第九章柴油机增压系统的结构与维修

第九章柴油机曾压系统的结构与维修
9．1什么是增压柴油机？
提高柴油机动力的有效方法是增加进入气缸的空气量和燃油。

要使燃油完全燃烧，空气量和燃油量要有一定的比例，理论上1kg轻柴油完全燃烧需要14.22kg空气，但实际供人气缸的空气量要比这一数值大得多，否则就不可能获得良好的燃烧效果。

增加喷人气缸的燃油只要燃油系统设计很合理是容易做到的，但要增加进入气缸的空气量就相对困难了许多，这需要在进气系统中增加一套空气增压装置(一般称为增压器)，增压柴油机应声而出。

根据增压器的驱动方式不同，增压柴油机可分为机械增压、废气涡轮增压以及复合增压等多种型式。

柴油机上应用最为广泛的是废气涡轮增压系统。

9．2什么是机械增压系统？
机械增压就是利用柴油机的动力以机械的方式驱动压气机工作而增加进气压力的一种增压方式。

机械增压器压缩机的驱动力来自柴油机曲轴，有齿轮驱动和皮带驱动两大类。

其压气机部分与涡轮增压器的压气机相似，只是驱动部分改为齿轮或带轮驱动。

其主要目的是增加进入气缸空气的压力和密度，达到在同等气缸容积的条件下多喷油并提高功率且省油的目的。

优点:除了在低转速便可获得良好的增压效果外，柴油机动力输出也与曲轴转速成正比，即机械增压柴油机的动力随着转速的提高而快速提高，没有迟后感。

因此，机械增压柴油机的操作感觉与自然进气柴油机极为相似，能获得较大的动力、转矩和较好的加速性。

缺点:损耗了柴油机本身的动力，在高速时柴油机的增压效率没有涡轮增压系统高。

机械增压系统在小型乘用车(轿车)上的应用较为广泛。

9．3什么是废气涡轮增压系统?
废气涡轮增压是利用柴油机排出的废气达到增加的目的。

增压器与柴油机无任何机械联系，压气机由柴油机废气驱动的涡轮机来驱动。

一般增压压力可达(Pk) 0.18～0.20MPa，高增压柴油机的增压压力可达0.3MPa左右，如此高的增压压力也将使气体温度大大升高，因此，较高增压的柴油机需要增设空气中间冷却器来给高温压缩空气进行冷却。

涡轮增压器实际上就是一个空气压缩机。

它利用柴油机排出的废气作为动力来推动涡轮机转动，涡轮带动同轴的压气机叶轮转动，并将空气压缩后送入气缸。

柴油机转速加快时，废气排出速度与涡轮转速同步加快，空气被压缩的程度加大，进气量也相应增加，即
可喷入更多的燃油，进而增加了柴油机的输出功率。

为降低增压空气的温度(Tk)进一步提高进入柴油机气缸内空气的密度，很多柴油机都在压气机和进气管之间加装了一套散热器(称为空气中间冷却器，简称中冷器)，使进入进气管的空气温度大大降低。

