mgr inż. Maciej BIELIŃSKI

P O L I T E C H N I K A P O Z N A Ń S K A W YDZIAŁ M A S ZYN R OB OC ZY CH I T RA NSP ORT U

PRACA DOKTORSKA

mgr inż. Maciej BIELIŃSKI

IDENTYFIKACJA PRZYCZYN USZKODZEŃ TURBOSPRĘŻAREK SILNIKÓW SPALINOWYCH

W ASPEKCIE ICH WSKAŹNIKÓW PRACY I EMISJI TOKSYCZNYCH SKŁADNIKÓW SPALIN

Promotor:

Prof. dr hab. inż. Marek IDZIOR

Poznań 2016

-1-

-2- Spis treści

Streszczenie ... 3

Abstract ... 4

WYKAZ WAŻNIEJSZYCH SKRÓTÓW I OZNACZEŃ ... 5

1. Wstęp ... 6

2. Analiza przyczyn najczęściej występujących uszkodzeń turbosprężarek ... 9

2.1. Istota doładowania turbosprężarkowego ... 9

2.2. Charakterystyka turbosprężarek samochodowych w aspekcie występujących uszkodzeń ... 10

3. Analiza FMEA i metoda ETA ... 34

3.1. Wprowadzenie... 34

3.2. Ogólny opis analizy FMEA ... 35

3.3. Ogólny opis metody ETA ... 37

3.4. Opis tabeli FMEA ... 39

3.5. Wybrane przykłady analizy FMEA oraz ETA w aspekcie wskaźników pracy turbosprężarki ... 40

3.6. Uwagi do analizy FMEA oraz ETA w aspekcie emisji szkodliwych związków spalin... 51

4. Cele i tezy pracy ... 53

5. Metodyka badań ... 57

5.1. Analiza poziomu ufności wyników badań wstępnych ... 57

5.2. Opis stanowiska badawczego i aparatury pomiarowej... 58

5.3. Opis stanowiska badawczego i aparatury pomiarowej (badania drogowe) ... 69

5.4. Metoda badań stanowiskowych ... 71

5.5. Metoda badań drogowych ... 79

6. Wyniki badań ... 87

6.1. Wyniki badań stanowiskowych ... 87

6.2. Wyniki badań drogowych ... 104

7. Propozycje nowych rozwiązań i możliwości poprawy istniejących barier ... 116

7.1. Wprowadzenie... 116

7.2. Propozycje rozwiązań ... 117

7.3. Modelowanie wykrywalności za pomocą zastosowanych rozwiązań z wykorzystaniem metody ETA ... 117

8. Podsumowanie i wnioski ... 129

Literatura ... 132

-3- Streszczenie

Przedmiotem dysertacji jest identyfikacja czynników mających wpływ na nieprawidłową pracę turbosprężarki samochodowej, które w perspektywie dalszej eksploatacji prowadzą do uszkodzenia urządzenia. Dążeniem autora było wykonanie analizy umożliwiającej zwiększenie wykrywalności pojawiających się niesprawności prowadzących do pogorszenia warunków funkcjonowania maszyny. Działanie to wykonano m.in. przy użyciu narzędzi takich jak FMEA (ang. Failure Mode and Effect Analysis) oraz ETA (ang. Event Tree Analysis).

Wprowadzenie w problematykę rozprawy zrealizowano na podstawie autorskiej analizy uszkodzeń turbosprężarek samochodowych – zaprezentowano i opisano ich elementy składowe na przykładzie uszkodzonych urządzeń. Pozwoliło to, przy wykorzystaniu metod FMEA i ETA, na szczegółową analizę i uporządkowanie przyczyn i skutków wad występujących w turbosprężarkach.

Przeprowadzona analiza wraz z wykonanym rozpoznaniem literaturowym popartym wiedzą ekspercką pozwoliła na sformułowanie celu oraz tez pracy. Cel główny dotyczy ilościowego określenia wybranych parametrów związanych z pracą turbosprężarek samochodowych mających negatywny wpływ na ich eksploatację i emisję związków szkodliwych z silnika w rzeczywistych warunkach ruchu. Zadania te mają w rezultacie prowadzić do zaproponowania zmian konstrukcyjnych zmniejszających zarówno awaryjność urządzeń, jak i emisję związków szkodliwych. W tezach pracy stwierdzono, że możliwe jest precyzyjne ilościowe określenie wpływu wybranych parametrów związanych z pracą turbosprężarki samochodowej (np.

zmniejszenia ciśnienia oleju smarującego) na jej parametry eksploatacyjne (np.

prędkość obrotową wału) i emisję związków szkodliwych ze współpracującym z nią silnikiem.

