汽油發動機渦輪增壓器漏油失效的研究

王 博 鄭喜旺 黃圣錦 陳明光 劉 凱 郭宇輝 馮永超

（1-寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動力總成有限公司）

引言

隨著汽車工業的飛速發展，渦輪增壓發動機逐漸成為主流。渦輪增壓器的廣泛應用，在降低發動機排量的同時提升了功率和轉矩，同時也降低了排放。在排量相同的情況下渦輪增壓機型功率較自然吸氣機型提升至少30%，碳排放減少10%～20%[1]。

由于渦輪增壓器是利用發動機排出的廢氣驅動渦輪運轉，所以整個系統需要承受較高的熱負荷，同時增壓器的工作轉速最高可達到20×104rpm 以上，這也對冷卻、潤滑提出了較高的要求。在如此嚴苛的工作環境下，增壓器經常會出現諸如異響、漏油、超增壓或增壓壓力不足等失效模式。本文針對某型汽油發動機，重點研究增壓器滲漏機油失效原因、機理及試驗驗證、設計優化等。

1 增壓器結構及密封原理

1.1 增壓器工作原理

發動機燃燒排出的廢氣驅動渦輪高速旋轉，渦輪帶動同軸的壓輪高速旋轉，壓氣機工作增加氣體的壓力和密度，在同樣的發動機容積下，可以允許更多的氣體進入到發動機內參與燃燒，進而提高發動機功率。同時由于燃燒更加充分，也可以進一步降低發動機油耗，增壓原理見圖1。

圖1 增壓器工作原理圖

1.2 增壓器內部結構

增壓器內部核心零部件有渦輪、葉輪、浮動軸承密封環等，如圖2 所示。

1）渦輪、葉輪：動力源、壓氣

2）浮動軸承：承載軸向和徑向載荷，支撐渦輪軸整個轉子系統

3）中間體：連接壓氣機和渦輪機，包括軸承、油路系統和冷卻系統（汽油機）

4）密封環：密封油路

5）止推軸承：防止轉子軸軸向竄動

6）旁通閥執行機構：增壓器泄壓避免壓力超高

圖2 增壓器內部結構

1.3 增壓器密封原理

增壓器在結構上是不完全密封的。如圖3a 所示有沿密封環開口和周向兩個泄漏通道，所以密封的關鍵是圖3b 中P1、P2 的壓力平衡。如果P2 ＞P1，那么中間體內的機油就有可能通過泄漏通道流出，造成漏油。渦輪端的密封原理也是一樣的。

圖3 增壓器的密封

1.4 機油泄露危害

渦輪增壓器的渦輪端和壓氣機端均有密封裝置，具有封氣和封油雙重作用。泄漏不僅使機油消耗量增加，還會使增壓器和發動機性能下降，發動機排放惡化，嚴重時可導致增壓器不能正常工作或損壞。漏油引發的增壓器故障占較高的比例。統計表明，VTC254-13 增壓器漏油故障率為14.6%[1]。更有數據表明漏油故障達60%以上[2]。因此增壓器的漏油問題是增壓器研究的熱點之一。

2 漏油原因分析

2.1 進氣負壓過大

從市場反饋情況來看，造成壓氣機漏油失效，較多的原因是由于用戶更換空濾不及時造成進氣負壓增加，P1 下降，影響了壓力的平衡。

2.2 回油不暢

除了壓力平衡外，密封環周圍是否有潤滑油堆積也是很關鍵的。因為即使壓力不平衡，密封環周圍沒有機油堆積也不會造成漏油，所以，回油一定要通暢，常見回油不暢原因有回油管彎曲、機油加注過量、發動機躥氣量大導致曲軸箱壓力過大，如圖4 所示。

圖4 常見回油不暢

2.3 問題解決

解決密封問題的關鍵是增壓器內部壓力平衡，要解決密封問題有以下2 個難點：

1）增壓壓力和渦前壓力最高值都會變大，這對壓力的平衡都是不利的；

2）密封環周圍的壓力存在差異：由于渦殼和壓氣機殼不是360 度對稱，所以流道內的壓力存在一定的差異，這就導致了葉輪背面和密封環周圍的壓力存在差異。

3 密封試驗驗證

為了避免市場上出現增壓器漏油問題，在發動機臺架和整車上進行增壓器機油密封試驗是直接和必須的。

3.1 試驗設備

試驗設備如圖5 所示。

圖5 試驗設備

3.2 樣件制作方法

按照圖6 所示分別在增壓器活塞環內/外側打孔并布置壓力傳感器，壓端、渦端各2 個（225/226 與211/210），渦輪前/后各1 個（P3/P4），必要時根據實際需求需采集增壓器轉速、曲軸箱壓力。