这不仅降低了活塞缸套等的热负荷，也增加了柴油机的输出功率，进而提高了经济性能。

9．4什么是增压柴油机的增压比？
①增压比的含义：增压器压气机出口处的压力Pk与压气机进口处的压力的的比值，一般以字母ηk表示。

ηk=Pk/ Po
增压比是增压柴油机的重要性能指标之一，其大小直接反映了柴油机的强化程度。

按照增压比的大小，增压系统又可分为低增压系统、中增压系统、高增压系统和超高增压系统四类。

②增压柴油机分类:
低增压系统ηk<1.5， Pk≤0.15MPa，低增压柴油机。

中增压系统节ηk=1.5～2.5，Pk = 0. 15～0. 25MPa，中增压柴油机。

高增压系统ηk = 2. 6～3.5，Pk = 0. 25～0. 35MPa，高增压柴油机。

超高增压系统ηk>3.5， Pk>0.35MPa，超高增压柴油机。

③大型船用柴油机的Pk一般在0.3MPa左右。

9．5增压柴油机的性能有什么变化？
(1)增压柴油机性能变化
采用废气涡轮增压后，柴油机各项性能在以下各方面得到有效的改善。

①功率大大提高:功率提高的程度视增压度而定，可增加50%～200% ，甚至更高。

②机械效率提高:虽然增压后燃烧压力将提高，使各摩擦面上的摩擦损失增加，但柴油机的功率增加的比例更多，因此机械效率得到提高。

③经济性提高:因为增压使进气压力提高，改善了扫气效果和燃烧条件，并且柴油机机械效率相应提高，因而使燃油消耗率显著降低，柴油机更加省油。

④单位功率重量大大降低:柴油机增压后，功率显著增加，而整机重量却增加很少，进而提高了比功率。

(2)增压后的问题
①机械负荷增加:因为进气压力的提高，使压缩压力和最高燃烧压力相应增大，导致零件的机械负荷增加，磨损加大，引起损坏。

②热负荷增加:增压后工作循环温度大大提高，使零件工作温度升高，热负荷增加，材料的机械强度降低。

在高的机械负荷、热负荷共同作用下，情况就更为严重，因此柴油机增压后零件结构必须强化。

9．6为什么不能随意改装增压柴油机?
由于增压柴油机具有动力性能和经济性能好、排气污染低等优点，很多车主都希望将其车辆上非增压柴油机自主改装为增压柴油机。

应该明确指出，这种做法是不可取的。

非增压柴油机不能随意改装为增压柴油机的理由如下。

增压后柴油机性能显著变化，机械负荷及热负荷大为提高，要求柴油机结构也要相应地改变。

①适当地减少压缩比:防止燃烧压力过大，以保证柴油机工作可靠，延长使用期。

但过低的压缩比将造成启动困难。

②供油系统的变化:增压后由于进气量的增加，可燃烧更多的燃料，要求供油量增加，同时要求增大喷油
压力，加大喷油器喷孔的直径;此外，增压后压缩压力和温度的增加，将使燃料着火落后期缩短，为防止最大燃烧压力过高，应减少供油提前角，但如供油提前角过小，会使燃烧恶化。

③进、排气系统的变化:增压后柴油机气缸进气量增加，为减小进气阻力，应适当加大进气流通截面积;为了改善扫气效果，增加充气量，以降低热负荷，应增加气门重叠角; 有的增压系统还要求将排气管分支，以充分利用废气能量并改善扫气效果;此外，由于气门机构零件的工作温度升高，变形加大，需相应加大气门间隙，以保证配气机构正常工作。

