CN102207008B - 一种涡轮增压器及提高涡轮增压器增压效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于发动机领域的涡轮增压器，同时，本发明还涉及提高涡轮增压器增压效率的方法。所述的涡轮增压器包括压壳(1)，压叶轮(2)，叶顶间隙(3)，所述的涡轮增压器还包括可磨涂层(4)，所述的可磨涂层(4)设置在压壳(1)的压壳内腔(5)的表面上，所述的可磨涂层(4)设置为覆盖压壳内腔(5)与压叶轮(2)的配合轮廓处的结构，可磨涂层(4)包括涂层基体(6)和固体润滑剂(7)。采用本发明的技术方案，既不会由于间隙小而引起可靠性问题，又由于极大地消除了泄漏量，使压气机性能提高，并大大减小了增压器的气动噪声；同时，还降低了对增压器的加工设备的要求。

Description

一种涡轮增压器及提高涡轮增压器增压效率的方法

技术领域

本发明涉及发动机领域，更具体的说，本发明是涉及一种涡轮增压器，同时，本发明还涉及提高涡轮增压器增压效率的方法。

背景技术

当前，发动机增压已是比较普遍的技术，在发动机上加装废气涡轮增压器，通过废气驱动涡壳内的涡轮总成旋转，带动同轴的压叶轮旋转，使空气经过压壳压缩后，变成高压气体进入发动机气缸，由于增加了用于燃烧的空气密度，即空气的质量流量增加，相应的可以喷射更多的燃油，从而使发动机产生更多的功。随着汽车节能减排政策的不断推进，对增压器的性能要求越来越高，这样所带来的直接好处就是发动机油耗降低、有害排放减少。

现有的涡轮增压器中，涡轮增压器中与流动相关的主要零部件是旋转的涡轮总成和压叶轮及固定不动的涡壳和压壳，通常在旋转叶轮的叶顶与壳体内壁之间留有适当的间隙，叶顶高压侧的气体往往会从这些间隙泄漏到低压侧，从而降低了叶片的承载或做功能力，降低了增压器的效率；此外，叶顶间隙的泄漏还会产生强烈的泄漏涡，从而产生噪声。叶顶间隙越大，或高低压侧的压差越大，泄漏量就越大，产生的泄漏涡也就越强烈，从而导致叶轮的效率就越低，产生的噪声就越大。对于压气机端来说，决定叶顶间隙大小的主要因素有：涡轮总成的轴向和径向窜动，压叶轮与压壳的加工误差，相关连接件(如中间壳和背板)的加工误差，涡轮总成的挠曲变形。如果叶顶间隙过小，由于涡轮总成的窜动和挠曲易引起擦壳，性能降低甚至是压叶轮或压壳损坏，可靠性降低。由于在发动机上可靠性必然是最关注的问题，因此，通常都将叶顶间隙设计的较大，从而避免间隙过小导致擦壳所带来的可靠性问题，但后果则是气体泄漏量增加、效率降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种可以提高涡轮增压器效率，降低压壳、压叶轮加工精度的涡轮增压器。

要解决以上所述的技术问题，本发明采取的技术方案为：

本发明为一种涡轮增压器，包括压壳，压叶轮，叶顶间隙，所述的涡轮增压器还包括可磨涂层，所述的可磨涂层设置在压壳内腔的表面上。

所述的可磨涂层设置为覆盖压壳内腔与压叶轮的配合轮廓处的结构，可磨涂层包括涂层基体和固体润滑剂(涂层基体和固体润滑剂之间的比重多少根据硬度值和附着力的要求决定)。

所述的可磨涂层的涂层基体是单体橡胶或聚氨酯或双体聚酯或硅树脂或环氧聚合树脂(因为这几种材料在固化时会变成熔融液体且具有粘结作用)，这几种材料作为涂层基体，其效果基本相同，区别较小)。

所述的固体润滑剂是石墨、PTFE、MoS2、CaF2、MgF2、BaF2、BN中的一种或两种的组合(选择上面几种材料作为固体润滑剂，因为它们都具有润滑特性)。这几种材料作为固体润滑剂，其效果基本相同，但涂层的硬度值及外观会不同)。

