涡轮增压技术概论

涡轮增压技术入门 为什么增压 涡轮增压器涡轮增压器更换要点涡轮增压器常见故障及使用注意事项保养与涡轮增压柴油机故障排除新型涡轮增压系统 涡轮增压技术概论 为什么增压 涡轮增压器涡轮增压器更换要点涡轮增压器常见故障及使用注意事项保养与涡轮增压柴油机故障排除新型涡轮增压系统 为什么增压 优点 能够提高发动机的输出功率 降低发动油耗 降低排放 效果 在发动机的功率需求一定时 通过增压 可减小发动机的尺寸 可以减轻重量 降低损失 提高发动机工作效率 达到降低油耗目的 提高过量空气系数 降低排放 原理 为了从发动机获取更高的功率需要燃烧更多的燃料 要使更多的燃料燃烧需要更多的空气 要使更多的空气进入发动机需要把空气压缩 压气机的作用就是提高进入发动机进气歧管的空气密度 在尺寸一定的发动机中获取更高的功率 这是发动机普遍采用增压技术的原因之一 自然吸气方式的 非增压 发动机 空气 废气 输出功率100kW 机械增压发动机 排气 250kW 50kW输出功率200kw 50kW 压气机 曲轴驱动压气机 空气密度高 更多的燃料燃烧 更高的功率 空气 涡轮增压发动机 废气 输出功率250kw 涡轮回收利用发动机高温废气的能量 这部分能量如不被利用就白白的浪费掉了 提高热效率 发动机进气歧管通常比排气歧管的压力高 所以通过泵气提高功率输出 压气机 涡轮 空气 实例1 非增压发动机与涡轮增压发动机的功率 油耗比较非增压发动机 空气 废气 4102QB型发动机 发动机 图片和数据来自云内动力股份网页 实例1 非增压发动机与涡轮增压发动机的功率 油耗比较增压发动机 4102QBZ型发动机 空气 废气 发动机 涡轮 压气机 122 4 13 6g kW h 涡轮输出功 上海发动机股份有限公司数据 实例2 非增压发动机与涡轮增压发动机功率 油耗 排放比较 涡轮增压匹配与车用涡轮增压技术 上海发动机股份有限公司数据 实例2 非增压发动机与涡轮增压发动机功率 油耗 排放比较 涡轮增压匹配与车用涡轮增压技术 2009年6月 250kW 50kW 200kW输出 250kW输出 达到节能效果 50kW 优点 涡轮回收利用发动机高温废气的能量 这部分能量如不被利用就白白的浪费掉了 提高热效率发动机进气歧管通常比排气歧管的压力高 所以通过泵气提高功率输出 柴650 汽800 机械增压与涡轮增压的比较 P baromT 21 C AirFilter P 50mbarT 25 C Comp T 180 C Aftercooler中冷器 P 2 1barT 40 C Turb ExhaustManifold InletManifold P 2barT 690 C P P 50mbarT 550 C Silencer消音器 P baromT 400 C MAND0836Euro26 9litre206kW18tontruckshownwithcabtilted 1 1kg m 2 5kg m 3 5kg m 2 2 bar 不同配置的排放控制能力 典型的排放解决方案 以欧洲排放法规为准 下面的表格列举了一些有代表性的解决方案 假设空气含有80 氮气和20 氧气假设发动机每秒需要100g氧气 那么发动机进气就需要为500g EGR工作原理 当进行废气再循环时 为了保证发动机动力性能不下降 每循环所进入的氧气量应当与不带EGR时一样 也就是仍然需要100g氧气 如果不改变发动机的排量 那么这时候就要提高发动机的进气压力 来保证发动机进足够的氧气 燃烧足够的燃料 产生需要的动力 EGR对进气压力的影响 没有EGR NoEGR NoEGR10 