涡轮增压器与柴油机故障诊断

涡轮增压器与柴油机故障诊断 一 增压器在柴油机上的必要性 二 涡轮增压器的结构与工作原理 三 4类故障与废气涡轮增压器的关系分析 四 结束语 一 涡轮增压器在柴油机上的必要性1 1 提柴油机功率输出的途径 A 加大气缸总排量 改变其结构主参数 B 增加转速 但恶化工作过程 C 提高平均有效压力 2 影响平均有效压力因素 A 进气密度 充量系数 热效率 机械效率等B 其中提高进气密度最有效 根据物理可知 增加进气压力就提高了密度 一 涡轮增压器在柴油机上的必要性 3 工程结论 A 在一定转速下 提高进气压力 增大气缸空气量 并相应增加喷油量 可在基本结构变动不大的情况下 增大柴油机的扭矩和功率 B 且由于混合气密度加大 燃烧改善 可减小排气污染和降低油耗率 一般油耗可降低3 10 C 对于在高原地区使用的柴油机安装增压器的意义更为重要 恢复功率 减小油耗 D 因此 柴油机增压是个发展方向 已为大功率柴油机广泛采用 二 涡轮增压器的结构与工作原理1 1 工作原理 二 涡轮增压器的结构与工作原理2 作用是将空气高于大气压压力压入气缸 多用废气涡轮增压器 目的是尽可能地利用排气管废气的能量 排气中带走的能量占燃油所发出能量的 废气涡轮增压器一般由涡轮 中间壳和压气机三部分组成 二 涡轮增压器的结构与工作原理3 废气经排气管1进入涡轮壳4里的喷嘴环2时 过流面积逐渐收缩 废气压力和温度下降 速度提高 使它的动能增加 高速废气流 按一定的方向冲击涡轮3 使涡轮高速运转 冲击过涡轮的废气最后经消声器排入大气 涡轮3和离心式压气机叶轮8固装在同一转子轴5上 所以两者同速旋转 高速旋转的压气机叶轮8把空气甩向叶轮的外沿 使其速度和压力增加 并进入扩压器7 扩压器进口小出口大 可降速升压 环形压气机壳9断面由小到大可使空气流的压力继续提高 最后 柴油机进气管10内的空气以140 500kPa的压力进人气缸 从而提高柴油机缸内空气密度 二 涡轮增压器的结构与工作原理4 2 结构分析 二 涡轮增压器的结构与工作原理5 由涡轮壳4 中间壳14 压气机壳9 转子体及浮动轴承16等主要零件组成 压气机叶轮11和涡轮2支承在浮动轴承16上作高速旋转 涡轮用高强度 耐热 耐腐蚀性能好的合金钢精密铸造而成 焊在转子轴上或与轴靠锥面配合用螺母固定在轴上 压气机叶轮有的为铝合金铸件 靠锥面配合用螺母固定在转子轴上 二 涡轮增压器的结构与工作原理6 转子体转速往往在每分钟4万转以上 浮动轴承16与转子轴10和中间壳14之间都有合适间隙 当转子轴高速旋转时 具有250 500kPa压力的润滑油充满这两个间隙 使浮动轴承在内外两层油膜中随转子轴同时旋转 但其转速比转子轴低得多 从而使轴承对轴承孔和转子轴的相对线速度大大下降 从而满足超高速工况下的工作要求 这就是著名的浮动轴承的工作原理 修理的困难性也因此面产生 二 涡轮增压器的结构与工作原理7 增压器所需要的润滑油来自发动机主油道 从浮动轴承喷出来的机油回曲轴箱 形成一条不断的循环润滑油路 为防增压器窜气和提高轴承寿命 设 O 形橡胶密封圈6和密封环12及密封环3 共4个 为防止润滑油进入压气机 设挡油密封套8 隔热板1减少高温废气对润滑油的不利影响 冷却多用自然空气冷却 亦有的在中间壳制有夹层 通过管道和发动机的冷却系统相连 三 4类故障与涡轮增压器的关系分析 4类典型故障 1 柴油机曲轴箱窜气故障不是其四配套的专利 2 涡轮增压器故障可导致柴油机机油消耗量增加 3 诊断柴油机冷却液中有机油故障时应高度关注水冷涡轮增器 4 柴油机机功率下降且冒黑烟故障与其涡轮增压器相关 