涡轮增压器专业培训教程 1.3 Turbo Design Overview
涡轮增压器技术
涡轮增压器技术发动机是靠燃料在气缸内燃烧作功来产生功率的,输入的燃料量受到吸入气缸内空气量的限制,所产生的功率也会受到限制,如果发动机的运行性能已处于最佳状态,再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入气缸来增加燃料量,提高燃烧作功能力。
在目前的技术条件下,涡轮增压器是唯一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置。
构造涡轮增压器是由涡轮室和增压器组成的机器,涡轮室进气口与排气歧管相连,排气口接在排气管上;增压器进气口与空气滤清器管道相连,排气口接在进气歧管上。
涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内,二者同轴刚性联接。
原理涡轮增压器实际上是一种空气压缩机,通过压缩空气来增加进气量。
它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮,涡轮又带动同轴的叶轮,叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气,使之增压进入气缸。
当发动机转速增快,废气排出速度与涡轮转速也同步增快,叶轮就压缩更多的空气进入气缸,空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料,相应增加燃料量和调整一下发动机的转速,就可以增加发动机的输出功率了。
技术涡轮增压器安装在发动机的进排气歧管上,处在高温,高压和高速运转的工作状况下,其工作环境非常恶劣,工作要求又比较苛刻,因此对制造的材料和加工技术都要求很高。
其中制造难度最高的是支承涡轮轴运转的“浮式轴承”,它工作转速可达10万转/分以上,加上环境温度可达六、七百度以上,决非一般轴承所能承受,由于轴承与机体内壁间有油液做冷却,又称“全浮式轴承”。
缺点另外涡轮增压器虽然有协助发动机增力的作用,但也有它的缺点,其中最明显的是,“滞后响应”,即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓,即使经过改良后的反应时间也要1.7秒,使发动机延迟增加或减少输出功率。
这对于要突然加速或超车的汽车而言,瞬间会有点提不上劲的感觉。
改进但是涡轮增压器毕竟是无本生利的事情,它是利用发动机的废气工作的,这些废气的能量如果不加以利用也会白白地浪费掉。
增压器培训资料
能纠 或克服 如发 机燃油系统 电 和空气滤清器堵塞 轴瓦故障等一类的机械故障问 因 如果发 机发生故 障 检查确认涡 增压器是 作 常的 那么就要检查其他 引 故障的原因 简单地替换一 好的涡 增压器并 能排除 发 机本身的机械故障
增压器压气机叶轮轮背气压高于轴承体油腔内的压力(等同于曲轴箱内的压力）
来实 P1>P2
以增压器的密封是一种 态密封
压气机叶 背 轴 体油腔
涡背
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一 增压器结构
1 密封 密封
沿 周向泄漏
作原理
个泄漏途径: 1.通过开口 2.沿周向
开口泄漏
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较小的摩擦损失 但密封 完全
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一 增压器结构 作原理
3) 降 排放和油耗 CO和HC 降 一氧 碳和碳氧 合物排 放明显 降 烟度 粒排放物 降20%—80% 增压中冷 达到欧 - 排放标准
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一 增压器结构 作原理
中冷的好处
中冷将给增压发 机带来以 好处
1. 排放物:
:
a. 由于燃烧温度降
膜 层油膜将轴 转子轴浮 来 降 彼 相 转
少摩擦阻力
效的防 异常磨损
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一 增压器结构 作原理
密封系统
密封
背盘
密封套
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O形圈
一 增压器结构 作原理
增压器密封原理：
1.增压器的机械密封:两端的密封 密封;
涡轮增压培训教材
学员用书
2016 年 1 月
注意事项
注意事项
下面给出一些进行汽车维护作业时必须遵守的一般性警告： 佩戴安全防护眼镜以保护眼睛。 按操作步骤要求在举升的车辆下进行工作时，应在车下使用安全支架。 确保点火开关始终处于 OFF 位置，除非操作步骤另有要求。 在车上工作时，应施加驻车制动。如果是自动变速器车辆，应将选档杆置于 PARK（驻车） 档，除非特定操作要求置于其他档位。如果是手动变速器车辆，应将档位置于倒档（发动机关闭时） 或空档（发动机运转时），除非特定操作要求置于其他档位。 必须在通风良好的区域进行发动机的维修工作，以防一氧化碳中毒。 在发动机运转时，身体部位及衣服应远离转动的部件，尤其是风扇和皮带。 为防止严重烫伤，应避免接触高温金属部件，例如散热器、排气歧管、尾管、催化转换器 和消声器。 在车上工作时不得吸烟。 为避免受伤，在开始工作前应摘掉戒指、手表、项链，脱去宽松的衣服。长头发应挽起固 定于脑后。 双手及其他物体不得接触风扇叶片。电动冷却扇随时会因发动机温度升高而运转。因此， 必须确保电动冷却扇的电源完全断开后，才能在冷却风扇附近进行操作。
1.3.2 点火线圈............................................................................................................................................. 27