④增压柴油机的润滑系统、冷却系统以及主要运动机件的结构强度都应适当加强。

否则，将严重影响柴油机零部件的工作可靠性。

综上所述，非增压柴油机和增压柴油机的差别不仅仅是多了一个增压器的问题，而是具有一系列复杂的匹配计算和结构(如燃烧室结构等)变化等高难度技术问题。

增压柴油机的喷油压力、喷油提前角、燃烧方式、循环喷油量、压缩比等与非增压柴油机完全不一样，改装时需要对这些参数进行相应调整。

因此，如果盲目改装，效果并不理想，改装后柴油机的寿命、可靠性、经济性和动力性都可能低于原来的柴油机。

9．7增压器的结构与工作原理是什么？
利用废气涡轮增压器提高充气密度，大大提高了柴油机单位质量功率比，所以在柴油机上获得了广泛的应用。

①增压器的基本结构:涡轮增压器主要由压气机和涡轮两部分组成。

压气机部分:主要包括单级离心式压气叶轮、扩压器和压气机壳、密封装置等部件。

涡轮部分:主要包括涡轮壳、单级径流式涡轮叶轮、涡轮轴等部件。

涡轮轴与涡轮采用摩擦焊焊接成一体。

压气机叶轮以间隙配合装在涡轮轴上，并用螺母紧固。

涡轮及涡轮轴总成与压气机叶轮组合后，必须经过精确的动平衡试验，以保证高速旋转下能正常工作。

增压器的转子支撑采用内支撑，全浮动式浮动轴承位于两叶轮之间的中间体内，转子的轴向推力靠止推环端面来承受。

涡轮端和压气机端均设有密封环装置，压气机端还有挡油环，以防止机油泄漏。

压气机壳、涡轮壳、中间体是主要固定件，涡轮壳和中间体、压气机壳与中间体均采用螺栓、压板连接;压气机壳可以绕轴线任意角度进行安装。

增压器的润滑:采用压力润滑，润滑油来自柴油机的主油道，然后经回油管回流柴油机油底壳。

②增压器的工作原理:柴油机排出的废气经过涡轮壳进入喷嘴，将废气的热能及静压能转变为动能，并以一定的方向流经涡轮叶片，推动其高速旋转，带动同轴上的压气机叶轮旋转而产生虹吸作用，新鲜空气经过空气滤清器后被吸入压气机，经过扩压器使气流的速度和密度增加，压力提高，然后进入柴油机进气管，以实现气缸充气增加，进而可以喷入更多的燃油，达到提高柴油机功率的目的。

9．8如何延长涡轮增压器的使用寿命?
涡轮增压器属于高温部件，驱动其运行的气体来自气缸内排出的燃烧废气，温度高700～800°C ，在全负荷状态下，涡轮的转速可达(l8～20) X 104r/min。

很明显，涡轮在如此高温下高速运转，需要高效稳定的润
滑条件。

且在高温高压环境下工作，增压器的相关部件必须具备良好的耐高温性和密封性。

为延长涡轮增压器的使用寿命，请务必注意以下几点。

①注意机油质量。

涡轮增压器的损坏通常是其与进气管'之间的油封密封损坏，导致大规模烧机油，而油封的损坏大部分是因为没有按时更换机油或使用了劣质的机油，导致涡轮轴不能正常润滑和散热，导致高温下损坏油封造成漏油。

因此，涡轮增压柴油机应该选择耐高温、抗氧化好的优质机油，并注意适当缩短机油的更换时间。

正常情况下，涡轮增压柴油机运行150～200h 或行驶7500km左右应更换润滑油。

②注意保持涡轮的清洁。

涡轮增压器转轴与轴套之间的配合间隙很小，所以如果使用的机油不干净或者由于机油滤清器不干净导致有杂质进入，那样就会造成涡轮增压器的过度磨损。

另外，如果吸入的空气中含有大量杂质，这些灰尘颗粒一旦进入高速运转的增压器叶轮，就会使灰尘颗粒撞击增压器叶轮，从而造成涡轮运转不稳、轴套和密封件磨损，因此使用涡轮的车型要特别注意及时更换机油滤清器和空气滤清器，保持涡轮的清洁。

③柴油机每工作1000h后，应拆下涡轮增压器进行技术测量。

压气机叶轮与机壳之间的最小间隙应大于
0.lmm，否则应拆检轴承并酌情更换;同样，其转子最大的轴向间隙不得超过0.3mm，否则应检查止推轴承和浮动轴承止推端面的磨损情况。

通过间隙测量可以准确地判定涡轮增压器是否需要维护或更换。

④注意正确拆装涡轮增压器。

增压器涡轮壳与压气机壳一般都是薄壁铸件，拆装时要用木锤轻敲，不可使用铁锤击打，以防碰撞、击破;各组件装配时必须按原记号就位，以免影响平衡;保持与增压器相连的进、排气系统的正确连接，保证密封可靠，切忌错装或者漏装。

