某輕型柴油機(jī)渦輪增壓器斷軸失效分析及對(duì)策

摘" "要：本文列舉某輕型柴油機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的渦輪增壓器斷軸失效案例，闡述了渦輪增壓器由于壓端止推軸承異常磨損導(dǎo)致的斷軸故障的失效原因排查及對(duì)策過(guò)程。本文以止推軸承受力最苛刻的工況進(jìn)行了增壓器推力軸承系統(tǒng)的受力分析、設(shè)計(jì)及校核，析出了優(yōu)化方案；并結(jié)合客戶(hù)實(shí)際使用工況設(shè)計(jì)了考核試驗(yàn)方案。試驗(yàn)結(jié)果證明本對(duì)策有效，為后期增壓器設(shè)計(jì)及保護(hù)策略的標(biāo)定提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：渦輪增壓器；渦前壓力；增壓壓力；止推軸承；保護(hù)策略

中圖分類(lèi)號(hào)：U472" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " 文章編號(hào)：1005-2550（2023）05-0045-08

Failure Analysis and Countermeasures of a Light Diesel Engine Turbocharger with Shaft Broken

JIN Ming， WANG Fang， DENG Ji-feng， YU Guo-qiang， Zhou Bo

（ DONGFENG ANTOMOBILE CO.， LTD. Product Ramp;D Headquarters，

Wuhan 430057， China）

Abstract： In this paper， the case of turbocharger shaft fracture failure has been enumerated in the development of a light diesel engine， and described the troubleshooting and countermeasures of shaft fracture failure caused by abnormal wear of thrust bearing at the pressure end of turbocharger. This paper analyzes， designs， and verifies the force of the turbocharger thrust bearing system under the most severe working condition of the thrust shaft， and proposes an optimization plan; And an assessment test plan was designed based on the actual usage conditions of the customer. The experimental results have proven the effectiveness of this strategy， providing a theoretical basis for the later turbocharger design and protection strategy calibration.

Key Words： Turbocharger; Pressure Before Turbine; Boost Pressure; Thrust Bearing; Protection Strategy

目前，渦輪增壓器在輕型柴油機(jī)上的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，近年來(lái)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)升功率的提高，渦輪增壓器使用邊界條件也不斷在發(fā)生變化，其中就包括決定其軸承系統(tǒng)軸向載荷的渦端前后壓力及壓端出口壓力。增壓器軸向載荷的變化使得軸系受力以及發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于推力軸承的承載能力都提出了新的要求，需要對(duì)增壓器推力軸承的止推能力進(jìn)行重新校核。而推力軸承的失效則會(huì)直接導(dǎo)致渦輪增壓器的可靠性問(wèn)題。

1" " 故障現(xiàn)象描述

2022年，在搭載VAN車(chē)的一款2.0L輕型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架及整車(chē)上多次出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)限扭故障，經(jīng)過(guò)排查，這些故障都是因?yàn)槿麻_(kāi)發(fā)的EWGT渦輪增壓器斷軸失效所導(dǎo)致。而將失效增壓器拆解分析后，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致增壓器斷軸的原因是軸承系統(tǒng)中壓端止推軸承異常磨損。失效照片如圖1。

故障增壓器拆解的結(jié)果有著共同的特點(diǎn)，增壓器斷軸，壓氣機(jī)葉輪擦殼磨損嚴(yán)重，增壓器壓端止推軸承端面異常磨損（圖1左上及左下圖所示），端面上的四個(gè)油楔面均已磨平。而增壓器渦端止推軸承則結(jié)構(gòu)完好，端面上的四個(gè)油楔清晰可見(jiàn)，未見(jiàn)磨損。

2" " 失效原因解析

由于多臺(tái)增壓器故障形式一致，都是壓端止推軸承端面異常磨損，因此有必要對(duì)增壓器推力軸承在發(fā)動(dòng)機(jī)適配中的受力情況進(jìn)行校核。同時(shí)對(duì)止推軸承零件自身設(shè)計(jì)制造進(jìn)行調(diào)查。