1.4.5 机械真空泵......................................................................................................................................... 34
湖南天雁增压器技术培训
8、带旁通阀的涡轮增压器，其开启压力已由厂家 调整好，不能随意进行调节，以免造成发动机性 能下降，严重的以致损坏涡轮增压器。 9、严禁采用“加速→熄火→空挡滑行”的操作方 法。
五、涡轮增压器的维护保养
1、经常性的维护保养
检查空气滤清器到压气机进气口之间的管路连接头是 否牢固与密封，有无漏气、漏油现象，防止异物进入 打坏压气机叶轮 检查涡轮增压器与发动机进排气管连接螺栓、卡箍 螺栓是否牢固，有无漏气现象 检查涡轮增压器进回油管路接头处连接螺栓是否牢固， 进回油管路必须洁净畅通，不允许有污垢堵塞管路。
进、回油管路是否干净畅通
机油滤清器是否清洁完好
机油是否变质变脏
各进、排气连接口密封垫 是否损坏
2、在安装新涡轮增压器或启动长期停用的 增压发动机时，应在增压器机油进油孔注 入适量的清洁CD级润滑油，并用手转动 转子总成使轴承充分润滑 3、启动发动机后，不允许立即在满负荷状 态下运行，或增压发动机停车前应首先怠 速运转3～5分钟，使增压器得到预润滑， 防止增压器缺油导致轴承咬死
4、增压发动机润滑油必须使用CD级增压机 油，建议使用润滑油：
• 夏季使用20W/50CD或15W/40CD • 冬季使用10W/40CD或 5W/40CD
5、定期保养空气滤清器，以免使涡轮增压器 的压气机叶轮负压过大，造成增压器超温 运转从而漏油。
6、定期保养机油滤清器，以免机油过脏（油 中杂质颗粒＜0.015mm、滤芯在击穿状态 下工作），造成涡轮增压器轴承套及止推 轴承严重磨损。 7、压气机壳进气口与涡轮箱废气进口中，绝 不允许有任何异物存在，否则会将叶轮和 涡轮打坏。
压气机出气口的连接软管有机油渗出痕迹
压气机壳上的油迹、灰尘
涡轮增压器基础知识培训
单体平衡
2、叶轮 叶轮在很高的圆周速度下工作，承受叶轮旋转产生的离心 力，叶片振动和气体压力等负荷，叶轮工作温度不高，一 般采用铸造铝合金，用的最多的是ZL105，接近于国外的 C355铝合金。 铝叶轮的铸造有很多方法，目前使用较多的是石膏模铸造， 石膏模能得到更好的叶片表面质量，石膏的粒度比最细的 石英砂还要细，目前使用的是将石膏模技术与硅橡胶相结 合，硅橡胶模具有一定的柔性，在拔模后仍能恢复原来的 形状，且一个硅橡胶模可使用1000~2000次。
700摄氏度之间，如用于汽油机或其他特定用途发动机的增
压，其温度要到700~850摄氏度，有时甚至超过900摄氏度。
要求涡壳具有良好的机械强度，材料热变形小，韧性好不
易热裂和冷脆。
2、排气温度小于650时涡壳一般使用铁素体球墨铸铁； 排温高于760时需使用镍含量较高的奥氏体球墨铸铁； 排温在650到760之间是可考虑使用含硅量较高的中硅铁素 体球墨铸铁，随着硅含量的增加，耐热性能提高，但脆性 也相应的增高了。
五、增压器漏油常见原因及鉴别方法
1、增压器漏油常见原因 ◆空滤器堵塞，增压器进气口出现负压，导致漏油，此种 情况更换滤清器即可； ◆回油管路有堵塞处，造成增压器回油腔产生压力，会导 致漏油，此种情况需要找到堵点，使回油管路畅通即可； ◆如果活塞环与缸体磨损较重，窜气，也会造成漏油，此 种情况需更换活塞环； ◆发动机安装机油废气再循环系统的，出现故障时，也会 表现为增压器漏油； ◆浮动轴承磨损较大，致使密封环严重磨损，开口间隙超 过0.2，密封环侧隙超过0.15时也会出现漏油现象。
叶轮石膏模及铸造成品
浇铸方法上可分为自由浇铸、离心浇铸、振动加冷却、真 空吸铸和低压铸造几种。 优缺点分析 低压铸造和石膏模相结合在国外被认为是铸造叶轮较好的 工艺方法。 铝叶轮铸件要经过淬火，时效热处理，铸件表面硬度HB大 于80
增压器培训
维护保养注意事项
行车注意事项
安装注意事项
庆铃汽车公司
QINGLING MOTORS
维护保养注意事项（一）
使用厂家规定的润滑油
全浮式轴承与转轴和中间体之间均有间隙，
当转轴高速旋转时，具有0.25-0.4Mpa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 中随转子同向旋转，但其转速却比转轴低得多。由 于浮动轴承有双层油膜，这就可以让轴承两面都得 到润滑、冷却，这是浮动轴承的优点；但同时也必 须认识到浮动轴承对润滑油的要求很高，必须加
注规定牌号的润滑油，并定期进行更换。
特别提示：增压发动机的机油
更换里程：
N、T、U：每5000km更换一次
F系列车：每12000km更换一次
级别应在API
CF-4级或以上 。
庆铃汽车公司
QINGLING MOTORS
维护保养注意事项（二）
使用优质机油滤芯
增压器浮动轴承与转轴和中间体的间隙很小（仅有 40μm），而转轴的转速非常高，必须确保机油中不会有大
增压器的工作原理
增压器的作用
提高发动机的输出功率 相同排量和转速能获得较高的发动机输出功率。 降低燃油消耗率 改善燃烧效果，提高机械效率。
减少公害
提高混合效果，提高空燃比，达到保证环保的目的。 提高比质量 小型发动机能得到大型发动机相同的输出功率，减少了发动机的重量和体积。
改善低速性能
满足车用发动机在低速时大扭矩的特性。（带放气阀系统） 恢复高原性能： 补偿因海拔高度升高而引起的进气密度下降的影响，减小发动机功率下降的幅度。
一、增压器的工作原理
废气涡轮增压器是用来
提高发动机功率和减少 有害气体排放的重要部
盖瑞特增压器培训讲义
增压柴油机预防性保养
向用户提供备件和服务 时（2）：