⑤更换或维修后安装涡轮增压器前，应该往增压器机油进油处加注适量的与柴油机使用的品牌相用的机油。

柴油机启动时切勿立即高速运行(至少怠速2～3min) ，柴油机停机前绝对不要轰油门后立即停机(也应至少怠速2～3min后停机)。

9．9涡轮增压器的常见故障有哪些？
(1)压气机喘振
涡轮增压器工作时，当压气机空气流量减少到一定程度，压气机的气流会出现强烈的振荡，引起叶片振动，并出现喘息的噪声，进气压力明显下降，此现象称为压气机喘振。

(2)增压压力下降
当增压压力降低时，柴油机的充气量减少，功率下降，耗油量增加，排气温度升高。

因此，发现压力降低10%时，应停机检查。

(3)增压器异响
增压器叶轮损坏或转子叶轮与壳体的间隙过小，轴承与止推环磨损严重，转子游动量过大造成叶轮外缘与壳体碰擦，或轴承、密封环等运动件的干摩擦都会引起异常声响。

叶片变形或转轴偏磨等原因造成转子平衡破坏，特别是压气机因异物进入或严重碰擦亮体而产生卷边变形，破坏了正常的通道，在高速气流的摩擦作用下会发出高频嘶叫声。

此时，应拆检增压器。

(4)机油消耗量大的增压器因素
①压气机侧漏机油:如果柴油机排气冒蓝烟但动力未下降，一般情况是机油从增压器压气机侧和柴油机进气管进入了燃烧室燃烧造成的。

可能是增压器机油回油管不畅通，机油在转子总成的中间支承处积留过多后，沿转子轴流入叶轮;也可能是靠叶轮一端的密封环或甩油环损坏后，机油进入叶轮室，随增压后的空气一起经进气管进入燃烧室二次燃烧。

此时打开压气机出气口或柴油机进气歧管(橡胶软管) ，看管口、管壁是否黏附有机油。

如有机油，应检
查机油回油管是否畅通。

如不畅通，则故障由中间支承处积油过多引起，应将回油管疏通后装复;如畅通，则故障由叶轮一端的密封环或甩油环损坏所造成。

②涡轮机侧漏机油:如果柴油机突然出现排气管冒蓝白烟，且浓烟滚滚，伴随强烈的烧机油昧道，且机油耗量明显增加，排气口喷机油，出现这种情况一般是增压器涡轮机侧油封损坏，大量机油经涡轮机进入排气管，所以柴油机排气严重冒蓝白烟。

