车用涡轮增压器密封结构的检测

收稿日期:2004202220

作者简介:魏名山(1975—

),男,安徽省桐城县人,副教授,博士,主要从事内燃机增压技术和内燃机排放控制的研究.?测试技术与设备?

车用涡轮增压器密封结构的检测

魏名山,马朝臣,黄　若

(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京100081)

摘要:分析了导致增压器机油泄漏的主要原因,提出了检测涡轮增压器密封结构的3种试验方法,即密封环的高温松弛试验、增压器的静态泄漏特性试验和增压器的动态泄漏特性试验。 关键词:车用涡轮增压器;密封环;机油泄漏;检测方法

中图分类号:TK 424.5 文献标识码:B 文章编号:100122222(2004)0420050203

我国涡轮增压器产业经过几十年的发展已经形成了相当大的规模。但产品可靠性和性能问题却制约其与国外品牌的竞争,尤其是产品可靠性问题一直没有得到很好的解决。目前,可靠性问题主要表现在部分增压器运转时的机油泄漏。导致增压器机油泄漏的原因复杂,有产品结构和制造方面的原因,也有使用的原因。如何减少机油泄漏问题的发生已成为涡轮增压器厂家非常关注的问题之一。

1　车用涡轮增压器的密封结构与原理

涡轮增压器在涡轮端和压气机端都设置了密封装置,起封气和封油的双重作用。封气主要是防止压气机端空气和涡轮端燃气向中间体的轴承腔内泄漏;封油主要是防止中间体内的机油向压气机和涡轮流道内泄漏。机油的泄漏不仅使机油消耗量增加,还会使增压器和发动机性能下降,发动机排放恶化,严重时可导致增压器损坏或不能正常工作。

目前车用涡轮增压器都采用密封环式密封结构,即将1个～2个活塞环形的开口弹性环分别安装在涡轮端和压气机端的密封环支撑槽内,密封环依靠其弹力涨紧在密封支撑的外体上(见图

1)。在轴运转过程中,密封环本身并不转动。

这种密封结构环数较少,且有开口,所以只有在密封环两端流体压力近似平衡或者相差不大时才可以达到较好的密封效果;如果两边压力相差过大,就会导致泄漏现象发生。但因密封环式密封结构简单,且较为可靠,车用涡轮增压器几乎都采用该类密封结构;而制造和使用过程中的不当行为,仍会造成漏油漏气现象的发生。

1-回油孔;2-中间体;3-O 形密封圈;4-密封环座; 5-压气机端密封环;6-止推甩油盘;7-压气机叶轮;8-进

油口;9-隔热罩;10-涡轮端密封环;11-涡轮叶轮

图1　涡轮增压器密封结构

2　增压器机油泄漏的原因

增压器机油泄漏主要原因大致可以分为4类:

2.1　密封环设计制造不合格

如密封环弹力不足,密封环的侧间隙或者开口过大等。这种情况所造成的泄漏应该出现在新增压器装发动机运转后。2.2　密封环失效或者轴承损坏

发动机运转一段时间后,由于密封环失效或轴承损坏等原因,会发生较为严重的泄漏。导致密封环失效的原因可能有密封环材质较差、密封环热处理后的硬度不足、密封环的粗糙度达不到要求等;涡轮端密封环还可能因环或环槽部位积炭,导致摩擦

第4期(总第152期)2004年8月 车　用　发　动　机VEHIC LE E NGI NE

N o.4(Serial N o.152)

Aug.2004

烧结,加速损坏。轴承损坏也会导致机油严重泄漏,当然还可能伴随其他如叶轮蹭壳、噪声增大,发动机动力不足等严重情况。

2.3　增压器回油不畅

回油不畅会使中间体轴承腔内油面升高而导致泄漏。其原因大致有3。其一,发动机曲轴箱通风系统堵塞或者变形,发动机活塞环损坏或者缸套磨损等原因引起曲轴箱内压力过高;其二,增压器回油管堵塞、扭曲或者局部截面积过小;其三,增压器安装位置不对,增压器本体轴向倾斜,或者没有保证回油管的方向应在垂直下方左右30°内。

