渦輪增壓器工作原理和維修

www.cq360.cn 來源：互聯網作者：jiaer.qx 類別：汽車構造維修時間：2008-06-01

                       一、發動機和空氣增壓系統的工作原理

    在討論渦輪增壓發動機系統之前，先回顧一下內燃機的基本工作原理及其同空氣增壓系統的關系。內燃機是一種耗氣機械，因為燃油需要與空氣混合才能完成燃燒沖程。一旦空燃比達到某一值后，再增加燃油，除了將黑煙和未燃盡的燃油排到大氣中外，不會產生更多功率。發動機供油越多，黑煙就越濃。因此，超過空燃比極限后，增加供油量只會造成燃油消耗量過多、大氣污染、廢氣溫度升高，并使柴油機壽命縮短。由此可見，增加空氣量的能力對發動機來說是多么重要。

    渦輪增壓器是一種利用發動機排氣中的剩余能量來工作的空氣泵。廢氣驅動渦輪葉輪總成，它與壓氣機葉輪相連接，如圖1 所示。當渦輪增壓器轉子轉動時，大量的壓縮空氣被輸送到發動機的燃燒室里。由于增加了壓縮空氣的重量，就可以使更多的燃油噴入到發動機里去，使發動機在尺寸不變的條件下而產生更多的功率。

圖1 廢氣渦輪增壓系統

二、空氣增壓系統的優點

    渦輪增壓有許多好處。非增壓發動機通過曲軸的運動直接從大氣中吸進空氣，而渦輪增壓器向發動機提供壓縮空氣。由于進入氣缸的空氣增多，所以允許噴入較多的燃油，使發動機產生較多的功率并具有較高的燃燒效率。這意味著一臺尺寸和重量相同的發動機經增壓后可以產生較多的功率，或者說，一臺小排量發動機經增壓后可產生與較大發動機相同的功率。其它還有節約燃油和降低排放等優點。

    由于渦輪增壓器為發動機提供了更多的空氣，燃油在發動機氣缸里燃燒時會燃燒得更充分、更徹底。發動機進氣管的空氣保持正壓力（大于大氣壓的壓力）對發動機有幾方面的好處。當發動機進排氣門重疊開啟時，新鮮空氣吹入燃燒室，清除所有殘留在燃燒室里的廢氣，同時冷卻氣缸頭、活塞和氣門。

    渦輪增壓器可使非增壓發動機在高原上工作時得到氧氣補償（使其達到標準大氣條件）。發動機和渦輪增壓器相匹配，使進氣管壓力保持海平面大氣壓。而一臺自然吸氣的發動機，隨著海拔高度的增加，其功率將下降。

三、渦輪增壓器的零部件

    廢氣渦輪增壓器（囹2）是由廢氣驅動的渦輪和徑流式壓氣機組成的，它們分別被安裝在軸的兩頭并有各自的鑄造殼體。軸本身被安裝在中間殼中并由中間殼來支撐。中間殼的兩側分別同壓氣機殼和渦輪殼相連接，典型的渦輪增壓器轉速可以在100000轉/分以上。



圖2 渦輪增壓器結構

n渦輪

    渦輪部分是個向心式的徑流或混流裝置，由鑄造的渦輪葉輪、葉輪隔熱罩及渦輪殼組成，進氣口位于渦輪殼的外直徑處。廢氣流進渦輪，經葉輪葉片，從渦輪殼直徑的中心部位流出。

n壓氣機

    壓氣機部分是個離心式或徑向外流式裝置，由鑄造的壓氣機葉輪、后蓋板及壓氣機殼組成，進氣口位于壓氣機殼直徑的中心部位處。空氣在壓氣機內向外流，經葉輪叫片，從壓氣機殼的外直徑處流出。

n中間殼和轉子

    渦輪增壓器卸去所連接的壓氣機殼和渦輪殼后剩下的部分稱為中間殼和轉子總成。中間殼（又稱軸承殼）以一個精心設計的軸承系統來支撐壓氣機和渦輪的輪輪系統。這一為高速運轉而設計的軸承系統不能象曲軸的軸承那樣承受重的載荷，而是必須精確地定位兩只葉輪的位置，使其盡可能靠近兩端殼子的輪廓型線。這種定位的關鍵是向中間殼油孔、軸承和軸之間的間隙注入潤滑油。注入到間隙里的潤滑油對提高渦輪增壓器的效率和延長使用壽命是極其重要的。

