Для определения неисправностей, связанных с работой турбокомпрессора, необходимо знание принципа его работы. Ниже приведена информация относящяяся к турбокомпрессорам массовых дизельных двигателей, поскольку они достаточно просты.
2.1. Принцип работы турбокомпрессора для дизельного двигателя
Турбокомпрессор - это воздушный насос, который приводится в действие от турбины которая вращается за счет потока отработанных газов. Частота вращения турбокомпрессора дизельного двигателя от 1000 до 130000 об/мин.
Турбина соединяется с компрессором жесткой осью. Компрессор через воздушный фильтр засасывает свежий воздух, затем сжимает его и под давлением подает во впускной коллектор двигателя. Большее количество воздуха подаваемого в цилиндр помогает сгореть большему количеству топлива, что повышает мощность двигателя.
В теории существует равновесие мощностей между турбиной и компрессором турбокомпрессора. Чем больше энергия отработанных газов, тем быстрее будет вращаться турбина. А значит, компрессор тоже будет вращаться быстрее.
2.1.1. Турбина
Турбина состоит из корпуса и ротора. Отработанные газы из выпускного коллектора поступают в приемный патрубок турбокомпрессора. Проходя по сужающемуся каналу расположенному в корпусе турбины они ускоряются, а пройдя через корпус имеющий форму улитки, направляются к ротору турбины и приводя ее во вращение.
Скорость вращения турбины определяется размером и формой канала расположенного в корпусе. Это работает по тому же принципу, что и поливочный шланг: чем больше вы перекрываете отверстие, тем дальше бьет струя воды.
Корпуса турбин отличаються друг от друга в зависимости от сферы применения. Корпус турбины двигателя грузовика может быть разделен на два параллельных канала, для воздействия на ротор двух потоков отработавших газов.
Примененяя такой типа корпуса возможно использовать импульсное движение потока газов и достижение резонансных явлений. Для чего и используеться разделение выпускных каналов для каждого цилиндра.
Одна конструкция турбины В корпусе которой имеется двойной канал, позволяет распределять каждый поток воздуха по всей поверхности ротора турбины. Другая конструкция корпуса который имеет два канала позволяет распределять потоки воздуха семетрично (используються импульсы давления).
В случае примененя системы с постоянным давлением используется только энергия поступательного движения отработанных газов. При этом используються корпуса турбин с одним каналом. Этот вариант применяеться в корпусах с водяным охлаждением на судовых двигателях.
В турбокомпрессоры большого объема часто устанавливают еще одно кольцо с направляющими лопатками, которое облегчает создание постоянного потока отработанных газов на роторе турбины и дает возможность регулировать отток внутри ее корпуса.
Корпуса турбин отливается из сплавовкоторые имеют высокую термостойкость. Ротор турбины также изготавливается из материалов, которые имеют высокую температурную стойкость. Часть в которую входят отработанные газы, называют впуском, а идущую к выхлопной трубе - выпуском.
На оси крепится ротор турбины. Материал из которого сделана ось турбины отличается от материала, который используеться для изготовления ротора. Собирают это соединение следующим способом. Ось и ротор, вращаються в противоположных направлениях с большой скоростью, их прижимают друг к другу. Тепло которое выделяеться от трения сплавляет их друг с другом, образуеться неразъемное соединение.
В месте соединения ось являеться пустотелой. Это затрудняет передачу тепла от ротора к оси турбины.
Со стороны турбины на оси имеется углубление, в нем расположено уплотнительное кольцо.
Бортик, на который запрессовуют кольцо, обрабатывают с высокой точностью.
На тонкий край оси устанавливается ротор, там нарезана резьба, на которую навинчивают предохранительную гайку которая крепит ротор. После изготовления оси, ее необходимо отбалансировать с максимальной точностью, перед установкой в корпус.
2.1.2. Компрессор
Компрессор состоит из корпуса компрессора и ротора.
Размеры компрессора зависят от количества воздуха, который необходим для цилиндров двигателя, и скорости вращения турбины.
Ротор компрессора вращается с той же скоростью, что и ротор турбины.