Weryfikację słuszności przyjętych tez zrealizowano przez wykonanie badań zarówno stanowiskowych, jak i badań prowadzonych w rzeczywistych warunkach ruchu. W badaniach stanowiskowych symulowano wybrane procesy, które uznano za zjawiska inicjujące uszkodzenia. Pomiary podzielono na pięć bloków, a każdy z nich związany był z konkretnym rodzajem uszkodzenia. Drugi typ badań dotyczył określenia wpływu parametrów pracy turbosprężarki na emisję związków szkodliwych spalin w wybranych zakresach pracy współpracującego z nią silnika. Obiektem badań było w tym przypadku mobilne stanowisko, wykorzystujące m.in. analizator spalin, zbudowane na pojeździe samochodowym poruszającym się w rzeczywistych warunkach ruchu.

Analiza otrzymanych wyników badań poparta walidacją w postaci zastosowania metody ETA pozwoliła wykazać, że przy obecnym stanie wiedzy i rozwoju techniki, możliwe jest zastosowanie dodatkowych czujników monitorujących działanie turbosprężarki.

Proponowane modyfikacje uznano za nieznaczne zmiany konstrukcyjne w istotny

sposób zwiększające trwałość urządzenia, przy jednoczesnym zmniejszaniu emisji

związków szkodliwych emitowanych przez silnik spalinowy. Podsumowanie pracy

stanowią wytyczne dotyczące proponowanych zmian. Z uwagi na niewyczerpanie

podjętego zagadnienia przedstawiono ponadto kierunki dalszych prac.

-4- Abstract

The subject of the paper is the identification of factors behind the incorrect operation of a car turbocharger that, in longer perspective, lead to the damage of the device. The author aims at performing an analysis allowing to increase the detectability of emerging malfunctions that lead to deterioration of operating conditions of the device. For this task tools such as FMEA (Failure Mode and Effect Analysis) and ETA (Event Tree Analysis) were used, among else.

The introduction into the problems considered in the paper was done on the basis of the author's analysis of damage to car turbochargers - their components were presented and described on the basis of examples of damaged devices. With the employment of FMEA and ETA methods this allowed a detailed analysis and sorting out of causes and effects of defects in turbochargers.

The analysis and the examination of references, supported with expert knowledge, allowed to formulated the paper's goal and theses. The main goal is related to the quantitative determination of selected parameters connected to the operation of car turbochargers that have negative impact on their operation and on the emission of harmful substances by the engine in real traffic conditions. Ultimately, these tasks are to lead to proposing design changes that would reduce both the failure rate of the devices and the emission of harmful substances. The paper's theses claim that it is possible to determine, quantitatively and with high precision, the impact of selected parameters related to the operation of a car turbocharger (e.g. the reduction of pressure of the lubricating oil) on its operating parameters (e.g. the shaft's rotational speed) and the emission of harmful substances with the coupled engine.

The verification of the merit of the assumed theses was done by conducting examinations both on test beds and in real traffic conditions. The test bed examinations simulated selected processes deemed to initiate damage. The measurements were divided into five blocks, with each block related to a specific type of damage. The second type of examinations was aimed at determining the impact of operating parameters of the turbocharger on the emission of harmful substances in specific ranges of operation of a coupled engine. In this case the examinations were done on a mobile test bed with, among others, a device for analyzing exhaust fumes, installed on a vehicle driving in real traffic conditions.

The analysis of the obtained results, supported with validation by means of ETA,

allowed to prove that, given the current state of knowledge and advancements in

technology, it is possible to apply additional sensors for monitoring the operation of a

turbocharger. The proposed modifications were considered to be minor design changes

that significantly increase the reliability of the device and, at the same time, reduce the

emission of harmful substances by the combustion engine. The paper concludes with

guidelines referring to the proposed changes. As the subject remains unexhausted,

directions for further works were presented as well.

-5-

WYKAZ WAŻNIEJSZYCH SKRÓTÓW I OZNACZEŃ

Oznaczenia i symbole CO

CO

dm

ETA FMEA HC S

tlenek węgla dwutlenek węgla decymetr sześcienny

analiza metodą drzewa zdarzeń (ang. Event Tree Analysis)

analiza przyczyn i skutków wad (ang. Failure Mode and Effects Analysis) węglowodór

sprężarka

temperatura, turbina TS

MPa

turbosprężarka megapaskal

ms milisekunda, tlenki azotu n

NO

prędkość obrotowa wału korbowego silnika tlenki azotu

N

moc użyteczna silnika N·m niutonometr

obr/min obroty na minutę P

PM PC µm

ciśnienie

cząstki stałe (ang. Particulate Matter)

pojazd samochodowy przeznaczony do przewozu osób (ang. Pasanger Car) mikrometr

nm nanometr

K kW KS

Kelwin kilowat

komora spalania J

R SSp SZS

dżul

częstotliwość, ryzyko silnik spalinowy

szkodliwe związki spalin

λ współczynnik nadmiaru powietrza VAG

V

W Z ZI ZS

narzędzie diagnostyczne do samochodów z grupy VAG (VW, Audi, Skoda) objętość skokowa