圖6 工裝壓力分布點

3.3 設備、工裝連接

將225/226/211/210/P3/P4 6 個傳感器通過氣管連接至壓力盒子上對應接口處并進行記錄。

3.4 數據采集

設備連接完畢后，打開INCA 軟件并設定標定名稱后開始進行數據采集，主要包含以下測試工況、路況。

常用工況：冷啟動、暖機工況、熱機怠速、急加速/急減速；

常用路況：城市、高速、山路、國道。

3.5 數據分析

1）通過INCA 采集壓力數據，過程記錄并對比各壓力值變化，確認是否有壓差失衡異常點。

2）保存采集數據，使用MDA 軟件打開保存數據，如圖7 所示，詳細分析增壓器活塞環內外壓差是否滿足要求、曲軸箱壓力、渦輪前/后壓力值是否有問題。

圖7 數據分析

4 常見密封問題及解決方法

目前市場上常見的增壓器漏油主要包含壓氣機端漏油和渦輪端漏油2 種。其中壓氣機端漏油是常見的情況，造成漏油的可能原因主要有如下幾種。

1）空濾臟，進氣負壓大導致225 壓力急劇下降從而不滿足壓差要求，出現壓氣機端漏油問題。

解決方法：定期更換、清洗空濾濾芯。

2）壓氣機殼出氣口到發動機進氣管之間的連接管路漏氣導致225 壓力降低，不滿足壓差或渦殼進氣口與排氣管出氣口的連接處漏氣背壓低導致210降低，不滿足壓差。

解決方法：查找漏氣點，緊固處理。

3）長時間下坡倒拖工況，內外壓差不滿足或出現負值。

解決方法：盡量避免長時間下坡路況。

4）長時間低怠速運行，內外壓差長時間處于臨界點。

解決方法：盡量避免長時間怠速工況。

5）增壓器回油不暢密封圈大量機油堆積，機油被迫從密封環泄漏擠壓出去。

解決方法：確認機油量是否過多，查找回油管是否堵塞，修復處理。

6）曲軸箱內油壓或油位過高，曲軸箱通風管堵塞—回油不通暢，密封圈大量機油堆積。

解決方法：確認曲軸箱管路是否堵塞，PCV 閥是否故障，修復處理。

7）發動機竄氣量過大，曲軸箱壓力高—回油不通暢，密封圈大量機油堆積渦輪端漏油。

解決方法：檢查缸筒是否拉缸、活塞環是否磨損斷裂、氣門油封是否老化，修復處理。

渦輪端漏油不多見。導致渦輪端漏油的最主要原因是回油不通暢，主要跟回油管的布置和曲軸箱壓力高有關[3]。

5 增壓器設計優化方案

為規避出現密封失效導致的漏油問題，特別是壓氣機端漏油問題，通常在以下幾個方面進行考慮[4]。

5.1 增壓器匹配

根據壓力封油的原理，我們將P1 和P2 相同的點在壓氣機map 上可以劃出一條曲線，稱為漏油臨界曲線，見圖8。在增壓器匹配時，如果各工況的運行點在map 上都高于漏油臨界曲線，那么漏油的風險就會較小；反之漏油的風險較高，會造成大量的漏油。

5.2 增壓器密封結構優化

5.2.1 多密封環設計

多密封環設計能夠提高增壓器的密封能力，以下是幾種常見的方案，見圖9。多密封環設計就是增加一道或多道密封環，來延緩或降低氣路和油路的流通。在降低竄氣量上效果明顯，通常2 道密封環的結構比一道環能降低竄氣量30%。

圖8 漏油臨界曲線

圖9 壓氣機端多密封環結構示意圖

5.2.2 擋油環

擋油環能幫助阻擋機油進入密封環區域，從而提高密封能力，見圖10、11。

圖10 擋油環結構示意圖

圖11 擋油環對比試驗效果

5.2.3 動態密封

另一種改善密封的結構是動態密封。如圖12 所示，在推力軸承套沿軸向鉆一些孔，利用離心力的作用，可以將進入背板和推力軸承套之間的機油甩出，使機油不易進入密封環區域。動態密封結構有效可靠，成本增加小。

圖12 動態密封圖

5.2.4 背板下沉設計

根據壓力密封的原理，增加葉輪背面的壓力能有效提高漏油密封能力。如圖13 所示。通過在背板上增加倒角使增壓后的氣體更容易進入葉輪背面，這種方法簡單有效，且不增加成本。不利的地方是可能會犧牲壓氣機效率，對發動機的動力性和油耗帶來影響。

圖13 背板下沉結構示意圖

從圖14 的試驗對比結果來看，背板下沉結構能明顯提高輪背的壓力，特別是在發動機低速時。

5.2.5 渦輪端密封設計

因使用工況原因，完全的密封無法實現，渦輪端會存在輕微滲漏的情況，在機油流出渦殼及中間殼體配合部位設計時應考慮二者的密封結構，避免出現空腔結構導致機油堆積從而漏出。目前該配合部位的主流設計有3 種，如圖15 所示。

1）圓弧面密封結構；

2）平面密封結構；

3）斜面密封結構。

圖14 背板下沉試驗對比，上圖為背板下沉

圖15 增壓器渦輪機密封結構

6 結論

增壓器漏油不只是單體零部件問題，涉及到進氣系統、排氣系統、曲軸箱通風系統等系統性問題，對于出現的增壓器漏油問題，如果沒有找到根本原因并解決，盲目更換增壓器后仍然會漏油。因此在遇到該類問題時須系統性進行問題排查，對于設計失誤產生漏油問題可以從增壓器密封結構優化方面加以解決。