增壓器密封結構改進對漏油的影響研究

何 洪，曹立峰，吳新濤，吉建波

（1.中國北方發動機研究所（天津），天津 300400；2.中國人民解放軍總裝備部裝甲兵軍事代表局，北京 100851）

渦輪增壓器的渦輪端和壓氣機端均有密封裝置，具有封氣和封油雙重作用。泄漏不僅使機油消耗量增加，還會使增壓器和發動機性能下降，發動機排放惡化，嚴重時可導致增壓器不能正常工作或損壞。漏油引發的增壓器故障占較高的比例。統計表明，VTC254－13增壓器漏油故障率為14.6%［1］。更有數據表明漏油故障達60%以上［2］。因此增壓器的漏油問題是增壓器研究的熱點之一。

低泄漏、甚至無泄漏密封的研究仍是增壓器漏油問題研究的重點，尤其是在增壓系統采用如順序增壓、兩級增壓、機械增壓以及EGR系統的應用背景下，增壓器密封在瞬態過程中的密封狀態越來越復雜。例如二級增壓的升速過程，由于高壓級壓氣機轉動慣量小、升速快，造成對低壓級壓氣機的抽吸作用，易于造成漏油。增壓器密封的應用條件更為苛刻，要在這樣的環境中保證密封效果變得更加困難，因此對無漏油密封的需求更為迫切。

目前增壓器多采用活塞環式密封，在正常使用條件下，密封的壓氣機和渦輪側壓力高于潤滑油側，因此密封處會有些漏氣［3］，密封處的潤滑油在該壓力差的作用下，不會向葉輪側泄漏。實現低泄漏或零泄漏主要有兩種途徑，一是在活塞密封基礎上改進，二是采用其他接觸密封。由于接觸式機械密封成本高，機械功率損失大，油門踏板滯后也增大，通常多采用第一條途徑。

1 研究對象與研究方法

1.1 測量裝置與測量方法

增壓器即使漏油，量也微小，測量困難，一般采用定性評價和定量測量兩種方法。定量測量漏油量，直接瞬時測量機油泄漏流量幾乎不可能，一般要持續一定的時間，如采用運轉200h的累積消耗量［4］；還可以通過發動機油耗儀來測量，如 M.Manni研究中采用的測量技術［5］，增壓器采用獨立潤滑油系統，1h測量4次，共持續12h。

定性評價就是確定漏油還是不漏油，普遍采用可視化的方法，目測主觀評定：直接觀察壓氣機背盤、用玻璃管在壓氣機出口收集觀察、用濾紙在壓氣機出口過濾后觀察［2，6］。

增壓器漏油機理表明，引起增壓器漏油的主要外部原因是發動機在某些工況造成渦輪增壓器壓氣機葉輪或渦輪輪背處產生負壓（氣端壓力低于潤滑油端壓力），從而導致密封環兩端正常的壓力平衡破壞而使渦輪增壓器漏油。

本研究研制了一種測量裝置，采用的是直接觀察壓氣機背盤的方法。該裝置通過提高軸承體內氣體壓力的方法來模擬增壓器密封兩端負壓差時（即葉輪輪背氣體壓力低于軸承體內氣體壓力）的情況（見圖1）。并且為了便于觀察增壓器的漏油情況或收集漏油，在不安裝壓氣機殼的情況下，以如圖1局部放大圖所示形狀的當量輪代替壓氣機葉輪。

研究增壓器漏油還須確定測試條件，擁有一個被發動機廠家和增壓器廠家共同認可、在試驗室就能夠評價實際使用狀況下密封效果的試驗規范顯得尤其重要。沒有確定的測試條件，增壓器廠家很難在增壓器研制中去評價漏油情況。因此，如果能夠研究制定行業認可的增壓器潤滑油密封試驗規范，對發動機和增壓器的研發都是一個很好的促進。本項研究按照通常的條件進行測試。

1.2 測量對象

1）原機

原機采用的是普通活塞環式密封，包括密封環、甩油片、擋油片、軸封套及背盤（見圖2）。

2）泵輪

圖3示出泵輪密封結構，由密封環、泵輪、擋油片、軸封套及背盤組成。

3）導流槽

圖4示出導流槽密封結構，由密封環、導流槽、甩油環、擋油片、軸封套及背盤組成。

與普通密封結構不同的是，背盤上增加了導流槽，將從止推軸承流出的潤滑油甩至導流槽周邊，經導流槽流到回油腔，使得密封環處無潤滑油經過，以此改善封油功能。

2 密封結構漏油的影響因素分析

分別調整增壓器潤滑油供油溫度、壓力、增壓器轉速、密封兩端壓差值，測試了幾種參數對增壓器密封漏油的影響。

2.1 供油壓力和供油溫度的影響

在固定增壓器轉速、潤滑油供油溫度的條件下，給定不同的增壓器供油壓力，測試密封漏油能夠承受的負壓差邊界，結果見圖5。由圖5可看出，隨著供油壓力提高，密封漏油能夠承受的負壓差降低了，表明抵御漏油的能力下降了。

