发动机涡轮增压器的 工作原理、故障诊断和使用注意事项

作者:黄周武 汕头招商局港口集团有限公司

发动机是靠燃料在气缸内燃烧来产生功率的,输入的燃料量受到吸入气缸内空气量的限制,所产生的功率也会受到限制,如果发动机的运行性能已处于最佳状态,再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入气缸来增加燃料量,提高燃烧做功能力。在目前的技术条件下,涡轮增压器是唯一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置。

一、涡轮增压器的结构和工作原理

废气涡轮增压器主要由泵轮和涡轮组成,当然还有其他一些控制元件。涡轮增压器实际上是一种空气压缩机,通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮,涡轮又带动同轴的泵轮,泵轮压送由空气滤清器管道送来的空气,使之增压进入气缸。当发动机转速增快,废气排出速度与涡轮转速也同步增快,泵轮就压缩更多的空气进入气缸,空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料,相应增加燃料量和调整发动机的转速,就可以增加发动机的输出功率了。

 

增压器安装在发动机的排气一侧,所以增压器的工作温度很高,造成进气管的空气温度很高,空气的密度低,这不仅影响进气量和发动机功率,还容易产生爆燃。因此要装置降低进气温度的设备,这就是中间冷却器。它安装在涡轮增压器出口与进气管之间,对进入气缸的空气进行冷却。中间冷却器就象散热器,用风冷却或者水冷却,空气的热量通过冷却而逸散到大气中去。据测试,性能良好的中间冷却器不但可以使发动机压缩比能保持一定值而不会产生爆燃,同时降低温度也可提高进气压力,进一步提高发动机的有效功率。

涡轮增压器的最大优点是能在不加大发动机排量就能较大幅度地提高发动机的功率及扭力,一般而言,加装增压器和中冷器后的发动机的功率及扭矩可增大20%~30%。

涡轮增压器的缺点是滞后,即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓,使发动机延迟增加或减少输出功率,这对于要突然加速或超车的汽车而言,瞬间会有点提不上劲的感觉。

由于汽油发动机转速范围宽,空气流量变化大,因此涡轮增压器的压缩叶轮外形是复杂的三元曲面超薄壁叶轮片,一般有12~30片叶,呈放射线状曲线排列,叶片厚度在0.5毫米以下,采用铝材用特殊铸造法制作。叶片形状的优劣直接影响到涡轮增压发动机的性能。叶轮形状角度越合理,质量越轻,叶轮的启动就越灵敏,涡轮增压器的天生缺陷“反应滞后”也就越小。

除了降低温度来减少爆燃的可能外,还要采用爆燃传感器,它的作用就是在产生爆燃之时,传感器感到不正常的振动会立即将信息反馈至发动机ECU(电子控制单元)控制系统,将点火定时稍推迟一点,不产生爆燃的时候再恢复正常点火定时。

增压器在工作时转子的转速非常高,可达到每分钟十几万转,如此高的转速和温度使得常见的机械滚针或滚珠轴承无法为转子工作,因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承,由机油来进行润滑。涡轮增压器的关键零件是轴承。这种根据润滑形式命名的轴承被称为“全浮式轴承”,工作转速极高,工作环境恶劣。因此,保证润滑是非常重要的事情。如果因油压低导致机油供给缓慢,就会损坏轴承从而导致涡轮增压器失效。在正常的发动机启动是不会发生此类故障的,但如果发动机长时间停机后或更换机油和机油过滤器后第一次启动,就会产生机油供给缓慢现象,使轴承缺乏机油润滑。在这种情况下,启动后要怠速运转3分钟左右,不可直接将转速提升到涡轮增压器启动转速。同样,在发动机高速运转时不要使发动机立即停止,要使发动机继续怠速运行1分钟左右,使仍继续空转的涡轮增压器轴承不会缺油。

