Streszczenie
W pracy przedstawiono zagadnienia związane z eksploatacją, a takĪe z uszkodze-niami turbosprĊĪarek pojazdów samochodowych. Przedstawiono aspekty dotyczące przyczyn oraz skutków najczĊstszych defektów urządzeĔ doładowujących. Scharakte-ryzowane zostały warunki pracy, a takĪe poprawna eksploatacja układu doładowania. Kluczowa czĊĞü pracy przedstawia typowe uszkodzenia podzespołów turbosprĊĪarek. W dalszej czĊĞci artykułu zaprezentowane zostały metody weryfikacji urządzeĔ doła-dowujących, dziĊki czemu prawdopodobieĔstwo wystąpienia przedstawionych uszkodzeĔ moĪe zostaü zminimalizowane co ma bezpoĞredni wpływ na niezawodnoĞü turbosprĊĪarek.
Słowa kluczowe: turbosprarka, uszkodzenia, eksploatacja Wprowadzenie
Nowoczesne silniki spalinowe pojazdów samochodowych charakteryzuj si stosunkowo nie-wielk pojemnoci skokow, redukcj masy przy zachowaniu duej mocy jednostki napdowej. Stosowanie zrónicowanych rozwiza konstrukcyjnych przyczynia si osignicia wymaganych parametrów pracy silników oraz umoliwia płynne ich sterowanie.
Rysunek 1. Klasyfikacja sposobów doładowania ródło: [7]. 678 778 9 :78 :
Priorytetem dla koncernów produkujcych silniki spalinowe jest uzyskanie doskonałych wska-ników pracy silnika, zmniejszajc przy tym jednostkowe zuycie paliwa oraz emisj toksycznych spalin [4]. Wyszczególnione aspekty mona uzyska stosujc układ doładowania w jednostkach na-pdowych. Proces doładowania opiera si na dostarczeniu ładunku powietrza do cylindra przy zwikszonym cinieniu, stałej temperaturze, co w efekcie powoduje wzrost gstoci masy ładunku w cylindrze.
Do najpopularniejszych urzdze doładowujcych stosowanych w pojazdach samochodowych nale turbosprarki, jak równie sprarki mechaniczne (kompresory). W momencie maksymal-nego obcienia jednostki napdowej, powysze urzdzenia naraone s na prac w ekstremalnych warunkach. Temperatura spalin, która oddziałuje na koło turbiny wynosi ok 700ºC dla silników z zapłonem samoczynnym, za dla jednostek napdowych z zapłonem iskrowym warto tempera-tury oscyluje w granicach 1000ºC. Wałek turbosprarki, na którym osadzone jest koło kompresji oraz turbiny obraca si z prdkoci przekraczajc 180 000 obr/ min.
Powysze warunki pracy obrazuj, jak w łatwy sposób mona doprowadzi do uszkodzenia turbosprarek oraz kompresorów. Czsto koczy sie to brakiem moliwoci kontynuowania dalszej jazdy, regeneracj urzdzenia doładowujcego, a w skrajnych przypadkach napraw silnika.
Zatem istotnym aspektem jest prawidłowa eksploatacja jednostek napdowych wyposaonych w układy doładowania. Naley zwróci szczególn uwag na regularn, systematyczn wymian podstawowych czci eksploatacyjnych. Filtry powietrza, oleju oraz oleje silnikowe w głównej mie-rze decyduj o,,kondycji" układu doładowania, gdy ich parametry wpływaj na efektywno wzrostu mocy jednostki napdowej [9].
W artykule przedstawiono zagadnienia zwizane z problemami eksploatacji oraz studium uszkodze urzdze doładowujcych, a take z metodami ich weryfikacji.
1. Przyczyny oraz skutki uszkodze urzdze doładowujcych
Przyczyny defektów układów doładowania mona uwzgldni w dwóch kategoriach: konstruk-cyjnych oraz eksploatakonstruk-cyjnych. Głównym czynnikiem eksploatacyjnym jest jako oleju silnikowego, który odpowiedzialny jest za smarowanie oraz chłodzenie elementów turbosprarek. Jego parametry w czasie pracy ulegaj pogorszeniu. Złej jakoci olej wpływa na ułoyskowanie urzdzenia doładowujcego, a take przyczynia si do zmniejszenia rednic otworów smarujcych. W efekcie kocowym dochodzi do pogorszenia podzespołów turbosprarek. Nieprawidłowe sma-rowanie oraz chłodzenie elementów urzdze doładowujcych doprowadza do powstawania rys na czopach wałka, uszkodze łoysk oraz pkni wirników turbosprarek [1].
