淺析柴油機(jī)廢氣渦輪增壓器的論文
[摘要]為提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，降低油耗，廢氣渦輪增壓器被廣大泛的使用在一些重型汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)上，本文通過分析了廢氣渦輪增壓器的工作原理，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)一步的剖析了柴油機(jī)經(jīng)增壓后性能及結(jié)構(gòu)上的變化。闡明了增壓器使用注意事項(xiàng)和常見故障排除，對(duì)于正確使用增壓器提供了理論依據(jù)。
[關(guān)鍵詞]柴油機(jī) 廢氣 增壓器 原理 結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)
現(xiàn)在一些重型汽車的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上廣泛應(yīng)用廢氣渦輪增壓器，其目的是盡可能地利用廢氣的能量在渦輪中增大發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣密度，提高進(jìn)氣壓力，并相應(yīng)的增加噴油量，就可以在基本結(jié)構(gòu)變化不大的情況下，增大柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率。從而可以減少排氣污染和降低油耗率。
一、工作原理
柴油機(jī)排出的高溫和一定壓力的廢氣經(jīng)渦輪殼進(jìn)入噴嘴，將廢氣的熱能及壓力能變成動(dòng)能，并以一定的方向流向渦輪葉輪，從而使渦輪高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)同軸上的壓氣機(jī)葉輪亦高速旋轉(zhuǎn)，新鮮空氣經(jīng)過空氣濾清器被吸入高速旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)葉輪，使氣流速度增加，壓力提高，再經(jīng)過擴(kuò)張器與壓氣機(jī)殼，使氣流的動(dòng)能變成壓力能，壓力進(jìn)一步提高，增大密度的空氣最后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣增壓提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率的目的。
二、基本結(jié)構(gòu)
渦輪增壓器主要由壓氣機(jī)和渦輪兩部分組成。壓氣機(jī)主要包括單級(jí)離心式壓氣機(jī)、擴(kuò)張器和壓氣機(jī)殼；渦輪部分主要包括渦輪殼、單級(jí)徑流式渦輪。渦輪軸與渦輪是采用摩擦焊接連成一體。壓氣機(jī)葉輪以間隙配合裝在渦輪軸上，并用螺帽壓緊。渦輪與軸總成、壓氣機(jī)葉輪經(jīng)過精確的單體動(dòng)平衡，以保證高速旋轉(zhuǎn)下正常工作。增壓器的轉(zhuǎn)子支承是采用內(nèi)支承型式，全浮動(dòng)式浮動(dòng)軸承位于兩葉輪之間的中間體內(nèi)，轉(zhuǎn)子的軸向力靠止推軸承端面來承受。在渦輪端和壓氣機(jī)端均設(shè)有密封環(huán)裝置。壓氣機(jī)端還有擋油罩以防止?jié)櫥偷男孤�。增壓器采取壓力潤滑。潤滑油從機(jī)身上主油道進(jìn)入進(jìn)油口，進(jìn)入潤滑系統(tǒng)，然后通過回油管流回發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼。
三、廢氣渦輪增壓器的特點(diǎn)
1、廢氣渦輪增壓器滯后現(xiàn)象，由于廢氣渦輪的工作相對(duì)于發(fā)動(dòng)氣缸內(nèi)的工作有一定的遲后，同時(shí)，由于渦輪、壓氣機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)的慣性，使發(fā)動(dòng)機(jī)變工況時(shí)，響應(yīng)遲緩，排煙增加，汽車的加速性較自然吸氣稍差。這就是廢氣渦輪增壓器滯后現(xiàn)象。
2、壓氣機(jī)喘振現(xiàn)象，壓氣機(jī)工作不穩(wěn)定，氣流出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，并產(chǎn)生很大噪聲，壓氣機(jī)出口壓力顯著下降，同時(shí)伴有很大的壓力波動(dòng)，柴油機(jī)工作不穩(wěn)，這就是壓氣機(jī)的喘振現(xiàn)象。引起這種現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)流量小于設(shè)計(jì)值較多時(shí)，在增壓器葉道內(nèi)和工作輪葉片進(jìn)口產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流分離引起的。
3、渦輪的阻塞現(xiàn)象，氣體流速在渦輪噴嘴出口截面處達(dá)到高速時(shí)，流量不隨膨脹比增大而增加的現(xiàn)象。
