發動機廢氣渦輪增壓器的原理、結構與維護

李明誠

作者信息：上海市浦東新區東昌新村21 號303 室，200120

農業機械上的大功率發動機已廣泛采用渦輪增壓發動機，其關鍵部件是廢氣渦輪增壓器。

廢氣渦輪增壓器是利用廢氣的動力推動渦輪高速旋轉，通過壓氣機把空氣壓進氣缸，形成高于大氣壓的壓力，以提高充氣效率，增加發動機的功率輸出。

發動機的輸出功率主要由單位時間內燃燒的混合氣來決定。為了增加發動機的輸出功率，通常是增加發動機的排量， 或者提高發動機的轉速。 但問題是，如果增加發動機的排量，整機的重量也會增加。此外，零件的摩擦損失、震動和噪音等因素也限制了發動機轉速的提高。 增壓器可以在不增加發動機排量的情況下，通過增加進氣壓力，解決提高輸出功率與發動機輕量化之間的矛盾。

1 渦輪增壓器的工作原理

眾所周知， 傳統發動機利用活塞下行時產生的真空把空氣吸入氣缸，但是這種“自然吸氣”方式無法滿足現代發動機對強大功率輸出的要求。

渦輪增壓器利用廢氣流的動能推動渦輪高速旋轉，與渦輪同軸安裝著泵輪，泵輪旋轉時把空氣壓進氣缸（見圖1）。 由于增壓器的作用，進氣管內形成比大氣壓更高的壓力（增壓壓力），使空氣在加壓的狀態下進入氣缸，因而充入氣缸的空氣質量明顯增加。

廢氣渦輪增壓器設置了排氣旁通閥和執行器，用來防止增壓壓力升得過高。 某些型號的渦輪增壓器還裝備了中間冷卻器，用于降低進氣的溫度，提高進氣效率。

圖1 廢氣渦輪增壓器在發動機上的布置

2 渦輪增壓器的主要結構

廢氣渦輪增壓器包括渦輪殼體、壓氣機殼體、中間殼體、渦輪、泵輪、全浮式軸承、排氣旁通閥和執行器等部件（見圖2）。

圖2 廢氣渦輪增壓器的主要結構

2.1 渦輪和泵輪

渦輪和泵輪（見圖3）安裝在同一根軸上。 來自排氣歧管的廢氣壓力推動渦輪高速旋轉， 帶動同軸上的泵輪跟著旋轉，把空氣壓入進氣歧管和氣缸。

由于渦輪直接受廢氣流的沖擊，溫度特別高，要求它必須耐高溫和耐磨損；因此，渦輪采用超耐熱的合金或陶瓷材料制成。

圖3 渦輪與泵輪示意圖

2.2 中間殼體

渦輪和泵輪通過軸和軸承支承在中間殼體 （見圖4）內。 中間殼體內有一個潤滑油道，用于輸送潤滑油，對軸和軸承起潤滑和冷卻作用。 另外，發動機的冷卻液流過中間殼體內的冷卻液通道， 防止機油溫度過分升高及過早變質。

圖4 中間殼體剖視圖

2.3 全浮式軸承

由于渦輪和泵輪的轉速在10 萬r/min 左右，所以采用了全浮式軸承（見圖5），以吸收軸的震動，同時有利于軸和軸承的潤滑。 全浮式軸承由機油冷卻， 在軸和殼體之間自由旋轉， 減少了摩擦阻力， 保證軸可以高速旋轉。

2.4 排氣旁通閥和執行器

當增壓壓力超過標準值（大約70 kPa）時，發動機可能產生嚴重的爆震，此時排氣旁通閥（見圖6）開放，通過旁通通道將廢氣導入排氣管，從而達到調節增壓壓力的目的。

排氣旁通閥安裝在渦輪殼體內。 排氣旁通閥的開啟和關閉受控于執行器（見圖6）。

圖6 旁通閥及執行器

3 渦輪增壓器的維護事項

3.1 使用注意事項

（1） 渦輪增壓型發動機中的機油不僅用來潤滑發動機，而且用來潤滑和冷卻渦輪增壓器，機油溫度很容易升高；因此，必須使用廠家推薦的機油，定期更換機油和機油濾清器，否則會加速渦輪增壓器損壞。

（2）在冷機啟動時，由于軸承得不到充分潤滑，所以禁止“轟油門”。隨意高速空轉或突然加速，會導致全浮式軸承損壞。

（3） 高速運轉的發動機停機前需怠速運轉一段時間，用來緩慢冷卻渦輪增壓器。若高速運轉的發動機立即停止運轉，機油和冷卻液停止循環，渦輪增壓器得不到冷卻，將導致卡死等故障。

（4）由于有廢氣流通，所以增壓器非常燙，不要用手觸摸渦輪增壓器。

3.2 維護注意事項

（1）在空氣濾清器已經拆開的情況下，不要啟動發動機。否則，外部異物可能進入而導致渦輪和泵輪損壞。 拆卸渦輪增壓器時，要堵住進氣口、排氣口和機油進口，防止外部異物進入增壓器內。

（2）在拆卸和安裝渦輪增壓器時，不要跌落或者碰撞，不要抓住容易變形的零件（例如執行器的連接桿件，見圖7）。

（3） 維修時， 應當檢查油管中是否有油泥或積炭，必要時清洗，或者更換零件。

（4）更換渦輪增壓器時，應從進油口向內加入機油，同時用手轉動泵輪，以便潤滑軸承（見圖8）。

（5）發動機解體并重裝后，應當在停止燃油噴射的情況下，轉動發動機30 s，以便潤滑發動機的相關部位，然后怠速運轉發動機60 s。

圖7 不要提拉容易變形的部件

圖8 從進油口向內注入機油