2.1" "增壓器推力軸承受力分析

渦輪增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，壓氣機(jī)葉輪和渦輪機(jī)葉輪分別受到新鮮氣體及燃燒廢氣的作用，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軸向力作用在增壓器核心轉(zhuǎn)子系統(tǒng)上，軸向力簡(jiǎn)圖，如圖2所示：

從圖中可以看出，渦輪增壓器核心轉(zhuǎn)子受到的軸向力為T(mén)，ax，T，ax是作用在壓氣機(jī)葉輪上的軸向力CW和作用在渦輪機(jī)葉輪上的軸向力TW的合力。

即作用在渦輪增壓器核心轉(zhuǎn)子上的軸向力：

T，ax=CW+TW" " " " " " " " " " "（1）

式中，CW的方向是指向壓氣機(jī)端，而TW的方向是指向渦輪機(jī)端。在這里，定義指向渦端的合力TW為正方向，即此時(shí)TWgt;0。

細(xì)分到壓氣機(jī)端受力分析，增壓器壓氣機(jī)端一共受到四個(gè)力的作用，分別是作用在壓氣機(jī)葉輪進(jìn)氣測(cè)的力F1，C、作用在壓氣機(jī)葉輪子午面的力F2，C、作用在壓氣機(jī)葉輪上的脈沖力F3，C以及作用在壓氣機(jī)輪背上的F4，C，這四個(gè)力的合力構(gòu)成了壓氣機(jī)葉輪上的軸向力CW。

即壓氣機(jī)葉輪上的軸向力：

CW=F1，C+F2，C+F3，C-F4，C

進(jìn)一步將上述等式展開(kāi)，將力轉(zhuǎn)換為壓力和受力面積的乘積，可以得到以下等式：

CW=F1，C+F2，C+F3，C-F4，C

=" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

式中，D1為壓氣機(jī)葉輪進(jìn)口直徑，P1為壓氣機(jī)葉輪進(jìn)口壓力，AS為壓氣機(jī)子午面軸向面積，P2*為壓氣機(jī)葉輪出口靜壓力，qmc為通過(guò)壓氣機(jī)葉輪的空氣質(zhì)量流量，Ra為空氣常數(shù)，T1為壓氣機(jī)葉輪進(jìn)口溫度，Ain為壓氣機(jī)葉輪進(jìn)口橫截面面積，Abf 為壓氣機(jī)葉輪輪背受壓面積。

渦輪機(jī)端受力同壓氣機(jī)端類(lèi)似，從圖2中可以得到渦輪機(jī)葉輪上的軸向力：

TW=F4，T -F1，T -F2，T -F3，T

將力轉(zhuǎn)換為壓力和受力面積的乘積，可以得到以下等式：

TW=F4，T -F1，T -F2，T -F3，T

=" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " nbsp; " " " " " " " " " "（3）

式中，D4為渦輪機(jī)葉輪進(jìn)口直徑，P4為渦輪機(jī)出口壓力，AS為渦輪機(jī)子午面軸向面積，P3* 為渦輪機(jī)葉輪進(jìn)口靜壓力，qmT 為通過(guò)渦輪機(jī)葉輪的空氣質(zhì)量流量，Ra為空氣常數(shù)，T4為渦輪機(jī)葉輪出口溫度，Aout為渦輪機(jī)葉輪出口橫截面面積，Abf 為渦輪機(jī)葉輪輪背受壓面積。

將壓氣機(jī)葉輪和渦輪機(jī)葉輪相關(guān)參數(shù)及發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)分別代入式（2）及式（3），可以分別計(jì)算出壓氣機(jī)葉輪及渦輪機(jī)葉輪上所受到的軸向力。再將計(jì)算結(jié)果代入式（1），即可計(jì)算得到渦輪增壓器核心轉(zhuǎn)子上的軸向力。