Rysunek 2. ZuĪyty filtr oleju ródło: [10].
Kolejnym wanym aspektem majcym wpływ na uszkodzenia urzdze doładowujcych jest temperatura spalin. Warto ta dla silników z zapłonem samoczynnym powinna wynosi ok 700ºC, natomiast w przypadku jednostek napdowych z zapłonem iskrowym ok 1000ºC. W momencie przekroczenia powyszych temperatur powstaje obcienie cieplne turbosprarki. Porównywalne zdarzenie nastpuje podczas nagłego wyłczenia silnika spalinowego w czasie jego obcienia [5]. W wyniku tego zjawiska moe nastpi pknicie, bd odkształcenie obudowy lub innych cz-ci, na które oddziaływaj gazy spalinowe. Pod wpływem wysokiej temperatury łopatki turbiny szybciej koroduj, a ich geometria ulega zniekształceniu.
Przebywajce ciała stałe w gazach przepływajcych przez urzdzenie doładowujce s równie niebezpieczne dla prawidłowej pracy urzdzenia doładowujcego. Tego typu zanieczyszczenia po-wstaj w wyniku zuycia oraz zniszczenia filtrów powietrza. Kolejn przyczyn wystpowania ,,ciał obcych" w przepływajcych gazach s elementy nagaru, a take fragmenty korozji podzespołów turbosprarek.
W efekcie zanieczyszcze powstaj defekty wirnika oraz elementów, które z nim współpracuj. Powstaj liczne odkształcenia łopatek koła kompresji, turbiny, a take erozyjne fragmenty materia-łów w kanałach. Uszkodzeniu ulega równie zawór upustowy oraz system zmiennej geometrii.
Rysunek 3. Zniszczony filtr powietrza ródło: [11].
Wałek turbosprarki jest jednym z najbardziej naraonych na zniszczenia elementem urzdze-nia. Procesy termiczne, chemiczne gazów spalinowych oraz zdzieranie czopów wałka w jego wizach kinetycznych przyczyniaj si do zmczenia, a w rezultacie do zniszczenia materiału. Powstałe uszkodzenia objawiaj si najczciej pogorszeniem parametrów pracy jednostki napdo-wej oraz w postaci typowych objaw wibroakustycznych. Szybko nowo powstałych uszkodze jest tak dua, e czsto naprawa niesprawnych elementów staje si niemoliwa [2].
2. Przykłady uszkodze elementów turbosprarek
W momencie nieprawidłowej eksploatacji turbodoładowanej jednostki napdowej wałek turbo-sprarki jest jednym z najbardziej naraonych elementów w układzie. Oddziaływaj na niego zjawiska termiczne oraz chemiczne gazów spalinowych. W czasie maksymalnego obcienia silnika spalinowego prdko obrotowa wałka turbosprarki przekracza warto 180 000 obr/min [9].
Poniej przedstawiono najczstsze uszkodzenia wałka turbosprarki. Tabela 1. Uszkodzenia wałka turbosprĊĪarki
Rodzaj uszkodzenia Przyczyna uszkodzenia Skutek uszko-dzenia
Uszkodzenie bieni, a take przegrzanie wałka turbosprarki
-niewłaciwa ilo oleju silnikowego, -defekt wtryskiwa-czy, -wadliwy system smarowania, -nagłe wyłczenie silnika. - brak mocy, - czarny dym, -zniszczenie ułoyskowania,
Pknity wałek turbosprarki
-,,ciała obce" w za-ssanym powietrzu,
-zbyt dua prd-ko obrotowa elementu
wiruj-cego, -zuyty filtr
powie-trza. - hałaliwa praca, -uszkodzenie systemu EGR, - brak mocy, - niebieski dym. ródło: [9].
