低慣量增壓器甩油槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

李承運(yùn)，劉曉瑩，楊美，劉相喜，孫蕭，汪名月，趙福成

（寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336）

引言

隨著國家排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格和消費(fèi)者對燃油經(jīng)濟(jì)性的要求提高，越來越多的汽車制造廠開始應(yīng)用小排量發(fā)動機(jī)來滿足排放法規(guī)和油耗的要求。雖然發(fā)動機(jī)小型化可以改善排放和油耗，但是也會犧牲整車的動力性，通過增壓手段，則可以很好彌補(bǔ)由于排量降低導(dǎo)致的動力衰減。所以，發(fā)動機(jī)小型化和增壓化，是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動力發(fā)展的趨勢所在[1]。

增壓器常見的故障之一是增壓器滲油，通常，壓氣機(jī)端和渦輪端都存在潤滑油滲出的問題，滲出的潤滑油或者進(jìn)入氣缸參與燃燒，或者跟隨排氣進(jìn)入排氣系統(tǒng)，在排氣管中燃燒，俗稱“燒機(jī)油”。增壓器滲油不僅會對發(fā)動機(jī)潤滑油耗產(chǎn)生不利影響，還會影響發(fā)動機(jī)的性能和壽命，影響整車的排放[2]。

增壓器滲油是由于增壓器固有的密封結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，無法避免，但是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，可以對滲油問題進(jìn)行有效改善。本文通過大量試驗(yàn)總結(jié)出容易導(dǎo)致增壓器漏油的工況，針對工況特性，對一臺低慣量渦輪增壓器的甩油槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升了對潤滑油的密封性能，有效改善了增壓器渦輪端滲油的問題。

1 增壓器滲油機(jī)理研究

增壓器主要的潤滑方式為機(jī)油潤滑，發(fā)動機(jī)正常工作時增壓器端的潤滑油壓力通?？梢赃_(dá)到 500kPa～600kPa，所以高油壓對增壓器的密封性能是非?？量痰目简?yàn)。另外，增壓器壓氣機(jī)和渦輪端在發(fā)動機(jī)大負(fù)荷時處于高溫、高壓的運(yùn)行工況，增壓器的密封除了要滿足潤滑油的密封作用，還要兼顧高溫氣體的密封作用，防止?jié)櫥秃透邷厝細(xì)饣ネ╗3]。

當(dāng)下增壓器最常用的密封結(jié)構(gòu)為環(huán)式結(jié)構(gòu)密封，即在增壓器同心軸上設(shè)計(jì)安裝支撐槽，將密封活塞環(huán)固定在支撐槽上，密封環(huán)利用本身的張緊力，與同心軸的支撐外體緊密相連，圖1是典型增壓器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖，零件6即為密封環(huán)。

圖1 發(fā)動機(jī)增壓器結(jié)構(gòu)示意圖

增壓器轉(zhuǎn)動時，密封環(huán)本身不會轉(zhuǎn)動，通過這種設(shè)計(jì)，增壓器實(shí)現(xiàn)高溫燃?xì)夂蜐櫥偷南嗷ジ綦x，達(dá)到密封目的。但是由于密封環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，密封環(huán)存在一個固有的缺口，這個缺陷無法消除，是所有密封環(huán)的特性。當(dāng)渦輪機(jī)和壓氣機(jī)端的氣體壓力，即零件11和零件7處的壓力較高時，能夠形成壓力差密封，保證潤滑油不會從密封環(huán)的缺口處滲出，但是當(dāng)發(fā)動機(jī)處于小負(fù)荷時，例如怠速工況，發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)端和渦輪端的氣體壓力很低，會導(dǎo)致高壓潤滑油從密封環(huán)處滲漏出來，貯存在圖1 中零件9的隔熱碗型塞中，潤滑油通過二次滲漏進(jìn)入氣缸或者直接進(jìn)入排氣系統(tǒng)。圖1中紅色箭頭標(biāo)明了怠速工況下潤滑油的滲漏路徑和潤滑油流向[4]。