wykrywalność znaczenie

silnik o zapłonie iskrowym

silnik o zapłonie samoczynnym

-6- 1. Wstęp

Tendencje rozwojowe silników spalinowych są silnie uzależnione od wymagań norm emisji szkodliwych substancji spalin. Współczesny transport samochodowy stanowi znaczące źródło globalnej emisji szkodliwych składników spalin, dlatego też w ostatnich latach w obszarze konstrukcji silników tłokowych obserwuje się zmiany będące odpowiedzią na wymagania legislacyjne dotyczące ochrony środowiska naturalnego. Wprowadzanie coraz bardziej rygorystycznych norm emisyjnych spalin stanowi duże wyzwanie dla inżynierów z przemysłu motoryzacyjnego. Podejmowane w tym aspekcie zagadnienia wiążą się z szeroko pojętymi pracami dotyczącymi optymalizacji przebiegu procesu spalania, prowadzącego do maksymalizowania użycia energii zawartej w paliwie, przy jednoczesnym ograniczeniu ilości gazów spalinowych emitowanych przez silnik [59].

Jednym ze sposobów realizacji tak nakreślonego celu, jest możliwość zastosowania w silniku spalinowym układu doładowania. Podstawowym elementem układu jest turbosprężarka, będąca maszyną przepływową, w której wirnik turbiny i sprężarki zamontowany jest na wspólnym wale. Zastosowanie na szeroką skalę układów doładowania we współczesnych silnikach spalinowych sprawia, że coraz większą uwagę skupia się na optymalizowaniu pracy turbosprężarek samochodowych. Badania rozwojowe prowadzone w tym aspekcie w dużej mierze wykorzystują wibroakustykę jako dziedzinę wiedzy zajmującą się procesami drganiowymi i akustycznymi – tj.

procesami zachodzącymi w turbosprężarkach. Przykładem są prace [22], [73]. Autorzy pracy [3] wykorzystali analizę drganiową, jako narzędzie diagnostyczne pozwalające ocenić stan techniczny urządzenia. Podobne zastosowanie znalazła wibroakustyka w badaniach prowadzonych przez Gunthera i Jeng Chena [27, 2] – w tym przypadku skupiono się na analizie dynamicznej wałka turbosprężarki, w szczególny sposób uwzględniając jego współpracę z łożyskami osiowymi. Z kolei autorzy pracy [9] i [52]

zwracają szczególną uwagę na popularyzowanie zastosowania systemów doładowania we współczesnych silnikach. Takie podejście często prowadzi do konieczności uwzględnienia pracy turbosprężarek, tak by mogły one spełniać normy dotyczące emisji hałasu – w artykule omawiane są nowe technologie pozwalające na badanie ww.

problematyki.

W pracach naukowo-rozwojowych dotyczących turbosprężarek, poza wibroakustyką, wykorzystuje się narzędzia opierające się na mechanice płynów. W tym zakresie prowadzone były badania opisane w artykule [11]. Autorzy pracy zaproponowali trójwymiarowy model CFD (ang. Computational Fluid Dynamics) pozwalający na obliczanie strat wynikających z tarcia, występujących w obszarze łożysk turbosprężarek samochodowych. Narzędzia bazujące na CFD wykorzystywane są również do modelowania turbulentnego przepływu płynów (powietrze, spaliny) przez kanały turbosprężarek. Przykładem badań realizowanych w tym zakresie są prace [1], [11].

Mimo dużej popularności układów doładowania, stwierdzić należy, że

turbosprężarki są stosunkowo prostymi urządzeniami, których konstrukcja nie zmieniła

się znacząco na przestrzeni ostatnich lat. Jest to podzespół wciąż cechujący się małą

-7-

trwałością, którego awaryjność zwiększa się znacząco przy niestosowaniu się do zaleceń eksploatacyjnych przewidzianych przez producenta [6]. Świadczą o tym badania opisane w pracy [22]. Z przeprowadzonych analiz wynika, że pomimo postępu technologicznego, poziom uszkodzeń silników tłokowych w ostatnich latach nie uległ poprawie. Silniki są wyposażone w wiele podzespołów zaawansowanych technicznie, co m.in. powoduje, że są to konstrukcje nietrwałe, podatne na czynniki zewnętrzne [84].

Autor pracy wykazał, że znacząco pogorszył się wskaźnik liczby uszkodzeń silników spowodowanych awarią układu doładowania (rys. 1.1). Należy jednak pamiętać, że tak niekorzystna zmiana jest również związana z tym, że w okresie od 2007 do 2011 roku liczba pojazdów wyposażonych w turbosprężarki wzrosła kilkukrotnie [40].

Rys. 1.1. Struktura uszkodzeń silnika – rezultaty badań prowadzonych w latach 2000-2006 i 2007-2011 [na podstawie 22]

Mała niezawodność turbosprężarek samochodowych nie pozostaje bez znaczenia na emisję związków szkodliwych z silników spalinowych – znaczna cześć rodzajów uszkodzeń tych podzespołów ma na nią niekorzystny wpływ. Literatura przedmiotu wiążąca działanie turbosprężarek z emisją związków szkodliwych jest wciąż znikoma.

