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涡轮增压器的原理与使用注意事项分析

更新时间:2016-07-05

1 涡轮增压器的工作原理

涡轮增压器的重要部件包含有:排气涡轮,连接轴,进气涡轮,壳体和中冷装置[1]

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涡轮增压器的排气涡轮安装在发动机排气歧管末端。排气涡轮再通过连接轴与安装在空气滤清器末端的进气涡轮相连,涡轮增压原理图见图1。当发动机运转时,利用气缸内排气行程中排出的废气带动排气涡轮旋转,通过连接轴同时带动进气涡轮转动,将经过空气滤清器过滤和压缩后的纯空气通过进气冷却器的中冷装置送入气缸内。由于经过进气涡轮的强行吸入以及中冷装置对气体的冷却作用,在同等车速条件下使进气量大大增加。

图1 涡轮增压原理图

当发动机转速急剧升高(急加速工况时),排气行程排出的废气速度迅速加快,促使排气涡轮转速也急剧升高,进气涡轮与排气涡轮同轴安装,进气涡轮就能够压缩更多的纯空气通过中冷装置进入气缸,由于受到进气涡轮的压缩作用和中冷装置的冷却作用,致使进入气缸内的空气压力和密度均比自然吸入的空气压力和密度大,即进气量增加。这样就使得空气与燃油的空燃比更加趋近于理论空燃比。(理论空燃比为14.7:1),实现了燃油的近乎完全燃烧,提高发动机的燃油经济性,减少尾气污染物排放[2]。同时提高发动机输出功率。在不改变燃料性质和工作效率的前提条件下,装配涡轮增压器是提高输出功率最直接最有效的办法。一般能使发动机增加输出功率在10%-40%左右,并且减少尾气中一氧化碳,碳氢化合物和氮氧化合物的含量。

2 涡轮增压发动机使用注意事项

2.1 选用适合涡轮增压发动机的高品质机油

与自吸式发动机相比较来说,应用了涡轮增压器的发动机,进气涡轮和排气涡轮不但工作转速高,而且工作环境也是十分的恶劣。进、排气涡轮在工作时始终处于高温和高速旋转的状态,促使进、排气涡轮高速旋转的动力源直接来自于排气行程所产生的废气,普通工况下气缸内排出的废气温度可以达到800°C-900°C以上,在满载全负荷工况下,涡轮的转速可达150000r/min-200000r/min,此时整个涡轮增压器都会呈红热状态。

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涡轮增压发动机要求所使用的机油具有在高温时需要有可靠的润滑性,在低温的时候需要有良好的流动性[3]。同时在发动机工作的全过程中具有一定的密封性和冷却效果。

发动机是一台由精密部件组装而成的仪器整体,而今涡轮增压器的介入让发动机变得更加复杂和精密,涡轮增压器在工作过程中要吸入大量的空气,如果吸入气缸的空气中存在较多的杂质或杂质颗粒较大,杂质被吸入气缸时由于高速的气流运动,杂质颗粒便会持续不断的高速撞击旋转中的进气涡轮,轻者造成进气涡轮运转失常影响进气效率、重者导致进气涡轮磨损加剧减少涡轮寿命。

2.1.2 润滑介质的高温抗氧化性

相对于普通矿物质油来说,全合成油具有较高的抗氧化性,以及极佳的黏温性和低温流动性,热蒸发损失低,油膜强度高,泡沫少,不容易出现油泥等特点。此外全合成机油中还加入了各种添加剂,此类添加剂的加入主要性能表现在良好的耐磨性,更好的润滑性、更高的温度适应性和更长的换油周期。

2.1.1 润滑介质的黏温性和低温流动性

鉴于涡轮的工作环境如此恶劣,普通的滚动轴承完全无法承受如此的高温,为了使涡轮增压器有效而稳定的长时间运行,涡轮连接轴均采用浮动设计,使连接轴浮动在润滑油中。进、排气涡轮与连接轴之间极为狭窄的空间内充满了流动性良好的机油,不仅起到良好的润滑作用,在润滑油的流动过程中还能将由于相对运动产生的金属杂质带走起到一定的散热效果。

(2)①有机碳的脱除率受两个因素的共同影响:一方面,温度越高,反应速率越快,在相同投料比、相同反应时间内,有机碳的脱除率越高;另一方面,温度升高可使较多的H2O2分解,氧化剂的量减少,使得有机碳的脱除率降低。80℃后,H2O2分解对有机碳脱除率的影响超过了温度升高的影响,导致脱除率逐渐降低。

黄金,自古以来便是尊贵、财富、好运的象征。曾经作为“一般等价物”的黄金,不仅仅是一种有特殊魅力的石头,它自身更拥有着神秘甚至代表着权利。一种物质的酝酿直到诞生,文化就紧随其后,黄金也不例外。在黄金诞生之初,就被权贵们垄断,东西方无一例外,据说黄金是唯一一种具有和太阳一样光芒和色彩的物质。这些神秘的文化,波及着历代人民的心理,于是黄金这个“人间太阳”便出现在金融货币、社会文化、政治生活等等各个领域,被精心制作成各式各样的首饰佩戴。