所述的可磨涂层的涂层基体和固体润滑剂的优选材料分别为环氧聚合树脂和石墨。

所述的可磨涂层的优选材料颗粒的平均尺寸为25-35微米之间，最佳的颗粒尺寸是30微米，可磨涂层的厚度设置为没有可磨涂层时叶顶间隙的1/2，可磨涂层的硬度设置为H一4B之间。

所述的可磨涂层的硬度的优选值为2B。

本发明同时还涉及一种提高涡轮增压器增压效率的方法，本发明中提高涡轮增压器增压效率的方法是通过可磨涂层的加工和设置实现的，所述的提高涡轮增压器增压效率的方法为：

a)对涡轮增压器的压壳内腔表面加热，去除其表面可能存在的化学物质(包括残留的切削液及清洗液)；

b)将可磨涂层均匀涂在压壳内腔表面上；

c)对包括涂层基体和固体润滑剂的可磨涂层进行高温固化；

d)对设置可磨涂层后的增压器总成进行磨合。

为了提高可磨涂层在压壳内腔表面的附着力，可以用打磨、喷砂方法对压壳内腔上的可磨涂层的喷涂处进行预处理；将可磨涂层均匀涂在压壳内腔表面上时，优选的喷涂方式是采用静电喷涂或气雾喷涂方式。

对喷涂的可磨涂层行高温固化时，将涂有可磨涂层的压壳加热到150-170℃之间，保温0.5-2分钟，然后自然冷却。

对设置可磨涂层后的增压器总成进行磨合时，磨合到压叶轮与压壳之间达到“零间隙”为止，此处的“零间隙”并非指间隙的绝对值为的零，而是保证压叶轮自由旋转所需的最小间隙，静态实际值应大于零，进行磨合时，磨合工况稳定运行持续时间不少于2分钟。

采用本发明的技术方案，能得到以下的有益效果：

1、通过在压壳上喷涂一种特殊的可磨涂层，涂在压壳与压叶轮形成叶顶的位置，当增压器上的压壳与压叶轮充分磨合后，将会使可磨涂层的厚度减小，使压壳与压叶轮的间隙正好为“零间隙”，即不会由于间隙小而引起可靠性问题，又由于极大地消除了泄漏量，使压气机性能提高，效率提高3％～5％，并大大减小了增压器的气动噪声；

2、该可磨涂层喷涂在压壳上，并能很好的附着在压壳上，磨合后压壳上仍然存在一定厚度的可磨涂层，因此，降低了配合件压壳和压叶轮、叶顶间隙尺寸链中组成环(即相关连接件)中中间壳和背板等的加工精度，一定程度上降低了对加工设备的要求；

3、本发明提出了该可磨涂层的相关技术要求，使带有该可磨涂层的涡轮增压器能够应用在柴油或汽油发动机上；

4、提出了一种涂有该可磨涂层的涡轮增压器的磨合方法，使可磨涂层得到最佳的应用。

附图说明

下面对本说明书各附图所表达的内容及图中的标记作出简要的说明：

图1为本发明所述的涡轮增压器的压气机端的结构剖视示意图；

图2为现有技术中的涡轮增压器的压气机端的结构剖视示意图；

图中标记为：1、压壳；2、压叶轮；3、叶顶间隙；4、可磨涂层；5、压壳内腔；6、涂层基体；7、固体润滑剂。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明：

如附图1所示，本发明为一种涡轮增压器，包括压壳1，压叶轮2，叶顶间隙3，所述的涡轮增压器还包括可磨涂层4，所述的可磨涂层4设置在压壳1的压壳内腔5的表面上。

所述的可磨涂层4设置为覆盖压壳内腔5与压叶轮2的配合轮廓处的结构，可磨涂层4包括涂层基体6和固体润滑剂7(涂层基体6和固体润滑剂7混合在一起，因此在附图上不能分别表现出两者的位置和结构)。

所述的可磨涂层4的涂层基体6是单体橡胶或聚氨酯或双体聚酯或硅树脂或环氧聚合树脂；所述的固体润滑剂7是石墨、PTFE、MoS2、CaF2、MgF2、BaF2、BN中的一种或两种的组合。

