Ремонт и диагностирование турбокомпрессоров

Задание

1. Выбрать агрегат автомобиля, для которого необходимо оценить техническое состояние или провести ТР.

2. Изучить особенности конструкции и принцип действия агрегата.

3. Определить параметры узла или агрегата, по которому оценивается техническое состояние или особенности выполнения ТР.

4. Разработать возможные методические оценки технического состояния агрегата автомобиля.

5. Для выбранной методики спроектировать технологическое оборудование, позволяющие оценить техническое состояние агрегата или снизить трудоемкость ремонта.

5.1 Выбрать компоновочную схему оборудования с учетом размещения агрегатов и особенностью подключения и оценить эргономические показатели рабочего места.

5.2 Выбрать кинематическую схему.

5.3 Спроектировать несущие конструкции с учетом перемещения агрегата или механизма.

5.4 Разработать способы переключения или подключения испытаний агрегата к технологическому оборудованию.

5.5 Если это необходимо обеспечить подвод коммуникаций.

6. Произвести расчет эксплуатационных параметров и подбор стандартных элементов.

7. Сделать вывод о соответствии спроектированного оборудования выдвинутым требованиям.

Устройство турбокомпрессора турбонаддува ДВС

Рис. 1. Устройство современного турбокомпрессора:

1 — корпус подшипников — металлический корпус системы подшипников обеспечивает местоположения для плавающей системы подшипника вала турбины и компрессора, который может вращаться со скоростью до 170,000 оборотов / минут. Сложная геометрическая конструкция для охлаждения. Основные требования: качество обработки, жесткость, термостойкость;

2 — турбинное колесо — установлено в корпусе турбины и соединено штифтом, который вращает крыльчатку компрессора. Покрыто никелевым сплавом. Сделано из прочных и стойких сплавов. Выдерживает температуры работы до 760 °C. Основные требования: стойкость к изнашиванию, к деформациям, к коррозии;

3 — перепускной клапан — управляемый пневматическим приводом (см. рис. 1), при определенной величине давления наддува направляет часть отработавших газов в обход турбины, тем самым ограничивает давление наддува ДВС. Ограничение давления наддува осуществляют с целью защитить двигатель от перегрузки;

4 — корпус (улитка) турбины — изготавливается из различных сортов сфероидированного чугуна, чтобы противостоять тепловому воздействию и разрушению. Как и крыльчатка, профиль улитки обработан до полного соответствия форме лопастей крыльчатки. Впускной фланец улитки турбины работает как установочная база для закрепления турбины, несущая нагрузку. Основные требования: ударопрочность, стойкость к окислению, жаропрочность, жаростойкость, легкость механической обработки;

5 — масляные каналы;

6 — вал ротора;

7 — подшипник скольжения — изготовлен из специально разработанных бронзовых или медных сплавов. Специально разработанный производственный процесс предназначен, чтобы создать подшипники с необходимыми качествами термостойкости и износостойкости. Стопорные, упорные стальные кольца и масляные проточки изготавливаются особенно точно. Осевое давление поглощается бронзовым гидродинамическим подшипником осевого давления, расположенным в конец сборки вала. Точная калибровка обеспечивает равномерную нагрузку подшипника.

8 — компрессорное колесо — выполнено из алюминиевых сплавов методом литья, на некоторых моделях крыльчаток, для очень тяжелой и продолжительной работы при больших температурах, лопасти изготавливаются из титана. Точные размеры лопастей крыльчатки и точная механическая обработка важны для нормальной работы компрессора. Расточка и полирование повышает коэффициенты сопротивления усталости. Крыльчатка расположена на сборке вала. Основные требования: высокое сопротивление усталости, растяжению, коррозии;

9 — корпус (улитка) компрессора — отлита из алюминия. Используются различные сплавы для различных типов компрессоров. Используются как вакуумное литье так «песочное» литье. Точная финальная обработка для соблюдения размеров и качества поверхностей, необходимые для нормальной работы турбины. Основные требования: прочность к ударным и механическим нагрузкам, высокое качество обработки и точные размеры;

10 — пневмопривод перепускного клапана — управляет перепускным клапаном, для ограничения давления наддува и защиты двигателя от перегрузок.

Рис. 2. Общее устройство турбокомпрессора Включает в себя основные части: корпус компрессора 1, компрессорное колесо 2, вал ротора 3, корпус турбины 4, турбинное колесо 5 и корпус подшипников с ротором в сборе.

