對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓裝置的思考

周華衛(wèi)

（海警第六支隊(duì)，山東 煙臺(tái)264119）

多年來(lái)，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)性能，業(yè)界在各方面不斷創(chuàng)新，取得了重大技術(shù)突破。在眾多的技術(shù)應(yīng)用當(dāng)中，增壓技術(shù)的推廣和應(yīng)用無(wú)疑是發(fā)動(dòng)機(jī)甚至是內(nèi)燃機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)飛躍。然而，增壓裝置在發(fā)動(dòng)機(jī)的日常應(yīng)用當(dāng)中故障率較高，需要注意觀察溫度、壓力等數(shù)據(jù)變化，精心維護(hù)保養(yǎng)。筆者結(jié)合多年實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，闡述心得，供大家參考。

1 增壓裝置的基本原理和分類(lèi)

眾所周知，發(fā)動(dòng)機(jī)是靠燃油在氣缸內(nèi)燃燒，產(chǎn)生熱能推動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)連桿帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生功率的。燃油在氣缸中燃燒需要空氣，吸入氣缸的空氣量就直接限制了燃油的燃燒率，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率。因此，想方設(shè)法增加燃燒室的進(jìn)氣量，使更多的燃油能在燃燒室內(nèi)燃燒，就成為增加發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的一項(xiàng)重要措施。在此理論基礎(chǔ)上，增壓裝置就應(yīng)運(yùn)而生。從目前的技術(shù)條件來(lái)看，增壓裝置是發(fā)動(dòng)機(jī)在盡可能少增加質(zhì)量的情況下增加輸出功率最有效的機(jī)械裝置。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)增壓裝置的概念

發(fā)動(dòng)機(jī)增壓裝置簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)其實(shí)就是一種附屬在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上的空氣壓縮機(jī)，將壓縮空氣輸送到燃燒室內(nèi)，來(lái)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，從而增加發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。與此同時(shí)，由于燃油的燃燒效率得到了提高，發(fā)動(dòng)機(jī)更加省油，廢氣排放量進(jìn)一步降低。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)增壓裝置的種類(lèi)

機(jī)械增壓：機(jī)械增壓裝置的動(dòng)力來(lái)源是發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。通過(guò)傳動(dòng)齒輪使發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸帶動(dòng)增壓器的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而將空氣壓縮，使其進(jìn)入氣道。其優(yōu)點(diǎn)是，因增壓器的渦輪轉(zhuǎn)子與發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸相連，所以它們的轉(zhuǎn)速一致或者成比例關(guān)系，因此不會(huì)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配非常流暢，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠。缺點(diǎn)是由于需要發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸帶動(dòng)增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)，因此需要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的部分功率。另外，隨著壓縮空氣壓力的提高，對(duì)柴油機(jī)功率的消耗量也隨之提高，增壓效果并不明顯。因此只有對(duì)壓縮空氣壓力要求不高的發(fā)動(dòng)機(jī)才會(huì)選擇機(jī)械增壓方式。

廢氣渦輪增壓：目前市面上的發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用廢氣渦輪增壓方式。廢氣渦輪增壓器不與發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出端相關(guān)聯(lián)，因此不會(huì)消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。它的原理是，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣具有相當(dāng)大的推力，充分利用這部分推力來(lái)推動(dòng)增壓器渦輪室內(nèi)的渦輪，與渦輪同軸的葉輪將由空氣濾清器管道送來(lái)的新鮮空氣壓縮送入氣缸。由于廢氣排出速度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系，渦輪和同軸的葉輪也就與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速上升，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大，燃油的燃燒率也就隨之增大，也就能充分燃燒更多的燃料，提供更大的功率。廢氣渦輪增壓器主要由兩個(gè)主要部分組成：一個(gè)是渦輪機(jī)，另一個(gè)是壓氣機(jī)。廢氣通過(guò)渦輪機(jī)的噴嘴環(huán)吹向渦輪，推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)同軸的壓氣機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)增壓。廢氣渦輪增壓技術(shù)需要注意的問(wèn)題是增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管相連，由于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度較高，所以壓縮空氣和增壓器的工作溫度都很高。一般都會(huì)設(shè)置冷卻裝置來(lái)降低增壓空氣溫度。降低增壓空氣溫度可達(dá)到以下兩個(gè)目的：①提高進(jìn)入氣缸的空氣量。原因是根據(jù)空氣的特性，溫度較低時(shí)，空氣密度較大。②降低整個(gè)機(jī)體的溫度。

氣波增壓：氣波增壓器主要是由燃?xì)舛ㄗ?、空氣定子和特殊機(jī)構(gòu)形狀的轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子通過(guò)皮帶與柴油機(jī)曲軸相連，需要消耗部分發(fā)動(dòng)機(jī)功率，并且受到安裝位置的限制。氣波增壓氣主要是利用發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獾哪芰吭谵D(zhuǎn)子形成的狹長(zhǎng)氣道內(nèi)將空氣壓縮，完成增壓。這種系統(tǒng)增壓性能好、加速性好但是整個(gè)裝置比較笨重，發(fā)出的噪聲比較大，因此實(shí)際采用的比較少。

復(fù)合增壓：將廢氣渦輪增壓和機(jī)械增壓兩種技術(shù)組合使用的增壓裝置。大功率發(fā)動(dòng)機(jī)上多采用這種增壓裝置。由于復(fù)合增壓裝置的結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，維修保養(yǎng)的費(fèi)用較大，目前采用這種增壓方式還沒(méi)有得到廣泛使用。