該2.0L輕型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生增壓器故障的臺(tái)架記錄了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將記錄的增壓器P3及P2數(shù)據(jù)以時(shí)間為橫軸做成圖表，如圖3所示：

從曲線(xiàn)上可以看出，部分工況時(shí)P3-P2差值超出了增壓器的限值要求，最大超限量接近100kPa。而增壓器推力軸承能夠承受的軸向力邊界如圖4所示：

將臺(tái)架實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入上述理論公式計(jì)算后，可計(jì)算得到渦輪增壓器核心轉(zhuǎn)子上的軸向力，根據(jù)增壓器止推軸承設(shè)計(jì)要求，其合理使用范圍在兩根紅色線(xiàn)所夾的區(qū)域范圍內(nèi)。將計(jì)算得到的軸向力描入圖4中后，可見(jiàn)真實(shí)軸向力超出了該款增壓器能夠承受的最大軸向力限值，見(jiàn)圖5所示：

藍(lán)色點(diǎn)為實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)指向渦輪機(jī)端的軸向力，在增壓器轉(zhuǎn)速為215000rpm時(shí)達(dá)到160.5N，超出了該增壓器推力軸承的許用邊界。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作到這個(gè)工況時(shí)，增壓器的止推軸承面對(duì)壓氣機(jī)一側(cè)將無(wú)法提供足夠的止推力以使得增壓器的核心轉(zhuǎn)子總成保持位置不變，核心轉(zhuǎn)子會(huì)向增壓器的渦輪機(jī)端移動(dòng)，導(dǎo)致止推軸承和壓氣機(jī)端的軸封套產(chǎn)生接觸及異常磨損，從而破壞核心轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡。如果發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作在該工況，則最終會(huì)導(dǎo)致增壓器出現(xiàn)擦殼以及斷軸故障。

3" " 優(yōu)化對(duì)策

針對(duì)失效原因，提出了三個(gè)優(yōu)化方向，一個(gè)方向是優(yōu)化增壓器的硬件，提升止推軸承止推能力。第二個(gè)方向是通過(guò)改善機(jī)油粘度，增大機(jī)油壓力或者改變機(jī)油流速去提升推力面承載能力。第三個(gè)方向是通過(guò)軟件方面的優(yōu)化，增加ECU中關(guān)于增壓器P3-P2差值保護(hù)的策略，使增壓器在整車(chē)及發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上各個(gè)工況工作時(shí)，P3-P2差值均不超出增壓器的許用范圍，從而保證增壓器的可靠性。

3.1" "優(yōu)化對(duì)策技術(shù)可行性分析

3.1.1 增壓器止推軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前很多渦輪增壓器采用的都是半浮式軸承系統(tǒng)，此類(lèi)型的軸承集止推軸承和浮動(dòng)軸承的功能于一體，減少了軸承系統(tǒng)的零部件數(shù)量，提高了集成度。本次試驗(yàn)時(shí)斷軸失效的增壓器也采用的是該結(jié)構(gòu)類(lèi)型的軸承系統(tǒng)。軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6：

如圖中所示，止推軸承是通過(guò)軸承端面和對(duì)手件之間的油膜產(chǎn)生的壓力來(lái)提供止推力，這里藍(lán)色部分為一個(gè)斜面，綠色部分為一個(gè)平面，藍(lán)色及綠色部分整體構(gòu)成推力面，用于產(chǎn)生止推力。黃色部分為進(jìn)油槽，起到將軸承體中機(jī)油引導(dǎo)至軸承端面的作用。為了更直觀(guān)的看懂端面的結(jié)構(gòu)及各個(gè)顏色部分高度區(qū)別，將圖6中端面沿從A點(diǎn)至B點(diǎn)做橫向展開(kāi)，如圖7所示：

