发动机废气涡轮增压器的原理、结构与维护

李明诚

作者信息：上海市浦东新区东昌新村21 号303 室，200120

农业机械上的大功率发动机已广泛采用涡轮增压发动机，其关键部件是废气涡轮增压器。

废气涡轮增压器是利用废气的动力推动涡轮高速旋转，通过压气机把空气压进气缸，形成高于大气压的压力，以提高充气效率，增加发动机的功率输出。

发动机的输出功率主要由单位时间内燃烧的混合气来决定。为了增加发动机的输出功率，通常是增加发动机的排量， 或者提高发动机的转速。 但问题是，如果增加发动机的排量，整机的重量也会增加。此外，零件的摩擦损失、震动和噪音等因素也限制了发动机转速的提高。 增压器可以在不增加发动机排量的情况下，通过增加进气压力，解决提高输出功率与发动机轻量化之间的矛盾。

1 涡轮增压器的工作原理

众所周知， 传统发动机利用活塞下行时产生的真空把空气吸入气缸，但是这种“自然吸气”方式无法满足现代发动机对强大功率输出的要求。

涡轮增压器利用废气流的动能推动涡轮高速旋转，与涡轮同轴安装着泵轮，泵轮旋转时把空气压进气缸（见图1）。 由于增压器的作用，进气管内形成比大气压更高的压力（增压压力），使空气在加压的状态下进入气缸，因而充入气缸的空气质量明显增加。

废气涡轮增压器设置了排气旁通阀和执行器，用来防止增压压力升得过高。 某些型号的涡轮增压器还装备了中间冷却器，用于降低进气的温度，提高进气效率。

图1 废气涡轮增压器在发动机上的布置

2 涡轮增压器的主要结构

废气涡轮增压器包括涡轮壳体、压气机壳体、中间壳体、涡轮、泵轮、全浮式轴承、排气旁通阀和执行器等部件（见图2）。

图2 废气涡轮增压器的主要结构

2.1 涡轮和泵轮

涡轮和泵轮（见图3）安装在同一根轴上。 来自排气歧管的废气压力推动涡轮高速旋转， 带动同轴上的泵轮跟着旋转，把空气压入进气歧管和气缸。

由于涡轮直接受废气流的冲击，温度特别高，要求它必须耐高温和耐磨损；因此，涡轮采用超耐热的合金或陶瓷材料制成。

图3 涡轮与泵轮示意图

2.2 中间壳体

涡轮和泵轮通过轴和轴承支承在中间壳体 （见图4）内。 中间壳体内有一个润滑油道，用于输送润滑油，对轴和轴承起润滑和冷却作用。 另外，发动机的冷却液流过中间壳体内的冷却液通道， 防止机油温度过分升高及过早变质。

图4 中间壳体剖视图

2.3 全浮式轴承

由于涡轮和泵轮的转速在10 万r/min 左右，所以采用了全浮式轴承（见图5），以吸收轴的震动，同时有利于轴和轴承的润滑。 全浮式轴承由机油冷却， 在轴和壳体之间自由旋转， 减少了摩擦阻力， 保证轴可以高速旋转。

2.4 排气旁通阀和执行器

当增压压力超过标准值（大约70 kPa）时，发动机可能产生严重的爆震，此时排气旁通阀（见图6）开放，通过旁通通道将废气导入排气管，从而达到调节增压压力的目的。

排气旁通阀安装在涡轮壳体内。 排气旁通阀的开启和关闭受控于执行器（见图6）。

图6 旁通阀及执行器

3 涡轮增压器的维护事项

3.1 使用注意事项

（1） 涡轮增压型发动机中的机油不仅用来润滑发动机，而且用来润滑和冷却涡轮增压器，机油温度很容易升高；因此，必须使用厂家推荐的机油，定期更换机油和机油滤清器，否则会加速涡轮增压器损坏。

（2）在冷机启动时，由于轴承得不到充分润滑，所以禁止“轰油门”。随意高速空转或突然加速，会导致全浮式轴承损坏。

（3） 高速运转的发动机停机前需怠速运转一段时间，用来缓慢冷却涡轮增压器。若高速运转的发动机立即停止运转，机油和冷却液停止循环，涡轮增压器得不到冷却，将导致卡死等故障。

（4）由于有废气流通，所以增压器非常烫，不要用手触摸涡轮增压器。

3.2 维护注意事项

（1）在空气滤清器已经拆开的情况下，不要启动发动机。否则，外部异物可能进入而导致涡轮和泵轮损坏。 拆卸涡轮增压器时，要堵住进气口、排气口和机油进口，防止外部异物进入增压器内。

（2）在拆卸和安装涡轮增压器时，不要跌落或者碰撞，不要抓住容易变形的零件（例如执行器的连接杆件，见图7）。

（3） 维修时， 应当检查油管中是否有油泥或积炭，必要时清洗，或者更换零件。

（4）更换涡轮增压器时，应从进油口向内加入机油，同时用手转动泵轮，以便润滑轴承（见图8）。

（5）发动机解体并重装后，应当在停止燃油喷射的情况下，转动发动机30 s，以便润滑发动机的相关部位，然后怠速运转发动机60 s。

图7 不要提拉容易变形的部件

图8 从进油口向内注入机油