发表于 2005-01-12 18:08 IP属地:未知
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给开涡轮增压车的朋友:引擎涡轮增压系统的运转润滑及其问题(转载)
摘要:合成油并非万灵丹,面对上千度的涡轮增压高温,任何油品都
无法直接承受长期的煎熬。合成油比起矿物油有几十度的高温优势,
可以有效抑制并延缓高温的冲击,是涡轮增压引擎的最佳拍挡。
不过良好的驾驶习惯和定期的换油保养仍旧是最关键且不可忽略的。
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涡轮增压器基本上是相当简单的构造,由引擎排放的废气来驱动涡轮
叶片,再经过中心轴连动另一端的压缩叶片,迫使新鲜空气在高压力
下进入引擎。通常压缩端装置在空气滤芯和进气歧管之间,而涡轮端
则在排气歧管和排气尾管间。
由于是以高压将大量的空气压缩进入引擎燃烧室,能混合较多的燃油
并且有效的燃烧,所以可产生较大的动力。
这种增压的观念其实早在第一次世界大战时期的航空器便开始使用。
因为在相当的高度时,空气的密度亦相对减低,自然进气的引擎能吸入
引擎燃烧的空气也随之减少,所以引擎动力大幅下降。一般而言,高度
上升1,000英呎空气的密度相对下降约3%左右。 所以当飞机于10,000
英呎上空飞行时,以自然进气只能吸入原引擎设计在地平面上运转时
的七成空气,因此须藉由增压器的作用,使得引擎有足够的空气燃烧
,而可以维持一定的动力。
随后为了赛车和高效引擎的研发,汽车引擎陆续采用脉瓣式或离心式
增压器输送较多的空气或混合气进入汽缸。这些利用引擎曲轴及齿轮
组带动的机械式增压装置,在以引擎数倍的旋转速度运转增强动力的
同时,也消耗了引擎本身部分的动力。接著,使用排放废气来推动的
涡轮增压装置被开发了出来,由于使用的是排放废气为动力,所以
理论上并不会对引擎原有的动力有任何的减损。但是排放的废气带来
极高温的作业环境,却是涡轮增压装置必需面对和克服的一项最主要
难题。
涡轮增压装置的故障
涡轮增压装置基本上并不需要特别的维护保养,但是为确保长期稳定
的运转,需注意持续供应洁净优质的引擎滑油及空气,几乎所有的
涡轮增压装置故障都归因于这两部分的缺失。
先谈谈滑油的问题,涡轮增压装置需依靠乾净滑油的持续供应来作为
润滑和冷却之用。涡轮增压全速运转时高达200,000rpm的转速,涡轮
及压缩叶片转轴由两铜套轴承支撑,涡轮增压装置运转时,需来自
曲轴箱的高压滑油经油道不断的供给,使铜套轴承浮在滑油膜上高速
旋转,以减除摩擦。
除了润滑之外,更重要的是迅速的带走涡轮端轴承的高热。因为引擎
的排放废气虽可驱动涡轮叶片,但其温度动辄600℃~700℃,甚至于
1,000℃。这样的严苛条件下,即便是短暂的油压不足,都可能造成
无法弥补的损坏。
一般而言,因润滑问题导致涡轮损伤的原因是:
1)滑油供给迟滞
2)滑油污染和
3)滑油循环不良。
滑油供给迟滞发生于引擎刚启动时,低温滑油黏度较稠,流经涡轮
轴承的速度较慢,无法有效的将轴承撑起浮于油膜层上。此时如果立
即猛加油门让引擎高速运转,轴承和转轴间不当磨损无可避免,
久而久之轴承的损坏就浮现。
不洁的滑油对任何引擎而言都是问题。高速的涡轮增压装置更容易因
滑油里的污染粒子而产生磨损。吸入空气滤清不良,滑油及油滤芯未
定期更新,都会使滑油遭受污染,导致轴承转轴及机罩快速磨损,
而且千万不能小覤这些微小的磨损,因为高速运转极易造成轴封漏油,
随后震动平衡不良,将使涡轮和压缩叶片打到机罩,严重损毁涡轮
增压器。为了对付滑油的污染问题,最简单的方法便是依照原厂的
建议定期换油保养,同时更换滤油芯,以确定引擎滑油随时保持良好
的状况。更有厂家在涡轮增压器之前额外加装滤油器以保证滑油的洁净。
虽然滑油供给迟滞及污染都是问题,但滑油最严重的是焦化问题。
焦化肇因于涡轮增压引擎在高速运转后立即关机,轴承罩的高温无法
藉由滑油的流动持续带走而降温,停留于轴承罩里头的滑油因此逐渐
的烧焦且裂解,最后在涡轮增压器的油道内表层形成一层焦化的积垢
,这积垢层不仅破坏润滑造成轴承的拉痕,并且阻碍滑油的热传效果
,使积碳焦化加剧。如果问题持续恶化,最终滑油道将完全堵塞,
而涡轮增压器毁损。面对涡轮端的高温难题,大型涡轮增压引擎率先
采用循环水道,以水冷方式来降低涡轮增压中央心轴的高温。这种
水冷系统可以降低中央机罩的温度达100℃,所以随后水冷系统成为
涡轮增压器的标准设计。以上的故障原因都来自滑油供应系统的缺憾。
接著我们再进一步从空气的供给系统来探讨。涡轮增压引擎进气系统
最重要的组件是高品质的空气滤芯。转速高达200,000rpm的压缩端进气