（1）增大止推面的面積或者優(yōu)化止推軸承的材料

從圖中可以看出，故障增壓器的推力面由四個(gè)藍(lán)色斜面加上四個(gè)綠色平面構(gòu)成。止推力的大小和止推面的面積強(qiáng)相關(guān)。但是受限于該增壓器軸系結(jié)構(gòu)，無(wú)法加大止推軸承的直徑，進(jìn)而無(wú)法通過(guò)加大止推軸承端面的面積來(lái)提升止推軸承的止推力。

另外止推軸承材料的變化不會(huì)影響止推力的大小，所以也無(wú)法通過(guò)優(yōu)化止推軸承的材料性能去提升其止推能力。

（2）改變止推面上的進(jìn)油槽數(shù)量

增加或者減少圖6中黃色部分進(jìn)油槽的數(shù)量對(duì)于止推能力的影響，可以通過(guò)CAE仿真來(lái)研究進(jìn)油槽數(shù)量和止推承載力之間的關(guān)系。止推軸承端面上的油膜厚度為0.006mm，當(dāng)進(jìn)油槽數(shù)量為4個(gè)時(shí)，通過(guò)仿真可以得到止推面上的油壓分布云圖，如圖8所示：

如下改變進(jìn)油槽數(shù)量后止推軸承端面的壓力分布情況。

將止推軸承端面進(jìn)油槽數(shù)量為4個(gè)時(shí)所能提供的止推面壓力定義為100%，經(jīng)過(guò)換算可以得到其它幾個(gè)不同數(shù)量進(jìn)油槽數(shù)量時(shí)能夠提供的止推面壓力分別總結(jié)至表1：

由此可見(jiàn)，止推軸承端面有4個(gè)進(jìn)油槽時(shí)，能夠提供最高的止推力，不論是增加或者減少止推軸承端面上的進(jìn)油槽數(shù)量，都會(huì)使得提供的止推力變小。

3.1.2 改善機(jī)油粘度，增大機(jī)油壓力或者改變機(jī)油流速

（1）選用不同機(jī)油牌號(hào)的機(jī)油

通過(guò)仿真，可以模擬機(jī)油粘度發(fā)生變化時(shí)，止推軸承端面形成止推力的變化情況，目前故障發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是牌號(hào)為5W30機(jī)油，模擬時(shí)采用了三個(gè)不同牌號(hào)的機(jī)油進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖10所示：

數(shù)據(jù)表面，使用更高粘度牌號(hào)的機(jī)油有利于提升止推軸承端面所產(chǎn)生的止推力，但是，高粘度的機(jī)油不利于增壓器冷卻，可能會(huì)引起軸承系統(tǒng)超溫。同時(shí)，使用高粘度的機(jī)油會(huì)增大發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副之間的摩擦功，增加發(fā)動(dòng)機(jī)油耗。另外，一味提高使用機(jī)油牌號(hào)也是不適合的，機(jī)油牌號(hào)要根據(jù)個(gè)人用車(chē)工況以及用車(chē)氣溫環(huán)境來(lái)做選擇。

（2）增大機(jī)油壓力

增大進(jìn)入增壓器中間體的機(jī)油壓力，是否能夠提高止推軸承的止推能力呢？也可以通過(guò)CAE仿真得出結(jié)論，如圖11所示：

從模擬的數(shù)據(jù)上可以看出，進(jìn)油壓力從20kpa到200kpa再到300kpa，推力面上的壓力分別增加5.22%和2.87%。可見(jiàn)進(jìn)油壓力絕對(duì)值增加很大，但是對(duì)于止推能力的提升幫助很小。

（3）改變機(jī)油流速

還有一種思路是改變止推軸承推力面上的機(jī)油流速，改變流速的方式也是改變止推軸承端面上的進(jìn)油槽數(shù)量，這里通過(guò)仿真，展示了推力面上的機(jī)油流向流速云圖，見(jiàn)圖12和圖13所示：