4、超速現(xiàn)象，主要是增壓器流量不夠大，當(dāng)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)還未達(dá)到額定工況時(shí)，增壓器轉(zhuǎn)速已達(dá)極限，繼續(xù)增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率，增壓器將超速運(yùn)行，這是不允許的，應(yīng)重新選配合適的增壓器。
四、柴油機(jī)經(jīng)過增壓后性能發(fā)生的變化
1、柴油機(jī)的功率大大提高，增壓后發(fā)動(dòng)機(jī)功率可提高20——40%左右。
2、使發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率提高，增壓后發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助系統(tǒng)消耗的功率增加很少，但發(fā)動(dòng)機(jī)的功率增加較多，機(jī)械效率提高近8%左右。
3、燃油消耗降低，柴油機(jī)增壓以后，進(jìn)氣壓力增高，燃燒條件改善，機(jī)械效率提高，油耗降低。
4、發(fā)動(dòng)機(jī)單位功率質(zhì)量大大降低，發(fā)動(dòng)機(jī)增壓后，功率增加較多，但發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)變化不大，質(zhì)量增加較少，因而使單位功率質(zhì)量大大地減少。
發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過增壓以后帶來的'新問題
1、使發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷增加，增壓以后，進(jìn)氣壓力提高，壓縮壓力和爆發(fā)壓力也增加，機(jī)械零件的磨損加大，如果使用，保養(yǎng)不當(dāng)容易導(dǎo)致部件的損壞。
2、發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷增加，增壓以后發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)溫度大大提高，使零部件的溫度升高，熱負(fù)荷增加，材料強(qiáng)度降低。
因此，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過增壓以后，零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)化，從使用、保養(yǎng)方面講，必須加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)制保養(yǎng)工作。
五、增壓后發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)上的變化
1、壓縮比減小，是為了防止增壓后最大爆發(fā)壓力過高，以減少機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。
2、供油量適當(dāng)加，因?yàn)樵鰤汉髸r(shí)氣量增加，可供給更多的燃油進(jìn)行燃燒，因此要求供油量增加，以提高功率和扭矩。
3、供油提前角適當(dāng)減小，增壓后壓縮終了的壓力和溫度增高，使燃料備燃期縮短，適當(dāng)?shù)臏p小供油提前角，以防止最大爆發(fā)壓力過大，否則會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒惡化，油溫升高。
4、噴油壓力增大，以適應(yīng)氣缸內(nèi)增大的氣體壓力。
5、噴油器噴孔直徑也加大，以適應(yīng)供油量增加的需要。
6、氣門重疊角度較大，氣門間隙大。增壓以后，為增加進(jìn)氣量，減少熱負(fù)荷，氣門的重疊角度加大。由于熱負(fù)荷增加，氣門等零件的工作溫度升高，膨脹量加大，氣門間隙也相應(yīng)的加大。
7、進(jìn)、排氣系統(tǒng)流通面積有所加大。結(jié)構(gòu)形狀需適應(yīng)增壓的需要。潤滑系和冷卻系也必須進(jìn)行強(qiáng)化后的必要改變。
8、排氣旁通閥，為了防止增壓后柴油機(jī)在高速高負(fù)荷時(shí)排氣流量過大，造成增壓器轉(zhuǎn)速過大和增壓過高，多加設(shè)排氣旁通閥控制壓比。
9、噴油泵的調(diào)速器上需增設(shè)氣壓控制防冒煙限制器，它能根據(jù)柴油機(jī)增壓后進(jìn)氣壓力的大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)供油拉桿最大供油的位置，防止發(fā)動(dòng)機(jī)冒煙。
六、廢氣渦輪增壓器使用注意事項(xiàng)
廢氣渦輪增壓常處于高溫下工作，進(jìn)入廢氣渦輪端的溫度在600℃左右。增壓器轉(zhuǎn)速以每分鐘80000——100000轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)，為了保證增壓器的正常工作。使用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