Koło turbiny współpracuje z wałkiem turbosprarki. Jego łopatki naraone s na reakcje che-miczne oraz terche-miczne spalin. Warto temperatury siga nawet 1000ºC. Prdko obrotowa podczas obcienia jednostki napdowej przekracza 180 000 obr/min [9].
Tabela 2. Uszkodzenia koła turbiny Rodzaj uszkodzenia Przyczyna uszkodzenia Skutek uszkodzenia
Nadłamane łopatki koła turbiny
- ,,ciała obce" w zassa-nym powietrzu, - dua prdko
obro-towa elementu wirujcego, -zanieczyszczony filtr powietrza, - głona praca, - brak mocy, - niebieski dym,
Nagar na kole turbiny
- dua ilo oleju, - nieregularna wymiana
oleju, - nagłe wyłczenie
sil-nika, -wysoka temperatura spalin. -czarny dym, - defekt łoysk, -uszkodzenie uszczelniaczy, - głona praca. ródło: [9].
Koło kompresji umiejscowione jest w sprarce turbosprarki. Do wałka przykrcona jest za pomoc nakrtki, dokrconej z odpowiednim momentem zgodnie z zaleceniami producenta. Wspólny wałek sprawia, i koło kompresji rotuje ze zblion prdkoci jak koło turbiny. Obcie-nia wywołane prdkoci obrotowa naraaj koło kompresji na uszkodzeObcie-nia, pknicia [9].
Poniej przedstawiono skutki oraz przyczyny najczstszych uszkodze opisanego elementu. Tabela 3. Uszkodzenia koła kompresji
Rodzaj uszkodzenia Przyczyna uszkodzenia Skutek uszkodzenia
Pknite koło kompresji
Nadłamane koło kompresji
- ,,ciała obce" w zassa-nym powietrzu, - zbyt dua prdko
ob-rotowa elementu wirujcego, - zuyty filtr powietrza, - nieszczelny układ
dolo-towy. - hałaliwa praca, - brak mocy, - uszkodzenie systemu EGR, - czarny kolor spalin. ródło: [9].
Głównym zadaniem systemu zmiennej geometrii jest skuteczne wykorzystanie energii spalin. Urzdzenie minimalizuje czas pracy, w momencie nieefektywnego działania silnika spalinowego. Podczas nieprawidłowej eksploatacji naraone jest na liczne uszkodzenia, które zaprezentowano w poniszej tabeli [9].
Tabela 4. Uszkodzenia systemu zmiennej geometrii Rodzaj uszkodzenia Przyczyna uszkodzenia Skutek uszkodzenia
Wyłamane łopatki w systemie zmiennej geometrii
- dua ilo spalin, - mała ilo oleju, -,,ciała obce" w
zassa-nym powietrzu, - zuyty filtr oleju, -złe parametry pracy jednostki napdowej.
- brak mocy, - głona praca,
-czarny kolor spalin.
Pknieta łopatka w systemie zmiennej geometrii
- dua ilo spalin, -,,ciała obce" w
zassa-nym powietrzu, - nieszczelny układ
do-lotowy. - brak mocy, - głona praca, -czarny kolor spalin. ródło: [9].
Obudowa turbosprarki naraona jest najczciej na zjawiska termiczne, spowodowane zbyt wysok temperatur gazów spalinowych, których warto przekracza 1000ºC. Uszkodzenia obu-dowy najczciej ukazuj si w postaci pkni zewntrznych oraz wewntrznych [9].
W poniszej tabeli przedstawiono przyczyny oraz skutki defektów obudowy zespołu turbospr-arkowego.
Tabela 5. Uszkodzenia obudowy urządzenia doładowującego
Rodzaj uszkodzenia Przyczyny uszkodzenia Skutki uszkodzenia
Wewntrzne pknicia obudowy
Zewntrzne pknicia obudowy
- nagłe wyłczenie sil-nika, - mała ilo oleju
silni-kowego, - zuyty filtr powietrza, -niepoprawne
wywae-nie wałka turbosprarki, -,,ciała obce" w
zassa-nym powietrzu, - złe parametry pracy jednostki napdowej. - brak mocy, - wyciek oleju, - głona praca, - czarny kolor spalin. ródło: [9].