所述的可磨涂层4的涂层基体6和固体润滑剂7的优选材料分别为环氧聚合树脂和石墨。

所述的可磨涂层4的优选材料颗粒的平均尺寸为25-35微米之间，可磨涂层4的厚度设置为没有可磨涂层4时叶顶间隙3的1/2，可磨涂层4的硬度设置为H-4B之间。

所述的可磨涂层4的硬度的优选值为2B。

本发明同时还涉及一种提高涡轮增压器增压效率的方法，所述的方法为：

a)对涡轮增压器的压壳内腔5表面加热，去除其表面可能存在的化学物质(包括残留的切削液及清洗液)；

b)将可磨涂层4均匀涂在压壳内腔5表面上；

c)对包括涂层基体6和固体润滑剂7的可磨涂层4进行高温固化；

d)对设置可磨涂层4后的增压器总成进行磨合。

为了提高可磨涂层4在压壳内腔5表面的附着力，可以用打磨、喷砂方法对压壳内腔5上的可磨涂层4的喷涂处进行预处理；将可磨涂层4均匀涂在压壳内腔5的表面上时，优选的喷涂方式是采用静电喷涂或气雾喷涂。

对喷涂的可磨涂层4行高温固化时，将涂有可磨涂层4的压壳1加热到150-170℃之间(最佳温度是160℃)，保温0.5-2分钟(最佳时间是1分钟)，然后自然冷却。

对设置可磨涂层4后的增压器总成进行磨合时，磨合到压叶轮2与压壳1之间达到“零间隙”为止，此处的“零间隙”并非指间隙的绝对值为零，而是保证压叶轮2自由旋转所需的最小间隙，静态实际值应大于零，进行磨合时，磨合工况稳定运行持续时间不少于2分钟。

本发明的可磨涂层4是包括一种涂层基体和一种固体润滑剂的混合物，这种涂层可保证压叶轮2与压壳1相对旋转的“零间隙”。

本发明优先选用的可磨涂层4方案为环氧聚合树脂+石墨，在涂层基体里添加石墨会起到润滑的效果。石墨越多润滑性越好，硬度越低，但附着力也越低。

同时，石墨的含量会影响可磨涂层4的硬度，即石墨含量越高，其硬度越低。较软的涂层在相对旋转接触时会产生较小的噪声，但是添加过多的石墨会降低涂层的附着性。因此，需要兼顾硬度和附着性。

本发明优先选用的可磨涂层4的颗粒平均尺寸在30微米左右，在固化阶段，颗粒会连接在一起形成粗糙的海绵状易磨层。

本发明中的可磨涂层4的硬度是以铅笔硬度来衡量的，硬度值为H～4B，理想值为2B，这个硬度可以保证涂层具有良好附着力和润滑性。

可磨涂层4在-40～160℃具有热稳定性，对于铝合金或其它轻金属有着很好的附着性，并且是可燃的，燃烧后生成的化学物质进入发动机后，对催化转化器和废气氧传感器无损害，可磨涂层4与汽油、柴油、润滑油、水、酒精、尾气等不发生化学反应，具有很好的兼容性(涂层的根本目的是消除由于一部分叶顶间隙，经过额定工况和最大扭矩点工况磨合以后，在装到发动机上的工况正常不会超过磨合工况，所以在后期不会发生磨损，即使磨损也很微量，不会损害发动机)。

为了达到本发明的目的，可磨涂层可以喷涂在压壳上，至少覆盖压壳与压叶轮的配合的轮廓处。在磨合前，可磨涂层4的厚度应足够厚，其厚度应为没有可磨涂层4时叶顶间隙3的1/2。

以下是本发明可磨涂层4的具体设置过程：

1、由于压壳1在加工及清洗过程中可能存在着残留的切削液及清洗液，而这些残留物可能会和可磨涂层4的涂层基体6发生化学反应。所以，可以通过加热使零件表面的残留物发生挥发来加以去除；