    圖3是潤滑油流動的示意圖，它說明從發動機潤滑系統流出的潤滑油是如何通過油孔和油槽流入兩個主軸承的。潤滑油流過軸承中的油孔去潤滑和冷卻軸承、軸承孔和軸頸。潤滑油也從進油孔直接進入推力軸承，或者通過在壓氣機殼后蓋板的油道進入推力軸承。潤滑油靠重力從中間殼排出。密封系統使中間殼同渦輪級和壓氣機級分開。密封限制潤滑油流進壓氣機和渦輪區域內，并阻止燃氣和空氣從這兩個區域流入中間殼。密封系統由活塞環密封、石墨和O形圖密封、甩油環以及迷宮（螺紋狀的）密封組成，以完成密封任務。當軸旋轉和殼體內氣體壓力建立起來時，密封開始起作用，如圖3所示。





圖3 渦輪增壓器潤滑油路

    各種卡環和螺栓用來防護轉動部件或將它們定位。止推部件用來保證軸向位置。軸的螺母或車有螺紋的葉輪用來連接壓氣機葉輪和渦輪葉輪。渦輪殼和壓氣機殼同中間殼及轉子總成靠螺栓、V形卡箍和／或壓板、鎖緊板來連接。

四、操作步驟／預防性維護

    多年的經驗告訴我們，造成渦輪增壓器事故的主要原因是潤滑問題，例如潤滑油供油滯后、節流或缺油和在潤滑油里有雜質等。占第二位的原因是外來物體進入壓氣機葉輪或渦輪葉輪。

要有良好的維護保養習慣，特別是對空氣濾清器、潤滑油品質和潤滑油濾清器等的維護保養。因為渦輪增壓器工作轉速很高，所以良好的維護保養是非常重要的。適當的操作步驟和預防性的維護保養，可以保證渦輪增壓器的使用壽命和良好性能。

    除了偶爾要對壓氣機進行清洗以外，不需要單獨對渦輪增壓器作周期性的維護保養。因為一般的維修人員沒有專用設備是不能對渦輪增壓器做校準和調整工作，并且渦輪增壓器的潤滑油是由它所在的發動機供應的。所以渦輪增壓器的預防性維護保養主要是保證發動機與空氣增壓系統的完整性以及不讓發動機以損害渦輪增壓器和發動機自身的方式來工作。

    應該鼓勵車主遵守以下預防性措施，以確保渦輪增壓器有最長的工作壽命：

1)  在發動機潤滑油壓力建立以前，必須使發動機保持在怠速狀態。

    發動機在啟動之后立即加速，會使渦輪增壓器在其軸承還來不及得到充分潤滑的情況下就以最大轉速工作。渦輪增壓器在潤滑不充分的情況下工作會損壞它的軸承。重復地這樣做會導致渦輪增壓器過早地損壞。

建議駕駛員起動發動機后應先怠速運行3~5分鐘。

2)  在發動機停車之前，要使它的溫度和轉速逐步地從最大值降下來。

    渦輪增壓器的工作轉速和連續工作溫度都比其它機器要高。當發動機在最大輸出功率或最大扭矩狀態下工作時，渦輪增壓器的轉速和溫度也達到最大值。當發動機在這一工作點突然停車時，會使發動機尤其是渦輪增壓器出問題。這時需要發動機中速怠速或在輕負荷工況下工作一段時間，同時仍要保持發動機的潤滑油壓力和流過冷卻系統的空氣量不變。遵循這些準則可以防止渦輪增壓器長期在缺乏潤滑油的情況下運轉，并可以防止渦輪增壓器內部積碳現象，這是在熱回吸的作用下使軸承或中間殼里的殘留潤滑油碳化而形成的。

建議駕駛員在停機前應先怠速運行3~5分鐘。

3)  預先潤滑渦輪增壓器。

    在更換滑油或做任何維修（包括放出潤滑油）之后，渦輪增壓器需要進行預先潤滑。在發動機啟動前要將曲軸盤動幾次。啟動發動機后，在進入高速運轉前，讓它怠速一段時間，以建立起整個潤滑油循環和壓力。