3. Metody weryfikacji urzdze doładowujcych
Powysze uszkodzenia uwiadamiaj jak kosztowne mog by skutki nieprawidłowo eksploat-owanego turbodoładeksploat-owanego silnika spalinowego. Kluczowym aspektem zapobiegajcym powysze zjawiska jest weryfikacja doładowania w jednostkach napdowych.
Metoda organoleptyczna jest najpopularniejszym sposobem sprawdzenia urzdzenia doładowu-jcego w układzie. Czsto wie si z demontaem turbosprarki, co w niektórych przypadkach jest procesem skomplikowanym oraz pracochłonnym. Zweryfikowanie urzdzenia metod organo-leptyczn nie zawsze przynosi zamierzone rezultaty w postaci zlokalizowania defektu. Organoleptyka cechuje si niedokładnoci, a take mała precyzyjnoci weryfikacji uszkodzenia [6,9].
Wiele autoryzowanych serwisów metody organoleptyczne wspomaga nowoczesnymi urzdze-niami diagnostycznymi. Przykładem tego jest wideo endoskop ALK-1. Endoskopia opiera sie na bezmontaowej kontroli wntrza urzdzenia, przy pomocy specjalistycznych przyrzdów endosko-powych.
Rysunek 4. Endoskop ALK-1 wraz ze zdjĊciem weryfikacji wnĊtrza turbosprĊĪarki ródło: [9].
Istotnym parametrem umoliwiajcym zweryfikowanie urzdzenia doładowujcego jest cinie-nie doładowania. Skontrolowacinie-nie powyszej właciwoci moliwe jest za porednictwem diagnostyki pokładowej.
Po 2000 roku, pojazdy samochodowe produkowane s ze znormalizowanym złczem diagno-stycznym. Za porednictwem testerów diagnostycznych umoliwiona jest weryfikacja podstawowych parametrów pracy jednostki napdowej, które rejestrowane s w rzeczywistych wa-runkach w okrelonym czasie. Powstałe wartoci kreowane s na podstawie wysyłanych sygnałów z czujników montowanych w pojazdach.
Układ doładowania składa si z kilku sensorów, jednym z najistotniejszych jest czujnik cinie-nia doładowacinie-nia. Główn jego funkcj jest oszacowanie wartoci ciniecinie-nia istniejcego przed przepustnic. Sygnał z czujnika uywany jest do skorygowania korekty cinienia doładowania. Ob-liczona warto przesyłana jest do sterownika pojazdu samochodowego, która weryfikowana jest za pomoc testera diagnostycznego.
Efektywnym przyrzdem weryfikujcym stan urzdze doładowujcych w silnikach spalino-wych jest diagnoskop samochodowy. Praca urzdzenia realizowana jest na zasadzie pomiarów oscyloskopowych. Przyrzd posiada liczne sondy pomiarowe, co umoliwia zdiagnozowanie para-metrów pracy silnika z rónych podzespołów. Diagnoskop FSA-720 jest przyrzdem stosowanym do weryfikacji powyszych parametrów.
W diagnoskopie znajduje si czujnik bezwzgldnego cinienia, który dokonuje pomiaru cinie-nia doładowacinie-nia silnika spalinowego. Nastpnie przeprowadzona jest analiza powstałego przebiegu oscyloskopowego. Powstały parametr uzyskiwany jest na podstawie prdkoci obrotowej, cinienia doładowania oraz temperatury silnika. Pomiar prdkoci obrotowej realizowany jest przez prd tt-nienia z akumulatora, a parametr citt-nienia doładowania oraz temperatury silnika uzyskiwany jest poprzez sondy pomiarowe znajdujce si w podzespołach silnika spalinowego [9].
Rysunek 5. Schemat połączenia diagnoskopu z turbosprĊĪarką ródło: [6].
Jedna z dokładniejszych metod weryfikacji stanu urzdze doładowujcych polega na przeana-lizowaniu korekcji niewywaonych rdzeni turbosprarek oraz wywaeniu wirnika. Kontrola powyszych podzespołów przeprowadzona jest przy pomocy specjalistycznych urzdze. Maszyny zostały zaprojektowane na potrzeby zakładów naprawczych oraz instytucji badawczych, rozwojo-wych. Analiza rdzeni turbosprarek odbywa si na wysokoobrotowej dowaarce. Precyzja pomiaru zapewnia tolerancj niewywaenia ju w pierwszym biegu pomiarowym. Korekcja przeprowadzona zostaje po stronie koła kompresji przez zintegrowan rczn szlifierk pneumatyczn. Urzdzenie wyposaone jest w róne adaptery, co umoliwia weryfikacje zrónicowanych turbosprarek [9].