此时应立即停机并检查增压器涡轮机，松开与涡轮机连接的排气接管，就可以看到增压器是否损坏。

如果涡轮机叶轮、排气接管内部存有大量机油，则一定是涡轮机轴油封损坏，必须予以修复或更换增压器总成。

在某些情况下，柴油机其他部位出现故障，也可能影响增压器的正常运行，此时一定要仔细检查分析，切忌不要盲目更换增压器，避免不必要的损失。

9．10增压柴油机的使用注意事项是什么？
柴油机经过增压后，零部件的结构进行了强化，从使用、保养方面讲，必须加强发动机的强制保养工作，注意采用正确的操纵方法。

①勿着车就走：柴油机启动后，特别是在冬季，应让其怠速运转3～5min，以便在增压器转子高速运转之前使润滑油充分润滑轴承。

因此，柴油机启动后不能猛轰油门，以防因润滑不良而损坏增压器相关部件。

②勿立即熄火:柴油机长时间高速运转后，不能立即熄火。

柴油机工作时，有一部分机油供给涡轮增压器转子轴承润滑和用于冷却。

正在运行的柴油机突然停机后，机油压力迅速下降为零，增压器涡轮部分的高温传到中间，轴承支承壳内的热量不能迅速带走，而同时增压器转子仍在惯性作用下高速旋转。

因此，柴油机热机状态下如果突然停机，会引起涡轮增压器内滞留的机油过热而损坏轴承。

所以，柴油机大负荷、长时间运行后，应怠速运转3~5min，让增压器转子的转速降下来以后再熄火。

特别要防止猛轰几脚油门后突然熄火。

③保持清洁:拆卸增压器时，要保持清洁，各管接头一定要用清洁的布堵塞好，防止杂物掉进增压器内，损坏转子。

维修时应注意不要碰撞损坏叶轮，如果需要更换叶轮，应对其进行动平衡试验。

重新装复完毕后，要取出堵塞物。

④要进行清洗:由于增压器经常在高温下运转，它的润滑油管线因受高温作用，内部机油容易有部分结焦，这样会造成增压器轴承因润滑不足而损坏。

因此，润滑油管线在运行一段时间后要进行清洗。

⑤注意检修:在出车前、收车后，应检查气道各管的连接情况，防止松动、脱落而造成增压器失效和空气
短路进入气缸。

9．11进气系统对柴油机性能有哪些不良影响?
柴油机的进气系统的主要部件是空气滤清器、进气管路、压气机、中冷器、进气歧管等。

这些部件主要掌管柴油机的呼吸问题。

进气系统对柴油机动力性能的影响很大，如果进气不足，会导致柴油机消化不良;而如果进气不洁，又会导致柴油机早期异常磨损。

具体分析如下。

①空气滤清器因素。

空气滤清器的作用是滤去空气中的尘埃和杂质，将清洁的空气 (或空气与燃油的可燃混合气)送入燃烧室，以减少活塞与气缸套之间、活塞组之间和气门组之间的磨损。

此外还有抑制柴油机进气噪声的作用。

如果空气滤清器的滤芯出现堵塞或因质量问题而造成空气通过时的阻力增加，将使柴油机出现进气不足的后果。

如果进入气缸内的空气量减少，就将使燃油混合变得不合适 (一般是混合气过浓) ，直接结果是喷入气缸内的燃油燃烧不完全，此时，柴油机就可能出现动力不足且排气冒黑烟的故障现象。

②进气管因素。

由空气滤清器到柴油机的进气歧管(对增压柴油机而言，是压气机进气口)间的连接管路中，通常都由一段橡胶软管连接。

如果因某些原因造成该软管被压瘪或内部脱皮损坏等，就会影响空气的通过量，
其结果与空气滤清器堵塞相同。

也将导致柴油机因进气不足而造成动力不足的故障现象。

③如果空气滤清器质量低劣或进气管路上有破损或空气短路而使不洁空气进入气缸，将导致柴油机气缸套、活塞和活塞环的严重磨损。

并造成柴油机排气冒蓝、黑烟和动力不足、烧机油等故障。

④增压系统的影响。

柴油机的废气涡轮增压系统(如图所示)的目的是提高进入气缸的空气压力，进而增加进入气缸的空气密度，达到增加喷油量而提高功率的目的。

当某些原因导致增压压力不足或涡轮增压器压气机之后管路(如中冷器、进气歧管接口等)出现堵塞、泄漏等问题时，柴油机也会出现因进气不足而动力下降等故障。

另外，如果气缸盖上进气口处的密封垫因损坏而导致密封不严时，会降低增压压力，这也将导致柴油机出现动力不足故障。

⑤当柴油机出现怠速运转正常，但带负荷运行即冒黑烟等现象时，极有可能是空气滤堵塞导致进气不足所致。

此时，可以短时去掉空气滤芯后启动柴油机带负荷作业，如果黑烟消失，说明空气滤芯堵塞，需要清洁空气滤芯或更换。

⑥如果柴油机总是出现不明原因的气缸活塞等的异常磨损，在排除了配件质量和机油质量等因素后，进气
系统不洁进气应该是主要原因。

此时应仔细检查从空气滤清器进气口到气缸盖上的进气歧管进气口的整个进气系统是否存在破损或空气短路情况，特别是要注意进气管上某些特殊用途的接口是否有导致空气短路的现象等。