4)  低溫時啟動發動機必須謹慎。

    當環境溫度過低或車輛長時間不用時，會影響發動機建立正常的潤滑油壓力和流量。在這種情況下，發動機啟動后必須怠速幾分鐘才能進入高速工作狀態。

5)  要避免發動機長時間的怠速。

    當渦輪和壓氣機中氣體壓力過低和渦輪增壓器軸的轉速過低時，潤滑油會通過密封件滲漏到渦輪和壓氣機中。這一般不會造成機械損傷，但會弄臟葉輪，使用戶產生抱怨。

五、安裝和啟動步驟

    安裝者應遵守下列預防措施，以確保成功地更換渦輪增壓器。

1)    要確保包括潤滑油泵和整個發動機狀態在內的發動機潤滑系統的完好，確保所有通道和管路暢通，使它們能夠產生和保持所需的潤滑油流量和壓力。

2)    要確保潤滑油進口供油管路和出口排油管路清潔并布置適當。

a.    潤滑油進出油管路的布置應盡量減少從發動機排氣管和其他高溫熱源傳來的熱量。

b.    潤滑油進油管被積碳堵塞時，要更換它。

c.    若使用軟管，要確保管子不硬化、不折疊，它的內襯不損壞、不剝落。

d.    若使用金屬管，要確保管子無節流或折疊現象。

e.    一些潤滑油進油軟管有可以反復使用的接頭，這樣允許只調換軟管而不換接頭。要確認接頭安裝正確，軟管的內襯碎片不能被遺留在油管總成中。

3)    當渦輪增壓器潤滑油進出口處使用液體成型的密封墊片和密封條時，曾經發現過這樣的問題：即在擰緊接頭時，這種密封墊片和密封條因受擠壓而被擠入潤滑油的油道中。當這種材料進入潤滑油進口后，流向一個或多個軸承中去的潤滑油將被堵塞或切斷，潤滑油流量和壓力會迫使這種材料進入軸承，從而引起軸承的異常磨損。在中間殼潤滑油出口處，由于沉淀物增多，足以在出口處形成潤滑油的節流現象。

4)    對渦輪增壓器進行預潤滑時要注意不可使潤滑油浸沒增壓器。

5)    從開口的潤滑油供油管道中清除空氣。把潤滑油排油管從渦輪增壓器上拆卸下來，這時，盤動曲軸而不啟動發動機，直到潤滑油從中間殼排油口中流出。若潤滑油連續不斷地從排油管中流出來，就表明空氣泡已經被排出潤滑油系統。用漏斗把潤滑油倒回到排油管中。6.要確保潤滑油清潔并處于正常工作所需要的油量水平上。如果有可能，應當用清潔的潤滑油灌滿潤滑油濾清器，以減少啟動發動機所需的時間。

六、故障診斷

    在找出問題的原因之前，不能如通常所做的那樣先輕率地把渦輪增壓器從發動機上拆下來，而應該先檢查和評估渦輪增壓器的工作情況。現場出現的問題大多數可以通過系統故障診斷來解決。如果必須把渦輪增壓器從發動機上拆下來，則在把軟管、夾頭和接頭拆下來時，要確定接頭是否是緊的，是否有漏氣。因為一旦把渦輪增壓器拆下來后，就很難證實產生這類問題的真正原因。

    更換了新的渦輪增壓器的立即出現故障可能與下列因素有關：

1)沒有完全解決造成需要更換渦輪增壓器的問題；

2)在更換渦輪增壓器時產生的問題；

3)渦輪增壓器本身有缺陷。

    一臺已經正常運行的渦輪增壓器，在以后的日子里是不大可能再發現缺陷的。因為在渦輪增壓器工作時，只要觀察它的轉速和溫度就可以很快地發現問題。安裝或發動機系統的問題也可以在更換渦輪增壓器時立即暴露出來。

