柴油機(jī)渦輪增壓器壓氣機(jī)端漏油改進(jìn)

郭旺喜 丁現(xiàn)強(qiáng)

摘要：針對(duì)一款渦輪增壓器壓端漏油故障，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中冷器接口結(jié)構(gòu)、增壓器回油管走向、空氣濾清器清潔度、增壓器怠速工況為主要影響因素。從根本上解決漏油問題，提出了增壓器軸封的改進(jìn)方案，通過長(zhǎng)期怠速漏油試驗(yàn)、可視化漏油試驗(yàn)、抗惡劣進(jìn)氣負(fù)壓試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)的有效性。產(chǎn)品切換后，故障率大幅度下降。

Abstract： Aiming at the pressure end oil leakage fault of a turbocharger， it is found that the sealing structure of intercooler interface， the direction of turbocharger oil return pipe， the cleanliness of air filter and idle condition of turbocharger are the main influencing factors. The improvement scheme of turbocharger shaft seal is put forward to solve the problem of oil leakage fundamentally. The effectiveness of the improvement is verified by long-term idle oil leakage test， visual oil leakage test and anti bad negative pressure test. After product switching， the failure rate is greatly reduced.

關(guān)鍵詞：渦輪增壓器;漏油;壓端;改進(jìn)

Key words： turbocharger;oil leakage;pressure end;improvement

0? 引言

渦輪增壓器是發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件，利用發(fā)動(dòng)機(jī)高溫廢氣的能量驅(qū)動(dòng)渦輪帶動(dòng)壓氣機(jī)為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸提供持續(xù)高壓的新鮮空氣[1]。目前渦輪增壓器可靠性問題主要表現(xiàn)在部分增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)油泄漏，漏油位置為渦端和壓氣機(jī)端（壓端），如何降低增壓器漏油故障問題發(fā)生已成為主機(jī)廠非常關(guān)注問題之一。

本文對(duì)一款柴油機(jī)增壓器，在售后市場(chǎng)出現(xiàn)壓端漏油問題，在分析增壓器密封結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合故障件拆解和增壓器試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析出整車管路密封結(jié)構(gòu)、增壓器回油管走向、空氣濾清器清潔度、增壓器怠速工況為主要因素，提出了加大增壓器氣封板內(nèi)腔和擋油板儲(chǔ)油腔的方案，通過一系列抗漏油能力，驗(yàn)證了改進(jìn)有效性，形成了一套增壓器漏油故障分析與改進(jìn)思路。

1? 增壓器壓端漏油

1.1 故障模式

市場(chǎng)普遍反應(yīng)增壓器壓氣機(jī)出氣口至發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口進(jìn)氣膠管表面有油跡。通過故障件拆解發(fā)現(xiàn)，渦輪增壓器的壓氣機(jī)端漏油較多，比例為73%左右，壓氣機(jī)端殼體表現(xiàn)為內(nèi)部臟污、葉輪背面臟污，檢測(cè)內(nèi)部核心零件無損壞，基本可以排除增壓器零部件失效的可能，需結(jié)合車輛使用情況分析。

1.2 壓端漏油機(jī)理

渦輪增壓器壓氣機(jī)端的軸封采用密封環(huán)式密封結(jié)構(gòu)，即將活塞環(huán)形開口彈性環(huán)分別安裝在渦輪端和壓氣機(jī)端密封環(huán)支撐槽內(nèi)，密封環(huán)依靠其彈力漲緊在密封支撐外體上[2]。這種密封結(jié)構(gòu)環(huán)數(shù)較少，且有開口，所以只有在密封環(huán)兩端流體壓力近似平衡或者相差不大時(shí)才可以達(dá)到較好的密封效果[3]。一旦這種動(dòng)壓密封條件被破壞，增壓器進(jìn)氣負(fù)壓增加后，葉輪背后的壓力降低，即中間殼回油腔壓力Pb>壓葉輪背面壓力Pc，機(jī)油在壓力的推動(dòng)下，沿著漏油途徑，從而機(jī)油沿著密封環(huán)的徑向和軸向開口流出，整車管路密封不良的部位表現(xiàn)為漏油故障，如圖1所示。