Zagadnienie podjęto m.in. w pracach [73], [74]. Brak jest natomiast prac naukowych w

sposób bezpośredni wiążących możliwości wystąpienia różnego rodzaju uszkodzeń

turbosprężarek z emisją związków szkodliwych. Dodatkowo zaznaczyć należy, że

systemy pokładowe (OBD), których celem jest samodiagnozowanie ukierunkowane

m.in. na ochronę środowiska – nie są wystarczające. Istnieje więc w tym obszarze

pewna luka, która na drodze badań systemowych wiązałaby niezawodność

turbosprężarek samochodowych z emisją związków szkodliwych z silników nimi

-8-

współpracujących. Autor w niniejszej rozprawie doktorskiej chce zwrócić uwagę na systemowe podejście do tak postawionego zagadnienia dotyczącego identyfikacji przyczyn i uszkodzeń turbosprężarek. W myśl tej zasady turbosprężarka samochodowa oraz współpracujący z nią silnik muszą być traktowane w sposób nierozłączny, co wynika z powiązania ich wspólnymi węzłami energetycznymi.

Według autora pracy analizowanie turbosprężarki oraz silnika niezależnie, nie

przyniesie zamierzonych rezultatów, w podejmowanym aspekcie dotyczącym

emisji związków szkodliwych. Istotne jest zatem dokładne przeanalizowanie

uszkodzeń turbosprężarek wraz ze szczegółową oceną przyczyn ich powstawania

oraz skutkami jakie wywołują w odniesieniu do silnika spalinowego i emisji

związków szkodliwych.

-9-

2. Analiza przyczyn najczęściej występujących uszkodzeń turbosprężarek 2.1. Istota doładowania turbosprężarkowego

Istota doładowania, zasada działania oraz budowa turbosprężarki są powszechnie znane i zostały już opisane w wielu publikacjach. W bieżącym rozdziale zdecydowano się scharakteryzować w zarysie poszczególne podzespoły układu doładowania w aspekcie ich uszkodzeń. Opisano jakie spełniają funkcje, scharakteryzowano budowę oraz materiały, z których się je wytwarza. Rozdział nie jest opisem teoretycznym, zaczerpniętym z literatury. Powstał w oparciu o badania własne autora na podstawie wykonanej systematyki uszkodzeń turbosprężarek samochodowych.

Istota doładowania polega na dostarczeniu do cylindrów świeżego ładunku o zwiększonej gęstości, co umożliwia doprowadzenie większej masy paliwa (nie zmieniając współczynnika nadmiaru powietrza λ). Celem doładowania jest zwiększenie mocy jednostkowej i zwiększenie sprawności, przy jednoczesnym zmniejszeniu emisji jednostkowej składników szkodliwych spalin [60]. Zwiększenie gęstości ładunku uzyskuje się poprzez zastosowanie urządzenia zewnętrznego (sprężarki), bądź wykorzystując właściwości dynamiczne samego silnika. Na rysunku 2.1 przedstawiono ogólny podział doładowania ze względu na rodzaj urządzenia sprężającego [86].

Podejmowane w pracy zagadnienie dotyczy turbodoładowania.

Rys.2.1. Ogólny podział systemów doładowania silników spalinowych ze względu na rodzaj urządzenia sprężającego

Na potrzeby rozprawy założono, że wszystkie turbosprężarki (autor w dalszej

części pracy będzie używał zamiennie słów urządzenie lub za pomocą akronimu – TS)

ze względu na zbliżona liczbę elementów i ten sam charakter pracy traktowane będą

jednakowo. Zmiany konstrukcyjne polegają najczęściej na dyferencjacji wymiarów lub

stosowaniu różnych sposobów zespolenia z silnikiem. Niewielka liczba turbosprężarek

posiada dwa mniejsze (zamiast jednego) łożyska promieniowe. Istotne znaczenie może

mieć zastosowanie urządzeń do silników o zapłonie iskrowym i samoczynnym ze

-10-

względu na różnicę temperatury spalania wynikającą z zastosowania alternatywnego paliwa, co wyjaśnione zostanie w dalszej części rozdziału [83].

2.2. Charakterystyka turbosprężarek samochodowych w aspekcie występujących uszkodzeń

Obecnie, w produkcji masowej, turbosprężarki budowane są z trzech podstawowych elementów stałych oraz jednego zespołu elementów ruchomych.

Do części stałych zalicza się obudowę sprężarki, obudowę turbiny oraz korpus środkowy wraz z osadzonymi w nim łożyskami osiowymi i promieniowymi).

Do elementów ruchomych należą wirniki sprężarki oraz turbiny, które osadzone są na wspólnym wale (rys. 2.2) [48]. W niniejszym rozdziale scharakteryzowano elementy turbosprężarek ze szczególnym uwzględnieniem uszkodzeń w nich występujących.

