柴油机涡轮增压器压气机端漏油改进

郭旺喜 丁现强

摘要：针对一款涡轮增压器压端漏油故障，通过试验发现中冷器接口结构、增压器回油管走向、空气滤清器清洁度、增压器怠速工况为主要影响因素。从根本上解决漏油问题，提出了增压器轴封的改进方案，通过长期怠速漏油试验、可视化漏油试验、抗恶劣进气负压试验验证了改进的有效性。产品切换后，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.

关键词：涡轮增压器;漏油;压端;改进

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

0  引言

涡轮增压器是发动机关键零部件，利用发动机高温废气的能量驱动涡轮带动压气机为发动机气缸提供持续高压的新鲜空气[1]。目前涡轮增压器可靠性问题主要表现在部分增压器运转时机油泄漏，漏油位置为涡端和压气机端（压端），如何降低增压器漏油故障问题发生已成为主机厂非常关注问题之一。

本文对一款柴油机增压器，在售后市场出现压端漏油问题，在分析增压器密封结构基础上，结合故障件拆解和增压器试验数据，分析出整车管路密封结构、增压器回油管走向、空气滤清器清洁度、增压器怠速工况为主要因素，提出了加大增压器气封板内腔和挡油板储油腔的方案，通过一系列抗漏油能力，验证了改进有效性，形成了一套增压器漏油故障分析与改进思路。

1  增压器压端漏油

1.1 故障模式

市场普遍反应增压器压气机出气口至发动机进口进气胶管表面有油迹。通过故障件拆解发现，涡轮增压器的压气机端漏油较多，比例为73%左右，压气机端壳体表现为内部脏污、叶轮背面脏污，检测内部核心零件无损坏，基本可以排除增压器零部件失效的可能，需结合车辆使用情况分析。

1.2 压端漏油机理

涡轮增压器压气机端的轴封采用密封环式密封结构，即将活塞环形开口弹性环分别安装在涡轮端和压气机端密封环支撑槽内，密封环依靠其弹力涨紧在密封支撑外体上[2]。这种密封结构环数较少，且有开口，所以只有在密封环两端流体压力近似平衡或者相差不大时才可以达到较好的密封效果[3]。一旦这种动压密封条件被破坏，增压器进气负压增加后，叶轮背后的压力降低，即中间壳回油腔压力Pb>压叶轮背面压力Pc，机油在压力的推動下，沿着漏油途径，从而机油沿着密封环的径向和轴向开口流出，整车管路密封不良的部位表现为漏油故障，如图1所示。

2  分析与改进

结合售后调研和故障件拆解，排除了增压器制造因素，根据压端漏油原理，中间壳回油腔压力Pb>压叶轮背面压力Pc，需要通过试验分析漏油原因。根据经验分析，整车进气管路密封不良、空气滤清器进气阻力大、增压器回油管走向不良回游不畅、增压器轴封设计等这些原因，都会造成轴封两端压力不平衡，导致压端漏油。

2.1 整车进气管密封性

售后漏油车辆，较多反映中冷器管口位置漏油。经分析发现，中冷器管口有铸造合模线，无法与进气胶管形成良好密封。为验证接口的密封性，模拟整车运行状态，将进气胶管与中冷器用卡箍拧紧，沉入水中（水温90℃），通入2.7bar压缩空气保压3分钟，观察各连接位置是否漏气。试验显示，中冷器管口位置大量泄漏。将中冷器管口由毛坯面改进为螺纹结构，措施上场后，故障得到改善，但未得到根本解决，需要进一步分析故障原因。

2.2 增压器道路试验

为进一步分析故障原因，本文模拟车辆运行状态，进行了增压器道路试验。利用特制试验用增压器，检测增压器和发动机参数（空气滤清器的进气阻力、压端出口压力、增压器叶轮转速、机油压力、增压器中间壳体压力、曲轴箱压力、涡端进口压力和温度、涡端出口压力和温度、机油压力、发动机转速、发动机扭矩、中冷后进气压力），通过数据分析，判断是否出现过中间壳回油腔压力Pb>压叶轮背面压力Pc的工况，分析产生的可能原因。

2.2.1 空气滤清器清洁度

调研发现空气滤清器较脏的车辆漏油较多，空气滤清器堵塞后，恶化漏油[4]。测试空气滤清器的进气负压发现：脏的空气滤清器进气负压过大，有30%的运行工况不符合要求（标准为<6.3Kpa），有些工况超过了12.5KPa;新空气滤清器仅有4%的运行工况超过标准值。试验证明了空气滤清器的清洁度对增压器漏油有一定的影响，会恶化增压器的密封性。空气滤清器清洁度主要受用户的自觉性影响，无法根本控制。