EGR EGR对进气压力的影响 NoEGR10 EGR20 EGR EGR对进气压力的影响 NoEGR10 EGR20 EGR30 EGR EGR对进气压力的影响 NoEGR10 EGR20 EGR30 EGR EGR对进气压力的影响 小结增压发动机与自然吸气发动机相比 具有输出功率大 燃油消耗低 污染物排放量低的优点 涡轮增压与机械增压相比 不消耗曲轴输出功 能回收发动机排气能量 提高热效率 成本增加 不足 涡轮增压增加发动机成本 涡轮增压技术概论 为什么增压 涡轮增压器涡轮增压器更换要点涡轮增压器常见故障及使用注意事项保养与涡轮增压柴油机故障排除新型涡轮增压系统 涡轮增压的历史 第一个为大家所知的增压器是由瑞士Buchi在1909年到1912期间发明的 但是他的这项成果直到1925年在船用发动机上应用后才被得到肯定 第二次世界大战时 GE将增压器推广到战斗机上并广泛应用 19世纪50年代涡轮增压器开始应用于汽车发动机 涡轮增压技术称为发动机技术发展的第二个里程碑 由船舶柴油机发展到了车用发动机 车用涡轮增压器一般为径流式涡轮和离心式压气机 压气机 对空气进行压缩 将机械能转化为空气的内能 涡轮机 从柴油机高温排气中获取能量 柴油机废气流经涡轮时膨胀做功 内能转化为机械能 中间壳 支撑 润滑 冷却传动轴 增压器各部分的组成及作用 出气口 无叶扩压器 流道收集室 进气口 进气 出气 压气机径向间隙 压气机前间隙 拓宽流量槽 锥形扩压器 压壳 压气机叶轮或轴 Volute流道 锥形扩压器 压气机叶片分流叶片全叶片 压叶轮 轮毂 进气段 开式叶片 出气段 涡轮转子 叶轮模具的制造 橡胶模工序 机加工铝制叶轮标准件把硅胶浇在叶轮标准件上 允许成型把标准件从成型的硅胶中取出往第一次的成型的硅胶腔中再浇一次硅胶 并成型拔出第二次的硅胶块 橡胶模把石膏倒在橡胶模上石膏凝聚后拔出橡胶膜液态铝注入石膏模中 叶轮材料 铝合金 最大压比在3 5左右 价格便宜 温度升高 强度降低 镁铝合金 可以提高增压压比 价格高 涡轮材料 耐高温合金钢 钛合金 提高转速 增大压气机压比 转子总成结构示意图 轴封 涡轮部件 焊接件 止推轴承 止推套 浮动轴承 压叶轮 螺母 中间壳内转子的装配 润滑油进口 中间壳 挡油环 油封板 润滑油出口 挡油板 完整的增压器装配 叶轮型线 低型线叶轮 叶轮 增压器的类型 CumminsISB 6 7litrePickuptruck MAND0836 6 9litre citybus 中等功率 重功率 大马力 VolvoFH12 12litre OnHighwayTruck CumminsNT 14litre Railcar CumminsQSK78 MineTruck CumminsQSK60 60litre 涡轮增压技术概论 为什么增压 涡轮增压器涡轮增压器更换要点涡轮增压器常见故障及使用注意事项保养与涡轮增压柴油机故障排除新型涡轮增压系统 阻塞线 喘振线 转速线 压气机压比流量特性 压气机出口压力压气机进口压力 压比 横坐标 压气机流量纵坐标 压气机出口压比 通过压气机的空气质量流量与压气机出口压力 压气机转速之间的关系 是增压器与发动机匹配的必需数据 由增压器厂家实验测量得到 阻塞流量 通流特性曲线 涡轮通流特性 涡轮入口压力涡轮出口压力 膨胀比 横坐标 涡轮流量纵坐标 涡轮膨胀比 通过涡轮的燃气质量流量与涡轮机入口压力的关系 是增压器与发动机匹配的必需数据 由增压器厂家实验测量得到 这是个估算数据 发动机进气计算 发动机在某个工况的进气质量流量 可根据发动机容积效率公式变形得到的公式来计算 