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涡轮增压器的故障诊断与排除
【摘 要】本文主要内容是关于涡轮增压器的原理和使用、常见故障和以后的发展趋势。涡轮增压发动机是利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮位于进气道内，叶轮就压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气，再送入气缸。当发动机转速加快，废气排出速度与涡轮转速也同步加快，空气压缩程度就得以加大，发动机的进气量就相应地得到增加，就可以增加发动机的输出功率了。
【关键词】涡轮增压；原理；故障；发展趋势。
引言
目前石油燃料匮乏，浪费严重，汽油机一般汽油的利用率只有30%—35%。未来汽车发展趋势于节能、环保、安全。油料的不断消耗，迫使人们提高利用率减少浪费。汽车作为石油燃料最大消耗者之一，对科学优化使用石油燃料迫在眉睫。汽车涡轮增压技术的应用使得在相同排量发动机中获得更多的动力，增压后的空气使燃油能够燃烧更充分、更彻底，尾气排放更趋于环保。压缩空气动力来源于废气排放时瞬间惯性冲击力，不加利用也是能量损失。涡轮增压发动机的最大优点是它可在不增加发动机排量的基础上，大幅度提高发动机的功率和扭矩。一台发动机装上涡轮增压器后，其输出的最大功率与未装增压器相比，可增加大约40%甚至更多。[1]
一、 涡轮增压概述
（一） 涡轮增压定义
涡轮增压器(Tubro)实际上就是一个空气压缩机。它是利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮(位于排气道内)，涡轮又带动同轴的叶轮位于进气道内，叶轮就压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气，再送入气缸。当发动机转速加快，废气排出速度与涡轮转速也同步加快，空气压缩程度就得以加大，发动机的进气量就相应地得到增加，就可以增加发动机的输出功率了。常见用于汽车引擎中，透过利用排出废气的热量及流量，涡轮增压器能提升内燃机的马力输出。涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩，让车子更有劲。一台发动机装上涡轮增压器后，其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。这样也就意味着同样一台的发动机在经过增压之后能够产生更大的功率。就拿我们最常见的1.8T涡轮增压发动机来说，经过增压之后，动力可以达到2.4L发动机的水平，但是耗油量却比1.8发动机并不高多少，在另外一个层面上来说就是提高燃油经济性和降低尾气排放。不过在经过了增压之后，发动机在工作时候的压力和温度都大大升高，因此发动机寿命会比同样排量没有经过增压的发动机要短，而且机械性能、润滑性能都会受到影响，这样也在一定程度上限制了涡轮增压技术在发动机上的应用。
（二） 涡轮增压器的组成与工作原理
涡轮增压器的组成由涡轮，压气机，转子总成，轴承机构，中间体和密封装置等组成。工作原理是利用发动机排出的高温高压废气驱动废气涡轮旋转，废气涡轮带动同一轴上的压气机共同旋转，压气机压缩由空气滤清器过滤后的空气，使空气被压缩后增压进入发动机气缸内，提高发动机进气量的装置，减少废气中CO、HC、CL粒等有害物的排放。废气涡轮与压气机通常装成一体。下面是涡轮增压器的工作原理图：

1-1 涡轮增压工作原理图：红色为高温废气，绿色为新鲜空气。