指导用户如何更换 增 压 器，在 用 户 同 意 时， 打 开 包 装 箱，清 点 附 件 和 说 明 书，检 查 增 压器 外 观 和 转 子 是 否 正 常，指导 用户或替用户作预润滑 。按说 明 书 指 导 用 户 更 换 增 压 器。
增压柴油机预防性保养
增压柴油机预防性保养
驾 驶 员 在 驾 驶 车 辆 时 的 注 意 事 项（3）： 保 养 时， 须 按 发 动 机 厂 商 的 要 求 操 作。 包 括 保 养 程 序 和 零， 件的选择都应遵循发动机厂的 规 定。 否 则 将 影 响 发 动 机 和 增 压 器 的 正 常 使 用 和 工 作 寿 命。
增压柴油机的故障诊断
故障诊断的目的是明确柴油机的故障 所 在 和 根 源， 以 便 对 症 解 决 问 题。
更换增压器不是一种合理的故障诊断 的 方 法， 相 反， 此 种 方 法 极 可 能 扩 大 故 障 和 损 失。
100
自然吸气发动机
50
0
1
2
3
4
5
6
7
发 动 机 转 速 RPM / 1,000
盖瑞特涡轮增压器工作原理 增压的好处- 尺寸和重量
=
170 CU. IN. (2.82L)
100 CU. IN. (1.65L)
自然吸气
采用增压
=
100 CU. IN. (1.65L) 230 CU. IN. (3.78L)
甩油环改善了活塞环的动态密封
盖瑞特涡轮增压器工作原理
旁通阀机构
阀门
气动执行器 涡壳接口件
盖瑞特涡轮增压器工作原理
旁 通 阀 是 如 何 改 进 性 能 的？
211003044_涡轮增压器超高速轴承一转子动力学建模及模态参数识别
Dynamic Modeling and Modal Parameter Identification ofUltra-high Speed Bearing-Rotor of Turbocharger *Ping Gong 1Zhen-hui Hu 2Qing-shan Zhang 2Ri-xiu Men 3Shi-yuan Pei 2,*(1.China Aviation Development Harbin Bearing Limited Company;2.Key Laboratory of Education Ministry for Modern Design and Rotor-Bearing System,Xi’an Jiaotong University;3.National key Laboratory of High Turbocharging Technologyfor Diesel Engine,North China Engine Research Institute)Abstract：Aiming at the problems of traditional turbocharger ultra-high speed bearing-rotor system,such as low accuracy of dynamic modeling,difficult identification of modal parameters and so on,the dynamic model and differential equation of motion of turbocharger are established based on Timoshenko beam theory.The modal parameters of turbocharger under different excitation positions and with or without pre-tightening force are identified by hammering test.And the theoretical and experimental results are compared and verified.The results show that when the excitation turbocharger is in different positions,the excitation modes of the system are different.The pretightening force has an important influence on the dynamic analysis results of the rotor,and increasing the pretightening force can significantly improve the rotor stiffness.The established dynamic model and modal identification method have certain accuracy and applicability,which can provide theoretical and experimental basis for subsequent turbocharger structure optimization design and modal parameter identification.Keywords:Timoshenko Beam Finite Element Theory;Dynamic Modeling;Turbocharger;Modal Test;Frequency Response Function摘要：针对传统涡轮增压器超高速轴承-转子系统动力学建模精度不高、模态参数不易识别等问题，基于Timoshenko 梁理论建立了涡轮增压器动力学模型及运动微分方程，利用锤击法试验对增压器不同激励位置、有无预紧力等工况下的模态参数进行了识别，并将理论与试验分析结果进行了对比验证。