Rys. 2.2. Przekrój typowej turbosprężarki z zaznaczonymi elementami [35]

Rozwiązanie to ze względów eksploatacyjnych charakteryzuje się wieloma zaletami, m.in. posiada niewielkie wymiary, dużą wydajność, małą liczbą elementów ruchomych. W porównaniu do urządzeń tłokowych nie posiada części pracujących ruchem posuwisto-zwrotnym, zatem nie występują tu siły masowe pierwszego i drugiego rzędu.

Obudowa sprężarki

Obudowa sprężarki współpracująca z wirnikiem sprężarki jest spiralnym kanałem

dolotowym (dyfuzorem), w którym sprężane jest powietrze wykorzystywane następnie

w procesie doładowania (rys. 2.3).

-11-

Rys. 2.3. Widok modelu obudowy sprężarki

Obecnie większość obudów odlewa się ze stopów aluminium lub magnezu.

Materiał ten charakteryzuje się niską masą właściwą (aluminium: 2,7 g/cm

, magnez:

1,7 g/cm

) dobrą przewodnością cieplną oraz łatwą obrabialnością – stosowanie go na elementy tego typu jest uzasadnione. Ze względu na swoje właściwości oraz stosunkowo bogate występowanie w przyrodzie jest powszechnie stosowany w przemyśle lotniczym i transporcie. Za wadę można uznać fakt, że aluminium ma niską twardość (15 – 30 HB), co wpływa na małą stabilność osadzonych w obudowie tylnej sprężarki trzpieni łożysk (rys. 2.4). Uszkodzenia związane z uszkodzeniem gniazd łożyskowych zaprezentowano na rysunku 2.5.

Rys. 2.4. Widok modelu tylnej części obudowy sprężarki

-12-

Rys. 2.5. Widok uszkodzeń gniazd łożyskowych obudowy sprężarki

W praktyce, pojawienie się niesprawności podzespołu (np. utraty wyrównoważenia wału) powoduje uszkadzanie gniazda łożyskowych, uniemożliwiając dalszą, prawidłową pracę. Następstwem wybicia gniazd oraz utraty sztywności wału jest cierna współpraca wirnika sprężarki z obudową w wyniku czego dochodzi do uszkodzeń łopatek oraz wewnętrznej części obudowy sprężarki. Uszkodzenie to wiążę się z utratą szczelności w połączeniu obudowa – wirnik (rys. 2.6).

Rys. 2.6. Widok wytarcia obudowy sprężarki w konsekwencji wybicia gniazd łożyskowych wału

Skrajnymi następstwami uszkodzenia elementów wirujących może być

uszkodzenie kanału środkowego obudowy w wyniku bezwładności wyrzuconych przez

siłę odśrodkową rozerwanych elementów wirnika sprężarki (rys. 2.7).

-13-

Rys. 2.7. Widok uszkodzenia obudowy sprężarki w wyniku uszkodzenia mechanicznego

Obudowa turbiny

Obudowa turbiny współpracująca z wirnikiem turbiny jest spiralnym kanałem wylotowym (konfuzorem), w którym dochodzi do konwersji energii cieplnej na ruch obrotowy wału turbosprężarki (rys. 2.8). Urządzenia wyposażone w zmienną geometrię kierownicy spalin (VTG) posiadają w swej obudowie odpowiednio wyprofilowaną przestrzeń do montażu pierścienia wyposażonego w ruchome łopatki. Mechanizm ten montowany jest na płycie w kształcie tarczy, która połączona jest z korpusem środkowym. Materiały stosowane do produkcji tych elementów dobierane są na podstawie rzeczywistych temperatur gazów wylotowych. Dla wartości do 750

C (większość silników o zapłonie samoczynnym) wykorzystuje się materiał o nazwie niresist. Zawiera on m.in. 11–16% Ni, 2,5% Si, do 2% Mn, do 4% Cr i do 8% Cu.

Materiał ten charakteryzuje się wysoką żaroodpornością, odpornością na ścieranie i korozję. Dla wyższych temperatur tj. ok. 850

C najczęściej stosuje się GGGNiCr 202 (D2). Dla najwyższych temperatur rzędu 1000

C (silniki o zapłonie iskrowym), stosuje się GGG-NiCr 35 5 2 (D5) [25], [14].

Rys. 2.8. Widok modelu obudowy turbiny

-14-

Obudowa turbiny pracując w zakresie temperatur rzędu 1000

C (silnik o ZI), musi być wytrzymała na zmianę kształtu, tj. posiadać mały współczynnik rozciągania i ściskania. Żeliwa stosowane do produkcji tych elementów charakteryzują się wytrzymałością na rozciąganie rzędu 300 MPa. Wytrzymałość na ściskanie jest około 4 krotnie większa niż na rozciąganie, a wydłużenie nie przekracza 1%. Najczęstsze problemy uszkodzeń eksploatacyjnych obudów turbin (np. w postaci pęknięć) spowodowane są zwiększeniem naprężeń wywołanych dużym gradientem temperatury.

