝了渦輪增壓器，汽車往往會比普通的發(fā)動機擁有更好的動力。雖然渦輪增壓器有著它獨特的作用，但是其在維護不當?shù)那闆r之下，會嚴重影響渦輪增壓器的使用壽命。為了更好的發(fā)揮渦輪增壓器的作用，在了解渦輪增壓器的工作原理之外，還要了解渦輪增壓器常見故障的一些原因，并且要分析其原因，對故障加以診斷以及分析。盡量減少渦輪增壓器發(fā)生故障的情況，延長其使用的壽命，這樣才能夠有效地減少維護汽車的費用。

1 汽車發(fā)動機渦輪增壓器的構(gòu)造與原理

1.1 汽車發(fā)動機渦輪增壓器的構(gòu)造

渦輪增壓器是組裝在發(fā)動機的排氣管道上的一臺空氣壓縮機，它一般是通過發(fā)動機自身排出來到的廢氣作為動力來推動渦輪室里的渦輪進行轉(zhuǎn)動，與此同時渦輪又帶動同軸的葉輪進行轉(zhuǎn)動，葉輪就是這樣一環(huán)接一環(huán)地把從空氣過濾清潔器中出來的空氣進行一定程度的壓縮，使其的壓強增大進入氣缸。在如此的狀態(tài)下，進入氣缸的空氣密度增大，能夠使得燃油充分燃燒。這樣就達到提高了發(fā)動機的工作功率，同時降低的燃油率，在一定程度上提高了汽車的動力。

汽車公司應用了圖1所示的廢氣渦輪增壓器，渦輪增壓器的組成由壓氣機、渦輪、轉(zhuǎn)子，軸承機構(gòu)，中間體和密封裝置等組成。其一般是單級軸式渦輪機以及單級離心式壓氣機和或者是徑流式渦輪機構(gòu)成成體系的機組，其分別稱為徑流式廢氣渦輪增壓器與軸流式廢氣渦輪增壓器。渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子是由渦輪機和壓氣機共同組成的，它們的工作輪同時裝在同一個輪子上。汽車發(fā)動機排出的廢氣作為一種驅(qū)動的力量，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運行。這種渦輪增壓器的壓氣機和渦輪機的轉(zhuǎn)動速度是相同的，此外它們的工作效率也是一樣的。

圖1 汽車發(fā)動機渦輪增壓器的構(gòu)造圖

1.2 汽車渦輪增壓器的工作原理

渦輪增壓器相當于一種空氣壓縮機，它的工作原理就是通過發(fā)動機自身排出來的高溫高壓的廢氣來驅(qū)動渦輪增壓器運行，通過壓縮空氣來增加進氣量。實際上渦輪增壓器是利用汽車發(fā)動機排出廢氣的慣性沖力作為一種動力驅(qū)動渦輪室里面的渦輪，渦輪帶動同一軸上的壓氣機一起旋轉(zhuǎn)，同時渦輪又帶動同軸的葉輪，使之成為循環(huán)運行。發(fā)動機的轉(zhuǎn)動情況和排氣的排出情況、渦輪的轉(zhuǎn)動情況是同步的，如果汽車發(fā)動機的轉(zhuǎn)動速率加快，相應地廢氣的排出速率也在加快，渦輪的轉(zhuǎn)動速率也在不斷地加快。在這種情況下，葉輪就能夠壓縮更多的空氣進入到氣缸中，空氣的密度和壓強也會隨之增大，這樣能夠有效地提高發(fā)動機進氣量，可以充分有效地燃燒燃油，此外還能夠減少廢氣中的一些有毒氣體和有毒物質(zhì)的排放。這樣渦輪增壓器可以增加發(fā)動機的輸出功率，只要通過增加燃料的量和適度調(diào)整發(fā)動機的運轉(zhuǎn)速度就可以實現(xiàn)。