Rysunek 6. Maszyna do korekcji rdzeniu turbosprĊĪarek ródło: opracowanie własne.
Badanie wałka turbosprarki wraz z kołem kompresji oraz turbiny odbywa si na wywaarce do wirników turbosprarek. Maszyna zapewnia bardzo dokładn weryfikacj elementów turbo-sprarek w zakresie niskich prdkoci obrotowych. Poza układem roboczym urzdzenie wyposaone jest w ekran dotykowy oraz elektroniczny system sterowania napdem. Powysza spe-cyfikacja ułatwia kontrol prdkoci wywaenia oraz zapewnia du wydajno, a take dokładno pomiaru [9].
Poniej zaprezentowano urzdzenie do wywaenia wałków turbosprarek.
Rzadko spotykan, niezbyt popularn metod weryfikacji urzdze doładowujcych jest dia-gnostyka wibroakustyczna. Turbosprarka jest podstawowym elementem układu doładowania w jednostkach napdowych. Składa si z wirnika, którego charakteryzuje dynamika układu. Podsta-wowym parametrem opisujcym wibroakustyk s drgania, generowane przez urzdzenie. Wikszo uszkodze w układzie doładowania odzwierciedlana jest w postaci drga. W eksploatacji urzdze wirnikowych istotnym aspektem jest weryfikacja drga elementów nie wirujcych. Bada-nie moe zosta przeprowadzone na obudowie czy korpusach łoysk. Zalet tej metody jest uniwersalno warunków prowadzonych bada oraz brak koniecznoci demontau urzdzenia do-ładowujcego [3,8].
Rysunek 7. Urządzenie do weryfikacji wałków turbosprĊĪarek ródło: opracowanie własne.
4. Podsumowanie
Kluczowymi aspektem dla koncernów produkujcych silniki spalinowe jest zredukowanie tok-sycznych spalin, zmniejszenie jednostkowego zuycia paliwa, a take wzrost elastycznoci jednostki napdowej. Poprawa wymienionych parametrów moe by zrealizowana, w momencie zastosowania układu doładowania w silniku spalinowym. Urzdzenie doładowujce w czasie obci-enia jednostki napdowej pracuje w ekstremalnych warunkach. Naraone jest na zjawiska termiczne oraz chemiczne gazów spalinowych, natomiast prdko obrotowa elementów wirujcych przekracza warto 180 000 obr/min. Fakt ten uwiadamia, w jak łatwy sposób mona uszkodzi elementy podzespołu turbosprarkowego. Wyłamane łopatki koła turbiny, pknite koła kompresji, uszkodzenia bieni wałka turbosprarki oraz defekty systemu zmiennej geometrii to jedne z naj-czstszych uszkodze układu doładowania. Istotnym aspektem jest prawidłowa eksploatacja turbodoładowanych jednostek napdowych. Naley pamita o systematycznej wymiany podstawo-wych czci, płynów eksploatacyjnych (olej silnikowy, filtr oleju, filtr powietrza). Powysze czynniki w decydujcy sposób wpływaj na stan układu doładowania oraz efektywno przyrostu mocy jednostki napdowej.
Aby zapobiec kosztownym naprawom, regeneracjom urzdze doładowujcych wanym aspektem jest weryfikacja układu doładowania. Metody organoleptyczne swoj prostot sprawiaj, i staj si nieprecyzyjne oraz niedokładne. Czsto wspomagane s przez specjalistyczne urzdzenia diagnostyczne. Przykładem tego jest urzdzenie wideo endoskopowe. Umoliwiaj skontrolowanie wntrza urzdzenia, bez wczeniejszego demontau. Weryfikacja najistotniejszego parametru – cinienia doładowania moliwa jest poprzez diagnostyk pokładow. Testery diagnostyczne za po-rednictwem złcza diagnostycznego przedstawiaj parametry pracy podzespołów silnika spalinowego. Powysze wartoci powstaj w wyniku wysyłanych sygnałów z czujników
zamonto-metody wibroakustycznej moliwe jest odzwierciedlenie uszkodze urzdze doładowujcych w postaci drga. Dowiadczony diagnosta jest w stanie prawidłowo zinterpretowa otrzymane wy-niki pomiaru, które wiadcz o stanie urzdzenia doładowujcego.