Istota pękania tkwi w różnicy w składzie chemicznym żeliwa między dwoma obszarami, które prowadzą do lokalnych zmian w zachowaniu skurczu termicznego [13]. Przypadki te są szczególnie częste w pojazdach wyposażonych w turbodoładowane silnik spalinowe, gdzie turbosprężarka umieszczona jest w miejscu narażonym na czynniki atmosferyczne (rys. 2.9). Fotografie przedstawiają obudowę turbiny ze sterowaniem zaworem upustowym pochodzącą od pojazdu marki VW Golf IV generacji wyposażonego w turbodoładowany silnik o zapłonie iskrowym o pojemności 1,8 dm

(turbosprężarka firmy KKK mocowana do kolektora wylotowego).

Rys. 2.9. Widok uszkodzeń obudowy turbiny (czerwonymi strzałkami zaznaczono przełomy i pęknięcia materiału)

Niektóre konstrukcje obudów zespolone są z kolektorem wylotowym tworząc monolit. Istota tego zabiegu ma na celu poprawę sprawności turbiny poprzez maksymalne ograniczenie odległości między komorą spalania, a wirnikiem.

Zmniejszanie długości tego kanału pozwala wprowadzać spaliny na wirnik turbiny z ograniczeniem strat entalpii. Wadą tego rozwiązania jest w wielu przypadkach (mimo zastosowania dobrego materiału) podatność na odkształcenia. Na rysunku 2.10.

przedstawiono turbosprężarkę firmy Garrett po wykonanej naprawie odkształconego

kolektora zespolonego z obudową. Czerwonymi strzałkami zaznaczono powierzchnie

splanowane, zielone zaś wskazują powierzchnie, które zostały lekko zabielone (dla

uzyskania płaszczyzny). Tego typu niesprawność powoduje nieszczelności mające

wpływ na utratę ciepła i ciśnienia strumienia gorących gazów wylotowych, co

charakteryzuje się występowaniem zwiększonej emisji hałasu [78].

-15-

Rys. 2.10. Widok turbosprężarki z zespolonym kolektorem wylotowym

Warto wspomnieć o innych wymaganiach wytrzymałościowych. Mianowicie, jeśli doszłoby do zerwania wirnika turbiny, odłamki nie mogą przebić obudowy.

Dla zapewnienia tego warunku przeprowadza się testy wytrzymałościowe, w tzw.

próbie zamknięcia. Wirnik przyspieszany jest do chwili rozerwania, a następnie wszystkie elementy zostają zebrane. Wymaga się, aby prędkość wirnika w chwili rozerwania była co najmniej 50% większa od maksymalnej dopuszczalnej prędkości roboczej założonej przez konstruktora. W związku z tym nie ma możliwości, aby podczas eksploatacji doszło do uszkodzenia obudowy [43]. Niemniej jednak, uszkodzenia tego elementu o charakterze mechanicznym mogą wystąpić w nietypowych sytuacjach (nieprawidłowy demontaż, uszkodzenie podczas kolizji drogowych) – rysunek 2.11.

Rys. 2.11. Widok uszkodzonej obudowy turbiny podczas nieprawidłowego demontażu – uszkodzenie mechaniczne

-16- Korpus środkowy

Korpus środkowy (rys. 2.12) ogranicza stopnie swobody wału (stanowi obudowę), posiada wytoczone gniazda łożysk oraz doprowadza olej odpowiedzialny za smarowanie i chłodzenie. W korpusie wykonane są rowki pierścieniowe, które stanowią część uszczelnienia w kierunku sprężarki i turbiny.

Rys. 2.12. Widok korpusu środkowego (po stronie lewej model, po prawej element rzeczywisty)

Ze względu na małą odległość pomiędzy łożyskami, a gorącą częścią obudowy turbiny ciepło intensywnie przenika na łożysko. Przenikanie to potęgowane jest za pośrednictwem wirnika, który stanowi monolit z wałem. W zależności od stopnia narażenia na wpływ wysokich temperatur istnieje kilka wariantów rozwiązań umożliwiających minimalizację tego problemu. Dzięki odpowiedniej konstrukcji korpusu blok łożyskowy umiejscowiony blisko turbiny musi być izolowany termicznie poprzez zwiększenie długości przewodzenia ciepła. Dalszą poprawę osiąga się przez zastosowanie osłony termicznej umieszczonej w tylnej części wirnika turbiny, która w dużym stopniu zapobiega bezpośredniemu kontaktowi pomiędzy gorącymi gazami spalinowymi i korpusem (rys. 2.12). Ponadto, doprowadzany chłodzący strumień oleju zmniejsza dopływ ciepła przez wał do łożysk.

Rys. 2.13. Przekrój korpusu środkowego, wału i wirników

-17-

Z eksploatacyjnego punktu widzenia, duże temperatury mają niekorzystny wpływ na przepływający olej, który narażony jest na procesy takie jak koksowanie, wytrącane osadów, laków. Zjawisko to jest (szczególnie intensywne przy braku przepływu), co może powodować zmniejszenie średnicy kanałów (rys. 2.14) utrudniając przepływ oleju oraz umożliwiając dystrybucję odrywających się twardych drobin węgla przedostających się w przestrzeń współpracy łożysk (rys. 2.15) [71].