2 汽車渦輪增壓器的正常使用與維護

2.1 汽車渦輪增壓器的正常使用

汽車發(fā)動機在正常工作情況下，渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速在8-12萬/分鐘（r/min），渦輪排氣的溫度可達600-900攝氏度。為了延長渦輪增壓器的使用壽命，提高汽車運行的性能，必須正確使用汽車渦輪增壓器，使其保持良好的工作性能，這樣才能夠在一定程度上滿足汽車發(fā)動機的在正常工作過程的各項需求。

2.1.1 渦輪增壓發(fā)動機要進行正確預熱

汽車的發(fā)動機自動之后，不能馬上就踩加速腳踏板，要經(jīng)過一個正確的預熱過程，要讓其先怠速運行三分鐘，在冬季的時候應要至少預熱五分鐘。因為汽車在啟動的時候，突然的加速會損壞渦輪增壓器的軸承。渦輪增壓發(fā)動機經(jīng)過了正確的預熱可以使得機油的溫度升高，其流動性也會在一定程度上變好，能夠充分潤滑渦輪增壓器，這樣才能提高汽車發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。

2.1.2 渦輪增壓發(fā)動機不要立即熄火

圖3 增壓器廢氣泄壓閥&廢氣執(zhí)行器（執(zhí)行機構(gòu)）

渦輪增壓發(fā)動機在長時間高速運轉(zhuǎn)之后，不能立即熄火。由于渦輪增壓發(fā)動機在工作的過程中，有一部分的機油是供給渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的潤滑以及用于冷卻作用的。如果渦輪增壓發(fā)動機在高速運轉(zhuǎn)之下突然熄火，這時候的機油壓力變?yōu)榱?。渦輪增壓發(fā)動機的轉(zhuǎn)子由于慣性的作用還會繼續(xù)運行。在這種情況之下，渦輪增壓器在高速的轉(zhuǎn)動下沒有得到充足的潤滑，同時熱量也不能夠被冷卻，使渦輪增壓器的局部處于極高溫的狀態(tài)。這樣就會產(chǎn)生機油結(jié)焦和軸承燒損的后果。所以要給予渦輪增壓發(fā)動機一個緩沖的時間，讓機油得到一定程度的冷卻，盡量使得渦輪增壓器得到充分的潤滑作用。

2.1.3 渦輪增壓發(fā)動機切勿長時間怠速行駛

汽車渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速一般達到二十萬以上，在汽車運行的過程中，切勿長時間怠速運行。因為渦輪增壓器轉(zhuǎn)子在長時間怠速的情況下得不到充分的潤滑和冷卻作用，會造成渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的磨損。另外，在長時間怠速運行的情況下，渦輪增壓器壓氣機里外的壓強不平衡，進而造成轉(zhuǎn)子內(nèi)外的壓力不平衡而出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。所以，渦輪增壓發(fā)動機切勿長時間怠速行駛。

2.1.4 保持發(fā)動機機油和濾清器的清潔

發(fā)動機機油和濾清器必須保持清潔，需要定時清潔空氣濾清器，防止灰塵等其它雜質(zhì)進入高速轉(zhuǎn)動的壓氣葉輪。在拆卸增壓器的過程中，要盡量保持清潔，在各個管接頭必須要用清潔的布堵塞好，防止其它雜物混進增壓器中。此外，重新裝復完畢之后，還要取出堵塞物。

2.1.5 經(jīng)常檢查渦輪增壓器的密封環(huán)是否密封

要經(jīng)常檢查渦輪增壓器的密封環(huán)是否密封，這一個環(huán)節(jié)必須要嚴格進行。由于渦輪增壓器的密封環(huán)密封是發(fā)動機運行的必要條件，因為如果渦輪增壓器的密封環(huán)沒有密封好，廢氣就會進入潤滑系統(tǒng)，把機油污染，使得其內(nèi)部的壓力快速加大，外發(fā)動機低速旋轉(zhuǎn)時機油也能夠經(jīng)過密封環(huán)從排氣管排出或進入燃燒室燃燒，這樣就有可能會出現(xiàn)“燒機油”的現(xiàn)象。

