浅析汽车发动机涡轮增压器原理及故障

赵俊鑫，葛伟廷，齐洪波，汪记伟，杨万里，王瑞平,2

（1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江 宁波 315336；2.浙江吉利罗佑发动机有限公司，浙江 宁波 315800）

引言

随着汽车工业的不断进步，汽车的各方面性能也在不断地进步着。汽车不断自主创新，在现有的技术条件下，给汽车的发动机加装涡轮增压器，有效地提高汽车的动力性。一般情况之下，加装了涡轮增压器，汽车往往会比普通的发动机拥有更好的动力。虽然涡轮增压器有着它独特的作用，但是其在维护不当的情况之下，会严重影响涡轮增压器的使用寿命。为了更好的发挥涡轮增压器的作用，在了解涡轮增压器的工作原理之外，还要了解涡轮增压器常见故障的一些原因，并且要分析其原因，对故障加以诊断以及分析。尽量减少涡轮增压器发生故障的情况，延长其使用的寿命，这样才能够有效地减少维护汽车的费用。

1 汽车发动机涡轮增压器的构造与原理

1.1 汽车发动机涡轮增压器的构造

涡轮增压器是组装在发动机的排气管道上的一台空气压缩机，它一般是通过发动机自身排出来到的废气作为动力来推动涡轮室里的涡轮进行转动，与此同时涡轮又带动同轴的叶轮进行转动，叶轮就是这样一环接一环地把从空气过滤清洁器中出来的空气进行一定程度的压缩，使其的压强增大进入气缸。在如此的状态下，进入气缸的空气密度增大，能够使得燃油充分燃烧。这样就达到提高了发动机的工作功率，同时降低的燃油率，在一定程度上提高了汽车的动力。

汽车公司应用了图1所示的废气涡轮增压器，涡轮增压器的组成由压气机、涡轮、转子，轴承机构，中间体和密封装置等组成。其一般是单级轴式涡轮机以及单级离心式压气机和或者是径流式涡轮机构成成体系的机组，其分别称为径流式废气涡轮增压器与轴流式废气涡轮增压器。涡轮增压器的转子是由涡轮机和压气机共同组成的，它们的工作轮同时装在同一个轮子上。汽车发动机排出的废气作为一种驱动的力量，驱动转子运行。这种涡轮增压器的压气机和涡轮机的转动速度是相同的，此外它们的工作效率也是一样的。

图1 汽车发动机涡轮增压器的构造图

1.2 汽车涡轮增压器的工作原理

涡轮增压器相当于一种空气压缩机，它的工作原理就是通过发动机自身排出来的高温高压的废气来驱动涡轮增压器运行，通过压缩空气来增加进气量。实际上涡轮增压器是利用汽车发动机排出废气的惯性冲力作为一种动力驱动涡轮室里面的涡轮，涡轮带动同一轴上的压气机一起旋转，同时涡轮又带动同轴的叶轮，使之成为循环运行。发动机的转动情况和排气的排出情况、涡轮的转动情况是同步的，如果汽车发动机的转动速率加快，相应地废气的排出速率也在加快，涡轮的转动速率也在不断地加快。在这种情况下，叶轮就能够压缩更多的空气进入到气缸中，空气的密度和压强也会随之增大，这样能够有效地提高发动机进气量，可以充分有效地燃烧燃油，此外还能够减少废气中的一些有毒气体和有毒物质的排放。这样涡轮增压器可以增加发动机的输出功率，只要通过增加燃料的量和适度调整发动机的运转速度就可以实现。

2 汽车涡轮增压器的正常使用与维护

2.1 汽车涡轮增压器的正常使用

汽车发动机在正常工作情况下，涡轮增压器的转速在8-12万/分钟（r/min），涡轮排气的温度可达600-900摄氏度。为了延长涡轮增压器的使用寿命，提高汽车运行的性能，必须正确使用汽车涡轮增压器，使其保持良好的工作性能，这样才能够在一定程度上满足汽车发动机的在正常工作过程的各项需求。

2.1.1 涡轮增压发动机要进行正确预热

汽车的发动机自动之后，不能马上就踩加速脚踏板，要经过一个正确的预热过程，要让其先怠速运行三分钟，在冬季的时候应要至少预热五分钟。因为汽车在启动的时候，突然的加速会损坏涡轮增压器的轴承。涡轮增压发动机经过了正确的预热可以使得机油的温度升高，其流动性也会在一定程度上变好，能够充分润滑涡轮增压器，这样才能提高汽车发动机的转速。