Rys. 2.14. Przekrój korpusu środkowego z zaznaczonymi kanałami olejowymi

Rys. 2.15. Widok nalotu olejowego na łożysko poprzeczne (opis łożyska w dalszej części rozdziału)

Aby zmniejszyć skalę występowania tego zjawiska należy stosować olej o odpowiednich parametrach jakościowych. Przykładowe wartości wpływu temperatury na lepkość i gęstość oleju stosowanego do smarowania silników wyposażonych w turbosprężarkę przedstawiono w tabeli 2.1 [19].

Tabela 2.1. Przykładowe wartości wpływu temperatury na lepkość i gęstość oleju

Skala lepkości oleju SAE 5W-20 5W-30 5W-40

Gęstość w 15 °C, [kg/m³] 0,851 0,855 0,855 Lepkość, [cSt]

90 °C 10,32 13,05 17,79

130 °C 4,83 5,91 8,06

150 °C 3,61 4,37 5,93

Współczynnik lepkości 150 150 175

Wraz ze zwiększaniem temperatury, lepkość się zmniejsza, a właściwości myjące

oleju zwiększają się [57]. Jako, że olej po przepłynięciu przez łożyska grawitacyjnie

spływa do misy olejowej, istotne jest zachowanie prawidłowego poziomu oleju w

silniku oraz sprawne działanie systemu odpowietrzenia skrzyni korbowej. Pojawienie

-18-

się przeciwciśnienia utrudniającego ujście oleju z korpusu w skrajnych przypadkach może uniemożliwić przepływ. Przykład całkowitego zaczopowania otworu odprowadzającego olej pokazano na rys. 2.16.

Rys. 2.16. Widok całkowicie zaczopowanego otworu odprowadzającego olej z korpusu środkowego

Utrata drożności, lub zmniejszenie średnicy kanału odprowadzającego olej ogranicza wymianę ciepła z łożysk. Taki stan może prowadzić do uszkodzenia układu smarowania i/lub tarcia materiału oraz zwiększonego zużycia łożysk, przez co może dojść do wycieku oleju w kierunku wirników [80].

Uszkodzenia związane z nieprawidłowo wykonaną naprawą/wymianą związane są najczęściej z zastosowaniem uszczelnienia króćca odprowadzającego olej (z korpusu do miski olejowej) przy wykorzystaniu mas silikonowych (rys. 2.17 a). Nadmiar uszczelniacza po dokręceniu rury zostaje wyciśnięty do wnętrza kanału utrudniając przepływ oleju. W rozwiązaniach z zastosowaniem sita w śrubie (rys. 2.17 b), nawisy po oderwaniu się od krawędzi mogą całkowicie zablokować ujście oleju.

a) b)

Rys. 2.17. Zmiana przekroju kanału odprowadzającego olej z korpusu środkowego po nieprawidłowo wykonanej naprawie (po lewej stronie). Widok śruby z sitem (po prawej stronie)

Elementy układu chłodzenia

W przypadku silników o zapłonie iskrowym, gdzie temperatura spalania jest o 200

– 300

C większa niż w przypadku silników o zapłonie samoczynnym, niektóre korpusy

(rys. 2.18 a) lub korpusy i obudowy (rys. 2.18 b) turbosprężarek wyposażane są

w zintegrowany z silnikiem system chłodzenia.

-19-

a) b)

Rys. 2.18. Widok modelu turbosprężarki w przekroju: a) z chłodzonym korpusem środkowym, b) z chłodzonymi obudowami turbiny i sprężarki (A – wlot spalin, B – wylot spalin, D – wlot powietrza,

C – wylot powietrza, E – ciecz chłodząca, 1 – wirnik turbiny, 2 – wirnik kompresora,3 – strumień ciśnień, 4 – zredukowany przepływ objętościowy) [37]

W przypadku wystąpienia problemów ze zwiększoną akumulacją ciepła (np. przy zatrzymaniu silnika bezpośrednio po pracy z dużym obciążeniem) pompa wody musi być dodatkowo sterowana tak, by umożliwić wydajne chłodzenie korpusu oraz łożysk.

Szczególnym przypadkiem (negatywnym w aspekcie trwałościowym) jest stosowanie koca termicznego (rys. 2.19) dla poprawy parametrów czynnika zasilającego turbinę – spalin pochodzących z silnika.

Rys. 2.19. Widok obudowy turbiny z zastosowanym kocem termicznym [38]

Gazy spalinowe, podczas pracy z maksymalnym obciążeniem, rozgrzewają

obudowę do temperatury ok. 900

C. Ze specyfikacji materiału wynika, że posiada

zdolność do odizolowania obudowy w taki sposób, że temperatura powierzchni

zewnętrznej koca nagrzewa się do ok. 50

C, zatem korpus turbosprężarki (w którym po

wyłączeniu silnika pozostaje gorący olej) pełni dużą rolę w przejmowaniu i oddawaniu

ciepła.