2.1.6 在指定的維修站進行維修渦輪增壓器

當渦輪增壓器出現(xiàn)了故障、需要維修的時候，應該到指定的維修站進行維修，而不是隨意到普通的修理店。因為渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸承精密度是非常高的，其維修的過程是非常高的，同時渦輪增壓器維修和安裝時的工作環(huán)境也是非常嚴格的，因此必須到指定的維修站進行維修渦輪增壓器。

2.2 汽車渦輪增壓器的維護

若想延長發(fā)動機的使用壽命，提高汽車的動力，就必須要做好渦輪增壓器的維護工作。汽車在選擇機油的時候要特別注意。盡量選擇抗磨性比較好、能夠耐高溫、油膜的強度以及的穩(wěn)定性都要相對較好的機油，可以選擇一些半合成機油或者是全合成機油等高質(zhì)量的機油。因為在渦輪增壓器的作用下，高質(zhì)量的機油可以使得發(fā)動機的結(jié)構(gòu)更加緊湊，也運行得更加合理。能夠使得渦輪增壓發(fā)動機內(nèi)部的部件承受得住較高的溫度和高強的撞擊。

除此之外，還要進行定期的檢查工作。首先要檢查發(fā)動機的機油和濾清器是否保持清潔，要謹防雜質(zhì)的進入。因為渦輪增壓器的轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)套之間的間隙是非常小的，如果機油的潤滑能力降低了，就會在一定程度上損壞渦輪增壓器。其次，還要經(jīng)常需要渦輪增壓器的密封環(huán)是否密封，這一個環(huán)節(jié)是非常重要的，如果輪增壓器的密封環(huán)沒有封住，廢氣會通過密封環(huán)進入發(fā)動機潤滑系統(tǒng)，造成機油過度消耗。另外，還要經(jīng)常檢查一下渦輪增壓器沒有異響或者不尋常的震動，潤滑油管和接頭有沒有出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。

3 汽車渦輪增壓器的常見故障及原因分析

3.1 渦輪增壓器的常見故障

汽車的渦輪增壓器在使用的過程中，難免會出現(xiàn)故障。當渦輪增壓器出現(xiàn)故障的時候，不要立即就更換，應該查找出渦輪增壓器的部位以及其出現(xiàn)故障的原因。了解常見的故障并有效地排出渦輪增壓器的故障，才能夠有效地延長渦輪增壓器的使用時間，充分發(fā)揮它的作用。進而充分發(fā)揮渦輪增壓器的作用以及提高機動車的使用實用性。

3.1.1 增壓器渦輪或泵輪端出現(xiàn)“排油”現(xiàn)象

當增壓器內(nèi)部出現(xiàn)壓氣進入進氣管或者是渦輪排氣管中，發(fā)動機會處于一種不正常的運行狀態(tài)，機油的消耗量會大大增加，發(fā)動機會出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，增壓器也會出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。如果增壓器的轉(zhuǎn)子磨損比較嚴重時，增壓器轉(zhuǎn)子的軸承密封環(huán)就失去其作用，此外潤滑效果不佳也會使得密封環(huán)失去效果，這時增壓器渦輪或泵輪端出現(xiàn)漏油故障。增壓器渦輪一側(cè)出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，會造成消聲器和排氣管形成積碳，這樣就會在一定程度上增大了排氣的阻力，進而就會降低了增壓器的轉(zhuǎn)動速度，汽車發(fā)動機的動力也就會大幅度下降。當泵輪端出現(xiàn)漏油現(xiàn)象時，會造成發(fā)動機進氣管道集聚大量的機油，加大了進氣的阻力，這樣機油的消耗率也會大大增加，最終就會造成汽車的動力下降。

