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故障检修与技术维护 |
增压器叶轮打坏的原因分析及预防措施 |
摘要：对于采用自吸式空气供给系统的柴油机来说，漏油，漏水能看得见，且都能在较短的时间内导致发动机不能正常工作。漏气则看不见，而且在相当长的时间内发动机都能正常工作。因此，往往容易被使用者所忽视。本文通过对在实验室试验柴油机性能的过程中，出现的可变截面涡轮增压器损坏时的现象，以及不同原因引起的结果进行了分析。康明斯公司在本文中专门提了几点看法，仅供参考。
一、可变截面涡轮增压器的工作特点
对于普通涡轮增压器，人们已经很熟悉了，但对可变截面涡轮增压器却知之甚少。它与普通涡轮增压器不同的是：在普通涡轮增压器的基础上，增加了废气进入涡轮的导向叶片及调整机构，通过ECU电子控制单元控制导向叶片的角度，以控制废气进入涡轮入口的多少。在发动机低速时，则减小导向叶片的角度，使废气进入涡轮的入口变小，废气进入涡轮的速度和压力就增加，涡轮就能产生足够的动力来带动同轴的压气机叶片转动。以保证进入气缸足量空气，完成柴油的完全燃烧。柴油机转速升高，产生的废气增多时。让导向叶片张开，加大与空气的接触面，大幅度增高增压值，以保证气缸对空气的需求。这样就避免了普通涡轮增压器在发动机低转速时引起的涡轮迟滞，以致不如自吸式空气供给系统吸入气缸的空气量。
所有康明斯ISL系列柴油发电机都使用可变截面式涡轮增压器，通过在加速或瞬变状态提供更快的增压以提高柴油发电机性能。增压器采用了气动执行器，根据性能的需要改变涡轮出口面积，以得到不同的增压水平。关闭可变截面喷嘴（减少涡轮出口面积），涡轮转速将增加，增压压力则增加更快；打开可变截面喷嘴（增加涡轮出口面积）、涡轮转速将降低，则产生很小的增压压力。
可变截面式涡轮增压器具有标准涡轮增压器的功能，它还补充了下列部件：
① 轴承座中的涡轮转速传感器，用来监测涡轮增压器的运转情况。
② 滑动喷嘴，由连接至发电机组空气供应系统的气动执行器驱动。
③ 气动执行器，由空气控制阀控制，接收气罐的空气。
④ 当可变截面式涡轮增压器机构开启，可听到空气从气动执行器释放到空气控制阀的声音。
⑤ 除机油润滑外，还配备了水冷式轴承座。
正常情况下，涡轮增压器会发出“呜、呜”声，其强度随柴油发电机的转速和负载而变化。声音是由极高速旋转的转子总成，以及在生产中采用的转子总成平衡方法综合引起的，因此，全速时声音更大。气动执行器在钥匙开关接通位置时也会发出轻微的漏气声。
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康明斯发电机组增压器位置图 |
冷却液在增压器中的工作过程 |
二、试验原因分析
1、问题的出现
康明斯公司在实验室对两台1.5L排量的柴油机进行性能试验时，结果两台发动机都先后出现了同样的现象，就是发动机在工作过程中突然冒起了黑烟，功率下降，油耗增加。初步检查，都是可变截面涡轮增压器压气机叶片损坏，使进入气缸的空气不足，柴油不能完全燃烧，而引起发动机冒黑烟的。
2、原因分析
（1）杂质撞击压气机叶片而使其损坏
其中一台柴油机出现故障后，经查阅该机在试验过程中的所有统计数据，但均未见异常，检查增压器轴的轴向移动间隙正常。拆开涡轮增压器，检查轴与轴承的配合间隙也正常。从发动机工作的时间上看，造成压气机叶片疲劳损坏也不会成为可能。这样压气叶片就只有在其高速运转的情况下，受到未来杂质撞击而将其损坏。