— Корпуса турбины и компрессора в обиходе называют «улитки». Турбинный корпус связан с выпускным, а компрессорный — с впускным трубопроводами.

— В корпусе подшипников установлен ротор в сборе, представляющий собой вал, на котором жестко закреплены турбинное и компрессорное колеса с лопастями. Ротор вращается на подшипниках скольжения. Они смазываются и охлаждаются моторным маслом, поступающим из системы смазки двигателя. Для снижения температуры корпуса в нем могут быть предусмотрены каналы подачи охлаждающей жидкости.

Работа турбокомпрессора происходит под воздействием потока отработавших газов, вращающих турбинное колесо и вал ротора. Установленное на том же валу компрессорное колесо нагнетает воздух во впускной трубопровод. На некоторых режимах работы мотора проявляют себя особенности турбонаддува:

— «Турбояма» («турболаг») — задержка увеличения оборотов и мощности двигателя при резком нажатии на педаль акселератора («газа»). Эффект связан с инерционностью системы — требуется время, чтобы ускорившийся поток выхлопных газов раскрутил турбину. Основной способ устранения — снижение размеров и массы вращающихся деталей для облегчения их быстрого раскручивания. Однако это ведет к снижению производительности турбокомпрессора и для сохранения необходимого давления наддува приходится увеличивать частоту вращения ротора или применять корпус турбины с изменяемым проходным сечением.

— «Турбоподхват» — возникает при увеличении оборотов и скорости движения выхлопных газов после преодоления «турбоямы». Вследствие этого резко увеличивается давление наддува, создаваемого турбокомпрессором и, соответственно, мощность двигателя. Чтобы исключить перегрузку деталей кривошипно-шатунного механизма и детонацию (в бензиновых двигателях), необходимо такое же резкое ограничение давления наддува.

1. Нагнетание воздуха при помощи турбокомпрессора

Мощность, развиваемая двигателем, зависит от количества воздуха и смешанного с ним топлива, которое может быть подано в двигатель. Если нужно увеличить мощность двигателя, нужно увеличить как количество подаваемого воздуха, так и топлива. Подача большого количества топлива не даст эффекта до тех пор, пока не появится достаточное для его сгорания количество воздуха, иначе образуется избыток несгоревшего топлива, что приводит к перегреву двигателя, который к тому же сильно дымит.

Увеличение мощности атмосферного двигателя может быть достигнуто путем увеличения либо его рабочего объема, либо оборотов. Увеличение рабочего объема, сразу же увеличивает вес, размеры двигателя и в конечном итоге его стоимость. Увеличение оборотов проблематично из-за возникающих при этом технических проблем, особенно в случае двигателя со значительным рабочим объемом.

Технически приемлемым решением проблемы увеличения мощности, является использование нагнетателя (компрессора). Это означает, что подающийся в двигатель воздух сжимают перед его впуском в камеру сгорания.

Другими словами, компрессор обеспечивает подачу необходимого количества воздуха, достаточного для полного сгорания увеличенной дозы топлива. Следовательно, при прежнем рабочем объеме и тех же оборотах мы получаем большую мощность.

Существует два основных типа компрессоров: с механическим приводом и «турбо» (использующие энергию отработанных газов). Кроме того, существуют также комбинированные системы, например, турбокомпаундная. В случае компрессора с механическим приводом необходимое давление воздуха получают благодаря механической связи между коленвалом двигателя и компрессором. В турбокомпрессоре давление воздуха получают благодаря вращению турбины потоком отработавших газов.

В принципе, любой турбокомпрессор состоит из центробежного воздушного насоса и турбины, связанных при помощи общей жесткой оси между собой. Оба эти элемента вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью. Энергия потоков отработавших газов, которая в обычных двигателях, преобразуется здесь в крутящий момент, приводящий в действие компрессор. Происходит это так. Выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление. Они разгоняются до большой скорости и вступают в контакт с лопатками турбины, которая и преобразует их кинетическую энергию в механическую энергию вращения (крутящий момент).

Это преобразование энергии сопровождается снижением температуры газов и их давления. Компрессор засасывает воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Количество топлива, которое можно смешать с воздухом, при этом можно увеличить, что позволяет двигателю развивать большую мощность. Кроме того, улучшается процесс сгорания, что позволяет увеличить характеристики двигателя в широком диапазоне чисел оборотов.