從仿真結(jié)果可以看出，隨著止推軸承端面進(jìn)油槽數(shù)量的變化，推力面上機(jī)油流速也在發(fā)生變化，但是實(shí)際上機(jī)油流速的變化和推力面上能夠形成的止推力沒(méi)有直接的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

將以上所有對(duì)策方案及其效果總結(jié)進(jìn)表2：

3.1.3 增加ECU中關(guān)于增壓器P3-P2差值保護(hù)的標(biāo)定策略

基于前面得出的結(jié)論，發(fā)現(xiàn)不論是通過(guò)優(yōu)化止推軸承自身結(jié)構(gòu)還是通過(guò)改善進(jìn)入增壓器的機(jī)油相關(guān)特性都不能對(duì)本研究課題起到根本解決的作用。另外的方法就是在ECU數(shù)據(jù)中增加關(guān)于增壓器P3-P2差值保護(hù)的標(biāo)定策略，但是增加這樣的策略，需要一套完整的保護(hù)邏輯，并在軟件開(kāi)發(fā)時(shí)形成功能閉環(huán)。與此同時(shí)，在ECU加入這樣的增壓器保護(hù)策略時(shí)，還需要有很多的前提條件，其中極為重要的一條就是要保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放等開(kāi)發(fā)目標(biāo)不受影響，能夠達(dá)成客戶(hù)的需求。

由于在發(fā)動(dòng)機(jī)上部分壓力參數(shù)是通過(guò)壓力傳感器實(shí)測(cè)的，還有部分參數(shù)則是通過(guò)實(shí)測(cè)壓力通過(guò)模型進(jìn)行計(jì)算得到的，所以在標(biāo)定保護(hù)策略之前，首先要建立好這些沒(méi)有直接測(cè)量壓力值的計(jì)算模型。

（1）建立標(biāo)定壓力模型

根據(jù)需求建立以下幾個(gè)壓力模型，中冷后壓力模型值P22_mod及渦后壓力模型值P41_mod。

其中，P22_mod=進(jìn)氣歧管壓力_mod×節(jié)氣門(mén)閥流_mod，

P41_mod =DOC出口壓力_mod+DPF壓差_mod +SCR壓差_mod +消聲器壓差_mod。

（2）建立增壓器渦前壓力模型值P3_mod和增壓器渦后壓力P4實(shí)測(cè)值之間的關(guān)系

在建立P3_mod和P4實(shí)測(cè)值關(guān)系之前，需要先建立增壓器渦輪端能量焓值的概念，其中，渦輪端能量焓值=新鮮進(jìn)氣量+β×燃油量，焓值中β系數(shù)的確定，主要依據(jù)P3_mod與P4實(shí)測(cè)值對(duì)應(yīng)關(guān)系的擬合離散性確定，應(yīng)使得擬合結(jié)果離散系數(shù)的平方，即R2＞0.95。

對(duì)應(yīng)每一個(gè)EWGT的開(kāi)度，都有P3_mod= P4×膨脹比MAP，那么在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性的區(qū)域內(nèi)，就可以找到渦輪端能量焓值和增壓器膨脹比之間的關(guān)系，具體的方式是將EWGT以每10%開(kāi)度進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性DOE掃點(diǎn)，使用線(xiàn)性工具將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。以該2.0L發(fā)動(dòng)機(jī)EWGT增壓器80%開(kāi)度的掃點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以擬合出如下圖14中的曲線(xiàn)。

從該擬合曲線(xiàn)上離散系數(shù)的平方R2=0.998可以看出擬合度很高。從而構(gòu)建出了在EWGT增壓器80%開(kāi)度時(shí)渦輪端能量焓值和膨脹比之間的函數(shù)關(guān)系。這樣就可以通過(guò)渦輪端能量焓值和發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)的P4值計(jì)算出準(zhǔn)確的發(fā)動(dòng)機(jī)渦前壓力模型值P3_mod了。