2? 分析與改進(jìn)

結(jié)合售后調(diào)研和故障件拆解，排除了增壓器制造因素，根據(jù)壓端漏油原理，中間殼回油腔壓力Pb>壓葉輪背面壓力Pc，需要通過試驗(yàn)分析漏油原因。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析，整車進(jìn)氣管路密封不良、空氣濾清器進(jìn)氣阻力大、增壓器回油管走向不良回游不暢、增壓器軸封設(shè)計(jì)等這些原因，都會(huì)造成軸封兩端壓力不平衡，導(dǎo)致壓端漏油。

2.1 整車進(jìn)氣管密封性

售后漏油車輛，較多反映中冷器管口位置漏油。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，中冷器管口有鑄造合模線，無法與進(jìn)氣膠管形成良好密封。為驗(yàn)證接口的密封性，模擬整車運(yùn)行狀態(tài)，將進(jìn)氣膠管與中冷器用卡箍擰緊，沉入水中（水溫90℃），通入2.7bar壓縮空氣保壓3分鐘，觀察各連接位置是否漏氣。試驗(yàn)顯示，中冷器管口位置大量泄漏。將中冷器管口由毛坯面改進(jìn)為螺紋結(jié)構(gòu)，措施上場(chǎng)后，故障得到改善，但未得到根本解決，需要進(jìn)一步分析故障原因。

2.2 增壓器道路試驗(yàn)

為進(jìn)一步分析故障原因，本文模擬車輛運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行了增壓器道路試驗(yàn)。利用特制試驗(yàn)用增壓器，檢測(cè)增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)（空氣濾清器的進(jìn)氣阻力、壓端出口壓力、增壓器葉輪轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、增壓器中間殼體壓力、曲軸箱壓力、渦端進(jìn)口壓力和溫度、渦端出口壓力和溫度、機(jī)油壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、中冷后進(jìn)氣壓力），通過數(shù)據(jù)分析，判斷是否出現(xiàn)過中間殼回油腔壓力Pb>壓葉輪背面壓力Pc的工況，分析產(chǎn)生的可能原因。

2.2.1 空氣濾清器清潔度

調(diào)研發(fā)現(xiàn)空氣濾清器較臟的車輛漏油較多，空氣濾清器堵塞后，惡化漏油[4]。測(cè)試空氣濾清器的進(jìn)氣負(fù)壓發(fā)現(xiàn)：臟的空氣濾清器進(jìn)氣負(fù)壓過大，有30%的運(yùn)行工況不符合要求（標(biāo)準(zhǔn)為<6.3Kpa），有些工況超過了12.5KPa;新空氣濾清器僅有4%的運(yùn)行工況超過標(biāo)準(zhǔn)值。試驗(yàn)證明了空氣濾清器的清潔度對(duì)增壓器漏油有一定的影響，會(huì)惡化增壓器的密封性。空氣濾清器清潔度主要受用戶的自覺性影響，無法根本控制。

2.2.2 增壓器回油管走向

理論上，增壓器中間殼回油壓力應(yīng)等同于曲軸箱壓力，即兩者差值為0。若大于0，說明增壓器回油管回油不暢通，增大了壓端中間殼體腔體壓力，會(huì)惡化軸封密封性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示增壓器中間殼回油壓力始終大于曲軸箱壓力，經(jīng)分析為回油管回油不暢（直徑細(xì)和彎折度大）造成該問題。針對(duì)該問題，優(yōu)化增壓器回油管內(nèi)徑和走向，利用應(yīng)用軟件AVL FIRE模擬，邊界條件（同一流量和壓差）：流量，390kg/h，溫度為120℃;壓力差值為10mbar，改進(jìn)后回油管，回油阻力從12.06pa降至6.94pa，回油順暢性提高了大約40%。

2.2.3 怠速工況分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況（550rpm），中間殼回油腔壓力Pb>壓葉輪背面壓力Pc，漏油風(fēng)險(xiǎn)較大，如圖2紅色區(qū)域所示。由于怠速工況，進(jìn)氣壓力低，壓端背壓低，軸封不容易形成密封。大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，怠速密封性的好壞直接決定了增壓器漏油性能的好壞[5]。