实际质量流量 体积流量 进气管空气密度 其中 m 质量流量 g s D 发动机工作容积 m N 发动机转速 rev sec NRPC 每循环转数 4冲程发动机为2 Pref 参考压力 Pa Tref 参考温度 K R 气体常数 0 287J g K 充气效率 1 充气效率等于实际进气量与理论进气量的比值 根据进气效率 理论进气量估算实际进气量 选择进气管温度作参考温度 4 2 3 用增压比估算进气压力 5 建立增压比与转速 质量流量之间的 Pcompin 压气机入口压力 Pa IMT 进气管温度 K vol 充气效率 发动机进气计算 5 对于既定的发动机可认为是常数 发动机进气计算 充气效率是和发动机有关的系数 可根据经验 IMT 进气温度 也可根据经验确定 目前发动机技术而言 相同机型的发动机 这些数据相近 简化表达形式 从公式本身分析 增压比与质量流量成正比 与发动机转速成反比 发动机实际分析 增压压比越高 发动机质量流量越大 发动机转速越高 发动机质量流量越大 目的是与压气机取得一致 以便进行匹配 发动机进气计算 采用质量流量系数统一单位 PR表示为 发动机运行线 通过发动机的质量流量与转速 增压压比之间的关系 发动机运行线图与前面介绍的压气机压比流量特性曲线图结合 进行压气机的选择 质量流量和压比间存在一定的联系 如果知道发动机的空气质量流量 就可确定发动机的工况点 由发动机的功率 燃油消耗率和空燃比可计算出空气质量流量Power 360kWBSFC 200g kW hr assumedifnodataavailable Fuelmassflow PowerxBSFC 360 x200 72000g hr 20g secAFR 25 1Airmassflow FuelFlowxAFR 20 x25 500g secMFP airmassflowx T 0 5x 298 86 3kg s K MPaP0 1 质量流量系数计算 发动机进气计算 空燃比需求 目标空燃比随排放法规要求不同而变化 其选取要结合发动机所运用的后处理系统 发动机高速运行时 油气混合与燃烧时间短 需要较大的空燃比 发动机进气计算 根据前面公式计算发动机外特性运行点 发动机外特性点在发动机运行线上的位置 发动机进气计算 小结1 发动机的进气量主要决定于转速和进气压力 通过进气压力建立起与压气机的联系 2 发动机对空燃比有要求 也就是对增压压比有要求 3 可根据发动机充气效率确定发动机的运行线 然后根据发动机的功率 油耗和过量空气系数要求 确定外特性工况点在运行线上的位置 发动机进气计算 太小 增压器超速增加油耗 缩短增压器寿命 有人身危险 合适喘振裕度 转速满足高原要求 将前面计算的发动机外特性运行点置于压气机特性曲线图上 观察相对位置 涡轮增压器选配选配压气机 太大 增压器超速增加油耗 缩短增压器寿命 能量平衡建立压气机与涡轮之间的关系 涡轮机驱动压气机 两者存在功率平衡 涡轮输出功是膨胀比 涡轮前温度和质量流量的函数 已知匹配点的PR需求 发动机流量 可计算压气机耗功 根据发动机最高转速点的质量流量 排气温度确定涡轮的大小 涡轮增压器选配选配涡轮 涡轮变大时 运行点沿发动机运行线下移动 涡轮变小时 运行点沿发动机运行线上移 涡轮增压器选配选配涡轮 Standardhousing标准涡壳 Smallerhousing小的涡壳 Wastegatedsmallhousing带旁通阀的涡壳 ECUcontrolledwastegate旁通阀由ECU控制的涡壳 小结1 根据发动机运行点选择压气机2 由压气机与涡轮的能量平衡估算涡轮流通特性3 