Лопатки ротора, изготавленные из алюминия, имеют форму, для засасывания воздуха через центр ротора. Таким образом воздух направлен к периферии ротора и с помощью лопаток отбрасывается на стенку корпуса. Благодаря этому воздух сжимается и через впускной коллектор попадает в целиндры двигателя. Корпус компрессора изготовлен из алюминия.
2.1.3. Корпус оси
От системы смазки двигателя происходит смазка турбокомпрессора.
Центральную часть турбокомпрессора образует корпус оси, расположенна она (центральная часть) между турбиной и компрессором. Ось вращается в подшипниках скольжения. Моторное масло проходит между корпусом и подшипниками используя каналы, также оно проходит между подшипниками и осью. Обычно в турбокомпрессорах радиальные подшипники вращаются со скоростью, которая равна половине скорости оси.
Также существуют конструкции турбокомпрессоров, в которых подшипник являеться неподвижным, а его ось вращается в масляной ванне. Масло служит не только для смазки оси, но и для ее охлаждения, а также охлаждает подшипники и корпус.
Для уплотнения турбокомпрессора с двух сторон устанавливаются маслоотражательные прокладки. А также уплотнительные кольца.
Эти кольца помогают избежать утечек масла, но в действительности они не являются уплотнительными прокладками. Их нужно рассматривать как деталь, которая, затрудняет утечку воздуха и газов между деталямит турбокомпрессора. В обычном режиме работы турбокомпрессора давление в компрессоре и турбине компрессора больше, чем давление в корпусе оси. Часть газов из турбины и часть воздуха, который был сжат в компрессоре, попадают в корпус оси и вместе с моторным маслом по сливному маслопроводу проходят в масляный картер двигателя.
Все масляные уплотнения работают на принципе разности давлений, являясь уплотнениями динамического типа:
- Разница в диаметрах оси из-за действия центробежных сил образует разность давлений, затрудняя просачивание масла к турбине.
- Уплотнительные кольца расположены в выточках как со стороны турбины, так и со стороны компрессора.
- Уплотнительное кольцо вращается с той же скоростью, что и ось. Благодаря имеющимся в нем трем отверстиям создается противодавление маслу.
- С целью предотвращения просачивания масла к компрессору внутренняя форма корпуса оси на уровне кольца герметичности имеет весьма своеобразную конструкцию
- Давление в компрессоре и турбине вытесняет масло в корпус оси.
Если обороты двигателя низкие или он работает без нагрузки, давление в компрессоре меньше, чем в корпусе оси
В компрессоре воздух отжимается от центра на периферию и сжимается. Такой же эффект можно увидеть при быстром размешивании муки в чашке: мука будет отброшена на стенки чашки. Воздух в компрессоре завихряется и отбрасывается на его стенки, после чего этот воздух, который был сжат, поступает в цилиндры двигателя. Это объясняет то, почему за ротором компрессора образуется небольшое разряжение в случае слабого наддува.
При работе компрессора могут случаться утечки масла из корпуса оси в компрессор. Скорость вращения оси турбокомпрессора может быть настолько высокой, что избежать утечек масла, используя обычные манжеты, невозможно.
Для того чтобы избежать этого в корпус оси устанавливают несколько уплотнительных колец, для наиболее качественного уплотнения мест возможной утечки масла.
Вот некоторые из них:
- Механический сливной маслопривод турбокомпрессора Garrett.
В этом турбокомпрессоре главную роль играет уплотнительное кольцо. Если двигатель работает на малых оборотах либо без нагрузки, за ротором компрессора образуется область разрежения. Масло и газы, которые находятся в корпусе оси, устремляются между задней пластиной и уплотнительным кольцом к компрессору.
Когда эта смесь проходит через отверстия кольца, масло отбрасывается к наружной стороне кольца, но остается в корпусе оси, в это время газы продолжают движение в компрессоре.
Уплотнительное кольцо, вращающееся на большой скорости вместе с осью турбокомпрессора, действует как центробежный сепаратор масла.