二、 涡轮增压器的常见故障及检修
（一） 故障现象
利用发动机排出的废气驱动发动机主动叶轮，与主动叶轮同轴的从动叶轮也以同样转速转动。[2]怠速时，叶轮转速约为12000r/min，当加速踏板踩到底时，叶轮转速约为135000r/min。因从动叶轮在发动机进气端，加大了进气压力和进气量，避免发动机在较高转速下进气迟滞；能大幅度提高发动机功率和转矩，且最大转矩峰值呈平直线状。
1. 增压器突然停止运转
其原因多为增压器轴承损坏、转子组烧坏，外界物将涡轮、泵轮叶片打坏而卡死等。
2. 增压器涡轮或泵轮端“排油”
当增压器转子轴磨损严重，转子轴密封环失去作用，或操作不当造成润滑条件恶劣致使密封环磨损、拉伤而失效时，涡轮端或泵轮端出现“排油”故障。涡轮端“排油”，会使排气管、消声器产生大量油污和积碳增大排气阻力，降低增压器的转速，使发动机动力下降；泵轮端“排油”，会使发动机进气管道存有大量机油，机油消耗加大，进气阻力加大，发动机动力便下降。[3]
3. 增压器振动剧烈且有噪声
其主要原因是由于转子轴严重磨损，使轴承间隙加大产生振动，涡轮与泵轮损坏或沾有油泥使转子动平衡被破坏而产生噪声和振动。若噪声明显表现出是金属摩擦，则是泵轮或涡轮叶片与壳体碰擦。
4. 增压器气喘
因进气系统堵塞，如空气滤清器堵塞、进气道油灰沉积等原因，造成发动机增压压力下降且产生较大波动，在增压器泵轮端出现如气喘的异响，伴随发动机工作不稳，动力下降，排气管冒黑烟。
5. 增压器增压力下降
进气管道堵塞、轴承与轴磨损、涡轮或泵轮叶片变形或损坏、与壳体摩擦等均会造成增压压力下降。[4]
（二） 故障检修
1. 外观检查
观察涡轮与泵轮以外排、进气联接法兰和接头有无裂纹、漏气等现象，特别要观察增压器“排油”现象是否严重[5]。这点在压气机至进气管之间的橡胶管接头上最为明显。若该接头处仅表现为轻微地渗油，仍属正常现象。若此地漏油严重，表明增压器已不能再使用。此外发动机停机后，用听诊器可以听到增压器转子依靠惯性转动的声音，声音若持续1min以上的时间，表明增压器性能良好。
2. 压气机泵轮部分检修
拆卸压气机与进气管道的连接，观察压气机叶轮和泵壳的摩擦情况、漏油情况以及叶片的损坏情况。若发现叶轮与泵壳有摩擦，而泵壳摩擦部位附着物较坚固，表明泵轮内有损坏；如果发现时外来物损伤了泵轮，或者泵轮轴漏油现象严重，均应对增压器进行维修。
3. 旋转组件检修
若检查涡轮与泵轮没有明显损坏，用手迅速转动增压器转子，应该旋转自如，无明显的研磨噪声和阻滞现象，否则表明轴已烧损。用千分尺检查转子轴轴向间隙以及涡轮端和泵轮端的径向间隙，其值不得超过标准范围。分解拆装旋转组件时，必须做好压气机叶轮、转子轴锁紧螺母的相对位置记号。更换压气机叶轮要做动平衡试验。安装涡轮端和泵轮端两密封环时，开口互成180°，相对中间壳进油口成90°。压气机叶轮锁紧螺母要按规定扭矩拧紧。
4. 涡轮机涡轮部分检修
从涡轮机出气口将排气管道拆除，检查涡轮叶片以及壳体摩擦情况、漏油情况和叶片损坏情况。若发现叶片与壳体有摩擦，而壳体上的附着物坚硬而牢固，可能是涡轮内有损坏，此时必须拆卸修理。若发现积油严重，则应观察该油是从排气系统带来的，还是从涡轮中心排出的，若积油来自轴心且较严重，表明涡轮轴的密封环失效，应对增压器拆检维修。若积油来自排气系统，而叶轮上积油较多，就将涡轮拆卸清洗。
三、 废气涡轮增压器漏油
涡轮增压器漏油一般发生在压气机端，因为压气机密封装置靠叶轮边的是低压区，容易产生漏油故障。
（1）密封不良