2.2.2 增压器回油管走向

理论上，增压器中间壳回油压力应等同于曲轴箱压力，即两者差值为0。若大于0，说明增压器回油管回油不畅通，增大了压端中间壳体腔体压力，会恶化轴封密封性。试验数据显示增压器中间壳回油压力始终大于曲轴箱压力，经分析为回油管回油不畅（直径细和弯折度大）造成该问题。针对该问题，优化增压器回油管内径和走向，利用应用软件AVL FIRE模拟，边界条件（同一流量和压差）：流量，390kg/h，温度为120℃;压力差值为10mbar，改进后回油管，回油阻力从12.06pa降至6.94pa，回油顺畅性提高了大约40%。

2.2.3 怠速工况分析

试验结果显示，发动机怠速工况（550rpm），中间壳回油腔压力Pb>压叶轮背面压力Pc，漏油风险较大，如图2红色区域所示。由于怠速工况，进气压力低，压端背压低，轴封不容易形成密封。大量的试验数据显示，怠速密封性的好坏直接决定了增压器漏油性能的好坏[5]。

根据轴封密封原理：一是创造有利的压力平衡条件，使压气机叶轮背面压力始终高于轴承体内油腔压力;二是气腔与油腔严密分开，减少飞溅到密封环附近的机油量，增压器中间壳体的机油快速回至油底壳，形成改进方案。

方案1：由单道密封环改进为双密封环，增强轴封密封概率;方案2：加大气封板内腔和挡油板储油腔，提高密封结构储油能力，确保油落顺畅，及时返回中间壳，降低中间壳体回油腔压力。通过可视化漏油试验、长期怠速试验、抗恶劣进气负压试验，增大进气负压，对比两种方案的抗漏油能力：

①可视化漏油试验：定性评价就是确定漏油还是不漏油，普遍采用可视化的方法。本文利用透明可视化的增压器试验台，对比抗进气负压能力。怠速工况，逐渐增加进气负压，每个转速和压差下重复多次，实时观测不同转速和压差下的漏油情况。试验结果：方案2在怠速工况的抗负压能力大幅提高，从原结构的-10mbar提升至-25mbar。

②长期怠速试验：在同一台发动机上，对2种轴封的增压器进行怠速试验，每隔4小时观测有无漏油现象发生，直至漏油发生。试验结果：在怠速条件下，方案2在发动机怠速40小时内未发生漏油现象，明显优于方案1。

③抗恶劣进气负压试验：模拟空气滤清器脏的工况，逐渐增加进气负压，怠速稳定运行20分钟，检查涡轮背面和涡壳出口是否漏油，考核增压器抗漏油能力。试验结果：方案2进气负压达到11Kpa未发现漏油，方案1进气负压8.5Kpa出现了漏油，明显优于方案1。

通过以上试验结果，方案2-加大气封板内腔和挡油板储油腔密封性优越，作为增压器压端轴封改进的最终方案。中冷器、增压器回油管走向和压端轴封的改进措施上场后，售后故障率降低了60%，优于同行业产品。

3  结束语

①降低涡轮增压器压端漏油故障，一是创造有利的压力平衡条件，使压气机叶轮背面压力始终高于轴承体内油腔压力;二是气腔与油腔严密分开，减少飞溅到密封环附近的机油量，中间壳体的机油快速回至油底壳。

②整车进气管结构密封性、空气滤清器清洁度、增压器回油管走向和增压器自身结构是影响增压器漏油的主要因素。低速怠速工况为增压器压端漏油高风险工况，从根本上解决漏油问题，需要优化轴封结构设计，提升轴封的密封能力。

參考文献：

[1]朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器[M].北京：机械工业出版社，1992：1-2.

[2]李建新.车用涡轮增压器的轴密封与轴承[J].车用发动机，1999（6）18-22.

[3]魏名山，马朝臣，黄若.车用涡轮增压器密封结构的检测[J].车用发动机，2004（4）：50-51.

[4]李春成.柴油车废气涡轮增压器的常见故障及检测[J].汽车实用技术，2004：44-46.

[5]周虹伟.涡轮增压器主要部件结构特性及改进研究[J].中国铁道科学，2004（2）：72-76.