Между двигателем и турбокомпрессором существует связь только через поток отработавших газов. Частота вращения турбокомпрессора напрямую не зависит от числа оборотов двигателя и характеризуется некоторой инерционностью, т. е. сначала увеличивается подача топлива, увеличивается энергия потоков отработавших газов, а затем уже увеличиваются обороты турбины и давление нагнетания и в цилиндры двигателя поступает еще больше воздуха, что дает возможность увеличить подачу топлива.

Подача и давление воздуха в турбокомпрессоре без регулирования давления наддува, прямо пропорциональны энергии отработавших газов, т. е. числу оборотов турбины.

Для двигателей, работающих в широком диапазоне оборотов (например, в легковом автомобиле), высокое давление наддува желательно даже на низких оборотах. Именно поэтому будущее принадлежит турбокомпрессорам с регулируемым давлением. Небольшой диаметр современных турбин и специальные сечения газовых каналов способствуют уменьшению инерционности, т. е. турбина очень быстро разгоняется и давление воздуха очень быстро достигает требуемого значения. Регулировочный клапан следит за тем, чтобы давление наддува не возрастало выше определенного значения, при превышении которого двигатель может быть поврежден.

2. Типы выпускных систем с турбокомпрессором

Существует два основных типа выпускных систем с турбокомпрессором: с постоянным давлением на входе в турбину и с импульсным давлением на входе в турбину.

Применяются оба типа, иногда в комбинированных вариантах. Выбор определяется типом двигателя, количеством цилиндров, спецификой использования и множеством других факторов.

В выпускных системах с постоянным давлением на входе в турбину отработавшие газы от всех цилиндров собираются в общем выпускном коллекторе и затем, при почти постоянным давлении, направляются к турбокомпрессору.

В выпускных системах с импульсным давлением на входе в турбину используется выпускной коллектор типа «спагетти», в этом случае отработавшие газы подводятся к турбокомпрессору по отдельным патрубкам, идущим от каждого цилиндра, что позволяет использовать резонансные явления в выпускном коллекторе и добиться максимальной производительности от турбокомпрессора в узком диапазоне чисел оборотов.

3. Преимущества турбокомпрессорного двигателя

Двигатель, оснащенный турбокомпрессором, обладает техническими и экономическими преимуществами по сравнению с атмосферным (безнаддувным) давлением.

Соотношение масса / мощность у двигателя с турбокомпрессором выше, чем у атмосферного двигателя Двигатель с турбокомпрессором менее громоздок, чем атмосферный двигатель той же мощности.

Кривая крутящего момента двигателя с турбокомпрессором может быть лучше адаптирована к специфическим условиям эксплуатации. При этом, например, водитель тяжелого грузовика должен намного реже переключать передачи на горной дороге и само вождение будет более «мягким»

Кроме того, можно на базе атмосферных двигателей создавать версии, оснащенные турбокомпрессором и отличающиеся по мощности.

Еще более ощутимы преимущества двигателя с турбокомпрессором на высоте. Атмосферный двигатель теряет мощность из-за разряжения воздуха, а турбокомпрессор, обеспечивая повышенную подачу воздуха, компенсирует снижение атмосферного давления, почти не ухудшая характеристики двигателя. Количество нагнетаемого воздуха станет лишь ненамного меньше, чем на более низкой высоте, то есть двигатель практически сохраняет свою обычную мощность.

Кроме того:

Двигатель с турбокомпрессором обеспечивает лучшее сгорание топлива. Подтверждением тому служит уменьшение потребления топлива грузовиками на больших пробегах.

Поскольку турбокомпрессор улучшает сгорание, он также способствует уменьшению токсичности отработавших газов.

Двигатель, оснащенный турбокомпрессором, работает более стабильно, чем его атмосферный аналог той же мощности, а будучи меньшим по размеру, он производит, соответственно, меньше шума. Кроме того, турбокомпрессор играет роль своеобразного глушителя в системе выпуска.

4. Возможности использования турбокомпрессоров

Турбокомпрессором может быть оснащен любой двигатель внутреннего сгорания, дизельный, бензиновый или работающий на газе, имеющий жидкостное или воздушное охлаждение. Турбокомпрессоры используются на двигателях как с большим рабочим объемом (судовых, тепловозных и стационарных), так и на двигателях грузовых и легковых автомобилей. Также не имеет никакого значения, идет ли речь о 2-тактном или о 4-тактном двигателе.