- Пластина для отвода масла
Многие производители турбокомпрессоров в той или иной мере используют эту схему. Это неподвижная пластина, расположена поперечно со стороны компрессора.
Масло, которое течет от уплотнительных колец, стекает вниз по внутренней стороне пластины к отверстию для слива масла. Верхняя часть пластины постоянно находится выше нормального уровня масла в корпусе оси. В случае образования разрежения в компрессоре газы начинают засасыватся легче, более тяжелого масло.
Со стороны турбины отвод масла не так важен потому что при н.у.давление в турбине всегда больше, чем в корпусе оси. Но при некоторых условиях эксплуатации возможно падение давления в турбине, в таком случае требуется установка пластины для отвода масла со стороны турбины.
Все конструкции корпуса оси подразумевают необходимость снижения теплообмена между турбиной и компрессором. Для этого со стороны турбины устанавливают термоизоляционную прокладку, а корпус оси содержит много элементов предназначенных для теплообмена. К примеру в турбокомпрессорах Garrett для дизельных двигателей с марта 1989 года применяют корпус оси, на котором имеются ребра охлаждения.
2.2. Поиск поломок и неисправностей в турбокомпрессорах дизельных двигателей
На исправном двигателе, который своевременно и качественно обслуживается, турбокомпрессор может работать в много лет.
Появление неисправностей возможно из-за:
- недостаточного количества масла,
- попадания в турбокомпрессор посторонних предметов,
- загрязнения масла.
Иногда турбокомпрессоры снимают без предварительной проверки двигателя. Ремонт турбокомпрессора можно производить, лишь убедившись в том что двигатель исправен. Во многих случяях это позволяет избежать бесполезной замены турбокомпрессора.
Основные проявления неисправностей, связанных с турбокомпрессором:
- Двигатель не развивает полную мощность.
- Черный дым из выхлопной трубы.
- Синий дым из выхлопной трубы.
- Увеличенный расход масла.
- Турбокомпрессор шумит при работе.
2.2.1. Низкая мощность двигателя, черный дым из выхлопной трубы.
Эти признаки являются следствием недостаточного поступления воздуха в двигатель, это может вызвать засорение канала подвода воздуха или утечку его из выпускного коллектора.
Сперва необходимо запустить двигатель, и послушать шум, который производит турбокомпрессор.
Имея некоторый опыт, можно определить утечку воздуха между выходом турбокомпрессора и двигателем которая вызывает характерный свист. После этого следует проверить, не засорен ли воздушный фильтр.
При необходимости проверьте количество поступающего воздуха, используя технические данные производителя турбокомпрессора. После выполнения вышеперечисленных действий заглушите двигатель, снимите уплотнение между воздушным фильтром и турбокомпрессором и проверьте отсутствие засорения и повреждений этого канала. Если неисправность осталась, проверьте уплотнения турбокомпрессора, затем коллектор и крепление глушителя. Убедитесь, что там нет засорения или посторонних предметов. Проверьте отсутствие трещин, затяжку гаек выпускного коллектора, возможные повреждения соединений и прокладок.
Установите свободно ли вращается ось турбокомпрессора, нет ли повышенного износа или повреждения ротора турбины или компрессора.
Ось обычно имеет небольшой люфт, но если при вращении турбокомпрессора рукой ротор турбины и компрессора задевает или трется о корпус - то это означает явный износ.
Если неисправности всех этих элементов не обнаружены, то падение мощности скорее всего возникло не из-за турбокомпрессора. Значит нужно искать неисправности в двигателе.
2.2.2. Синий дым из выхлопной трубы.
Если появился синий дыма то это является следствием сгорания масла, причиной может быть как и его утечка в турбокомпрессоре, так и неисправности в двигателе.
Прежде всего необходимо проверить воздушный фильтр - любое препятствие возникающее на пути воздуха к турбокомпрессору может вызвать утечку масла со стороны компрессора. В таком случае за ротором компрессора образуется разряжение, которое вызывает засасывание масла из корпуса оси в компрессор.
Дальнейший этап проверки заключаеться в снятии корпусов турбины и компрессора для проверки свободного вращения оси и повреждений роторов.