3.1.2 增壓器出現(xiàn)氣喘現(xiàn)象

增壓器也存在著氣喘的故障，其出現(xiàn)氣喘現(xiàn)象很大原因是因為進氣系統(tǒng)處于堵塞狀態(tài)。進氣系統(tǒng)處于堵塞狀態(tài)一般是由于進氣管道油和灰塵集聚或者是空氣濾清器堵塞。這樣會造成發(fā)動機增壓的狀態(tài)不穩(wěn)定，同時也會降低增壓的效果。在增壓器泵輪端出現(xiàn)異響，即所謂的氣喘現(xiàn)象，會使得發(fā)動機的工作狀態(tài)不穩(wěn)定，排氣管還有可能出現(xiàn)冒煙的現(xiàn)象，這樣就大大降低汽車發(fā)動機的動力。所以當渦輪增壓器出現(xiàn)了嚴重的氣喘現(xiàn)象就要對其進行維修，這樣才能從源頭減少機動車保養(yǎng)的費用。

3.1.3 增壓器振動幅度過大且有噪聲

增壓器在運轉(zhuǎn)中出現(xiàn)了強烈的震動，其振動幅度過大。這是由于轉(zhuǎn)子軸承損壞，轉(zhuǎn)子組不平衡，使得軸承間隙加大而造成的，這是應該更換轉(zhuǎn)子軸承以及對轉(zhuǎn)子組進行動平衡校對。增壓器在運轉(zhuǎn)中發(fā)出雜音，發(fā)出金屬的撞擊聲或者是摩擦聲，主要的原因是渦輪與泵輪處于損壞狀態(tài)或者是油灰破壞了轉(zhuǎn)子的動平衡狀態(tài)，使得增壓器轉(zhuǎn)子和渦殼之間發(fā)生了明顯的變化。此外泵輪或渦輪葉片與殼體碰擦也會產(chǎn)生金屬摩擦的噪聲。這種故障的因?qū)Ψ椒ň褪菍⑥D(zhuǎn)子拆卸下來檢修與調(diào)整。

3.1.4 渦輪增壓器突然停止運轉(zhuǎn)

當增壓器突然停止運行，發(fā)動機功率會大幅度下降。出現(xiàn)這種故障的主要原因是增壓器軸承磨損或者損壞、轉(zhuǎn)子組燒壞、外界物將渦輪泵輪葉片壞損而卡死等。這時候應該更換轉(zhuǎn)子的軸承，如果是損壞嚴重還要更換增壓器總成。此外油封漏油也應及時檢修以及更換。

3.1.5 增壓器的增壓力下降

增壓器出現(xiàn)增壓力下降現(xiàn)象，主要原因是進氣道堵塞，轉(zhuǎn)子的軸承與軸磨損嚴重，渦輪或者是泵輪葉片由于某種原因變形或損壞，增壓器中部件與殼體摩擦等均會造成增壓壓力下降。這些原因主要是通過影響增壓器正常的工作過程來干擾其的工作效果。出現(xiàn)這種故障應該及時維修，如果不及時加以維修，長時間如此運行增壓器，會對發(fā)動機造成嚴重的損害。

3.2 故障的整修

當渦輪增壓器出現(xiàn)了故障，首先要從外觀上檢查，要仔細觀察渦輪以及泵輪的外排、進氣連接處是否存在著裂縫或者是漏氣現(xiàn)象，同時要注意觀察渦輪增壓器是否有漏油，漏油現(xiàn)象嚴不嚴重等。檢查漏油現(xiàn)象主要是觀察壓氣機到進氣管道之間的接頭。如果該接頭處只是出現(xiàn)輕微的滲油現(xiàn)象，其屬于正常現(xiàn)象。如果出現(xiàn)嚴重的漏油現(xiàn)象，該渦輪增壓器就不能夠繼續(xù)使用，要盡快更換渦輪增壓器。另外當發(fā)動機停止工作之后，可以通過聽增壓器的轉(zhuǎn)子由慣性運轉(zhuǎn)的聲音來判別渦輪增壓器的性能是否良好。