然后固定增壓器轉速和潤滑油供油壓力，給定不同的增壓器供油溫度，再次測試密封漏油能夠承受的負壓差邊界，結果見圖6。由圖6可看出，隨著供油溫度的提高，密封漏油能夠承受的負壓差降低了，表明抵御漏油的能力下降了。

分析其原因，當潤滑油量足夠大時，甩油或導流槽等措施就可能失效。由圖7和圖8可見，隨著潤滑油供油壓力和潤滑油供油溫度增大，密封處潤滑油流量是增大的。

2.2 增壓器轉速的影響

對漏油影響較大的另一因素是增壓器轉速。在油溫和壓力固定的條件下，隨著增壓器轉速的升高，密封漏油能夠承受的負壓差邊界隨轉速升高呈降低趨勢，而潤滑油流量卻明顯增加，結果見圖9和10。

2.3 密封兩端壓差的影響

在轉速、油壓和油溫固定條件下提高負壓差，試驗結果見表1。可以看到隨著負壓差的加大，在漏油邊界附近，漏油會隨之增加。

表1 密封漏油情況隨兩端負壓差的變化

2.4 密封結構改進對漏油的影響

本研究的最終目的是要在增壓器處于工作轉速、正常供油的條件下，研究提高密封抵御負壓差的能力。為此對3種結構的封油效果進行了評價。

試驗時機油壓力控制在0.3MPa和0.6MPa，機油供油溫度控制在50℃和70℃，增壓器轉速控制在5 000～12 000r／min，一般漏油發生在低轉速工況，所以轉速控制在低轉速，高轉速時壓氣機或渦輪端氣體壓力較高，不會出現密封負壓差的情況。在各種工況下，增加密封兩端的壓差，尋找到漏油發生時密封兩端的壓差極限值，以此評價3種密封結構的密封效果（見表2）。

表2 3種結構密封的防漏油效果對比

原機采用了最普通的密封結構，僅有甩油環加強了防漏油設計，壓差為1.5～2.0kPa時就發生了漏油，在3種結構中防漏效果最差。泵輪結構較原機有所改善，漏油時壓差提高到4.0～4.5kPa，但在低速時防漏效果存疑，有待于進一步研究。導流槽結構的設計思想得到驗證，實現了防泄漏功能，將漏油壓差提高到了7.0～12.0kPa。上述結果表明，結構改進顯著提高了防泄漏能力，活塞環密封結構優化還是有潛力的。

3 結論

a）潤滑油溫度、壓力、增壓器轉速和密封兩端負壓差的大小均對漏油的發生有影響，潤滑油溫度、壓力和增壓器轉速越高，密封漏油抵御負壓差的能力越低；

b）試驗結果表明，采用新型導流槽的密封漏油發生的兩端壓差提高到了7.0kPa，較原型提高了5.5kPa；結構的改進顯著影響漏油發生，活塞環密封結構優化還是有潛力的；

c）自行研制的采用密閉回油腔的密封漏油測量裝置，能夠實現模擬密封壓差的漏油試驗。

［1］ 佟占杰.VTC254－13型增壓器漏油原因分析及改進措施［J］.內燃機車，2005（12）：28－31.

［2］ 邵澤華.261P－13型機車增壓器常見故障分析［J］.內燃機車，2001（11）：44－45.

［3］ Hong He.Study on the Seal Leakage of Turbocharger［C］／／Proceedings of The Fourth International Symposium on Fluid Machinery and Fluid Engineering.北京：清華大學出版社，2008.

［4］ 魏名山.車用渦輪增壓器密封結構的檢測［J］.車用發動機，2004（4）：50－52.

［5］ Manni M.A Study of Oil Consumption on a Diesel Engine with Independently Lubricated Turbocharger［C］.SAE Paper 2002－01－2730.

［6］ Clemens Simon.Turbocharger Seal for Zero oil Consumption and minimized Blow－By［J］.MTZ，2010，71：36－41.