在长期高温高压工作环境下,润滑油内的化合物氧化速度会进一步加快,从而加速油泥的产生,此时作为润滑介质的机油就需要有十分良好的抗氧化性,以减少因氧化而产生的酸性物质和油泥保证机油长期稳定有效的工作[4]

2.1.3 润滑介质的油膜强度和抗剪切能力

涡轮的旋转部件之间存在着较高速度的相对运动,为了降低旋转部件之间的摩擦阻力,在运动过程中零件之间应始终存在一层油膜并且油膜的性能不应因零件的相对运动而减小或失效。

1)通过2个不同开灌比区域的单位注灰量对比分析,单位注灰量采用2∶1开灌的孔段在前2个次序灌注中明显大于1∶1开灌的孔段,前者单位注灰量为403kg/m,后者为364kg/m。

考虑到涡轮增压器恶劣的工作环境和较高的工作转速,我们在选择润滑介质时主要注意下面几个性能指标:

3 保持增压器中涡轮的整洁

“……头上的气流像要把我扯上去,其实那是我期待很久的一种感觉,好像下一秒就自由了,无拘无束了。不用再听我妈的唠叨,不用再过枯燥的生活,可以一直飞一直飞了……可真到了那个时候,我忽然发现自己原来没有想象中那么期待!我居然害怕了……我不想死,不想离开……我还没孝顺我妈,我还没生个小孩陪他长大,我还要跟七哥白头偕老……

此外,如果长时间未按换油周期更换润滑油,润滑油一旦失效或润滑油中存在的杂质较多时,当车辆长时间处于高负荷高转速运行时,坚硬的杂质颗粒会导致涡轮轴径、曲轴轴颈、凸轮轴轴径、气缸壁、轴瓦表面迅速拉成条状;严重的容易发生拉缸、化瓦等现象。润滑油中的杂质颗粒还会附着在机件表面形成麻坑、点蚀,加剧机件磨损。因此在车辆使用过程中要按时定期更换空气滤清器以及机油滤清器,保持涡轮增压器内部的整洁干净。

4 确保进气通道的通畅和进气质量

进气管路的走向和管径的大小是在汽车设计过程中经过长期实验测算得出的结论。随意改变进气管路的走向或管径,会严重影响进气气流进入气缸的通畅程度,增加进气阻力从而导致发动机进气量的减少。

家用轻型汽车大多使用的空气滤清器为纸质空气滤清器,纸质空气滤清器主要利用过滤纸来过滤空气中的杂质颗粒。有些车主为了达到更好的过滤效果或减少更换空气滤清器的次数以提高经济性,保养时会选购一些加密型空气滤清器或者在保养时使用高压空气将滤清器表面的灰尘吹干净。以上两种做法不仅起不到提高进气质量和节省维修成本的目的反而会由于滤清器的滤网层数过多而增加进气阻力。高压空气清理滤清器表面会导致滤芯表层被破坏过滤效果下降发动机磨损加剧,损伤发动机。

5 冷启热车要轻载慢行

采用了涡轮增压器的发动机具有水温上升更快,热车和暖风效果更好的特点,尤其是冬季的北方地区效果更为明显,但为进一步延长涡轮增压器的使用寿命,建议在车辆停放一夜后次日启动时先将车辆原地怠速运行1分钟且怠速转速达到1000r/min左右,让发动机的润滑系统和冷却系统都能持续稳定工作一段时间,保证润滑系统建立起一定的机油压力,然后再起步行驶。涡轮增压车型切记热车后马上进行高速运转,特别是上坡、重负载等项目更是大忌。涡轮增压器属于高速运转部件,因此更需要较高的润滑压力进行保护,而润滑系统工作压力还未达到规定压力时就马上高速运转会让发动机得不到应有保护,此时如果强制车辆处于全负荷工况,将会加剧涡轮增压器的磨损,缩短涡轮使用寿命。

6 按时检查定期保养

相对于涡轮增压发动机而言,自然吸气式发动机的保养项目较少,保养周期有一定的弹性,初次选购涡轮增压车型的车主在进行例行保养项目时除了检查自吸式发动机的保养项目外还需要定期检查涡轮增压发动机的各个密封部件,包括涡轮增压器运行时是否存在异响或者震动;进气涡轮的进气管壁内是否有机油;连接增压器的进油管和回油管连接头是否松动、漏油、排气涡轮的排气口附近是否存在机油或油泥等。

涡轮增压发动机在带给我们更加澎湃的输出动力和更加环保的尾气排放的同时,我们也应该看到和传统的自然吸气式发动机比较来说其较高的价格和维修保养成本。只有在我们日常的使用过程中采用正确的使用方法,按照规定的项目定期保养才能发挥出涡轮增压的真正作用。

参考文献

[1]王增全,王正.车用涡轮增压器结构可靠性[M].北京:科学出版社,2013.

[2]王建昕,帅石金.汽车发动机原理[M].北京:清华大学出版社,2011.

[3]于增信.汽车发动机构造、原理与维修[M].北京:机械工业出版社,2014.

[4]王勇,杨延俊.柴油发动机维修技术与设备[M].北京:高等教育出版社,2005.

沈洪松
《电大理工》 2018年第01期
《电大理工》2018年第01期文献

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