（3）增壓器P3-P2差值保護(hù)策略的實(shí)現(xiàn)原理

發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器在穩(wěn)態(tài)標(biāo)定完成后，按增壓器自身止推軸承能提供最大止推力的限制要求，會(huì)將P3-P2穩(wěn)態(tài)控制在一定范圍內(nèi)，該失效增壓器結(jié)合其止推軸承能力，將P3-P2壓差值限定在200kPa以?xún)?nèi)。

但在瞬態(tài)加速過(guò)程中，由于增壓器存在一定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，會(huì)使得P3的提升速率高于P2的提升速率，這樣就會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)工況下P3-P2超限，而保護(hù)策略則是通過(guò)標(biāo)定發(fā)動(dòng)機(jī)P3和P2的比值，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)增壓器瞬態(tài)最大位置的限制，進(jìn)而限制瞬態(tài)P3-P2的超限問(wèn)題。

即：

[發(fā)動(dòng)機(jī)壓比限值（P3_mod /p22_mod）_lim] ×（P22_mod/P4_mod）=（P3_mod/p4_mod）lim=ACM_ewgt_turb_pratio_max

其策略原理見(jiàn)圖15所示：

計(jì)算得到標(biāo)定變量EWGT最大膨脹比ACM_ewgt_turb_pratio_max后，即可轉(zhuǎn)化為壓力模型EWGT最大膨脹比PSE_ewgt_turb_pratio_apm，最終轉(zhuǎn)換為標(biāo)定變量中的EWGT最大需求值A(chǔ)CM_ewgt_pos_dmnd_max。這樣就實(shí)現(xiàn)了通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)工況下的EWGT最大需求值A(chǔ)CM_ewgt_pos_dmnd_max來(lái)起到控制發(fā)動(dòng)機(jī)P3-P2不超限的作用，最終實(shí)現(xiàn)了渦輪增壓器P3-P2的壓差保護(hù)功能。

（4）增壓器P3-P2差值保護(hù)策略的標(biāo)定方法

保護(hù)策略的標(biāo)定需要在整車(chē)上開(kāi)展，首先將發(fā)動(dòng)機(jī)限定扭矩，從400IMEP（10mg油量）開(kāi)始，每200IMEP（5mg油量）全油門(mén)踩至最高轉(zhuǎn)速，分析數(shù)據(jù)并標(biāo)定，一般標(biāo)定時(shí)EWGT最大位置需求值ewgt_position_dmnd_max要略高于EWGT需求原始值ewgt_position_dmnd_raw，根據(jù)增壓器轉(zhuǎn)速裕度，一般選擇高5%至10%位置。再將外特性扭矩放開(kāi)，在各油門(mén)、各轉(zhuǎn)速下進(jìn)行急加減速測(cè)試，檢查有無(wú)P3-P2超出限值的異常點(diǎn)，如有則針對(duì)個(gè)別點(diǎn)進(jìn)行精調(diào)，使之滿(mǎn)足要求，從而得到最終的ENG_MAX_PR標(biāo)定MAP。在這里需要注意的是在不同海拔高度下均需要設(shè)計(jì)不同的標(biāo)定MAP，每個(gè)不同海拔之間則采用插值的方式進(jìn)行限制。

（5）增壓器P3-P2差值保護(hù)策略的測(cè)試結(jié)果

在完成增壓器P3-P2差值保護(hù)策略的標(biāo)定后，為了測(cè)試保護(hù)策略在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)工況下的實(shí)施效果，分別在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架及平原海拔下的整車(chē)上進(jìn)行了初步的檢查測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖16及圖17所示。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放等開(kāi)發(fā)目標(biāo)達(dá)成，并且滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)許用邊界條件的前提下，代表發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況時(shí)增壓器P3-P2壓差值的黃色曲線(xiàn)以及代表整車(chē)急加減速瞬態(tài)工況時(shí)增壓器P3-P2壓差值的粗紅色曲線(xiàn)此時(shí)均沒(méi)有超出200kPa的限值范圍。在增加ECU中關(guān)于增壓器P3-P2差值保護(hù)的標(biāo)定策略初步判斷是具備可行性的。