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– – – – – – – Wheel Design Fatigue Life Analysis Housing Design Bearings Seals Wastegates Variable Turbine Geometry
3
Environmental Challenges
High Temperature Cyclic Temperature
Application Engineering Training
涡轮增压器专业培训教程
1.3
Turbocharger Design Overview
1
Application Engineering Training
Base Turbocharger Component Design
2
Introduction
• Life at a specified failure rate is plotted versus max rated speed. • Different materials or processing can be compared.
15
Fatigue Life - Design Reduction of Hub Stress
-Millions of cycles to failure -Can occur in very short time
• Cyclic blade strain has exceeded material fatigue limits
Center Housing
7
Wheel Design
Objective: develop blade thickness distribution that meets stress and vibration requirements for the specified design speed.
Through Bore
High Stress Area
Through Bore
Boreless
Boreless Design Halves Hub Stress
16
High Cycle Fatigue High Cycle Fatigue (HCF) • Compressor wheel blade failure due to vibration
TEST TURBO #1 TEST TURBO #2
DIVERTER DIVERTER VALVE VALVE
NATURAL GAS COMBUSTOR
13
Duty Cycle Broken into Equivalent Cycles
14
Fatigue Life - Typical Compressor Wheel Plot
(s)low cycle fatigue
9
high (fast) cycle fatigue
Alternate Compressor Wheel LCF Failure Modes
Hub Mode Chordal/Backdisc Mode
Blade/Backdisc Bending Mode
10
5
Compressor Design
6IdBiblioteka ntification of Compressor Components
Exit Flow Discharge Connection
Backplate
Housing Shaft
Inlet Connection
Inlet Flow Impeller (or Wheel)
Blade Mode
Compressor Hub LCF Driven by Tangential Stress
Fatigue Crack
Maximum Tangential Stress Initiation Point
11
Fatigue Life Prediction Methodology
Oil types down to 0W20
Oil temperature up to 150°C Rotational speeds over 250,000rpm
Compressor tip speed over 2,000 km/hr (1,300 mph)
A Turbocharger is a “high tech” device operating in a very hostile environment
8
Fatigue Definitions
Two major modes of fatigue occur in turbocharger wheels: • Low (Slow) Cycle Fatigue (LCF) caused by turbo speed change • High (Fast) Cycle Fatigue (HCF) caused by excitation of blade natural frequencies
Centrifugal stress Wear
Vibration Oxidation
4
Air Charging Systems
Turbocharger Operating Conditions
Engine vibration up to 35g Exhaust temperatures up to 1,000°C
Frequency limit is to avoid fatigue from excitation of blade natural frequencies Stress limit is determined by fatigue life requirements (stresses from centrifugal loading)
Fatigue Computer Program
Hub Stress (FEA)
Test Bar Data
LIFE
TIME
Duty Cycle
TIP SPEED
Whole Wheel Test Data
Life Vs.Wheel Speed
12
Fatigue Life Turbo Test Setup