2、为了提高可磨涂层4在压壳内腔5表面的附着力，可以用打磨、喷砂方法对压壳内腔5表面的喷涂处的进行预处理；

3、最好用静电喷涂或气雾喷涂的方式，将涂层混合物均匀的涂在压壳1底面上。至少覆盖压壳与压叶轮配合的轮廓处，如图1所示。可磨涂层4的厚度应足够，大约为没有可磨涂层4时叶顶间隙3的1/2；

4、对可磨涂层4混合物进行高温固化，方法是将涂有可磨涂层的压壳1加热到160℃左右，保温1分钟，然后自然冷却。当压壳1热胀冷缩时，可磨涂层4应能承受由此产生的热应力，因此，可磨涂层4的热膨胀系数要大于压壳1的热膨胀系数也是其特性之一。

5、装配后磨合，涡轮增压器装配后，压叶轮2与压壳1之间仍存在较小的叶顶间隙3，但与没有可磨涂层的结构相比，小了一个涂层4的厚度。此间隙在增压器实际运行过程中，由于涡轮总成的窜动或挠曲，可磨涂层4将会被压叶轮2刮削，直到转子能自由运行时所要求的最大间隙。为防止可磨涂层4被旋转的压叶轮2刮削时引起的摩擦损失增加而造成的发动机性能下降，以及尽量减少刮削过程中的涂层材料进入发动机，需在装配后对增压器总成进行一个短暂的磨合过程，直到压叶轮2与压壳1之间达到“零间隙”。

本发明的涡轮增压器的磨合过程，可在增压器台架上进行，但最好在匹配的发动机上进行。其磨合工况必须满足发动机额定工况和最大扭矩点的性能要求，每个工况(包括额定工况和最大扭矩点工况)稳定运行不少于2分钟。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明具体的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种涡轮增压器，包括压壳(1)，压叶轮(2)，叶顶间隙(3)，所述的涡轮增压器还包括可磨涂层(4)，所述的可磨涂层(4)设置在压壳(1)的压壳内腔(5)的表面上；

其特征在于：所述的可磨涂层(4)设置为覆盖压壳内腔(5)与压叶轮(2)的配合轮廓处的结构，可磨涂层(4)包括涂层基体(6)和固体润滑剂(7)；

所述的可磨涂层(4)的涂层基体(6)是单体橡胶或聚氨酯或双体聚酯或硅树脂或环氧聚合树脂；所述的固体润滑剂(7)是石墨、PTFE、MoS2、CaF2、MgF2、BaF2、BN中的一种或两种的组合；

所述的可磨涂层(4)的涂层基体(6)和固体润滑剂(7)的优选材料分别为环氧聚合树脂和石墨。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于：所述的可磨涂层(4)的颗粒的平均尺寸为25—35微米之间，可磨涂层(4)的厚度设置为没有可磨涂层(4)时叶顶间隙(3)的1/2，可磨涂层(4)的硬度设置为H—4B之间。

3.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其特征在于：所述的可磨涂层(4)硬度的优选值为2B。

4.一种提高涡轮增压器增压效率的方法，所述的方法为：

a)对涡轮增压器的压壳内腔(5)表面加热或使用化学试剂进行清洗，去除其表面可能存在的残留的切削液及清洗液；

b)将可磨涂层(4)均匀涂在压壳内腔(5)表面上；

c)对包括涂层基体(6)和固体润滑剂(7)的可磨涂层(4)进行高温固化；

d)对设置可磨涂层(4)后的增压器总成进行磨合；

其特征在于：为提高可磨涂层(4)在压壳内腔(5)表面的附着力，用打磨或喷砂方法对压壳内腔(5)上的可磨涂层(4)的喷涂处进行打磨预处理，将可磨涂层(4)涂在压壳内腔(5)表面上时，喷涂方式是采用静电喷涂或气雾喷涂；

对喷涂的可磨涂层(4)进行高温固化时，将涂有可磨涂层(4)的压壳(1)加热到150—170℃之间，保温0.5—2分钟，然后自然冷却。

5.根据权利要求4所述的提高涡轮增压器增压效率的方法，其特征在于：对设置可磨涂层(4)后的增压器进行磨合时，磨合到压叶轮(2)与压壳(1)之间达到“零间隙”状态，磨合时，磨合工况稳定运行持续时间不少于2分钟。