⑦在正常情况下，应定期对空气滤芯进行保养。

9．12排气系统对柴油机的性能有哪些不良影响?
排气系统导致柴油机动力不足的基本原因是"堵"，亦即排气不畅。

因为排气不畅，使得排气背压升高，柴油机的燃烧废气不仅不能排干净，而且由于排气阻力的加大，增加了排气功率损失。

现代柴油机排气系统的主要部件有氧化催化转化器、微粒过滤器、消声器等部件。

这些部件使用一段时间后都会出现不同程度的堵塞，导致排气不畅，进而影响柴油机的动力输出。

导致排气不畅的主要原因如下。

①消声器内部零部件脱落、损坏后位移并堵塞排气通道。

②氧化催化转换器、微粒过滤器等部件因太脏或损坏而堵塞排气通道。

③排气制动阀总是处于关闭或半关闭状态。

柴油机的排气制动系统一般采用关闭柴油机排气通道的办法，使柴油机活塞在排气行程时，受气体的反压力，进而阻止柴油机的运转而产生制动作用，达到控制车速的目的。

如果排气制动装置中的按钮阀、废气工作缸或连接装置出现故障，造成排气制动阀始终处于关闭或半关闭状态，即始终处于制动状态，车辆会感到明显的动力不足。

排气不畅对柴油机性能的不良影响见表:
9．13纸纸质空气滤芯使用保养要求有哪些?
①柴油机绝对禁止在不装空气滤清器或空气滤清器失效的情况下长时间工作，特殊情况下无空气滤芯时的工作时间不要超过30min。

②柴油机运行50～200h，应对滤芯(包括安全滤芯及空气滤清器内部的相关部位)进行积尘清洁和除尘处理，检查密封性等。

车辆运行5000～8000km应对空滤器的整体滤芯进行更换。

由于设备的用途和使用差异性大，应该灵活调整保养、更换周期。

一旦出现空气滤清器堵塞，应立即停机清理或更换滤芯。

③对于外观质量良好的纸质滤芯，可用0.15～0. 4MPa的压缩空气由里往外将其吹洗干净;但安全滤芯(内滤芯一一毛毡滤芯)不能用压缩空气吹洗。

空气滤清器保养报警器己广泛应用在柴油机上，其作用是提示驾驶员及时对空滤器滤芯进行保养或更换。

在国外，该装置已被强制要求安装在柴油机进气系统中。

空气滤清器保养报警器一般是真空感应式的，当进气真空度达到(5 ± o. 5) kPa [即进气阻力达到(5土0.5) kPa] 时，驾驶室内报警器指示灯就会发亮，提示驾驶员保养或更换滤芯。

9.14油浴式空气滤清器的保养要求是什么？
(1)油浴式空气滤清器的使用要求
①新车出厂前可能未加注机油，使用前一定要认真检查机油盆内的机油。

②加注机油的型号与柴油机使用的机油相同。

加注机油时，机油深度不得超过规定刻线;如果没有刻线，加油深度不宜超过30mm 。

如果加注过多，可能出现排气管滴机油现象。

③当晃动机油盆，机油不易流动时，需清洗滤芯、更换机油。

在特别恶劣的使用条件下，必须每天检查，
一般情况下可连续使用80～150h。

滤芯可长期使用，只需清洗，不需要更换。

④每天第一次启动柴油机前，注意检查壳体与机油盆连接螺栓或拉钩是否松动，并且紧固。

(2)拆卸、检查、清洗步骤
①停车10min以上，使空气滤清器内的机油充分流下来并聚积在机油盆内。

②松开卡箍，取下机油盆及滤清器，不要损坏密封垫。

③倒出脏机油及油泥，清洗机油盆。

④将滤清器放入柴油中清洗，并滴干。

⑤如果壳体很脏，同时清洗干净。

⑥检查密封圈，必要时予机油盆以更换。

⑦机油盆中加入与柴油机相同的机油至箭头所指刻度。

⑧安装机油盆，扣紧卡箍，拧紧螺栓。

9．15柴油机的排放物质及其危害是什么?
①CO2 (二氧化碳) :燃烧含碳元素的物质而产生的。

进入21世纪以来随着石油等化石燃料的大量消耗和。