1案例 某ZL50装载机用柴油机工作时曲轴箱窜气 轻负荷低转速时现象不明显 重负荷高转速时窜气严重 且机温偏高 2案例 一台日本小松挖掘机的柴油机只用了一年多时间机油消耗量就迅速增加 且排气管有明显蓝烟冒出 常规检查 没有查出原因 2案例解说 一台日本小松挖掘机的柴油机只用了一年多时间机油消耗量就迅速增加 且排气管有明显蓝烟冒出 常规检查没有查出原因 后来虽然怀凝到增压器 但介于增压器修复的难度较大不敢将之拆检 由于原装涡轮增压器价格昂贵 故障原因又没有完全确定 工地又急需此挖掘机工作 只好让它带病工作了一段时间 大约不出半月 柴油机机油消耗量大增 发动机功率明显下降 黑烟随之而来 再也不敢让挖掘机继续工作 为了确诊故障原因 不得不从另外工地上的同类型挖机上拆一个涡轮增压器做故障排除试验 更换增压器后 故障基本消失 只是略有黑烟 后拆检病态故障涡轮增压器 发现其压气机叶轮和中间壳之间的 O 形橡胶密封圈6和密封环12都已严重损坏 见图二 从而使涡轮增压器中间壳14 见图二 中的机油经压气机叶轮室被吸入气缸 使排气管冒蓝烟 由于故障初期涡轮增压器中间壳与叶轮室间的几处密封的损坏不一定同时发生 且损坏程度轻微 故仅有蓝烟出现 但随着上述密封件损坏程度的增加 压气叶轮的工作效率下降 因而在每一次做功中缸内的空气量减少 机油量增加 而柴油量不变 所以最后柴油机功率越来越低 黑 蓝烟越来越多 气缸内和喷油嘴上积碳积淀量越来越多 对燃烧构成恶性循环 以致更换了增压器后仍有少量黑烟冒出 不得不打开缸盖清冼积碳 加大了维修工作量 3案例分析 现在的涡轮增压器多为风冷 但也有用水冷的 即在中间壳14上制有夹层 通过管道和发动机的冷却系统相连 由于中间壳近邻高温涡轮室 因此其冷却夹层的冷热变形较大 容易开裂 从而造成机油和冷却水相通 此故障的最大特点是水箱中有机油而机油中无水 因为柴油机工作时机油压力较冷却液压力大 机油可借裂缝进入水道 最后在水箱中浮上一层机油 当柴油机不工作时 由于增压器的位置高于水箱或基本等高 因此冷却液无法进入柴油机油底壳 而其它原因引起的类似故障多为机油中有水 水中有机油 或者排气管冒蓝烟或白烟 我们根据这一特点曾很准确 而迅速地判断了几次涡轮增压器故障 4案例 柴油机在额定工况下突然功率偏低且冒黑烟但气缸压缩压力正常的故障案例 A 第一次处理时 总认为是空气滤清器和柴油供给系的故障 免不了先更换空滤器和柴油滤芯 然后分别调校喷油嘴和柴油高压油泵 却解决不了问题 B 后来在诊断过程中我们发现该柴油机除上述故障外还有机油压力偏低 机油压力在0 15 0 18MPa间 现象 经检查得知机油压力偏低是由于其机油滤清器上的调压阀故障所致 将压力调到0 3MPa并更换不清洁的机油滤芯后故障现象消失 C 究其原因 我们认为是由于机油压力偏低 导致了涡轮增压器浮动轴承16性能下降 从而使涡增压器增压功能降低 气缸内空气密度比正常工况下低 即空燃比较小 最后导致了上述故障现象的发生 按照上面的推理 在柴油机的其它工况也应该有同样的故障现象发生 在后来的几次故障处理中我们验证了这一结论 D 即在解决问题之先 我们对其它工况也做了运行实验 由于随着柴油机转速的降低其机油压力也会下低 更加不利于增压器浮动轴承的工作 因此在其它工况下上述故障现象有增无减 E 需要说明的是 后来的几次类似故障不是突然发生的而是慢慢形成的 因此我们只更换了机油滤芯就解决了问题 四 结束语 1 因涡轮增压器的正常工作依赖柴油机的润滑系和冷却系 对水冷而言 故在诊断此二系统的故障成因时应考虑涡轮增压器 2 涡轮增压器是柴油机供给系的