柴油機渦輪增壓器壓氣機端漏油改進

郭旺喜 丁現強

摘要：針對一款渦輪增壓器壓端漏油故障，通過試驗發現中冷器接口結構、增壓器回油管走向、空氣濾清器清潔度、增壓器怠速工況為主要影響因素。從根本上解決漏油問題，提出了增壓器軸封的改進方案，通過長期怠速漏油試驗、可視化漏油試驗、抗惡劣進氣負壓試驗驗證了改進的有效性。產品切換后，故障率大幅度下降。

Abstract： Aiming at the pressure end oil leakage fault of a turbocharger， it is found that the sealing structure of intercooler interface， the direction of turbocharger oil return pipe， the cleanliness of air filter and idle condition of turbocharger are the main influencing factors. The improvement scheme of turbocharger shaft seal is put forward to solve the problem of oil leakage fundamentally. The effectiveness of the improvement is verified by long-term idle oil leakage test， visual oil leakage test and anti bad negative pressure test. After product switching， the failure rate is greatly reduced.

關鍵詞：渦輪增壓器;漏油;壓端;改進

Key words： turbocharger;oil leakage;pressure end;improvement

0? 引言

渦輪增壓器是發動機關鍵零部件，利用發動機高溫廢氣的能量驅動渦輪帶動壓氣機為發動機氣缸提供持續高壓的新鮮空氣[1]。目前渦輪增壓器可靠性問題主要表現在部分增壓器運轉時機油泄漏，漏油位置為渦端和壓氣機端（壓端），如何降低增壓器漏油故障問題發生已成為主機廠非常關注問題之一。

本文對一款柴油機增壓器，在售后市場出現壓端漏油問題，在分析增壓器密封結構基礎上，結合故障件拆解和增壓器試驗數據，分析出整車管路密封結構、增壓器回油管走向、空氣濾清器清潔度、增壓器怠速工況為主要因素，提出了加大增壓器氣封板內腔和擋油板儲油腔的方案，通過一系列抗漏油能力，驗證了改進有效性，形成了一套增壓器漏油故障分析與改進思路。

1? 增壓器壓端漏油

1.1 故障模式

市場普遍反應增壓器壓氣機出氣口至發動機進口進氣膠管表面有油跡。通過故障件拆解發現，渦輪增壓器的壓氣機端漏油較多，比例為73%左右，壓氣機端殼體表現為內部臟污、葉輪背面臟污，檢測內部核心零件無損壞，基本可以排除增壓器零部件失效的可能，需結合車輛使用情況分析。

1.2 壓端漏油機理

渦輪增壓器壓氣機端的軸封采用密封環式密封結構，即將活塞環形開口彈性環分別安裝在渦輪端和壓氣機端密封環支撐槽內，密封環依靠其彈力漲緊在密封支撐外體上[2]。這種密封結構環數較少，且有開口，所以只有在密封環兩端流體壓力近似平衡或者相差不大時才可以達到較好的密封效果[3]。一旦這種動壓密封條件被破壞，增壓器進氣負壓增加后，葉輪背后的壓力降低，即中間殼回油腔壓力Pb>壓葉輪背面壓力Pc，機油在壓力的推動下，沿著漏油途徑，從而機油沿著密封環的徑向和軸向開口流出，整車管路密封不良的部位表現為漏油故障，如圖1所示。

2? 分析與改進

結合售后調研和故障件拆解，排除了增壓器制造因素，根據壓端漏油原理，中間殼回油腔壓力Pb>壓葉輪背面壓力Pc，需要通過試驗分析漏油原因。根據經驗分析，整車進氣管路密封不良、空氣濾清器進氣阻力大、增壓器回油管走向不良回游不暢、增壓器軸封設計等這些原因，都會造成軸封兩端壓力不平衡，導致壓端漏油。

2.1 整車進氣管密封性

售后漏油車輛，較多反映中冷器管口位置漏油。經分析發現，中冷器管口有鑄造合模線，無法與進氣膠管形成良好密封。為驗證接口的密封性，模擬整車運行狀態，將進氣膠管與中冷器用卡箍擰緊，沉入水中（水溫90℃），通入2.7bar壓縮空氣保壓3分鐘，觀察各連接位置是否漏氣。試驗顯示，中冷器管口位置大量泄漏。將中冷器管口由毛坯面改進為螺紋結構，措施上場后，故障得到改善，但未得到根本解決，需要進一步分析故障原因。

2.2 增壓器道路試驗

為進一步分析故障原因，本文模擬車輛運行狀態，進行了增壓器道路試驗。利用特制試驗用增壓器，檢測增壓器和發動機參數（空氣濾清器的進氣阻力、壓端出口壓力、增壓器葉輪轉速、機油壓力、增壓器中間殼體壓力、曲軸箱壓力、渦端進口壓力和溫度、渦端出口壓力和溫度、機油壓力、發動機轉速、發動機扭矩、中冷后進氣壓力），通過數據分析，判斷是否出現過中間殼回油腔壓力Pb>壓葉輪背面壓力Pc的工況，分析產生的可能原因。