其次，還要觀察壓氣機的葉輪以及泵殼的摩擦情況、漏油情況以及葉片的是否損壞了，損壞的程度如何。通過觀察，如果壓氣機的葉輪以及泵殼是存在摩擦的現(xiàn)象，但是泵殼的摩擦部位是比較堅固的，說明泵輪內(nèi)部可能遭到了破壞。如果發(fā)現(xiàn)了外來無嚴重損壞了泵輪，或者是泵輪軸承出現(xiàn)了嚴重的漏油現(xiàn)象，應該立即對增壓器進行維修。

另外，當仔細核查了渦輪和泵輪沒有明顯的損壞，就可以手動去轉(zhuǎn)動渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子，通過觀察它的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)來發(fā)現(xiàn)問題。如果出現(xiàn)明顯的磨損噪聲和滯留現(xiàn)象，就說明了軸已經(jīng)損壞。同時還要檢測轉(zhuǎn)子的軸承之間的間隙和渦輪端和泵輪端之間的間隙，這個過程可以使用精密的測量儀器來測量與檢測，用測量值對標準范圍，其不能超過標準范圍。在更換壓氣機葉輪要做動平衡測試。

最后，對渦輪機渦輪部分檢查，其的拆除的方式為從渦輪機出氣口將排氣道拆除。然后再檢查渦輪片和殼體的磨損程度，是否存在漏油現(xiàn)象等。若發(fā)現(xiàn)渦輪內(nèi)有損壞，就必須要及時拆除下來修理。如果發(fā)現(xiàn)積油現(xiàn)象嚴重，就要檢查該油的來源。如果是渦輪環(huán)的密封環(huán)失效，就應該將其拆除加以維修。如果是葉輪上的積油比較多，就要講渦輪拆除下來加以清洗。

4 渦輪增壓器的發(fā)展趨勢與改進措施

4.1 渦輪增壓器的發(fā)展趨勢

汽車公司采用的渦輪增壓器經(jīng)過了許多年代的改進，其性能有了很大的改善。近年來，隨著科學技術(shù)的進步和加工水平的不斷提高，汽車的經(jīng)濟性和動力性得到了大幅度的提高。渦輪增壓器朝著越來越好的發(fā)展方向進展，渦輪增壓器技術(shù)的應用范圍會越來越廣泛。渦輪增壓器會成為提高機動車輛動力性，經(jīng)濟性以及有效減少噪音和環(huán)境污染的重要措施，其有著美好的發(fā)展前景。

渦輪增壓器技術(shù)會越來越進步，其即將會突破跨越性和多領(lǐng)域性。渦輪增壓器會不斷地采用更有效的材料來進行改造，比如采用特殊的合金，甚至是陶瓷。同時也會不斷深化創(chuàng)造以及加工技術(shù)，采用各種先進的分析方法來對渦輪增壓器進行精密性改造，大幅度改良各項性能，從真正意義上滿足機動車的發(fā)展需要，全面提高機動車運行整個環(huán)節(jié)中的各項技術(shù)要求，從而不斷地促進機動車行業(yè)的發(fā)展，在如此的發(fā)展趨勢之下，整個社會的經(jīng)濟水平也會不斷地提升。

4.2 渦輪增壓器的改進措施

現(xiàn)代的渦輪增壓器有著其優(yōu)勢的功能，但是隨著時代的發(fā)展，對機動車的經(jīng)濟性、動力性和環(huán)保性的要求越來越高。就目前而言，渦輪增壓器是存在不少問題的，比如動力不足，產(chǎn)生噪音較大，產(chǎn)生廢氣等污染物質(zhì)等。這些情況都是不滿足我們社會發(fā)展的需要，在這種狀況之下，現(xiàn)在的渦輪增壓器必然是不能夠滿足市場和時代的發(fā)展需要，因為社會和時代是在不斷發(fā)展的，渦輪增壓器現(xiàn)有的問題不改善，最終只能是阻礙整個機動車行業(yè)的發(fā)展，甚至是整個社會的發(fā)展。因此渦輪增壓器也必須要與時俱進，不斷改革創(chuàng)新，不斷探索有效的改進措施。減少增壓器的故障，減少不必要的維護費用，進而提高渦輪增壓器的經(jīng)濟性與實用性。