根据匹配后的发动机运行点位置 调整涡轮 涡轮增压器选配 涡轮增压技术概论 为什么增压 涡轮增压器涡轮增压器更换要点涡轮增压器常见故障及使用注意事项保养与涡轮增压柴油机故障排除新型涡轮增压系统 增压器常见故障模式 1 涡轮增压器压气机端漏油2 涡轮增压器涡端漏油3 增压器两轮蹭壳4 增压器两轮被异物打坏损坏5 增压器两轮由于铸造原因损坏6 增压器转子轴断 1 涡轮增压器压气机端漏油 检查方法 在增压器轴向和径向间隙良好的情况下出现增压器压气机端漏油 通常压气机的出气口会有油迹出现 在发动机上表现为压气机出气口的连接软管有机油渗出痕迹 叶轮表面和进气口表面有大量灰尘附着 责任判定 若增压器轴向和径向间隙良好 叶轮钢轮未受损坏 转动灵活的情况下出现漏油 在排除发动机其他影响因素的情况下 初步断定是密封环失效引起漏油 为厂方责任 若因进气不畅等发动机相关因素导致漏油 则为用户责任 请及时排除发动机影响因素 压气机出气口的连接软管有机油渗出痕迹 进气口很多灰尘 压气机壳上的油迹 灰尘 压气机壳上的油迹 灰尘 2 涡轮增压器涡端漏油 检查方法 在增压器轴向和径向间隙良好 两轮未损坏的情况下出现增压器涡轮端漏油 通常涡轮表面会有油迹出现 发动机冒蓝烟 废气排气中有机油 责任判定 1 若增压器轴向和径向间隙良好 转动灵活的情况下出现涡轮端漏油 在排除发动机其他影响因素的情况下 初步断定是密封环失效引起漏油 为厂方责任 2 若由于发动机怠速时间过长引起增压器涡端漏油 则为用户责任 增压器本身无质量问题 请及时清洗涡轮端油迹 按增压器规定的怠速时间进行操作 3 涡轮增压器两轮蹭壳 检查方法 将故障增压器从发动机上拆下 用手指捏住转子的两端上下左右进行摇动 若转子轴向间隙 0 12mm 或转子径向间隙 0 40mm 用手转动叶轮不灵活 有发卡或擦壳现象 涡轮和叶轮有明显的摩擦痕迹 责任判定 1 若因为机油或油路脏 机油焦结等引起增压器芯部零件异常磨损 转子轴出现轴向和径向间隙偏离工艺值 引起两轮蹭壳导致的增压器损坏为用户责任 2 若因进气管路及压气机内腔灰尘多或进气短路引起增压器芯部零件异常磨损 两轮蹭壳导致的增压器损坏为用户责任 叶轮和压气机蜗壳相蹭 叶轮边缘出现摩擦痕迹 钢轮和涡轮箱相蹭 钢轮边缘出现摩擦痕迹 机油或油路脏 机油质量差引起止推轴承油孔 油槽内大量杂质和焦粘物堆积 止推轴承工作面磨损严重 机油或油路脏 机油质量差引起浮动轴承油孔 油槽内大量杂质和焦粘物堆积 浮动轴承工作面磨损严重 3 若因不按规定操作导致转子轴烧或磨损 起动后立即轰油门 重复热停车或起动后及停车前未怠速运行3 5分钟 或者使用 加速 熄火 脱档滑行 引起的增压器损坏为用户责任 4 若因机油量不足或机油压力过低引起增压器芯部缺油 转子轴烧蚀 浮动轴承和止推轴承缺油干磨 零件损坏 增压器配合间隙大于工艺值造成两轮蹭壳导致的增压器损坏为用户责任 5 机油清洁或机滤滤芯无堵塞 不缺油但增压器擦壳等故障 则为增压器零件质量 转子轴烧蚀严重 与浮动轴承接触部位严重的干磨痕迹 密封套烧蚀 发兰 4 增压器两轮被异物打坏损坏 检查方法 将故障增压器从发动机上拆下 检查涡轮和叶轮的损坏情况 有否异物击打痕迹 增压器进排气内是否有异物存在 1 压气机叶轮端面被异物损坏 这是由于异物从进气管或空滤器进入压气机壳造成的2 涡轮径向被异物损坏 这是由于异物从柴油机排气支管进入涡壳所造成的 责任判定 非增压器本身质量问题造成的两轮叶片损坏 均为用户责任 叶轮端面被异物打坏的情形 钢轮径向被异物打坏的情形 5 增压器两轮由于铸造原因损坏 检查方法 