2.1.2 涡轮增压发动机不要立即熄火

图3 增压器废气泄压阀&废气执行器（执行机构）

涡轮增压发动机在长时间高速运转之后，不能立即熄火。由于涡轮增压发动机在工作的过程中，有一部分的机油是供给涡轮增压器转子的润滑以及用于冷却作用的。如果涡轮增压发动机在高速运转之下突然熄火，这时候的机油压力变为零。涡轮增压发动机的转子由于惯性的作用还会继续运行。在这种情况之下，涡轮增压器在高速的转动下没有得到充足的润滑，同时热量也不能够被冷却，使涡轮增压器的局部处于极高温的状态。这样就会产生机油结焦和轴承烧损的后果。所以要给予涡轮增压发动机一个缓冲的时间，让机油得到一定程度的冷却，尽量使得涡轮增压器得到充分的润滑作用。

2.1.3 涡轮增压发动机切勿长时间怠速行驶

汽车涡轮增压器的转速一般达到二十万以上，在汽车运行的过程中，切勿长时间怠速运行。因为涡轮增压器转子在长时间怠速的情况下得不到充分的润滑和冷却作用，会造成涡轮增压器转子的磨损。另外，在长时间怠速运行的情况下，涡轮增压器压气机里外的压强不平衡，进而造成转子内外的压力不平衡而出现漏油现象。所以，涡轮增压发动机切勿长时间怠速行驶。

2.1.4 保持发动机机油和滤清器的清洁

发动机机油和滤清器必须保持清洁，需要定时清洁空气滤清器，防止灰尘等其它杂质进入高速转动的压气叶轮。在拆卸增压器的过程中，要尽量保持清洁，在各个管接头必须要用清洁的布堵塞好，防止其它杂物混进增压器中。此外，重新装复完毕之后，还要取出堵塞物。

2.1.5 经常检查涡轮增压器的密封环是否密封

要经常检查涡轮增压器的密封环是否密封，这一个环节必须要严格进行。由于涡轮增压器的密封环密封是发动机运行的必要条件，因为如果涡轮增压器的密封环没有密封好，废气就会进入润滑系统，把机油污染，使得其内部的压力快速加大，外发动机低速旋转时机油也能够经过密封环从排气管排出或进入燃烧室燃烧，这样就有可能会出现“烧机油”的现象。

2.1.6 在指定的维修站进行维修涡轮增压器

当涡轮增压器出现了故障、需要维修的时候，应该到指定的维修站进行维修，而不是随意到普通的修理店。因为涡轮增压器转子轴承精密度是非常高的，其维修的过程是非常高的，同时涡轮增压器维修和安装时的工作环境也是非常严格的，因此必须到指定的维修站进行维修涡轮增压器。

2.2 汽车涡轮增压器的维护

若想延长发动机的使用寿命，提高汽车的动力，就必须要做好涡轮增压器的维护工作。汽车在选择机油的时候要特别注意。尽量选择抗磨性比较好、能够耐高温、油膜的强度以及的稳定性都要相对较好的机油，可以选择一些半合成机油或者是全合成机油等高质量的机油。因为在涡轮增压器的作用下，高质量的机油可以使得发动机的结构更加紧凑，也运行得更加合理。能够使得涡轮增压发动机内部的部件承受得住较高的温度和高强的撞击。

除此之外，还要进行定期的检查工作。首先要检查发动机的机油和滤清器是否保持清洁，要谨防杂质的进入。因为涡轮增压器的转轴和转套之间的间隙是非常小的，如果机油的润滑能力降低了，就会在一定程度上损坏涡轮增压器。其次，还要经常需要涡轮增压器的密封环是否密封，这一个环节是非常重要的，如果轮增压器的密封环没有封住，废气会通过密封环进入发动机润滑系统，造成机油过度消耗。另外，还要经常检查一下涡轮增压器没有异响或者不寻常的震动，润滑油管和接头有没有出现漏油现象。

3 汽车涡轮增压器的常见故障及原因分析

3.1 涡轮增压器的常见故障

汽车的涡轮增压器在使用的过程中，难免会出现故障。当涡轮增压器出现故障的时候，不要立即就更换，应该查找出涡轮增压器的部位以及其出现故障的原因。了解常见的故障并有效地排出涡轮增压器的故障，才能够有效地延长涡轮增压器的使用时间，充分发挥它的作用。进而充分发挥涡轮增压器的作用以及提高机动车的使用实用性。

3.1.1 增压器涡轮或泵轮端出现“排油”现象

当增压器内部出现压气进入进气管或者是涡轮排气管中，发动机会处于一种不正常的运行状态，机油的消耗量会大大增加，发动机会出现冒烟现象，增压器也会出现漏油现象。如果增压器的转子磨损比较严重时，增压器转子的轴承密封环就失去其作用，此外润滑效果不佳也会使得密封环失去效果，这时增压器涡轮或泵轮端出现漏油故障。增压器涡轮一侧出现漏油现象，会造成消声器和排气管形成积碳，这样就会在一定程度上增大了排气的阻力，进而就会降低了增压器的转动速度，汽车发动机的动力也就会大幅度下降。当泵轮端出现漏油现象时，会造成发动机进气管道集聚大量的机油，加大了进气的阻力，这样机油的消耗率也会大大增加，最终就会造成汽车的动力下降。

