低慣量增壓器甩油槽結構優化研究

李承運，劉曉瑩，楊美，劉相喜，孫蕭，汪名月，趙福成

（寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336）

引言

隨著國家排放法規的日趨嚴格和消費者對燃油經濟性的要求提高，越來越多的汽車制造廠開始應用小排量發動機來滿足排放法規和油耗的要求。雖然發動機小型化可以改善排放和油耗，但是也會犧牲整車的動力性，通過增壓手段，則可以很好彌補由于排量降低導致的動力衰減。所以，發動機小型化和增壓化，是傳統內燃機動力發展的趨勢所在[1]。

增壓器常見的故障之一是增壓器滲油，通常，壓氣機端和渦輪端都存在潤滑油滲出的問題，滲出的潤滑油或者進入氣缸參與燃燒，或者跟隨排氣進入排氣系統，在排氣管中燃燒，俗稱“燒機油”。增壓器滲油不僅會對發動機潤滑油耗產生不利影響，還會影響發動機的性能和壽命，影響整車的排放[2]。

增壓器滲油是由于增壓器固有的密封結構導致，無法避免，但是通過結構設計優化，可以對滲油問題進行有效改善。本文通過大量試驗總結出容易導致增壓器漏油的工況，針對工況特性，對一臺低慣量渦輪增壓器的甩油槽進行結構優化，提升了對潤滑油的密封性能，有效改善了增壓器渦輪端滲油的問題。

1 增壓器滲油機理研究

增壓器主要的潤滑方式為機油潤滑，發動機正常工作時增壓器端的潤滑油壓力通常可以達到 500kPa～600kPa，所以高油壓對增壓器的密封性能是非常苛刻的考驗。另外，增壓器壓氣機和渦輪端在發動機大負荷時處于高溫、高壓的運行工況，增壓器的密封除了要滿足潤滑油的密封作用，還要兼顧高溫氣體的密封作用，防止潤滑油和高溫燃氣互通[3]。

當下增壓器最常用的密封結構為環式結構密封，即在增壓器同心軸上設計安裝支撐槽，將密封活塞環固定在支撐槽上，密封環利用本身的張緊力，與同心軸的支撐外體緊密相連，圖1是典型增壓器的設計結構圖，零件6即為密封環。

圖1 發動機增壓器結構示意圖

增壓器轉動時，密封環本身不會轉動，通過這種設計，增壓器實現高溫燃氣和潤滑油的相互隔離，達到密封目的。但是由于密封環的結構特點，密封環存在一個固有的缺口，這個缺陷無法消除，是所有密封環的特性。當渦輪機和壓氣機端的氣體壓力，即零件11和零件7處的壓力較高時，能夠形成壓力差密封，保證潤滑油不會從密封環的缺口處滲出，但是當發動機處于小負荷時，例如怠速工況，發動機壓氣機端和渦輪端的氣體壓力很低，會導致高壓潤滑油從密封環處滲漏出來，貯存在圖1 中零件9的隔熱碗型塞中，潤滑油通過二次滲漏進入氣缸或者直接進入排氣系統。圖1中紅色箭頭標明了怠速工況下潤滑油的滲漏路徑和潤滑油流向[4]。

怠速工況下，由于受到壓力差的影響，增壓器內部的潤滑油不斷流向渦輪端，通過聚積效應累積在密封環附近。為了改善怠速工況的增壓器滲油問題，增壓器工程師在密封環前端同心軸上，設計了甩油槽，如圖2 所示。甩油槽的設計目的是讓同心軸上的潤滑油在怠速工況時，盡可能減少在密封環處的聚積。怠速工況下，當潤滑油達到甩油槽處時，會隨著同心軸的轉動，被甩到支撐體壁面上，這樣達到密封環處的潤滑油會有效減少，最終降低潤滑油從密封環處的滲出量，達到改善潤滑油消耗率和排放的目的。甩油槽結構方案已經在不少增壓器上都得到了應用，但是由于發動機和增壓器本體差異，甩油槽的結構都存在一些差異。所以，針對不同的使用環境，增壓器甩油槽結構需要針對性優化。

圖2 增壓器甩油槽與密封環結構示意圖

2 甩油槽設計優化

大量試驗結果表明，怠速工況時對增壓器密封性能考核最嚴苛的工況，所以本次增壓器甩油槽結構優化主要是基于怠速工況進行優化[5]。借助計算機輔助主設計和分析軟件，對優化前后的甩油槽設計方案進行泄漏量仿真，其中結構優化前后的甩油槽設計方案如圖3所示；優化前后仿真滲油量情況對比如圖4所示。

圖3 甩油槽結構優化前后對比

圖4 甩油槽結構優化前后碗型塞貯存油量比較

在對甩油槽進行結構優化后，通過對兩種不同結構的甩油槽密封性能在怠速工況進行仿真對比，發現優化后的甩油槽明顯提升了增壓器對潤滑油的密封性能。如圖4所示，碗型隔熱塞內部，優化前的甩油槽，存在潤滑油滲出并貯存在其中；結構優化后，潤滑油滲出量減少，碗型塞內貯存的油量明顯降低[6]。

3 優化結果驗證

通過仿真結果對比，篩選出具有最佳密封性能的甩油槽方案，通過臺架試驗，對此方案進行實際測評。試驗發動機采用一臺1.0L的渦輪增壓直噴汽油機，對結構優化前后的甩油槽方案分別進行測試，對比優化結果。試驗工況采用了怠速工況，熱機條件，關閉試驗室內部強力抽風機，盡量避免發動機排氣管末端出現負壓情況。怠速工況下，運行15分鐘，然后靜置8小時后，觀察增壓器渦輪端是否有潤滑油滲出[7]。靜置的目的是使貯存在碗型隔熱塞中的潤滑油自然滲出到渦輪表面，方便觀察滲油量。從圖5的對比結果可知，優化結構后的甩油槽，潤滑油泄漏量改善非常明顯。

圖5 甩油槽優化前后實際滲漏量對比

圖6 甩油槽優化前后實際顆粒排放對比

增壓器的密封性能對整車的排放影響較大，尤其是對顆粒的排放影響，更加明顯[8]。貯存在增壓器渦輪端的潤滑油，在發動機起動后，受到高溫排氣的加熱，逐漸至燃燒狀態，但是排氣中氧含量極低，所以潤滑油的燃燒不充分，導致大量顆粒物的產生。將優化前后的甩油槽方案，在整車排放轉轂上進行WLTC循環排放試驗，尤其是在循環前40s內，甩油槽結構優化后的整車顆粒排放量相比優化前下降明顯。

4 總結與建議

借助計算機輔助設計和仿真分析工具，實現了用最短的時間評估不同甩油槽設計方案的密封效果，最終篩選出最優化方案。通過臺架試驗驗證和整車排放驗證，其測試結果表明優化后甩油槽方案有效的提升了渦輪端的密封能力，顯著降低了潤滑油滲出量，確保發動機耐久性能和排放性能得到改善。