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VNT渦輪增壓器渦輪箱與軸承體泄漏研究

文檔作者：潘航字胡遼平劉麟曾輝蘭新，潘偉文檔來源：湖南天雁機(jī)械有限責(zé)任公		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2026年01月25日
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第4期
2017年8月
內(nèi)燃機(jī)
Internal Combustion Engines
No．4
Aug．2017
VNT渦輪增壓器渦輪箱與軸承體泄漏研究
潘航字，胡遼平，劉麟，曾輝，蘭新，潘偉
(湖南天雁機(jī)械有限責(zé)任公司，湖南衡陽421005)
摘要：根據(jù)VNT渦輪增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下出現(xiàn)軸承體與渦輪箱之間廢氣泄漏的情況，對(duì)增壓器軸承體、渦輪箱的配
合接觸提出優(yōu)化方案，并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比，找到了最佳的優(yōu)化辦法，達(dá)到了防止泄漏的要求。
關(guān)鍵詞：VNT；漏氣；渦輪箱；軸承體；C型密封墊
中圖分類號(hào)：TK413 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1000—6494(2017)04—0024—03
Research vNT Turbocharger Turbine Housing and Centre Housing L昀k
PAN Hangyu，HU Liaoping，LIU Lin，ZENG Hui，LAN Xin，PAN Wei
(Hunan Tyen Machinery Co．，Ltd．，Hengyang 421005)
Abstract：In this paper，based on exhaust gas leakage between centre housing and turbine housing of VNT turbocharger beating under
the engine work status，the supercharger bearing body，with the turbine case contact structure optimization scheme is put forward，and
carried out bench test comparison．Finally，the best ways to optimize are founds，which reached the requirement of leakage protection．
Keywords：VNT；gas leakage；turbine housing；centre housing；metal C—rings
0前言
可變截面渦輪增壓器(VNT)由于其具有可調(diào)的
渦輪工作特性，已成為解決發(fā)動(dòng)機(jī)國V以上排放
的最為有效的手段之一。越來越多的柴油機(jī)廠已將
可變截面渦輪增壓器作為發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。隨著
可變截面渦輪增壓器的逐漸推廣使用，也暴露出一
系列的應(yīng)用問題。目前引起終端客戶強(qiáng)烈關(guān)注的是
可變截面渦輪增壓器渦輪箱與軸承體的漏氣問題，
渦輪箱與軸承體若出現(xiàn)漏氣，廢氣排到渦輪箱之外
會(huì)造成大氣污染，同時(shí)廢氣會(huì)熏黑壓氣機(jī)蝸殼、背
盤等零件，影響外觀質(zhì)量，見圖1。因此保證渦輪
箱與軸承體的密封性能尤為重要。
1現(xiàn)有可變截面渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
現(xiàn)有可變截面渦輪增壓器的渦端結(jié)構(gòu)布置見
圖2，腔體A為軸承體、噴嘴環(huán)總成、渦輪箱圍成
的空腔，腔體B為渦輪箱、噴嘴環(huán)總成圍成的空
腔，腔體A和腔體B是相通的。軸承體外圓與渦
作者簡(jiǎn)介：潘航宇(1979一)，男，湖南醴陵人，高級(jí)
工程師，本科，主要從事VNT渦輪增壓器產(chǎn)品設(shè)計(jì)及應(yīng)用。
收稿日期：2017—04—12
圖l熏黑的壓氣機(jī)蝸殼和背盤
圖2現(xiàn)有VNT渦端裝配簡(jiǎn)圖
輪箱內(nèi)孔為間隙配合，公差配合范圍0．02～0．12
mm。軸承體與渦輪箱為端面剛性接觸，接觸面的
表面粗糙度值均為3．2。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，廢氣會(huì)
迅速充滿腔體A和B，而渦輪箱外為大氣壓，由
于壓差的關(guān)系，同時(shí)加上軸承體和渦輪箱接觸的端
面不可能完全貼合到?jīng)]有一絲縫隙，腔體A和腔
萬方數(shù)據(jù)
第4期潘航宇，等：VNT渦輪增壓器渦輪箱與軸承體if}}漏研究
體B的廢氣自然就泄漏出去。
2改進(jìn)方案
任意接觸的兩平面僅通過提高表面粗糙度值
和平面度要求都不可能完全解決泄漏的難題。針對(duì)
上述結(jié)構(gòu)存在的弊端，在保留軸承體和渦輪箱端面
接觸結(jié)構(gòu)的同時(shí)，在渦輪箱外圈增加矩形槽，用于
安裝C型金屬密封圈，整體裝配見圖3。c型金屬
密封圈見圖4，其工作原理是基于C型結(jié)構(gòu)的彈性
變形。當(dāng)軸承體裝入渦輪箱時(shí)，在耐熱螺釘和熱端
壓板的預(yù)緊力作用下，軸承體和渦輪箱兩端面逐漸
壓縮，致C型金屬密封圈和接觸密封面以線密封
方式緊密結(jié)合，從而達(dá)到密封的效果。
C型金屬密封圈
圖3改進(jìn)方案的裝配簡(jiǎn)圖