压气机端O型密封圈损坏或胶质老化失去作用，这是压气机端漏油的主要原因。
（2）润滑油进口压力过高
增压器润滑油进口压力正常为235~392kPa。当油压高于588kPa时，润滑油便会由密封装置处由涡轮端泄露出润滑油。[6]
（3）回油不畅
回油管截面积太小，引起回油管堵塞；油底壳内的润滑油液面过高造成回油困难；曲轴箱通风管阻塞；活塞环断裂或磨损造成燃气下窜至曲轴箱，使油底壳内的压力增高。
（4）安装不正确
在压气机段和涡轮端槽中装有两个增加器密封环，如果再装配增压器时没有将相邻两环错开180°，也容易造成增压器漏油。
（5）密封环损坏
增压器密封环依靠弹力固定在密封环外壳上。当密封环失去弹力或弹力减小时，增压器传动轴来回窜动，密封环与传动轴上的环槽侧间隙被破坏，使环两端面摩擦损坏，造成密封不良。
四、 涡轮增压器的改进措施
（一） 现代化设计方案和制造技术方面
在涡轮增压器的设计方法上，利用计算机进行压气机和涡轮的空气动力学计算、流场分析和结构设计，在国外已展开多年。一些发达国家在20世纪60年代中后期就已开始利用计算机进行径涡轮的空气动力学与三元流场分析，随后又利用计算机进行离心式压气机的空气动力学计算、三元流场分析、叶轮及叶型设计和强度分析等。目前，国外主要增压器生产厂家都已拥有先进的CAD/CAM和CAT系统，并采用有限元法和先进的激光测试技术来进行3-D粘性流动的建模和验证分析。
增压器的加工制造技术近年来也发展很快，国外于20世纪70年代末成功地将“硅橡胶”技术用于铸造小型后弯压气机叶轮；到20世纪80年代初期，世界各大增压器公司相继推出了带后弯压气机叶轮的新型增压器。[7]KKK公司采用五轴数控铣床，铣削加工锻铝后弯叶轮，强度比铸铝好，且在轮盘通道上保留铣削刀痕，可以减少二次流，有利于改善性能。
（二） 新材料的应用方面
钛铝合金材料具有密度小、高温强度及抗氧化性好等优点，应用于涡轮增压器可以降低涡轮的转动惯量，改善响应特性，消除增压柴油机在加速瞬间冒黑烟现象。目前其他一些新的轻质合金材料也在研制中。
另外，在增压器上也开发使用了陶瓷涡轮，由于陶瓷涡轮的质量较轻，涡轮箱的壁厚能被设计得很薄，在保持包容性不变的前提下可以使增压器的质量减轻。目前，采用陶瓷涡轮的技术难点主要是陶瓷涡轮与转轴的连接。[8]
结束语
通过对涡轮增压器的分析与调研，了解了涡轮增压器的定义与概述、结构组成和工作原理、发展史、改进措施，分析了涡轮增压器常见的故障与检修，对涡轮增压器的结构与工作原理有了深入的了解。认知了废气涡轮增压器的一般故障与故障产生时所产生的现象，和如何去检测故障的方式方法。同时也得知了汽车安装了涡轮增压器能有效的提高发动机的工作效率，能够将发动机气缸里的燃料更进一步的燃烧与分解，减少废气的排放量。并且能有效的清除残留在燃烧室内的废气，冷却气缸、活塞和气门。
参考文献
[1] 林建生,燃气轮机与涡轮增压内燃机原理与应用,天津大学出版社,2005.
[2] 徐立汉,朱建江.废气涡轮增压器的正确使用[J].柴油机,2002.
[3] 李良,雷钧,万仁辉.增压器金属密封件结构性能分析[J].北方交通大学报,2001.
[4] 赵雨旸,增压器,北京:化学工业出版社,2005.
[5] 人民交通出版社,汽车发动机维护与检修,2005.
[6] 山东交通大学出版社,涡轮增压器的构造与维护,2003.
[7] 路家巷.柴油机涡轮增压技术.机械工业出版社,2005.
[8] 王洪章.北京冶金工业出版社,2009.
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