В настоящее время практически все большие дизельные двигатели мощностью более 150 кВт, используемые в промышленности, судостроении, на дорожно-строительных работах, оснащаются турбокомпрессором.

Даже в секторе небольших автомобилей с дизельным двигателем наблюдается распространение турбокомпрессоров. Приход турбокомпрессоров на бензиновые двигатели был более трудным, но ускорился благодаря опыту их использования на кольцевых автогонках и авторалли. Расширение производства материалов, обладающих высокими температурными характеристиками, улучшение качества моторных масел, применение жидкостного охлаждения корпуса турбокомпрессора, электронное управление регулирующими клапанами — все это способствует тому, что турбокомпрессоры стали использоваться на мелкосерийных бензиновых двигателях, что в сочетании с впрыском и электронным зажиганием позволило достичь очень высоких характеристик.

5. Дополнительные системы

Охлаждение наддувочного воздуха (intercooler)

Когда предмет сжимают, он нагревается. Воздух, сжатый турбокомпрессором, тоже нагревается и расширяется. Горячий воздух обладает меньшей плотностью и содержит значительно меньше кислорода, чем холодный; поэтому необходимо охладить воздух, так как большее количество кислорода означает большее количество сгоревшего топлива, т. е. двигатель развивает большую мощность.

По этой причине выходящий из компрессора сжатый воздух сначала проходит через радиатор, где охлаждается перед подачей в двигатель.

Подача в двигатель более холодного воздуха заметно снижает температурную нагрузку, что благоприятно влияет на его надежность и долговечность.

Существуют охладители типа «воздух / воздух» и системы, которые используют охлаждающую жидкость для охлаждения воздуха («охлаждающая жидкость / воздух»).

Турбокомпрессоры, устанавливаемые параллельно

В некоторых случаях (особенно на V-образных двигателях) производитель двигателя имеет возможность выбора между одним турбокомпрессором, подающим воздух для всего двигателя, или несколькими меньшими по размеру турбокомпрессорами, каждый из которых подает воздух в отдельный цилиндр. В последнем случае каждый турбокомпрессор приводится частью отработавших газов от группы цилиндров.

Два небольших турбокомпрессора быстрее вступают в работу благодаря своим меньшим роторам, и они обеспечивают лучшую реакцию на нажатие педали акселератора. Впускной и выпускной коллекторы для двух небольших компрессоров будут короче и проще по конструкции, чем для одного большого.

С другой стороны, два малых турбокомпрессора, как правило, дороже одного большого. Кроме того, требуется согласование их работы.

Можно отметить, что кроме двойных турбокомпрессоров, используемых, например, на автомобилях Maserati и на двигателях V8 и V10 грузовиков Mercedes, этот тип системы существует в виде четырех турбокомпрессоров на один двигатель, например, на некоторых двигателях V16 Detroit Diesel, где устанавливается отдельный турбокомпрессор на каждые четыре цилиндра.

Серийные сдвоенные турбокомпрессоры

Невозможно получить хорошую производительность от стандартного турбокомпрессора, если давление наддува должно превышать 3,3 бар. Для этого пришлось бы разрабатывать иные типы турбин и компрессоров, которые намного сложнее, тяжелее и дороже используемых на обычных турбокомпрессорах.

Решение этой проблемы заключается в установке двух серийных турбокомпрессоров друг за другом, т. е. последовательно. Компрессор большего турбокомпрессора (низкого давления) всасывает чистый воздух через воздушный фильтр. Затем воздух сжимается и подается в воздухозаборник меньшего турбокомпрессора (высокого давления). Там воздух еще раз сжимается, после чего подается в двигатель. Отработавшие газы двигателя сначала попадают на турбину турбокомпрессора высокого давления, потом на турбину турбокомпрессора низкого давления и затем в систему выпуска.

Чтобы получить хорошую производительность этой системы, необходимо охлаждать воздух, и делать это как между первым и вторым турбокомпрессорами, так и между вторым турбокомпрессором и двигателем.

Эта система будет еще эффективнее, если в качестве турбокомпрессора низкого давления использовать турбокомпрессор с регулировочным клапаном. Это позволяет работать с меньшей (а значит, и более быстрой) турбиной, с лучшей реакцией на ускорение. Клапан контролирует давление и температуру в воздухозаборнике турбокомпрессора высокого давления, что позволяет обойтись без охладителя. Кроме того, мощность турбины высокого давления возрастает, когда открывается клапан турбины низкого давления.