气流里,任何细微的灰尘砂粒都足以产生严重的磨损。这些含有坚硬
粒子作为磨料的磨损,如果持续进行,将会使压缩轮叶腐蚀,降低涡轮
增压器的效率。再者,如果磨耗不均轮叶失衡,震动的结果损伤涡轮
增压轴承,最终整个涡轮增压器损毁。
长期有不洁的空气夹带著细微的灰尘粒子会损坏涡轮增压器,可是单一
的硬块或小石砾进入涡轮增压的进气口,瞬间就可造成相同程度的损毁。
当检查出压缩轮叶片有弯曲或破裂的情形,则可确定是有较大的硬物
侵入涡轮增压器造成的现象。
另一进气系统常见的问题是空气滤清器的堵塞。这种情况会使空气清净
系统和涡轮增压器进气口之间产生压差,滑油经压缩端的轴封被吸入
引擎里,接著吸入的滑油燃烧使排气冒烟,同时涡轮增压器无法吸入
足量的空气来提升燃烧动力。进气量由引擎速度、燃油密度和喷射系统
来控制的设计,空气滤清器的堵塞会造成过量的燃油混合比。
然而较进步的空气总流量系统设计,虽可维持正确的油气混合比,但
仍会有明显的动力损失。
良好的操作习惯
谈了这么多的涡轮增压器可能出现的毛病后,我们再来探讨有效的对策
,以免除这些问题。首先从驾驶人开始检讨是最佳的方向。
之前提过涡轮增压器除了配合精密的轴承外,基本上不是很复杂的设计
,只是运转上的高速及高温是和传统自然进气及机械增压截然不同的,
更麻烦的是这些困难并非现有润滑相关产品及设计可轻易解决的,而
良好的操作条件和使用习性反倒是最佳的解决之道。
以下建议涡轮增压引擎标准的操作程序:
+冷车启动的引擎,避免立即高速运转。
理想的润滑是让轴承浮在滑油膜上高速旋转,所以让引擎于中低速运转
片刻,达到正常的工作温度后,滑油黏度降低,能快速的通过轴承处,
将轴承撑起以减除摩擦阻力并顺畅运转。
+引擎高速运转之后,应有适当的缓和时间,让涡轮增压心轴处的高温
冷却再关掉引擎。 大部分的涡轮增压器都有滑油延迟装置,在引擎熄
掉之后持续循环几分钟,然而这和几十分钟的低速或怠速运转效果自
然是相去甚远。
+ 同样的关掉引擎之前,切勿拉高引擎转速。 这可能使滑油供给瞬间
不足,造成轴承损伤。
+ 确实遵循保养手册的建议定期维修保养。 可能的话尽量缩短保养
间隔,尤其是比较严苛的驾驶状况。
涡轮增压引擎的润滑油
如何确保涡轮增压器的效能及寿命,最重要的是正确的选用滑油并
定期更换。 滑油的选择需遵照原厂所指定或建议的品级,其不外乎
美国石油学会(API)的服务品级分类和汽车工程师协会(SAE)的黏度级数。
无论是汽油或柴油引擎,原厂大都会建议选用美国石油学会(API)的
最高服务品级分类滑油,例如:API SJ/SL或API CH-4/CI-4 等等,分别
给予汽油或柴油引擎应用,以提供最佳的保护。有些知名厂家甚至有
特别的规范,要求在抗氧化,抗高温,抗磨损和维持洁净方面进一步
的保护。滑油品级的要求随著更新的引擎设计而不停的往上提升。
另外正确的SAE黏度选择其重要性绝不亚于API的服务品级分类。
黏度太稀,固然不足以保护高速高负载下的运转;但是黏度过于浓稠
,会造成供油迟滞,润滑不良,在低温状况时尤其严重。翻开原厂的
滑油黏度建议,绝大多数的厂家都推荐复级油,且倾向低黏度,例如
10W-30,5W-40,5W-30,0W-40等。 而早在80年代,欧美的柴油引擎
制造商即推荐复级油15W-40作为一般环境下的应用。
在涡轮增压尚未普遍出现于柴油引擎商用车的时期,仅有极少数柴油
车开始使用复级油。部分制造商不建议复级油用于中大型高速柴油引
擎,理由是复级油所含的黏度指数增进剂(VI)不堪长期高温重荷,
会率先劣化焦结积垢。
其实这是针对船舶高速柴油引擎的使用,陆上车用引擎维持定期换油
的保养习性时,则无此顾虑。况且持续研发的添加剂技术,通过API的
服务品级分类及各车厂的严苛规范要求,已足以应付定期保修模式下
的各种考验了。
反倒是俗称“油精”的市售添加剂,在添加使用后,对涡轮增压车种
所产生的后遗症远超过在一般自然进气引擎造成的问题,应绝对避免。
整体来说,柴油引擎商用车除了少数顶级合成油品以外,复级油黏度
15W-40是不二选择。 而具备涡轮增压的汽油引擎,上述低黏度复级油
是绝对正确的。 少数追逐极致动力的改装引擎,或许倾向于高黏度
油品,那另当别论。
接下来谈谈合成油的使用。合成油是否提供涡轮增压引擎较好的保护
,答案是肯定的。合成基础油具有先天的高黏度指数,所以配方里的
黏度指数增进剂(VI)含量相对减除。当然合成油优异的抗高温特性可
抑制劣化的进展,不过要特别强调的是,合成油并非万灵丹,面对
上千度的涡轮增压高温,任何油品都无法直接承受长期的煎熬。
合成油比起矿物油有几十度的高温优势,可以有效抑制并延缓高温
的冲击,是涡轮增压引擎的最佳拍挡。不过良好的驾驶习惯和定期
的换油保养仍旧是最关键且不可忽略的。