4" " 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述保護(hù)策略的實(shí)施效果，以及對(duì)其保護(hù)效果是否能夠盡可能覆蓋終端客戶(hù)的使用工況，驗(yàn)證工作同步在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架及整車(chē)上開(kāi)展。

共計(jì)選取發(fā)動(dòng)機(jī)工況16個(gè)，其中涉及到的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架具體包括WHTC循環(huán)、EGR結(jié)焦驗(yàn)證循環(huán)、CWTVC油耗循環(huán)以及增壓器響應(yīng)性試驗(yàn)循環(huán)這4個(gè)循環(huán)工況，而整車(chē)上的工況則包括1200米、2000米、2800米、3300米以及4000米5種不同海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)處于正常模式和再生模式下共計(jì)10種急加減速工況和1000米海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)處于正常模式和再生模式下的2種SCR效率試驗(yàn)工況。

通過(guò)這16個(gè)工況的驗(yàn)證，所有工況中P3-P2差值均沒(méi)有超過(guò)200kPa，證明保護(hù)策略是行之有效的。

限于篇幅的影響，不能將上述16種工況的驗(yàn)證數(shù)據(jù)一一展開(kāi)說(shuō)明，在本章中，僅選擇發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架工況和整車(chē)工況各一個(gè)來(lái)進(jìn)行闡述。

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的驗(yàn)證工況中，選取WHTC循環(huán)1800秒的循環(huán)中，P3-P2差值最大為185kPa，保護(hù)策略有效使得P3-P2差值沒(méi)有超過(guò)200kPa的限值。以時(shí)間軸為橫坐標(biāo)，以P3-P2差值為縱坐標(biāo)為繪制曲線(xiàn)，見(jiàn)圖18所示：

在整車(chē)驗(yàn)證的工況中，選取在2000米海拔高度，發(fā)動(dòng)機(jī)處于再生模式下的急加速工況工況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下圖19所示：

圖中藍(lán)色為P3-P2差值曲線(xiàn)，整個(gè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，P3-P2差值最大為182kPa，保護(hù)策略有效。

5" " "結(jié)論

（1）故障原因是因?yàn)樵鰤浩髟谀承┕r時(shí)加載在核心轉(zhuǎn)子上額合力超出了增壓器推力軸承能夠提供的止推力范圍。換算成壓力則是增壓器的渦前壓力和壓后壓力的差值，即P3-P2超出了該增壓器的許用范圍所致。

（2）本增壓器斷軸課題，只能通過(guò)在ECU中增加關(guān)于增壓器P3-P2差值保護(hù)標(biāo)定策略的方式來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，不論是通過(guò)止推軸承結(jié)構(gòu)、材料優(yōu)化設(shè)計(jì)還是通過(guò)改善機(jī)油粘度，增大機(jī)油壓力或是改變機(jī)油流速等措施，均不能有效解決該增壓器斷軸故障。

本研究方法和結(jié)論，為今后增壓器開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)具有較高的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

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專(zhuān)家推薦語(yǔ)

康" "明

東風(fēng)商用車(chē)技術(shù)中心" 工藝研究所所長(zhǎng)

材料科學(xué)與工程研究員級(jí)高級(jí)工程師

本文列舉了某輕型柴油機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的渦輪增壓器斷軸失效案例，論述了渦輪增壓器由于壓端止推軸承異常磨損導(dǎo)致的斷軸故障的失效原因及對(duì)策分析過(guò)程，為后期增壓器設(shè)計(jì)及保護(hù)策略的標(biāo)定提供了參考。

本文具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用性；文章條理清楚，合乎邏輯，數(shù)據(jù)可靠，理論正確。