发动机：12.5 涡轮增压器结构

涡轮增压器结构

卡车柴油发动机中使用的涡轮增压器有时峰值转速可达150，000转/分钟，需持续在75，000转/分钟的轴速下工作，并且必须承受可能超过1，400°F（760°C）的高温。因此，涡轮增压器制造所用的材料必须能够承受高温和巨大的离心力。压缩机部件通常由铝合金制造。涡轮机壳体必须能够承受转子破裂。转子破裂是指离心力导致涡轮或叶轮解体。涡轮机壳体由奥氏体（铁和碳的一种特殊晶体结构）Ni-ResistTM铸铁制造，这种材料具有优异的高温强度和抗氧化性。涡轮本身则由镍钢、钴钢或陶瓷材料制造。涡轮轴通常采用合金钢，涡轮通过焊接或螺栓固定其上，而叶轮则是螺栓连接。有时，涡轮轴、涡轮、叶轮和轴承总成会制成一个筒形组件，以便于更换。在对涡轮增压器进行"换芯"维修时，就是更换这个筒形或核心组件总成，而轮毂、涡轮壳体和压缩机壳体则重复使用。

涡轮增压器润滑

当前所有的涡轮增压器都采用浮动式滑动轴承。涡轮轴承设计为在运行时旋转，其转速约为轴速的三分之一，并由两侧的油膜实现浮动。其工作原理属于滑动轴承，意味着涡轮轴在运行期间由流体动力悬浮。因此，径向间隙规格是判断轴承和/或轴磨损程度的关键指标。图12-18展示了一种使用百分表测量涡轮轴径向间隙的方法。一个推力轴承限定了涡轮轴的轴向间隙，涡轮壳体和压缩机壳体上的气体压力则由一对活塞环进行密封。压力输送至轴承的机油会泄入一个回油腔，然后通过回油管在重力作用下流回曲轴箱。用于轴承的润滑油在冷却涡轮增压器部件方面也起着重要作用。图12-19显示了典型涡轮增压器的机油流动路径。

图12–18 检查涡轮轴径向间隙。

图12–19 涡轮增压器内的机油流动路径。

常见的涡轮增压歧管

一个单管歧管用法兰连接到每个发动机气缸的排气通道，涡轮增压器的涡轮壳体用法兰安装在组件中心，使废气得以流经涡轮壳体。这种歧管设计会在气体动力学上产生一些问题，并导致排入歧管的每个废气气团的有效热量不一致。简单来说，对于直列六缸发动机，从第1缸和第6缸排出的每个废气气团体积在进入涡轮壳体通道前，必须比位于发动机中心的第3缸和第4缸排出的气团流动更远的距离。

脉冲/谐振式排气歧管

当前大多数柴油发动机的原始设备制造商（OEM）常采用脉冲/谐振式排气歧管，它使用几何调谐的管道将每个气缸的废气几乎直接导入涡轮壳体的入口通道。这最大限度地减少了气流干扰和废气气团压力变化，而这些正是降低普通歧管系统效率的因素。脉冲式歧管往往能减少涡轮迟滞（涡轮增压器响应时间），并提高发动机低负荷性能。

双流与双通道涡轮增压器 在双通道设计中，涡轮喉口被分为两部分，每一半分别供应涡轮叶轮圆周的一半。另一种变体是双流式，其中两个通道从一个公共喉口供气，以驱动涡轮叶轮全程旋转。V型发动机通常采用双通道或双流式涡轮壳体设计，如图12-20所示。

两级或串联涡轮增压 串联涡轮增压需要使用两个串联的涡轮增压器。术语"初级"和"次级"涡轮增压器（或低压/高压涡轮增压器）指定了所使用的两个单元所扮演的角色。这项技术被卡特彼勒用于其采用电控单体喷油器（EUI）的ACERT发动机系列，以及纳威司达在2013年前生产的MaxxForce 11和13发动机中。随着OEM厂商努力优化燃烧过程以最大化功率并最小化排放，串联涡轮增压可能会变得更加普遍。图12-21展示了卡特彼勒C13发动机上使用的串联涡轮增压器布置。

并联布置 并联是指使用多个涡轮增压器，通常用于为V型发动机的每一排气缸增压。并联涡轮增压器配置目前并未用于任何卡车柴油发动机，但广泛用于大型非公路应用，如图12-22所示的矿用卡车。并联布置也常用于铁路机车应用。