Затем проверьте сливной маслопровод от турбокомпрессора к корпусу двигателя. Засорение этого маслопровода или повышенное давление в картере двигателя приводит к тому, что масло из турбокомпрессора не возвращается в масляный картер двигателя. Проверьте, давление газов в картере. Используйте масло, которое рекомендует производитель двигателя.
Не упускайте из виду то, что в масляный картер сливается не только масло - в нем присутствует также часть отработанных газов и сжатого воздуха. Эта смесь состоит из одной части масла и 4 частей газов.
Если в се в порядке снимите выпускной коллектор и проверьте нет ли там следов масла. Если и здесь все в порядке тогда, ищите неисправность в двигателе.
2.2.3. Повышенный расход масла (нет синего дыма).
Для начала проверьте воздушный фильтр, а после, крепления корпуса турбины турбокомпрессора и давление в нем. Проверьте люфт оси турбокомпрессора, на наличие следов износа от трения ротора компрессора и турбины о стенки их корпусов. Смотрите это по люфту оси турбокомпрессора.
Если ничего подозрительного не выявлено, следует искать неисправность не в турбокомпрессоре.
Бывает такое что постоянная утечка масла происходит через турбину турбокомпрессора при этом она находится в исправном состоянии. На практике причиной этого являеться засоренный сливной маслопровод или повышенное давление в масляном картере двигателя. Мы уже упоминали, что по этому маслопроводу течет не только масло, но и смесь газов. Идеальной формой для этого маслопровода была бы прямая труба, отходящая от турбокомпрессора без изгибов идущая в масляный картер двигателя, вывод которой в картере располагался бы чуть выше нормального уровня масла в нем.
Важным является диаметр маслопровода. В турбокомпрессорах небольшого размера, таких как Garrett T3 или Shwitzer, диаметр маслопровода равен 20 мм. Выше упоминалось, что в идеале, турбокомпрессор с картером двигателя должна соединять труба маслопровода, напрямую, без всяких изгибов и горизонтальных частей. Но большая часть сливных маслопроводов очень редко имеют подобную форму. При большом износе двигателя могут возникнуть трудности со сливом масла.
Фирма Garrett, которая уже тридцать лет производит турбокомпрессоры, предложила специальный декомпрессор, он снижает давление. Так же разработали сепаратор масла, который можно изготовить и установить самостоятельно.
2.2.4. Шумная работа турбокомпрессора.
В первую очередь проверьте все трубопроводы, которые находяться под давлением - это вход и выход турбокомпрессора, система выпуска. Проверьте легко ли вращается ось турбины и не трутся ли ротора турбины и компрессора, не повреждены ли они посторонними предметами. Если установлено, что роторы трутся или повреждены то замените турбокомпрессор.
- Полностью снимите маслопровод и трубку сапуна. Внимательно проверьте, не засорились и не повреждены ли они.
- Запрещается использовать герметик для крепления маслопроводов турбокомпрессора. Большинство герметиков при контакте с горячим маслом растворяются загрязняя его. Такое масло может повредить подшипники и кольца турбокомпрессора.
- Так же остатки герметика вызывают засорение масляных каналов внутри турбокомпрессора.
- Перед установкой турбокомпрессор необходимо смазать.
- Промойте двигатель, замените масло, установите новые масляный и воздушный фильтры.
Следует обращать внимание на особенности управления автомобилем с турбокомпрессором. Нельзя "глушить" двигатель, который работает на высоких оборотах, потому что давление моторного масла почти равно нулю и турбокомпрессор продолжает вращаться без смазки, при этом повреждаются подшипники и кольца турбокомпрессора.
Нужно дать двигателю поработать на холостых оборотах больше 30 секунд, перед тем как давать ему полную нагрузку. Для того чтобы смазка попала в турбокомпрессор.
Необходимо регулярно менять масло и фильтр, использовать только то масло, которое подходит для данного турбокомпрессорного двигателя.