3.1.2 增压器出现气喘现象

增压器也存在着气喘的故障，其出现气喘现象很大原因是因为进气系统处于堵塞状态。进气系统处于堵塞状态一般是由于进气管道油和灰尘集聚或者是空气滤清器堵塞。这样会造成发动机增压的状态不稳定，同时也会降低增压的效果。在增压器泵轮端出现异响，即所谓的气喘现象，会使得发动机的工作状态不稳定，排气管还有可能出现冒烟的现象，这样就大大降低汽车发动机的动力。所以当涡轮增压器出现了严重的气喘现象就要对其进行维修，这样才能从源头减少机动车保养的费用。

3.1.3 增压器振动幅度过大且有噪声

增压器在运转中出现了强烈的震动，其振动幅度过大。这是由于转子轴承损坏，转子组不平衡，使得轴承间隙加大而造成的，这是应该更换转子轴承以及对转子组进行动平衡校对。增压器在运转中发出杂音，发出金属的撞击声或者是摩擦声，主要的原因是涡轮与泵轮处于损坏状态或者是油灰破坏了转子的动平衡状态，使得增压器转子和涡壳之间发生了明显的变化。此外泵轮或涡轮叶片与壳体碰擦也会产生金属摩擦的噪声。这种故障的因对方法就是将转子拆卸下来检修与调整。

3.1.4 涡轮增压器突然停止运转

当增压器突然停止运行，发动机功率会大幅度下降。出现这种故障的主要原因是增压器轴承磨损或者损坏、转子组烧坏、外界物将涡轮泵轮叶片坏损而卡死等。这时候应该更换转子的轴承，如果是损坏严重还要更换增压器总成。此外油封漏油也应及时检修以及更换。

3.1.5 增压器的增压力下降

增压器出现增压力下降现象，主要原因是进气道堵塞，转子的轴承与轴磨损严重，涡轮或者是泵轮叶片由于某种原因变形或损坏，增压器中部件与壳体摩擦等均会造成增压压力下降。这些原因主要是通过影响增压器正常的工作过程来干扰其的工作效果。出现这种故障应该及时维修，如果不及时加以维修，长时间如此运行增压器，会对发动机造成严重的损害。

3.2 故障的整修

当涡轮增压器出现了故障，首先要从外观上检查，要仔细观察涡轮以及泵轮的外排、进气连接处是否存在着裂缝或者是漏气现象，同时要注意观察涡轮增压器是否有漏油，漏油现象严不严重等。检查漏油现象主要是观察压气机到进气管道之间的接头。如果该接头处只是出现轻微的渗油现象，其属于正常现象。如果出现严重的漏油现象，该涡轮增压器就不能够继续使用，要尽快更换涡轮增压器。另外当发动机停止工作之后，可以通过听增压器的转子由惯性运转的声音来判别涡轮增压器的性能是否良好。

其次，还要观察压气机的叶轮以及泵壳的摩擦情况、漏油情况以及叶片的是否损坏了，损坏的程度如何。通过观察，如果压气机的叶轮以及泵壳是存在摩擦的现象，但是泵壳的摩擦部位是比较坚固的，说明泵轮内部可能遭到了破坏。如果发现了外来无严重损坏了泵轮，或者是泵轮轴承出现了严重的漏油现象，应该立即对增压器进行维修。

另外，当仔细核查了涡轮和泵轮没有明显的损坏，就可以手动去转动涡轮增压器的转子，通过观察它的旋转状态来发现问题。如果出现明显的磨损噪声和滞留现象，就说明了轴已经损坏。同时还要检测转子的轴承之间的间隙和涡轮端和泵轮端之间的间隙，这个过程可以使用精密的测量仪器来测量与检测，用测量值对标准范围，其不能超过标准范围。在更换压气机叶轮要做动平衡测试。

最后，对涡轮机涡轮部分检查，其的拆除的方式为从涡轮机出气口将排气道拆除。然后再检查涡轮片和壳体的磨损程度，是否存在漏油现象等。若发现涡轮内有损坏，就必须要及时拆除下来修理。如果发现积油现象严重，就要检查该油的来源。如果是涡轮环的密封环失效，就应该将其拆除加以维修。如果是叶轮上的积油比较多，就要讲涡轮拆除下来加以清洗。