2 廢氣渦輪增壓器常見(jiàn)故障及其原因

由于廢氣渦輪增壓器使用的較為普遍，所以著重介紹這種增壓器的常見(jiàn)故障及處理方法。

2.1 喘振

增壓器工作時(shí)，當(dāng)空氣流量由于各種原因減小到一定程度，在壓氣機(jī)葉片通道和擴(kuò)壓氣葉片通道中，氣流都可能會(huì)產(chǎn)生附面層分離，從而出現(xiàn)氣流壓力不穩(wěn)定的現(xiàn)象，使增壓器發(fā)出嘶鳴聲和劇烈震動(dòng)。此現(xiàn)象稱(chēng)為增壓器喘振，這種現(xiàn)象對(duì)增壓器損傷很大。

引起喘振的主要原因如下：①空氣通道臟堵。包括壓氣機(jī)葉輪和擴(kuò)壓器葉片，噴嘴環(huán)和渦輪葉輪等在內(nèi)的任何一個(gè)地方出現(xiàn)臟堵，都會(huì)使空氣流量減少，引起增壓器喘振。處理措施是經(jīng)常檢查清洗關(guān)鍵部位。②發(fā)動(dòng)機(jī)急加速急減速。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速急劇變化時(shí)，由于增壓器的渦輪是由廢氣提供動(dòng)力，所以轉(zhuǎn)速變化會(huì)相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)滯后，從而引起增壓器喘振的發(fā)生。應(yīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程中盡量避免急加速急減速的操作。③各缸負(fù)荷不均。個(gè)別氣缸發(fā)生故障或者調(diào)整不當(dāng)，會(huì)使各個(gè)氣缸的排出廢氣量不均衡，造成廢氣渦輪所得排氣能量不均，使增壓器內(nèi)氣流波動(dòng)產(chǎn)生喘振。

2.2 壓力下降

引起壓力下降的原因有：①空氣濾清器濾芯粘滿塵土而阻塞，進(jìn)氣不暢，導(dǎo)致壓力下降，此時(shí)應(yīng)清潔或更換空氣濾芯。②空氣通道臟污。油污灰塵粘附在增壓器的葉輪和擴(kuò)壓器的通道上，就會(huì)氣流不暢，造成增壓器壓力下降。為避免這種現(xiàn)象，就要定期拆洗增壓器。③渦輪積碳。燃油燃燒不充分、渦輪軸漏油等原因會(huì)造成渦輪積碳，運(yùn)轉(zhuǎn)不良。排除方法是防止燒機(jī)油，定期拆洗渦輪機(jī)。④增壓器密封不好。廢氣或者空氣泄漏，都會(huì)導(dǎo)致增壓壓力的降低。排除方法是更換密封件。⑤調(diào)節(jié)閥失靈。壓力調(diào)節(jié)閥故障會(huì)使增壓壓力值較低時(shí)就放掉了較多的廢氣，致使增壓壓力降低。此時(shí)應(yīng)檢修調(diào)節(jié)閥。

2.3 壓力上升

引起壓力上升的原因有：①排氣溫度過(guò)高。如果噴油系統(tǒng)故障發(fā)生噴油滯后、著火滯后期過(guò)長(zhǎng)等現(xiàn)象，會(huì)使排氣溫度過(guò)高，造成渦輪轉(zhuǎn)子超速，增壓器壓力過(guò)高。應(yīng)及時(shí)對(duì)噴油系統(tǒng)予以檢修。②氣門(mén)漏氣或者配氣機(jī)構(gòu)故障，也會(huì)使排氣溫度過(guò)高，造成增壓壓力上升。此時(shí)應(yīng)檢修氣門(mén)和配氣機(jī)構(gòu)。③增壓壓力調(diào)節(jié)閥故障，無(wú)法使多余的廢氣旁通，造成增壓壓力上升，此時(shí)應(yīng)檢修或更換壓力調(diào)節(jié)閥。④?chē)娮飙h(huán)故障、變形或者積碳臟堵，使增壓壓力上升。此時(shí)應(yīng)檢修或更換噴嘴環(huán)。

2.4 異響

增壓器在工作過(guò)程中聲音不正常，除了喘振，可能還由不正常的摩擦所致。基本上是葉輪與殼體、軸承與止推片、軸承與密封環(huán)等之間的摩擦。原因可能是葉片變形、有異物進(jìn)入、轉(zhuǎn)子平衡被破壞等。平時(shí)在使用過(guò)程中應(yīng)多注意聽(tīng)增壓器的工作聲音，一旦感覺(jué)不正常，應(yīng)及時(shí)檢修，防止出現(xiàn)更大的故障。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

增壓器現(xiàn)在已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要部件，從當(dāng)前國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)看，節(jié)能減排、高壓縮比、新型材料、可靠性好已經(jīng)成為成為增壓器在今后的發(fā)展方向。

混流渦輪是提高增壓器效率的一個(gè)重大技術(shù)突破，因?yàn)榛炝鳒u輪能在相同輪徑的情況下，比徑流渦輪流通能力大大提升?，F(xiàn)在已經(jīng)有多家增壓器公司已經(jīng)采用了混流渦輪來(lái)提高增壓器性能。

可變噴嘴截面增壓器也是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)?？勺儑娮旖孛嬖鰤浩髋c電控技術(shù)結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓器在各種工況下的最佳匹配。

對(duì)增壓器軸承的研究將是未來(lái)的一大課題。從統(tǒng)計(jì)來(lái)看，渦輪增壓器軸承發(fā)生故障的概率極大，提高軸承的使用壽命，主要從軸承的材料和冷卻方式入手。

陶瓷渦輪增壓器在今后將得到廣泛應(yīng)用。因陶瓷材料耐熱性能好、質(zhì)量輕，所以非常適合運(yùn)用在小型渦輪增壓器上，特別是汽油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上。但是陶瓷也存在著耐沖擊性差、加工困難等缺點(diǎn)，從這方面來(lái)看，氮化硅陶瓷材料性能最好。