注意：如果渦輪增壓器能自由轉動并不擦內殼的話，就不要急于判定為渦輪增壓器的問題。

    必須強調的是，渦輪增壓器根本不會改變發動機本身的工作特性。渦輪增壓器不是一種能源，它唯一作用是向發動機提供更多的壓縮空氣，使發動機可以燃燒更多的燃油，從而產生更多的功率。它之所以能夠工作完全是取決于發動機廢氣的流量、壓力和溫度。渦輪增壓器是一個完整的工作系統中的一個主要部件。只是為了方便起見，才把渦輪增壓器用螺栓安裝在發動機的外面，但它的作用絕不亞于發動機的凸輪軸或活塞。渦輪增壓器不可能糾正或克服諸如發動機燃油系統、發動機定時、空氣濾清器堵塞、軸瓦故障等一類的機械故障或缺陷問題。因此，如果一臺增壓的發動機發生故障，而渦輪增壓器已經被檢查并已確定是工作正常的，那么就要象對非增壓的發動機一樣進行故障檢修。簡單地替換一臺好的渦輪增壓器并不能排除發動機本身的機械故障。

    了解渦輪增壓器在整個發動機工作系統中的作用，對成功地診斷和排除故障是非常重要的。同樣，更好地了解渦輪增壓器的一些特點會有助于判定渦輪增壓器的損壞或缺陷以及每次都能一次就安裝正確。下面的步驟是對發動機工作情況變化的綜合評估。在發動機上進行故障分析也將有助于揭露任何外部的或與造成渦輪增壓器故障有關的發動機的問題，這些故障必須被排除，以避免新換上的渦輪增壓器的損壞。

警告：

1)     做增壓器檢查時不能起動發動機，且必須要等到發動機冷下來后才能開始檢查。

2)     在不裝進氣管和不連接空氣濾清器的情況下使渦輪增壓器運轉，會造成人員傷害。外來物體進入渦輪增壓器內可能會造成機組損壞。

渦輪增壓器故障診斷流程圖

表1

表2

表3

表4

表5

表6

表7

七、維修檢查

基本步驟如下：

1)     目測和儀器檢測

檢查渦輪增壓器的外部和安裝情況。聽一聽是否有不正常的機械噪聲。目測一下是否有漏氣、堵塞、溫度過高、節流或葉輪碰殼體的情況。在怠速或低功率時看起來似乎是少量的、不嚴重的系統漏氣，在額定負荷時會嚴重地影響發動機的空燃比和渦輪增壓器殼體中的氣體壓力。所以一旦這種漏氣發生，在額定負荷時將會產生嚴重問題。

a.    聽一聽是否有不正常的機械噪聲并看一看振動情況。

b.      聽一聽是否有高頻噪聲，這可能表明有空氣或燃氣泄漏。

c.      聽一聽周期性噪聲的程度，這可能表明在空氣濾清器和管道中有節流。

d.    檢查螺母、螺栓、壓板和墊片是否有漏裝或松動現象。

e.    檢查發動機進排氣管及其管道和固定件是否有松動和損壞。

f.    檢查潤滑油進出管道是否有節流或損壞現象。

g.    檢查渦輪增壓器殼體是否有裂紋或損壞。

h.    檢查外部潤滑油或冷卻介質是否有泄漏，檢查渦輪增壓器外表面是否有污物沉淀（表明空氣、潤滑油、排氣或冷卻介質泄漏）。

i.    檢查是否有明顯的熱變色。

j.    檢查空氣濾清器是否有明顯的節流現象。

k.    查廢氣放氣閥是否有自由運動和損壞。必須確保軟管情況良好，接頭是緊的。按照設備的原始規范來檢查校準和控制系統。

l.        核實渦輪增壓器的結構參數對該用途來說是否是正確的。

記住：這些問題被排除的本身往往不會除掉作為故障指示物的殘留物。這些殘留物的存在常常會引起對渦輪增壓器的不準確評價。當問題已經被排除而殘余物仍舊保留著時，會造成對渦輪增壓器的錯誤評價。例如，若在檢測前已先把空氣濾清器調換成新的，但是殘留物（如發動機進氣管中由于以前節流時殘留的潤滑油助保留著，會使您錯誤地認為殘留物不是節流造成的，而是別的原因造成的，人人而得出不存在空氣阻塞的結論，即使殘留物證明可能發生過節流。

在完成故障診斷的其余部分之后，再排除任何安裝上的問題。如果渦輪增壓器的零件損壞了，則應當先更換零件，然后再進行校正，以防重新產生問題.