4.2.1 應用新材料進行改造

渦輪增壓器在運行的產(chǎn)生的巨大的熱量，也會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的慣性量?？梢詰眯虏牧蟻韺u輪增壓器進行改造，因為鈦鋁合金材料具有耐高溫高壓、密度小、質(zhì)量輕以及抗氧化性好等優(yōu)良特性。鈦鋁合金材料應用于渦輪增壓器的改造，能夠有效地降低渦輪的運轉(zhuǎn)的慣性量，降低噪音，在一定程度上消除發(fā)動機在瞬間加速的過程中出現(xiàn)冒煙的現(xiàn)象。就目前的情況看來，一些新型的輕質(zhì)合金材料在不斷地研發(fā)之中，也即將不斷地投入渦輪增壓器的改造之中。

除此之外，由于陶瓷渦輪具有質(zhì)量較輕，渦輪箱的壁厚可以改造成非常薄的形態(tài)，將陶瓷應用于渦輪增壓器的改造上，能夠在增壓器各種優(yōu)良性能不變的情況下，可以使得渦輪增壓器的質(zhì)量大大減低。雖然目前陶瓷渦輪技術(shù)存在著許多難點與挑戰(zhàn)，陶瓷渦輪與轉(zhuǎn)軸的連接存在著許多的困難，但是這方面還是存在著巨大的開發(fā)潛力。

4.2.2 應用創(chuàng)新型的設(shè)計方法和制造技術(shù)

在設(shè)計和改進渦輪增壓器的過程中，要應用創(chuàng)新型的設(shè)計方法和制造技術(shù)。在渦輪增壓器的設(shè)計方法上，可以充分利用現(xiàn)代的科學技術(shù)，運用計算機進行壓氣機和渦輪的空氣動力學計算，精確地分析流場特性，探索合理的結(jié)構(gòu)設(shè)置。充分利用計算機進行徑渦輪的空氣動力學與三元流場分析。此外還要學會利用計算機進行離心式壓氣機的空氣動力學計算、進行有效的三元流場分析、葉輪和葉型設(shè)計以及相關(guān)的強度綜合性分析。除此之外，還可以運用有限元法和現(xiàn)代先進的激光測試技術(shù)來進行粘性流動的建模探索與檢測分析。

對于渦輪增壓器的制造技術(shù)，可以靈活地借鑒外國的一些制造技術(shù)。比如將“硅橡膠”技術(shù)用于制造小型后彎壓氣機葉輪?？梢試L試制造和生產(chǎn)帶后彎壓氣機葉輪的新型增壓器。還可以充分運用五軸數(shù)控銑床，銑削加工鍛鋁后彎葉輪，強度比鑄鋁強，這樣就有利于改善渦輪增壓器的各項性能。

5 結(jié)論

本文對汽車渦輪增壓器的構(gòu)造、作用、工作原理以及優(yōu)點缺點進行研究與分析，介紹和總結(jié)了一些渦輪增壓器常見的事故以及日常維護的知識，旨在幫助人們更好地正確認識渦輪增壓器的故障，更好地使用和維護渦輪增壓器。同時本論文也針對常見的故障提出了一些整修的方法。最后分析了渦輪增壓器的發(fā)展趨勢，并且對于渦輪增壓器的改進提出了一些措施。雖然本文是根據(jù)汽車渦輪增壓器進行研究和分析的額，但是其研究的結(jié)果對于不同類型的渦輪增壓器一樣具有一定的共同性。相信隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，國內(nèi)高檔汽車的增加，渦輪增壓器被廣泛使用，只要對渦輪增壓器的工作原理充分了解，采用一些正確有效的使用、安裝及檢測步驟以及方法，就能夠延長汽車渦輪增壓器的使用壽命。進而提高汽車的動力性，并且也能夠在一定程度上提高汽車使用的經(jīng)濟性、環(huán)保性與實用性。

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