2.4　压气机端或涡轮端压力过低

会使压力平衡被破坏而导致漏油。产生的原因包括空气滤清器堵塞、压气机或中冷器积污、发动机长时间怠速或低速低负荷运转等。

此外,O形橡胶密封圈、挡油板和甩油盘等零件安装不当或者损坏,也可引起增压器机油泄漏,但这些故障发生几率较小。

对于第3和第4类原因引起的增压器漏油,主要是由于设计不当或使用保养不当引起的;作为增压器生产厂家更为关注的是第1类和第2类原因引起的增压器漏油。增压器制造厂家必须有检测手段以检查增压器的密封结构。

3　增压器密封结构的检测

3.1　密封环的高温松弛试验

对涡轮端密封环有必要进行高温松弛试验。所谓应力松弛是当零件的工作温度达到一定值后,若应变保持不变,则零件的应力会逐渐减小[1]。密封环的松弛试验程序是,将密封环固定在夹具上,夹具应能模拟密封环安装在增压器上的受力状态,将夹具和密封环放置在电烤箱内,将电烤箱的温度调节至某一值,保温50h或更长时间。然后取出密封环和夹具,观察密封环的变形情况,测量密封环弹力变化及其开口尺寸的变化;然后根据测量数据对密封环的质量做出评估。

选择电烤箱温度时,可按照增压器的使用状况,选择发动机比较常用的工况,估算或实测涡轮端密封环处的温度,然后将电烤箱调至比估算温度稍高的温度,厂家也可以根据自己对产品质量的要求加严试验规范。

密封环的高温松弛试验的作用是考核涡轮端密封环能否在高温条件下保持正常工作的能力。

3.2　增压器的静态泄漏特性测量

增压器的静态泄漏特性是指增压器在自由状态下密封结构的泄漏特性,须用专用设备进行测量。这是因为泄漏量微小,用普通的孔板流量计、双纽线流量计或者皮托管无法测量;且增压器的进出口多,不利于装夹和封堵。

作者开发出了一种测量增压器静态泄漏的试验台,已申请国家发明专利。增压器装配完毕后,用专用的夹具将其固定好,封闭好有关进出口,然后从其进油口通入压力为50kPa的压缩空气,用电子流量计测量中间体向涡轮端或者压气端的泄漏流量。根据流量计读数,可以基本判断出该增压器的密封结构是否存在明显缺陷。由于增压器的装夹都实现了半自动化,流量计也是电子读数,所以测量一台增压器只需几分钟,比较便捷。

3.3　增压器的动态泄漏特性测量

增压器的动态泄漏特性测量比较困难,直接瞬时测量机油泄漏流量几乎不可能;但可以在小型增压器自循环试验台上开展有关动态泄漏测量的工作。在压气机进口安装一个节流阀,以调节压气机进口压力,让压气机进口保持一定的负压[2],诱导增压器机油的泄漏。增压器在自循环试验台上连续运转200h,测量油箱机油的累积消耗量。根据压气机进口负压的大小以及机油的累积消耗量,就可以对增压器在实际运行过程中可能产生的漏油情况作出评判。当然这需要一定的试验规范和仪器以保证测量的可信度,目前有关方面的研究工作正在开展。

上述3种检测目前还没有统一的国家标准或者行业标准,有的增压器生产厂已经在试用第1和第2种检测。如果业内能就增压器密封结构的检测问题达成共识,出台行业标准,必然会促进我国增压器产业的发展。

4　结束语

增压器机油泄漏是影响增压器可靠性的主要问题之一,引起机油泄漏的原因很多,增压器生产厂家必须在生产时有较完备的检测手段才能保证产品的质量。密封环高温松弛试验以及增压器静态和动态泄漏特性测量是增压器密封结构的主要检测方法。

参考文献:

[1]范钦珊.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2000:

4122413.