劁4(：型金J禹糈H蚓模型
根據(jù)渦輪增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的環(huán)境條
件，C型金屬密封圈選擇GH4169鎳基高溫合金材
料。該材料在一253～700℃溫度范圍內(nèi)具有良好
的綜合性能，650℃以下的屈服強(qiáng)度居變形高溫合
金的首位，并具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧
化、耐腐蝕性能，以及良好的加工性能、焊接性能
和長期組織穩(wěn)定性，適合制成盤、葉片、緊固件和
彈性元件、板材結(jié)構(gòu)等零部件。
3試驗(yàn)驗(yàn)證
3．1自然狀態(tài)泄漏試驗(yàn)對(duì)比
本試驗(yàn)在專用泄漏試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行，采用外
接冷氣源加壓方式進(jìn)行。泄漏試驗(yàn)原理是將渦輪
箱進(jìn)出口采用堵頭或者工裝封堵，同時(shí)保留軸承
體和渦輪箱的裝配狀態(tài)，使渦輪箱流道內(nèi)形成一
個(gè)密封腔體，見圖5。利用三通管道，一端連接
外氣源，一端連接流量傳感器，一端連接渦輪箱
進(jìn)口。在三通管道與外氣源之間接人空氣穩(wěn)壓
閥，試驗(yàn)時(shí)，持續(xù)性向渦輪箱充入氣體，調(diào)節(jié)空
氣穩(wěn)壓閥，觀察并記錄不同壓力下流量計(jì)數(shù)顯的
數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過程保證渦輪箱進(jìn)出口及各連接管路
處密封不漏氣。
試驗(yàn)安排了3種方案進(jìn)行：第一種方案是在渦
輪箱與軸承體之間沒有安裝C型金屬密封圈，即渦
輪箱與軸承體為剛性接觸；第二種方案是在渦輪箱
與軸承體之間安裝c型金屬密封圈；第三種方案是
在渦輪箱與軸承體之間安裝c型金屬密封圈，但密
封圈表面進(jìn)行了鍍銀處理。考慮到實(shí)際工況下渦輪
增壓器的渦前壓力小于300 kPa，本次試驗(yàn)壓力設(shè)
置為300 kPa。泄漏量測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果見表1。
表1各方案泄漏量
表1結(jié)果顯示，方案一的泄漏量最大，方案
二的泄漏量非常輕微，方案三沒有泄漏。
3．2熱狀態(tài)泄漏試驗(yàn)對(duì)比
本試驗(yàn)是在增壓器臺(tái)架上進(jìn)行，主要是考證
渦輪增壓器在實(shí)際工作狀態(tài)下的泄漏情況。由于在
臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)不具備直接測(cè)試泄漏量的條件，只能將
泄漏劑噴涂在軸承體和渦輪箱的接觸位置，通過觀
察泡沫的情況來判斷是否存在泄漏及泄漏量的大
小。首先安排渦輪增壓器進(jìn)行120 h額定工況運(yùn)
轉(zhuǎn)，隨后轉(zhuǎn)入怠速工況，將泄漏劑噴涂在軸承體和
渦輪箱的接觸面位置。三種方案的情況見圖6、圖
7、圖8。
圖6方案一噴涂泄漏劑效果
萬方數(shù)據(jù)
內(nèi)燃機(jī)2017年8月
圖7方案二噴涂泄漏劑效果
圖8方案i噴涂泄漏劑效果
從圖6、I斟7、㈥8¨j‘以開f}{，方案一化軸承
體與渦輪箱接觸的整個(gè)周圈都圍繞著泡沫，而方案
二、方案三沒有明顯泡沫，這與之前在自然狀態(tài)下
的試驗(yàn)結(jié)果是一致的。在自然狀態(tài)下泄漏量大的在
熱狀態(tài)下泡沫數(shù)量大且多，在自然狀態(tài)下泄漏量如
果小到一定程度下可能在熱狀態(tài)下由于燃燒的顆粒
物填充間隙以致于沒有泡沫，而在自然狀態(tài)下沒有
泄漏的在熱狀態(tài)下一定不會(huì)泄漏。
4結(jié)論
a．通過在軸承體和渦輪箱之間安裝C型金屬密
封圈可以實(shí)現(xiàn)完全密封，防止廢氣泄漏。
b．C型金屬密封圈作鍍銀處理后致使其表面有
一層軟膜，使得密封圈塑性更好。但是由于可變截
面渦輪增壓器額定工況下的渦前溫度通常在750 oC
以上，試驗(yàn)后在C型金屬密封圈內(nèi)外表面出現(xiàn)銀
塊脫落現(xiàn)象，存在可變截面渦輪增壓器故障隱患，
還需進(jìn)一步考慮別的鍍層材料。
【參考文獻(xiàn)】
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(上接第23頁)
時(shí)間提升1．3 S；同時(shí)電子增壓器工作時(shí)從最小扭
矩到最大扭矩245 N·in僅需1．6 s，扭矩升高率高
達(dá)102 N·in s。1 dm～，見圖10。
3結(jié)束語
電子增壓器對(duì)低速瞬態(tài)響應(yīng)性能提升顯著，
發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上瞬態(tài)扭矩響應(yīng)斜率在1 500 r／min時(shí)
達(dá)到了102 N·in S’1 dm～，遠(yuǎn)優(yōu)于渦輪增壓的瞬態(tài)
扭矩響應(yīng)值，與自然吸氣機(jī)的水平相當(dāng)。
電子增壓器為“深度增壓小型化”以匹配更
大整備質(zhì)量車輛提供了條件，可以更大程度滿足乘
用車第四階段燃油消耗限值，降低車輛碳排放。
當(dāng)前，電子增壓器還面臨一些需要解決的課
題，電子增壓器主要難點(diǎn)在于雙增壓器邏輯控制，
需要不斷優(yōu)化和完善控制邏輯。各增壓器供應(yīng)商加
速電子增壓器研發(fā)速度和市場(chǎng)推廣力度，并都有明
確的量產(chǎn)計(jì)劃。因此，電動(dòng)渦輪雙增壓的市場(chǎng)成熟
可以預(yù)期。
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