Турбокомпаунд

Улучшение температурной отдачи двигателя — одна из важнейших задач в процессе модернизации двигателей внутреннего сгорания. В этой связи очень перспективным является турбокомпаунд. Поэтому многие производители двигателей работают в этом направлении; особенно это касается дизельных двигателей с рабочим объемом от 10 до 20 л.

Принцип работы турбокомпаунда состоит в том, что отработавшие газы сначала приводят в действие одну турбину, а при выходе из нее — другую турбину, а затем уже отводятся в выхлопную трубу.

Вторая турбина не приводит в действие компрессор, а помогает вращать коленвал двигателя через гидромуфту и шестеренчатый редуктор.

Турбокомпаунд имеет хорошие перспективы, поскольку энергия отработавших газов будет снова приносить пользу. Вторая турбина дополнительно снижает температуру отработавших газов примерно на 100 °C.

Турбокомпаунд уже используется в серийных двигателях концерна Scania.

6. Причины поломки турбокомпрессора

Факт, что большинство отказов турбонаддува вызвано проблемами вне турбокомпрессора! Если турбокомпрессор поврежден, очень важно найти причину отказа, перед его заменой.

1. Загрязненное масло

Мелкие частицы загрязнения — не могут быть замечены в масле визуально, но о причине износа поверхности говорит округление внешних граней. Часто подшипник компрессора, может сужаться на внешнем диаметре.

Крупные частицы загрязнения — перенесенные маслом большие частицы загрязнения, могут проточить глубокие канавки, как показано слева. Отверстие в подшипнике может быть также задрано, но обычно в меньшей степени. Вал и центр корпуса обычно повреждаются немного меньше, т. к. изготовлен из более твердого материала. Световой блик, показанный ниже, был образован перенесенными маслом крупными частицами загрязнения.

Химическое загрязнение — причина большого износа опорного вала и перегрева. Визуальные признаки являются почти такими же, как и от недостаточного смазывания. Обычно причиной является разжижение масла топливом, уменьшающим смазочные свойства масла.

2. Недостаточное смазывание.

Минимальное смазывание — там, где уменьшена подача масла на турбину (например, когда материалы прокладки частично блокируют доступ маслу или образовывают кромку). Характеризуется чрезвычайным обесцвечиванием вала и шейки вала (как показано ниже).

Полное отсутствие масла — по подобным причинам, дает аналогичные повреждения, но более крупные. Повреждение происходит очень быстро!

3. Предельные режимы эксплуатации.

Высокая скорость, нагрузка и температура — типичное повреждение высокой температурой — на опорной шейке вала, как правило, масляный нагар и закоксовывание вала. Часто задняя поверхность колеса турбины немного вогнута, обычно это явление сопровождаемое «оранжевой коркой» на задней части колеса компрессора — очень верные признаки езды с превышением скорости и чрезмерной нагрузки.

Езда с превышением скорости — Езда с превышением скорости может также быть причиной потери части лопастей турбины. Может выглядеть подобно повреждениям посторонними объектами, но часто сопровождается, трещиной у основания лопасти и…

…в чрезвычайных случаях, колесо может разорвать из-за езды с превышением скорости. От кратковременных перегрузок появляются трещины, поскольку колесо «растягивается» больше его расчетных пределов. Трещины увеличиваются при следующих перегрузках, в итоге приводя к быстрому отказу.

4. Повреждение посторонними предметами.

Твердые посторонние предметы, попавшие в компрессор — это повреждение вызвано посторонним предметом, попавшим в компрессор. Предмет может рикошетить по кругу во входном отверстии компрессора, порождая показанные слева повреждения.

Соль или песок причиняют серьезную эрозию и коррозию, в конечном счете приводя к сильным повреждениям лопастей компрессора.

Мягкие посторонние предметы — мягкие посторонние предметы (протирочнай ткань или даже бумага), могут причинить повреждение, показанное слева. Как правило, лопасти изгибаются, а в предельном случае лопасть может сломаться из-за усталости металла.

Твердые посторонние предметы, попавшие в турбину — Твердый посторонний предметы, попавший в турбину, повреждают переднюю кромку лопасти, как показано слева. Даже такие маленькие предметы, как частицы ржавчины, отделяющиеся от коллектора могут причинить значительное повреждение таким быстро движущимся деталям.