4 涡轮增压器的发展趋势与改进措施

4.1 涡轮增压器的发展趋势

汽车公司采用的涡轮增压器经过了许多年代的改进，其性能有了很大的改善。近年来，随着科学技术的进步和加工水平的不断提高，汽车的经济性和动力性得到了大幅度的提高。涡轮增压器朝着越来越好的发展方向进展，涡轮增压器技术的应用范围会越来越广泛。涡轮增压器会成为提高机动车辆动力性，经济性以及有效减少噪音和环境污染的重要措施，其有着美好的发展前景。

涡轮增压器技术会越来越进步，其即将会突破跨越性和多领域性。涡轮增压器会不断地采用更有效的材料来进行改造，比如采用特殊的合金，甚至是陶瓷。同时也会不断深化创造以及加工技术，采用各种先进的分析方法来对涡轮增压器进行精密性改造，大幅度改良各项性能，从真正意义上满足机动车的发展需要，全面提高机动车运行整个环节中的各项技术要求，从而不断地促进机动车行业的发展，在如此的发展趋势之下，整个社会的经济水平也会不断地提升。

4.2 涡轮增压器的改进措施

现代的涡轮增压器有着其优势的功能，但是随着时代的发展，对机动车的经济性、动力性和环保性的要求越来越高。就目前而言，涡轮增压器是存在不少问题的，比如动力不足，产生噪音较大，产生废气等污染物质等。这些情况都是不满足我们社会发展的需要，在这种状况之下，现在的涡轮增压器必然是不能够满足市场和时代的发展需要，因为社会和时代是在不断发展的，涡轮增压器现有的问题不改善，最终只能是阻碍整个机动车行业的发展，甚至是整个社会的发展。因此涡轮增压器也必须要与时俱进，不断改革创新，不断探索有效的改进措施。减少增压器的故障，减少不必要的维护费用，进而提高涡轮增压器的经济性与实用性。

4.2.1 应用新材料进行改造

涡轮增压器在运行的产生的巨大的热量，也会产生转动的惯性量。可以应用新材料来对涡轮增压器进行改造，因为钛铝合金材料具有耐高温高压、密度小、质量轻以及抗氧化性好等优良特性。钛铝合金材料应用于涡轮增压器的改造，能够有效地降低涡轮的运转的惯性量，降低噪音，在一定程度上消除发动机在瞬间加速的过程中出现冒烟的现象。就目前的情况看来，一些新型的轻质合金材料在不断地研发之中，也即将不断地投入涡轮增压器的改造之中。

除此之外，由于陶瓷涡轮具有质量较轻，涡轮箱的壁厚可以改造成非常薄的形态，将陶瓷应用于涡轮增压器的改造上，能够在增压器各种优良性能不变的情况下，可以使得涡轮增压器的质量大大减低。虽然目前陶瓷涡轮技术存在着许多难点与挑战，陶瓷涡轮与转轴的连接存在着许多的困难，但是这方面还是存在着巨大的开发潜力。

4.2.2 应用创新型的设计方法和制造技术

在设计和改进涡轮增压器的过程中，要应用创新型的设计方法和制造技术。在涡轮增压器的设计方法上，可以充分利用现代的科学技术，运用计算机进行压气机和涡轮的空气动力学计算，精确地分析流场特性，探索合理的结构设置。充分利用计算机进行径涡轮的空气动力学与三元流场分析。此外还要学会利用计算机进行离心式压气机的空气动力学计算、进行有效的三元流场分析、叶轮和叶型设计以及相关的强度综合性分析。除此之外，还可以运用有限元法和现代先进的激光测试技术来进行粘性流动的建模探索与检测分析。

对于涡轮增压器的制造技术，可以灵活地借鉴外国的一些制造技术。比如将“硅橡胶”技术用于制造小型后弯压气机叶轮。可以尝试制造和生产带后弯压气机叶轮的新型增压器。还可以充分运用五轴数控铣床，铣削加工锻铝后弯叶轮，强度比铸铝强，这样就有利于改善涡轮增压器的各项性能。

5 结论

本文对汽车涡轮增压器的构造、作用、工作原理以及优点缺点进行研究与分析，介绍和总结了一些涡轮增压器常见的事故以及日常维护的知识，旨在帮助人们更好地正确认识涡轮增压器的故障，更好地使用和维护涡轮增压器。同时本论文也针对常见的故障提出了一些整修的方法。最后分析了涡轮增压器的发展趋势，并且对于涡轮增压器的改进提出了一些措施。虽然本文是根据汽车涡轮增压器进行研究和分析的额，但是其研究的结果对于不同类型的涡轮增压器一样具有一定的共同性。相信随着我国经济的快速发展，国内高档汽车的增加，涡轮增压器被广泛使用，只要对涡轮增压器的工作原理充分了解，采用一些正确有效的使用、安装及检测步骤以及方法，就能够延长汽车涡轮增压器的使用寿命。进而提高汽车的动力性，并且也能够在一定程度上提高汽车使用的经济性、环保性与实用性。

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