图12-22 用于卡特彼勒矿用卡车发动机的并联涡轮增压器。

复合式涡轮增压

术语"复合式涡轮增压"常被错误地用来描述两级或串联涡轮增压。在真正的复合式涡轮增压器回路中，涡轮并非驱动叶轮，而是通过一个减速齿轮连接到一个与发动机曲轴间接连接的动力输出轴。大多数涡轮复合系统采用粘性驱动。换句话说，涡轮增压器有助于直接驱动曲轴。复合式涡轮增压已在非公路柴油发动机应用中使用了多年，但近年来已被底特律柴油（DD）公司用于其公路用DD15和DD16系列发动机，一些斯堪尼亚、较新型号的马克和沃尔沃发动机（2017款后），康明斯工业发动机以及许多非公路重型设备应用。

此处所示的示例使用了一个CG涡轮增压器。当CG涡轮增压器用于现代复合式涡轮布置时，其峰值燃气效率设定在发动机的额定速度和负载转速：这使得涡轮复合系统能在发动机工作最吃力时，为发动机传动系统提供最大的扭矩辅助。图12-23展示了复合式涡轮增压器回路的关键部件。我们将基于下文描述的DD系统来解释复合式涡轮增压。

图12–23 复合涡轮增压原理图。

轴向动力涡轮 DD公司将其复合式涡轮增压器系统称为轴向动力涡轮（APT）系统。DD发动机上使用的APT是一个霍尼塞尔（Holset）单元。APT利用一个CG涡轮壳体向发动机齿轮系传递驱动扭矩。这是通过将废气驱动的涡轮连接到APT中的减速齿轮来实现的，如图12-24所示。DD公司表示，DD15发动机上的涡轮复合系统可在峰值效率时额外贡献50马力（37千瓦）的功率。

图12–24 复合涡轮增压器与位于发动机后部的DD15发动机传动系的耦合布置图。

APT减速齿轮通过一个粘性驱动装置和小齿轮连接到发动机传动系（见图12-24）。APT小齿轮与APT从动齿轮常啮合（见图12-24）。因此，在低增压、高转速工况下，由于粘性驱动元件的特性，APT的输入可以被超越。涡轮复合技术使涡轮增压器能够同时提供歧管增压和直接驱动辅助。

涡轮增压器注意事项

1.避免热停机：在测功机上进行长时间加载或道路测试后，在关闭发动机前，至少让发动机怠速运转5分钟。

2.预润滑：安装涡轮增压器时，在连接润滑油供应管路之前，通过供油法兰直接将机油倒在涡轮轴上。

一些OEM要求按照保养周期更换机油滤清器时，要先为滤清器注满机油。

热虹吸效应

热虹吸效应在水冷式涡轮增压器的轴和轴承壳体发生热停机时，防止其过热。涡轮增压器冷却回路利用对流和一个循环回路，使冷却液在涡轮轴承回路中循环，直到其温度与平均冷却液温度持平。这可以大大延长涡轮增压器的使用寿命，特别是在校车、皮卡和送货车辆等应用中，这些车辆常常会遭受不良驾驶习惯的影响。

插图由斯堪尼亚提供

涡轮增压器故障

1.热停机。极端的温度故障导致轴和孔变形。

2.涡轮增压器超速。由多种情况引起，包括燃油喷射率被篡改、在高海拔地区运行而海拔补偿燃油控制装置有缺陷，以及整个涡轮增压器单元不匹配。

3.进气系统泄漏。会导致灰尘进入压缩机壳体，使叶轮叶片被侵蚀得像薄片一样。

4.润滑相关的故障。由机油中的磨料、不当的机油、失效的机油或供油受限引起。

涡壳如何工作？

本章中多次使用了"涡壳"一词，学生有时难以理解其工作原理。以下图像应该会有所帮助。图12-25展示了可变截面涡壳如何工作以及对歧管增压的影响。

图12-25 可变截面涡壳涡轮增压器的工作原理。改变涡壳尺寸的能力是理解可变几何涡轮增压器如何工作的关键。

以下是可变截面涡壳的特性：

·喷嘴全开——产生最小的阻力、最大的流量和最低的压力。

·喷嘴几乎关闭——产生最大的阻力、最低的流量和最高的压力。

在可变几何涡轮增压器中，导流叶片的作用类似于花园软管上的可变流量喷嘴，用于管理增压压力。在图12-26中，导流叶片完全打开，因此产生的歧管增压压力最低。在图12-27中，导流叶片几乎关闭（设计上它们无法完全关闭），因此产生的歧管增压压力最高。由于涡壳可以直接由ECM控制，因此可以根据每一种发动机工况精确管理增压压力。

图12-26 导流叶片完全打开：涡壳流道面积最大，导致阻力最小、流量最高、增压压力最低。

图12-27 导流叶片接近关闭（它们永远不会完全关闭）：涡壳流道面积最小，导致阻力更大、流量最低、增压压力最高。