2.2.1 空氣濾清器清潔度

調研發現空氣濾清器較臟的車輛漏油較多，空氣濾清器堵塞后，惡化漏油[4]。測試空氣濾清器的進氣負壓發現：臟的空氣濾清器進氣負壓過大，有30%的運行工況不符合要求（標準為<6.3Kpa），有些工況超過了12.5KPa;新空氣濾清器僅有4%的運行工況超過標準值。試驗證明了空氣濾清器的清潔度對增壓器漏油有一定的影響，會惡化增壓器的密封性。空氣濾清器清潔度主要受用戶的自覺性影響，無法根本控制。

2.2.2 增壓器回油管走向

理論上，增壓器中間殼回油壓力應等同于曲軸箱壓力，即兩者差值為0。若大于0，說明增壓器回油管回油不暢通，增大了壓端中間殼體腔體壓力，會惡化軸封密封性。試驗數據顯示增壓器中間殼回油壓力始終大于曲軸箱壓力，經分析為回油管回油不暢（直徑細和彎折度大）造成該問題。針對該問題，優化增壓器回油管內徑和走向，利用應用軟件AVL FIRE模擬，邊界條件（同一流量和壓差）：流量，390kg/h，溫度為120℃;壓力差值為10mbar，改進后回油管，回油阻力從12.06pa降至6.94pa，回油順暢性提高了大約40%。

2.2.3 怠速工況分析

試驗結果顯示，發動機怠速工況（550rpm），中間殼回油腔壓力Pb>壓葉輪背面壓力Pc，漏油風險較大，如圖2紅色區域所示。由于怠速工況，進氣壓力低，壓端背壓低，軸封不容易形成密封。大量的試驗數據顯示，怠速密封性的好壞直接決定了增壓器漏油性能的好壞[5]。

根據軸封密封原理：一是創造有利的壓力平衡條件，使壓氣機葉輪背面壓力始終高于軸承體內油腔壓力;二是氣腔與油腔嚴密分開，減少飛濺到密封環附近的機油量，增壓器中間殼體的機油快速回至油底殼，形成改進方案。

方案1：由單道密封環改進為雙密封環，增強軸封密封概率;方案2：加大氣封板內腔和擋油板儲油腔，提高密封結構儲油能力，確保油落順暢，及時返回中間殼，降低中間殼體回油腔壓力。通過可視化漏油試驗、長期怠速試驗、抗惡劣進氣負壓試驗，增大進氣負壓，對比兩種方案的抗漏油能力：

①可視化漏油試驗：定性評價就是確定漏油還是不漏油，普遍采用可視化的方法。本文利用透明可視化的增壓器試驗臺，對比抗進氣負壓能力。怠速工況，逐漸增加進氣負壓，每個轉速和壓差下重復多次，實時觀測不同轉速和壓差下的漏油情況。試驗結果：方案2在怠速工況的抗負壓能力大幅提高，從原結構的-10mbar提升至-25mbar。

②長期怠速試驗：在同一臺發動機上，對2種軸封的增壓器進行怠速試驗，每隔4小時觀測有無漏油現象發生，直至漏油發生。試驗結果：在怠速條件下，方案2在發動機怠速40小時內未發生漏油現象，明顯優于方案1。

③抗惡劣進氣負壓試驗：模擬空氣濾清器臟的工況，逐漸增加進氣負壓，怠速穩定運行20分鐘，檢查渦輪背面和渦殼出口是否漏油，考核增壓器抗漏油能力。試驗結果：方案2進氣負壓達到11Kpa未發現漏油，方案1進氣負壓8.5Kpa出現了漏油，明顯優于方案1。

通過以上試驗結果，方案2-加大氣封板內腔和擋油板儲油腔密封性優越，作為增壓器壓端軸封改進的最終方案。中冷器、增壓器回油管走向和壓端軸封的改進措施上場后，售后故障率降低了60%，優于同行業產品。

3? 結束語

①降低渦輪增壓器壓端漏油故障，一是創造有利的壓力平衡條件，使壓氣機葉輪背面壓力始終高于軸承體內油腔壓力;二是氣腔與油腔嚴密分開，減少飛濺到密封環附近的機油量，中間殼體的機油快速回至油底殼。

②整車進氣管結構密封性、空氣濾清器清潔度、增壓器回油管走向和增壓器自身結構是影響增壓器漏油的主要因素。低速怠速工況為增壓器壓端漏油高風險工況，從根本上解決漏油問題，需要優化軸封結構設計，提升軸封的密封能力。

參考文獻：

[1]朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器[M].北京：機械工業出版社，1992：1-2.

[2]李建新.車用渦輪增壓器的軸密封與軸承[J].車用發動機，1999（6）18-22.

[3]魏名山，馬朝臣，黃若.車用渦輪增壓器密封結構的檢測[J].車用發動機，2004（4）：50-51.

[4]李春成.柴油車廢氣渦輪增壓器的常見故障及檢測[J].汽車實用技術，2004：44-46.

[5]周虹偉.渦輪增壓器主要部件結構特性及改進研究[J].中國鐵道科學，2004（2）：72-76.