Утечки вызванные потерей газов или воздуха всегда производят шум. При этом всегда снижается производительность турбокомпрессора, значит уменьшается и мощность двигателя. Недостаточное количество воздуха может быть причиной черного дыма из выхлопной трубы. Если невозможно определить неисправность, шум можно устранить заменой турбокомпрессора.
Поиск неисправности на дизельном двигателе с турбокомпрессором
1. Двигатель не развивает полной мощности, и при работе выделяется черный дым, проверяем следующие элементы:
- воздушный фильтр;
- крепления воздухоотводов;
- выпускной коллектор;
- турбокомпрессор.
2. При работе двигателя выделяется синий дым и расходуется много масла, проверяем следующие элементы:
- воздушный фильтр;
- подшипники и уплотнительные кольца турбокомпрессора ;
- турбокомпрессор;
- трубу сливного маслопровода и сапун двигателя.
3. Турбокомпрессор издает шум при работе, проверяем следующие элементы:
- крепления воздуховодов;
- систему выпуска;
- подшипники.
2.3. Неисправности турбокомпрессоров
Выделяют три основных причины повреждения турбокомпрессоров:
- недостаток масла;
- попадание посторонних предметов;
- загрязненное масло.
2.3.1. Недостаток масла
Из-за недостатка масла первыми из строя выходят подшипники. После этого могут последовать другие повреждения, например, трение роторов турбины и компрессора, износ уплотнительных колец, может даже треснуть ось турбины.
В нормальных условиях температура для работы оси и подшипников составляет 60-90°С.
При недостаточном количестве масла резко увеличивается теплоотдача на ротор турбины. Это тепло вместе с теплом, выделяющимся при трении в подшипниках, поднимает температуру оси до приблизительно 400°С, вызывая перегрев оси.
Кроме того, перегреваются все подшипники и корпус оси который деформируется. Материал подшипников при этом наваривается на ось турбокомпрессора.
Значительные повреждения на внешних частях впускного канала возникают в случае биения оси, а уплотнительные кольца при этом утрачивают свои свойства.
Лопатки ротора ударяются о внутреннюю его часть компрессора и повреждаются в следствие поломки подшипника.
Высокая температура, возникающая вследствие трения при биении оси, плавит алюминиевые подшипники.
Бронзовые подшипники при перегреве теряют оловянный слой и изменяют цвет.
2.3.2. Попадание посторонних предметов
Попадающие из двигателя обломки деталей, например, части клапанов, являються причиной повреждения ротора.
Повреждения ротора вызваються множеством причин. Одной из них может быть поподание во впускной канал компрессора твердого предмета, в следствие чего края лопаток ротора сбиваются. В случае же попадания мягкого предмета (кусока ткани или резины) - они(лопатки ротора) гнутся.
Песок или грязь, быстро стирают лопатки ротора.
В следствие чего возможна также разбалансировка оси и роторов турбины и компрессора.
2.3.3. Загрязнение масла
Турбокомпрессор смазывается фильтруемым маслом. При загрязнении которого происходят повреждения деталей.
Кроме того, при этом очень быстро изнашивается рабочая поверхность подшипника. Иногда она повреждена настолько, что закрываються каналы для подвода масла.
В крайних случаях поверхности подшипников стачиваются настолько, что полностью стачиваеться слой олова.
Густое масло может задерживатся на внутренних перегородках корпуса оси снижая герметичность и вызывая большие утечки масла. Так же густое масло способно закоксовываться под воздействием тепла и может стать причиной дальнейшего повреждения подшипников.
Иногда загрязнения могут глубоко процарапать внешнюю поверхность подшипника.
На алюминиевых вкладышах, загрязнения могут задерживаться, вследствие этого появляються значительные отложения в корпусе подшипника и на его оси.
Отложение закоксованного масла на роторе турбины может вызыватья дефектом системы герметичности турбокомпрессора, грязным маслом или оттоком масла в систему выпуска из-за износа двигателя. Это может также вызываться повышенным давлением в масляном картере двигателя, или загрязнением сливного маслопровода турбокомпрессора, или засорением воздушного фильтра.
При правильном и регулярном обслуживании двигателя всех вышеописанных неисправностей можно избежать