二、涡轮增压器故障诊断

涡轮增压器是用来提高发动机功率和减少废气排放的重要机件。由于使用、维护和保养不当,易发生故障,导致发动机不能正常工作。涡轮增压器常见的一些故障及处理方法介绍如下:

1、涡轮增压器三大主要故障之一:机油消耗大(包括漏油),

漏油的现象:

1)三大壳体外表面有大量油迹;

2)压壳、涡轮壳进出口有大量油迹;

3)尾气冒蓝烟;

4)机油消耗急剧增加。

涡轮增压器并不是100%密封的,油路和气路并不完全隔离,而是靠各方压力的动态平衡来保证涡轮增压器的正常运转。

    漏油的主要原因:

1)空滤脏或者进气管路堵塞,进气负压过大;

2)中冷器脏或堵塞;

3)增压器回油管撞弯导致回油节流或堵塞;

4)中间壳有淤积或积碳;

5)发动机窜气量过大,曲轴箱内压力过大,或曲轴箱通风系统堵塞;

6)机油液位过高;

7)发动机怠速时间过长;

8)涡轮压叶轮损坏。

2、增压器三大主要故障之二:发动机动力不足经常伴有冒黑烟

    动力不足的原因:

1)空滤器脏或压壳前进气管路阻塞,导致进气负压过大 中冷器脏、堵塞,或压壳后管路泄露;

2)消声器(后处理器)或排气管路堵塞,导致排气背压过大;

3)压叶轮或涡轮损坏;

4)放气阀磨损导致设置压力变低;

5)机油供应不足或增压器轴承系统损坏;

6)发动机活塞环、气门导管、气门座处漏气、窜气。

3、增压器三大主要故障之三:异响

增压器出现异响的三种可能来源:

1)漏气噪声

  • 压壳至发动机进气歧管前管路断开或者卡箍等松动;
  • 涡轮壳进口、出口的管路松动、断开或者密封垫片密封不灵。

2)喘振

★急加速导致进气量不足;

★增压器匹配时没有足够的喘振余量。

3)机械摩擦

★急加速导致供油不足时浮动轴承和涡轮轴干摩擦;

★动平衡失效后叶轮刮擦壳体;

★增压器自身动平衡量大。

  • 使用涡轮增压器注意事项。

由于涡轮增压器经常处于高速、高温下工作,增压器废气涡轮端的温度在600℃左右,增压器转子以8000-11000r/min 的高速旋转,因此为了保证增压器的正常工作,使用中应注意以下几点:

1、发动机启动后应怠速运转一会儿,使润滑油达到一定的工作温度和压力,以免突然增加负荷时因轴承无油而加速磨损,甚至卡死,因此,启动就走

    2、车辆停车时由于增压器转子转动具有一定惯性,所以发动机不要立即熄火,应怠速运转一段时间,以使增压器转子的温度和转速逐渐下降。立即熄火会使机油丧失压力,转子靠惯性转动时得不到润滑而损坏。因此,停机立即熄火

    3、经常检查机油油量,避免因缺少机油而导致轴承失效及转动件卡死。

4、定期更换机油及机滤,因全浮动轴承对润滑油的要求很高,应使用厂家规定牌号机油。

5、定期清洗更换空气滤芯,空滤过脏会造成进气阻力增加,使发动机功率下降。

6、经常检查进气系统的密闭性,漏气会使灰尘吸入增压器及发动机,损坏增压器和发动机。

四、更换安装新增压器的重要提醒

1、仔细检查所有通向增压器的管道是否畅通;

2、更换机油和机油滤芯;

3、对中间体用清洁机油进行预润滑增压器安装在发动机上暂不接入油管先从增压器进油口向增压器内加入干净的机油并用手转动转子使增压器轴承充满润滑油后再连接进油管

4、使用新的垫片切勿使用液态密封剂!它会堵塞中间壳的油路;           5、初次启动发动机,在加大负荷前先让发动机空转30秒;

6、然后关闭发动机在此检查油位。

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