根據(jù)軸封密封原理：一是創(chuàng)造有利的壓力平衡條件，使壓氣機(jī)葉輪背面壓力始終高于軸承體內(nèi)油腔壓力;二是氣腔與油腔嚴(yán)密分開，減少飛濺到密封環(huán)附近的機(jī)油量，增壓器中間殼體的機(jī)油快速回至油底殼，形成改進(jìn)方案。

方案1：由單道密封環(huán)改進(jìn)為雙密封環(huán)，增強(qiáng)軸封密封概率;方案2：加大氣封板內(nèi)腔和擋油板儲(chǔ)油腔，提高密封結(jié)構(gòu)儲(chǔ)油能力，確保油落順暢，及時(shí)返回中間殼，降低中間殼體回油腔壓力。通過可視化漏油試驗(yàn)、長(zhǎng)期怠速試驗(yàn)、抗惡劣進(jìn)氣負(fù)壓試驗(yàn)，增大進(jìn)氣負(fù)壓，對(duì)比兩種方案的抗漏油能力：

①可視化漏油試驗(yàn)：定性評(píng)價(jià)就是確定漏油還是不漏油，普遍采用可視化的方法。本文利用透明可視化的增壓器試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)比抗進(jìn)氣負(fù)壓能力。怠速工況，逐漸增加進(jìn)氣負(fù)壓，每個(gè)轉(zhuǎn)速和壓差下重復(fù)多次，實(shí)時(shí)觀測(cè)不同轉(zhuǎn)速和壓差下的漏油情況。試驗(yàn)結(jié)果：方案2在怠速工況的抗負(fù)壓能力大幅提高，從原結(jié)構(gòu)的-10mbar提升至-25mbar。

②長(zhǎng)期怠速試驗(yàn)：在同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上，對(duì)2種軸封的增壓器進(jìn)行怠速試驗(yàn)，每隔4小時(shí)觀測(cè)有無漏油現(xiàn)象發(fā)生，直至漏油發(fā)生。試驗(yàn)結(jié)果：在怠速條件下，方案2在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速40小時(shí)內(nèi)未發(fā)生漏油現(xiàn)象，明顯優(yōu)于方案1。

③抗惡劣進(jìn)氣負(fù)壓試驗(yàn)：模擬空氣濾清器臟的工況，逐漸增加進(jìn)氣負(fù)壓，怠速穩(wěn)定運(yùn)行20分鐘，檢查渦輪背面和渦殼出口是否漏油，考核增壓器抗漏油能力。試驗(yàn)結(jié)果：方案2進(jìn)氣負(fù)壓達(dá)到11Kpa未發(fā)現(xiàn)漏油，方案1進(jìn)氣負(fù)壓8.5Kpa出現(xiàn)了漏油，明顯優(yōu)于方案1。

通過以上試驗(yàn)結(jié)果，方案2-加大氣封板內(nèi)腔和擋油板儲(chǔ)油腔密封性優(yōu)越，作為增壓器壓端軸封改進(jìn)的最終方案。中冷器、增壓器回油管走向和壓端軸封的改進(jìn)措施上場(chǎng)后，售后故障率降低了60%，優(yōu)于同行業(yè)產(chǎn)品。

3? 結(jié)束語

①降低渦輪增壓器壓端漏油故障，一是創(chuàng)造有利的壓力平衡條件，使壓氣機(jī)葉輪背面壓力始終高于軸承體內(nèi)油腔壓力;二是氣腔與油腔嚴(yán)密分開，減少飛濺到密封環(huán)附近的機(jī)油量，中間殼體的機(jī)油快速回至油底殼。

②整車進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)密封性、空氣濾清器清潔度、增壓器回油管走向和增壓器自身結(jié)構(gòu)是影響增壓器漏油的主要因素。低速怠速工況為增壓器壓端漏油高風(fēng)險(xiǎn)工況，從根本上解決漏油問題，需要優(yōu)化軸封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升軸封的密封能力。

參考文獻(xiàn)：

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