虽然我们并未考证：压气机叶片在转速多高，杂质质量多大的情况下，才能把压气叶片撞坏。但杂质确确实实能撞坏压气叶片是一个不争的事实，是被实践所证明了的。
（2）涡轮增压器超速运转，导致压气叶片损坏
在查阅另外一台发动机在试验过程中的统计数据时发现：尽管该机并未超速（≤4000r/m），但进气温度和压力却明显超过了规定值。这表明涡轮的转速已经超过了最高限制转速（>265000r/m）.晃动增压器轴，感觉轴与轴承的配合间隙明显超过了规定值。经拆开增压器检查发现，增压器轴已经超过了磨损极限，与之配合的半浮式轴承已经远远超过了磨损极限，肉眼可以看得出轴承孔已严重失圆。
当增压器超速时，温度进一步升高，压力进一步增大，轴与轴承间的润滑油膜就形成质量差，甚至难以形成。轴与轴承在润滑不良甚至干磨的情况下工作。轴与轴承在极短的时间内就磨损超限，引起增压器轴抖动，固定在轴的另一端的压气机叶片就撞向壳体而使其损坏。事实也正是如此，压气机叶片有明显的与壳体相撞的痕迹。
三、防治措施及故障排除
1、避免杂质从压气机入口处进入
要想不引起压气叶片被撞坏，就的防止杂质从压气机入口处进入，就得从以下几方面入手：
（1）保证空气滤清器质量，避免使用质量差的滤芯；
（2）定期检查和保养空气滤清器，及时更换滤芯，以防滤芯破损而使空气滤清器失去过滤作用；
（3）在环境差的地方工作时要提前对空气滤清器进行保养维护；
（4）拧紧接口处的紧固螺栓和夹箍螺钉，以防未经过滤的空气短路从压气机入口进入。
2、杜绝涡轮增压器超速运转
要想不使涡轮增压器超速运转，就必须从引起超速的源头上做起。
正常情况下，只要柴油机不超速，涡轮增压器是不会超速的。ECU通过进入气缸中的空气量来控制着涡轮增压器的转速。当增压后的空气在进入气缸的过程中，中途接口处有漏气的地方，进入气红中的空气就要打折扣了。ECU要维持进入气缸中的空气质量不变，就得提高增压器的转速以加大从压气机入口处的空气进入量。
涡轮增压器转速超限后，温度和压力就会超标，增压器轴与轴承在极短的时间内就报废，导致压气叶片撞向壳体而损坏。
可见，避免从压气机出口到气缸过程中的空气泄露是解决柴油机正常工况下涡轮增压器超速的唯一途径。
3、提升增压器自身强度的角度考虑
（1）适当增大压气叶片的安全系数，以使损坏压气叶片的杂质质量增大，降低杂质损坏压气叶片的概率，以延长涡轮增压器的使用寿命；
（2）适当增大增压器轴尤其是轴承的安全系数，使其耐高温，耐磨性进一步提高；
（3）采用更先进的技术，生产出更加先进的轴与轴承；
（4）适当增大涡轮增压器的体积，通过增大进气量来降低涡轮转速。使增压器在保证了供气不变的情况下降低了转速，使轴与轴承的寿命得以延长。
4、故障排除
严格按照正确的安装方法，更换了可变截面涡轮增压器；对空气滤清器及其进气管道进行了全面的正确的保养和维护；对各接口处进行了必要的换件和重新紧固。以后，故障再未出现。
总结：
上述出现的问题，仅仅是“三漏”中其中一漏—漏气引出的问题。这对传统的不安装可变截面涡轮增压器的柴油机来说，充其量也不过是加速了缸筒，活塞，活塞环等的磨损，发动机仍然能长期正常工作。因此，不能引起人们的高度重视。而对安装可变截面涡轮增压器的柴油机来说就不一样了。进气系统漏气尤其是从压气机出口到气缸过程中的漏气，能导致涡轮增压器较快的损坏，使发动机不能正常工作。因此，防止进气系统漏气就显得尤为重要了。
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