[2]Y oshio T,Masanobu I,Y asuhiro I,et al.Development of a

Low Frictional Mechanical Seal for Turbocharger of Autom otive Engines[C].S AE paper900340,1990.

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2004年8月 魏名山,等:车用涡轮增压器密封结构的检测

V ehicle Turbocharger Seal Test Methods

WEI Ming 2shan ,MA Chao 2chen ,H UANG Ruo

(School of Mechanical and Vehicular Engineering ,Beijing Institute of T echnology ,Beijing 100081,China )

Abstract :Lubricating oil leakage of vehicle turbochargers is a serious problem when turbocharger manu factures consider products reliability

and durability.Causes of turbocharger oil leakage are discussed and three test methods of turbocharger seal are proposed.The three methods are high tem perature relaxation test of piston ring ,static turbocharger and w orking turbocharger leakage measurement.The three methods are expected to be effective to s olve the oil leakage problem.

K ey w ords :vehicle turbocharger ;piston ring seal ;oil leakage ;test methods [编辑:段金栋]

?产品技术?

窄角直喷技术

据法国石油大学的研究人员称,他们经过数年时间的研究,已取得窄角直喷技术的成功。该技术可有效降低NO x 和可吸入PM 的排放量,使柴油机的排放“轻松”满足欧Ⅴ排放标准。

窄角直喷技术是从根本上抑制污染物的产生,防患于未然,改变了过去通过滤清装置来吸收生成的污染物而达到净化排气的做法,从而也避免了定期清洗或更换滤清器,节省了工时和费用。

2005年即将全面实施的欧Ⅳ标准规定,车用柴油机NO x 排放应小于0.56g/km ,可吸入PM 排放应小于0.05g/km ;欧Ⅴ排放标准将这两个限值分别降到0.08g/km 和0.0025g/km 。目前,欧盟还没有制定实施欧Ⅴ标准的时间表,但业内人士普遍认为可能会在2008年到2010年之间。

据悉,窄角直喷技术早在2000年就申请了专利。目前,已有包括博世、西门子、德尔福在内的多家公司表示愿与法国石油大学开展合作,推动这一技术的产业化和市场化。

以钯(Pd )代铂(Pt )降低催化剂成本

全球柴油机催化剂第一生产商,比利时金属及特种材料生产集团Umicore 近日宣布,已成功研制出以Pd 代Pt 的催化剂生产技术,将用于柴油机排放控制系统的催化剂生产。

该公司称,目前Pd 的市场价格为Pt 的1/3,而Umicore 的技术可取代原催化剂中1/4的Pt ,每辆车的催化剂可降低成本20美元。20美元虽然微不足道,但对几百万辆车的产量来说,其降低成本的数量是相当可观的。预计新型催化剂会于2005年正式进入市场。

标致-雪铁龙集团认为这是一个令人鼓舞的消息,它使根据用户需求和成本约束来选择最佳的贵金属搭配比例成为现实。但有分析家持不同意见,他们认为Pd 同样为稀有金属,并非天生价廉,其所以价格较低是因为需求不旺,一旦该技术得以推广,Pd 的需求量必然会增加,价格也会随之上扬,节约成本的初衷也会

成为泡影。(Ren 供稿)

欢迎订阅2005年度《内燃机配件》杂志

《内燃机配件》系中国内燃机工业协会会刊,由协会与石家庄金刚内燃机零部件集团有限公司共同主办。

本刊以内燃机中的活塞、活塞环、活塞销、气缸套、气门和轴瓦六大配件为主,是全国内燃机配件行业唯一一份专业技术刊物。

本刊围绕六大配件的产品结构、材质、标准、质量、工艺、工装、设备、测试手段等方面的先进技术和先进经验及国外引进技术资料,同时还增加了相关的政策信息和行业报道。

读者对象为:内燃机配件企业、内燃机主机企业和内燃机维修站的工程技术人员和管理人员,也适合工科院校的师生、科研单位的技术人员阅读参考。

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25? 车　用　发　动　机 2004年第4期