1、發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)以后，特別是在冬季，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后，應(yīng)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)3——5分鐘，千萬不能猛轟油門，以防止損壞增壓器油封。 2、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火前，發(fā)動(dòng)機(jī)也應(yīng)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)3——5分鐘，讓發(fā)動(dòng)機(jī)、增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速降下來以后再熄火，以防止猛轟油門，增壓器轉(zhuǎn)速很高，突然熄火，機(jī)油泵不工作，增壓器轉(zhuǎn)子仍在高速慣性運(yùn)轉(zhuǎn)干磨損壞軸承。
3、由于經(jīng)常處于高溫下運(yùn)轉(zhuǎn)，到增壓器的潤滑油管線由于受高溫，內(nèi)部機(jī)油容易有部分結(jié)焦，這樣會(huì)造成增壓器軸承的潤滑不足而損壞，因此，潤滑管線在運(yùn)行5萬千米時(shí)最好清洗一次。
4、檢修發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)注意千萬不能讓雜質(zhì)進(jìn)入增壓器，以防損壞轉(zhuǎn)子。
5、每天在出車前、收車后、行車中要經(jīng)常檢查空氣進(jìn)氣管、中冷器管路等連接情況，防止松動(dòng)、脫落、破損以造成增壓器失效、損壞和空氣短路進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸。
6、經(jīng)常在每次二級(jí)維護(hù)時(shí)，注意檢查增壓器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。發(fā)動(dòng)機(jī)停車后，發(fā)動(dòng)機(jī)停車后，用聽針聽，轉(zhuǎn)子靠慣性應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)一分鐘以上，拆卸增壓器修理時(shí)，應(yīng)注意不要碰壞葉輪。如果需要更換葉輪，應(yīng)做動(dòng)平衡試驗(yàn)。
七、廢氣渦輪增壓器常見故障與排除
1、壓氣機(jī)喘振。如果增壓器在工作過程中向氣缸內(nèi)輸送空氣量不足，空氣壓力產(chǎn)生較大的波動(dòng)，在壓氣機(jī)端發(fā)出異響，如氣喘的響聲，這就是喘振。由于喘振，發(fā)動(dòng)機(jī)工作不平穩(wěn)，功率下降，排氣冒黑煙。
產(chǎn)生喘振的原因是時(shí)氣系統(tǒng)堵塞，如空氣濾清器濾芯嚴(yán)重阻塞，進(jìn)氣管內(nèi)油污太多阻隔塞。增壓器的噴嘴環(huán)流通道發(fā)生變形也會(huì)造成喘振。最好是每次二級(jí)維護(hù)時(shí)更換空氣濾芯，車運(yùn)行十萬公里時(shí)，清洗進(jìn)氣通道。
2、增壓器在運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)出雜音，發(fā)出金屬的撞擊、摩擦聲，或者產(chǎn)生振動(dòng)，是增壓器轉(zhuǎn)子和渦殼之間的間隙發(fā)生了變化。應(yīng)當(dāng)拆卸轉(zhuǎn)子檢修、調(diào)整。
3、增壓器在運(yùn)行中出現(xiàn)了強(qiáng)烈的振動(dòng)。這是由于轉(zhuǎn)子組不平衡，軸承損壞造成的，應(yīng)更換軸承及進(jìn)行轉(zhuǎn)子組的動(dòng)平衡校驗(yàn)。
4、增壓壓力下降。該故障的主要原因是進(jìn)氣道堵塞，并進(jìn)入中冷器的進(jìn)氣道連接軟管松脫、破裂造成。
5、增壓器突然停止運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。這是增壓器軸承損壞，轉(zhuǎn)子組燒死所致。應(yīng)當(dāng)更換軸承，如果損壞嚴(yán)重應(yīng)更換增壓器總成。
6、油封漏油。表現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)燒機(jī)油，拆查進(jìn)氣管道有機(jī)油現(xiàn)象。應(yīng)及時(shí)檢修更換油封。
參考文獻(xiàn)
[1] 《重型汽車使用與維修》濟(jì)南交通出版社,2000.
[2] 《汽車構(gòu)造》人民交通出版社,1993.
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