低惯量增压器甩油槽结构优化研究

2020-12-23李承运刘晓莹杨美刘相喜孙萧汪名月赵福成

汽车实用技术 2020年23期

李承运，刘晓莹，杨美，刘相喜，孙萧，汪名月，赵福成

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江宁波 315336）

引言

随着国家排放法规的日趋严格和消费者对燃油经济性的要求提高，越来越多的汽车制造厂开始应用小排量发动机来满足排放法规和油耗的要求。虽然发动机小型化可以改善排放和油耗，但是也会牺牲整车的动力性，通过增压手段，则可以很好弥补由于排量降低导致的动力衰减。所以，发动机小型化和增压化，是传统内燃机动力发展的趋势所在[1]。

增压器常见的故障之一是增压器渗油，通常，压气机端和涡轮端都存在润滑油渗出的问题，渗出的润滑油或者进入气缸参与燃烧，或者跟随排气进入排气系统，在排气管中燃烧，俗称“烧机油”。增压器渗油不仅会对发动机润滑油耗产生不利影响，还会影响发动机的性能和寿命，影响整车的排放[2]。

增压器渗油是由于增压器固有的密封结构导致，无法避免，但是通过结构设计优化，可以对渗油问题进行有效改善。本文通过大量试验总结出容易导致增压器漏油的工况，针对工况特性，对一台低惯量涡轮增压器的甩油槽进行结构优化，提升了对润滑油的密封性能，有效改善了增压器涡轮端渗油的问题。

1 增压器渗油机理研究

增压器主要的润滑方式为机油润滑，发动机正常工作时增压器端的润滑油压力通常可以达到 500kPa～600kPa，所以高油压对增压器的密封性能是非常苛刻的考验。另外，增压器压气机和涡轮端在发动机大负荷时处于高温、高压的运行工况，增压器的密封除了要满足润滑油的密封作用，还要兼顾高温气体的密封作用，防止润滑油和高温燃气互通[3]。

当下增压器最常用的密封结构为环式结构密封，即在增压器同心轴上设计安装支撑槽，将密封活塞环固定在支撑槽上，密封环利用本身的张紧力，与同心轴的支撑外体紧密相连，图1是典型增压器的设计结构图，零件6即为密封环。

图1 发动机增压器结构示意图

增压器转动时，密封环本身不会转动，通过这种设计，增压器实现高温燃气和润滑油的相互隔离，达到密封目的。但是由于密封环的结构特点，密封环存在一个固有的缺口，这个缺陷无法消除，是所有密封环的特性。当涡轮机和压气机端的气体压力，即零件11和零件7处的压力较高时，能够形成压力差密封，保证润滑油不会从密封环的缺口处渗出，但是当发动机处于小负荷时，例如怠速工况，发动机压气机端和涡轮端的气体压力很低，会导致高压润滑油从密封环处渗漏出来，贮存在图1 中零件9的隔热碗型塞中，润滑油通过二次渗漏进入气缸或者直接进入排气系统。图1中红色箭头标明了怠速工况下润滑油的渗漏路径和润滑油流向[4]。

怠速工况下，由于受到压力差的影响，增压器内部的润滑油不断流向涡轮端，通过聚积效应累积在密封环附近。为了改善怠速工况的增压器渗油问题，增压器工程师在密封环前端同心轴上，设计了甩油槽，如图2 所示。甩油槽的设计目的是让同心轴上的润滑油在怠速工况时，尽可能减少在密封环处的聚积。怠速工况下，当润滑油达到甩油槽处时，会随着同心轴的转动，被甩到支撑体壁面上，这样达到密封环处的润滑油会有效减少，最终降低润滑油从密封环处的渗出量，达到改善润滑油消耗率和排放的目的。甩油槽结构方案已经在不少增压器上都得到了应用，但是由于发动机和增压器本体差异，甩油槽的结构都存在一些差异。所以，针对不同的使用环境，增压器甩油槽结构需要针对性优化。

图2 增压器甩油槽与密封环结构示意图

2 甩油槽设计优化

大量试验结果表明，怠速工况时对增压器密封性能考核最严苛的工况，所以本次增压器甩油槽结构优化主要是基于怠速工况进行优化[5]。借助计算机辅助主设计和分析软件，对优化前后的甩油槽设计方案进行泄漏量仿真，其中结构优化前后的甩油槽设计方案如图3所示；优化前后仿真渗油量情况对比如图4所示。

图3 甩油槽结构优化前后对比

图4 甩油槽结构优化前后碗型塞贮存油量比较

在对甩油槽进行结构优化后，通过对两种不同结构的甩油槽密封性能在怠速工况进行仿真对比，发现优化后的甩油槽明显提升了增压器对润滑油的密封性能。如图4所示，碗型隔热塞内部，优化前的甩油槽，存在润滑油渗出并贮存在其中；结构优化后，润滑油渗出量减少，碗型塞内贮存的油量明显降低[6]。

3 优化结果验证

通过仿真结果对比，筛选出具有最佳密封性能的甩油槽方案，通过台架试验，对此方案进行实际测评。试验发动机采用一台1.0L的涡轮增压直喷汽油机，对结构优化前后的甩油槽方案分别进行测试，对比优化结果。试验工况采用了怠速工况，热机条件，关闭试验室内部强力抽风机，尽量避免发动机排气管末端出现负压情况。怠速工况下，运行15分钟，然后静置8小时后，观察增压器涡轮端是否有润滑油渗出[7]。静置的目的是使贮存在碗型隔热塞中的润滑油自然渗出到涡轮表面，方便观察渗油量。从图5的对比结果可知，优化结构后的甩油槽，润滑油泄漏量改善非常明显。

图5 甩油槽优化前后实际渗漏量对比

图6 甩油槽优化前后实际颗粒排放对比

增压器的密封性能对整车的排放影响较大，尤其是对颗粒的排放影响，更加明显[8]。贮存在增压器涡轮端的润滑油，在发动机起动后，受到高温排气的加热，逐渐至燃烧状态，但是排气中氧含量极低，所以润滑油的燃烧不充分，导致大量颗粒物的产生。将优化前后的甩油槽方案，在整车排放转毂上进行WLTC循环排放试验，尤其是在循环前40s内，甩油槽结构优化后的整车颗粒排放量相比优化前下降明显。