Innowacyjne metody diagnozowania układu doładowania d do zminimalizowania awaryj-noci urzdze doładowujcych oraz do prognozowania ich stanu zdatawaryj-noci. Jednak kluczowym czynnikiem w bezproblemowym uytkowaniu turbodoładowanych jednostek napdowych jest eks-ploatacja zgodnie z wytycznymi producentów. Zapewnienie realizacji procedur eksploatacyjnych turbosprarek stanowi gwarancje ich niezawodnoci.
Bibliografia
[1] Dudziski W. i in., Struktura i własnoĞci materiałowe łoĪysk Ğlizgowych turbosprĊĪarek współpracujących z silnikami spalinowymi, nr 4/2002, Radom 2002.
[2] Idzior M. i in., Analiza wpływu warunków eksploatacji na stan techniczny turbosprĊĪarek doładowanych silników spalinowych, [w:] „Logistyka”, nr 3/2011, Warszawa 2011. [3] Kałaczyski T., Liss M., Łukasiewicz M., Sadowski A., Wojciechowski H.: Analiza metod
badania turbosprĊĪarek pojazdów samochodowych, Logistyka 4/2015, s. 3922–3931. [4] Kałaczyski T., Łukasiewicz M., Karolewski D., Badania wpływu układu klimatyzacji na
parametry pracy pojazdów samochodowych, Studia i Materiały Polskiego Stowarzyszenia Zarzdzania Wiedz – 2014, vol. 68, s. 113–128, ISSN 1732-324X.
[5] Kowalewicz A., Doładowanie samochodowych silników spalinowych, Wyd. Politechniki Ra-domskiej, Radom 1998.
[6] Liss M., ółtowski B., Kałaczyski T., Łukasiewicz M.: Naprawa powypadkowa a właĞci-woĞci konstrukcji noĞnej pojazdów, Studia i Materiały Polskiego Stowarzyszenia Zarzdzania Wiedz, – 2014, vol 68, s. 176–190, ISSN 1732-324X.
[7] Mysłowski J., Doładowanie silników, WKiŁ, Warszawa 2006.
[8] Sadowski A, ółtowski B, Kałaczyski T., Kozłowski T.: Badania symulacyjne układu na-pĊdowego samochodu ciĊĪarowego, Studia i Materiały Polskiego Stowarzyszenia Zarzdzania Wiedz, – 2014, vol 69, s. 184–198, ISSN 1732-324X.
[9] Wojciechowski H., Ocena wpływu parametrów turbosprĊĪarek na własnoĞci eksploata-cyjne dla wybranych pojazdów samochodowych, Praca magisterska, Bydgoszcz 2016. [10] http://www.hoffman.auto.pl/uszkodzenia-turbosprezarek.pl, Dostp:[2016.05.05]. [11] http://www.autocentrum.pl/blog/post/wymiana-oleju-filtrow-w-lady.17414.pl,Dostp
THE STUDY OF DAMAGES AND EXPLOITATION PROBLEMS OF VEHICLES TURBOCHARGERS
Summary
The paper presents issues related with vehicles turbochargers exploitation prob-lems and damage. The article also presents aspects concerning the causes and effects of the most frequent recharging devices defects. Were described operating parameters, as well as the proper operation of the charging system. The main part of this work shows the typical turbocharger components damages. The next part of article present methods of verification recharging devices, so we could lowering the probability of damage, which has a direct influence on the turbochargers reliability.
Keywords: turbocharger, damage, exploitation Tomasz Kałaczyski Marcin Łukasiewicz Michał Liss Andrzej Sadowski Ewa Kuli Hubert Wojciechowski
Zakład Pojazdów i Diagnostyki Wydział Inynierii Mechanicznej
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy e-mail: kalaczynskit@utp.edu.pl