怠速工況下，由于受到壓力差的影響，增壓器內(nèi)部的潤滑油不斷流向渦輪端，通過聚積效應(yīng)累積在密封環(huán)附近。為了改善怠速工況的增壓器滲油問題，增壓器工程師在密封環(huán)前端同心軸上，設(shè)計(jì)了甩油槽，如圖2 所示。甩油槽的設(shè)計(jì)目的是讓同心軸上的潤滑油在怠速工況時，盡可能減少在密封環(huán)處的聚積。怠速工況下，當(dāng)潤滑油達(dá)到甩油槽處時，會隨著同心軸的轉(zhuǎn)動，被甩到支撐體壁面上，這樣達(dá)到密封環(huán)處的潤滑油會有效減少，最終降低潤滑油從密封環(huán)處的滲出量，達(dá)到改善潤滑油消耗率和排放的目的。甩油槽結(jié)構(gòu)方案已經(jīng)在不少增壓器上都得到了應(yīng)用，但是由于發(fā)動機(jī)和增壓器本體差異，甩油槽的結(jié)構(gòu)都存在一些差異。所以，針對不同的使用環(huán)境，增壓器甩油槽結(jié)構(gòu)需要針對性優(yōu)化。

圖2 增壓器甩油槽與密封環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

2 甩油槽設(shè)計(jì)優(yōu)化

大量試驗(yàn)結(jié)果表明，怠速工況時對增壓器密封性能考核最嚴(yán)苛的工況，所以本次增壓器甩油槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是基于怠速工況進(jìn)行優(yōu)化[5]。借助計(jì)算機(jī)輔助主設(shè)計(jì)和分析軟件，對優(yōu)化前后的甩油槽設(shè)計(jì)方案進(jìn)行泄漏量仿真，其中結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的甩油槽設(shè)計(jì)方案如圖3所示；優(yōu)化前后仿真滲油量情況對比如圖4所示。

圖3 甩油槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對比

圖4 甩油槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后碗型塞貯存油量比較

在對甩油槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，通過對兩種不同結(jié)構(gòu)的甩油槽密封性能在怠速工況進(jìn)行仿真對比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的甩油槽明顯提升了增壓器對潤滑油的密封性能。如圖4所示，碗型隔熱塞內(nèi)部，優(yōu)化前的甩油槽，存在潤滑油滲出并貯存在其中；結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，潤滑油滲出量減少，碗型塞內(nèi)貯存的油量明顯降低[6]。

3 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

通過仿真結(jié)果對比，篩選出具有最佳密封性能的甩油槽方案，通過臺架試驗(yàn)，對此方案進(jìn)行實(shí)際測評。試驗(yàn)發(fā)動機(jī)采用一臺1.0L的渦輪增壓直噴汽油機(jī)，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的甩油槽方案分別進(jìn)行測試，對比優(yōu)化結(jié)果。試驗(yàn)工況采用了怠速工況，熱機(jī)條件，關(guān)閉試驗(yàn)室內(nèi)部強(qiáng)力抽風(fēng)機(jī)，盡量避免發(fā)動機(jī)排氣管末端出現(xiàn)負(fù)壓情況。怠速工況下，運(yùn)行15分鐘，然后靜置8小時后，觀察增壓器渦輪端是否有潤滑油滲出[7]。靜置的目的是使貯存在碗型隔熱塞中的潤滑油自然滲出到渦輪表面，方便觀察滲油量。從圖5的對比結(jié)果可知，優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的甩油槽，潤滑油泄漏量改善非常明顯。

圖5 甩油槽優(yōu)化前后實(shí)際滲漏量對比

圖6 甩油槽優(yōu)化前后實(shí)際顆粒排放對比

增壓器的密封性能對整車的排放影響較大，尤其是對顆粒的排放影響，更加明顯[8]。貯存在增壓器渦輪端的潤滑油，在發(fā)動機(jī)起動后，受到高溫排氣的加熱，逐漸至燃燒狀態(tài)，但是排氣中氧含量極低，所以潤滑油的燃燒不充分，導(dǎo)致大量顆粒物的產(chǎn)生。將優(yōu)化前后的甩油槽方案，在整車排放轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行WLTC循環(huán)排放試驗(yàn)，尤其是在循環(huán)前40s內(nèi)，甩油槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的整車顆粒排放量相比優(yōu)化前下降明顯。

4 總結(jié)與建議

借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和仿真分析工具，實(shí)現(xiàn)了用最短的時間評估不同甩油槽設(shè)計(jì)方案的密封效果，最終篩選出最優(yōu)化方案。通過臺架試驗(yàn)驗(yàn)證和整車排放驗(yàn)證，其測試結(jié)果表明優(yōu)化后甩油槽方案有效的提升了渦輪端的密封能力，顯著降低了潤滑油滲出量，確保發(fā)動機(jī)耐久性能和排放性能得到改善。