将故障增压器从发动机上拆下 检查涡轮和叶轮的损坏情况 确定是否为两轮叶片本身质量问题 1 压气机叶轮单独一个叶片掉落 或从中间裂开或叶轮背面部分从基体上裂开 存在明显铸造冷隔缺陷 2 钢轮涡轮单独一个叶片掉落或存在叶片断裂的情形 责任判定 增压器本身铸造质量问题造成的两轮叶片损坏 为厂方责任 由于铸造问题导致的两轮损坏 6 增压器转子轴断 检查方法 将断轴增压器取下 观察转子轴断口周围 转子轴发兰 浮动轴承表面大量黑油污 止推轴承表面干涩 油质脏差 有很多杂质 转子轴断裂 增压器内部缺油 导致转子轴淬火 长期在工况差的情况下使用 转子轴憋断 责任处理 若由于芯部缺油或其他使用问题引起转子轴烧蚀造成的断轴 为用户责任 涡轮增压器使用注意事项 空气滤清器是否清洁完好 1 在安装涡轮增压器前应检查 进 排气管道是否有杂物 进 回油管路是否干净畅通 机油滤清器是否清洁完好 机油是否变质变脏 各进 排气连接口密封垫是否损坏 2 在安装新涡轮增压器或启动长期停用的增压发动机时 应在增压器机油进油孔注入适量的清洁CD级润滑油 并用手转动转子总成使轴承充分润滑3 启动发动机后 不允许立即在满负荷状态下运行 或增压发动机停车前应首先怠速运转3 5分钟 使增压器得到预润滑 防止增压器缺油导致轴承咬死 4 增压发动机润滑油必须使用CD级增压机油 建议使用润滑油 夏季使用20W 50CD或15W 40CD冬季使用10W 40CD或5W 40CD5 定期保养空气滤清器 以免使涡轮增压器的压气机叶轮负压过大 造成增压器超温运转从而漏油 6 定期保养机油滤清器 以免机油过脏 油中杂质颗粒 0 015mm 滤芯在击穿状态下工作 造成涡轮增压器轴承套及止推轴承严重磨损 7 压气机壳进气口与涡轮箱废气进口中 绝不允许有任何异物存在 否则会将叶轮和涡轮打坏 8 带旁通阀的涡轮增压器 其开启压力已由厂家调整好 不能随意进行调节 以免造成发动机性能下降 严重的以致损坏涡轮增压器 9 严禁采用 加速 熄火 空挡滑行 的操作方法 涡轮增压技术概论 为什么增压 涡轮增压器涡轮增压器更换要点涡轮增压器常见故障及使用注意事项保养与涡轮增压柴油机故障排除新型涡轮增压系统 涡轮增压器的维护保养 检查空气滤清器到压气机进气口之间的管路连接头是否牢固与密封 有无漏气 漏油现象 防止异物进入打坏压气机叶轮 1 经常性的维护保养 检查涡轮增压器与发动机进排气管连接螺栓 卡箍螺栓是否牢固 有无漏气现象 检查涡轮增压器进回油管路接头处连接螺栓是否牢固 进回油管路必须洁净畅通 不允许有污垢堵塞管路 检查润滑油质量 注意机油是否过脏或变质 定期更换润滑油发动机每工作150 200小时或行驶5000公里后 应更换润滑油 2 定期性的维护保养 发动机每工作100 150小时 应清洗一次机油滤清器 如滤芯破损须立即更换 发动机每工作100 150小时 应清洗一次柴油滤清器 如滤芯破损须立即更换 用手指握住压气机叶轮端的锁紧螺母 轴向推拉 手感轴向间隙应在0 08 0 25mm范围内 径向上下摆动 手感径向间隙应在0 3 0 6mm范围内 增压柴油机常见故障排除方法 1 发动机动力不足时 应重点检查发动机是否有冒黑烟 烟色正常时 问题可能在燃油系统 烟色浓黑 可从气路开始检查 检查的顺序 空气滤清器增压器进气管增压器增压器与发动机进气歧管的连接 喷油嘴高压油泵输油泵燃油滤清器油箱与管路 2 发动机冒黑烟 检查的顺序 A 空气滤清器 与增压器连接的管路 增压器 与发动机连接的管路 B 喷油器 高压油泵 燃油滤清器 3 发动机有异常噪声 检查顺序 判别是机械噪声或是漏气噪声 判别噪声是否来自增压器