-20- System łożyskowania

Turbosprężarka posiada złożony system łożyskowania. Wirnik łożyskowany jest ślizgowo: osiowo i promieniowo (rys. 2.20).

Rys. 2.10. Fragment wału turbosprężarki z łożyskami, a) widok aksonometryczny, b) rzut, c) przekrój, 1 – wał, 2 – tuleja łożyska promieniowego, trzpień łożyska osiowego, tarcza łożyska osiowego

5 – trzpień wału z rowkiem pierścieniowym

Łożyska promieniowe najczęściej występują w formie tulei lub tulejek wykonanych ze stopu miedzi (rys. 2.21).

Rys. 2.21. Widok nowych łożysk promieniowych

Tuleja łożyska w korpusie środkowym może być osadzona na stałe lub pływająco.

Uszkodzenie łożyska promieniowego pokazano na rysunku 2.22. Na rysunku a) widać ślady mikroprzemieszczeń tulei względem korpusu. Na rysunku b) czerwoną strzałką zaznaczono skutek braku smarowania – zwiększone tarcie spowodowało uślizg trzpienia ustalającego, w wyniku czego tuleja obróciła się wokół własnej osi. Twardy trzpień odcisnął ślad na krawędzi łożyska.

Łożysko promieniowe, najczęściej, składa się z dwóch części: płytki wykonanej ze

stopu miedzi osadzonej na stałe w korpusie oraz z ruchomego talerzyka ze stali

stopowej (rys. 2.23). Łożysko poprzeczne przenosi siły osiowe z promieniowych

wirników turbiny i sprężarki, pochodzące od rozprężanych gazów spalinowych oraz od

sprężanego powietrza. Czynnikiem smarującym łożyska turbosprężarki jest olej

pochodzący z magistrali silnika. Czynnik smarujący doprowadzany jest do łożysk

wąskim kanałem zaznaczonym czerwoną na rysunku 2.23.

-21-

a) b)

Rys. 2.22. Widok uszkodzonego łożyska promieniowego a) powierzchnia zewnętrzna tulei, b) powierzchnia czołowa (czerwone strzałki wskazują zniszczone powierzchnie)

Rys. 2.23. Widok tarczy łożyska promieniowego z zaznaczonym (czerwoną strzałką) kanałem olejowym oraz talerzyk ze stali stopowej

Zaburzenie parametrów jakościowych lub ilościowych oleju (temperatury, ciśnienia, poziomu w misie lub jakości płynu) może być przyczyną uszkodzenia łożysk (rys. 2.24), czopów łożyskowych, wału (rys. 2.25, 2.26), co w następstwie prowadzić może do dalszych uszkodzeń.

Rys. 2.24. Uszkodzone łożysko osiowe; a) tarcza łożyska, b) talerzyk łożyska

-22-

Rys. 2.25. Uszkodzona powierzchnia wału. Czerwona strzałka wskazuje miejsca głębokiego bruzdowania przez twardy element (lub elementy) ciała obcego

Rys. 2.26. Uszkodzona powierzchnia wału. Czerwone strzałki wskazują miejsca utraty filmu olejowego.

Pozostawione ślady po tarciu polerującym

Na rys. 2.27 pokazano skutki przegrzania wału w miejscach współpracy z łożyskami.

Rys. 2.27. Fragment wału turbosprężarki ze śladami przegrzania

-23-

Rozwiązanie to jest korzystne ze względów hydraulicznych (dla zachowania odpowiedniego ciśnienia wynoszącego około 2 bar). Zaleta ta może być jednocześnie wadą eksploatacyjną, ponieważ przepływający przez wąskie kanały olej narażony jest na działanie wysokich temperatur.

System uszczelnień

Połączenie wał – korpus uszczelnione jest za pomocą rozprężnego pierścienia (lub kilku pierścieni) po stronie turbiny oraz za pomocą uszczelki po stronie sprężarki (rys. 2.28). Pierścienie nie obracają się, lecz są sztywno osadzone w rowku korpusu i w ten sposób tworzą rodzaj bezstykowego uszczelnienia labiryntowego.

Takie rozwiązanie umożliwia zabezpieczenie przed stratami oleju oraz przed przedostawaniem się gazów spalinowych do korpusu turbosprężarki.

Rys. 2.28. Przekrój fragmentu obudowy turbiny, wału oraz wirnika z zaznaczonymi pierścieniami uszczelniającymi

Dla wszystkich układów uszczelniających istnieją testy funkcjonalne. W przypadku badania pierścienia uszczelniającego po stronie sprężarki ciśnienie na wlocie do sprężarki obniża się do wartości, która mogłaby wystąpić w przypadku zanieczyszczonego filtra powietrza. Aby sprawdzić uszczelnienie po stronie turbiny, podwyższa się ciśnienie w skrzyni korbowej. W obu przypadkach olej nie powinien przedostawać się na wirniki [8].

Na rysunku 2.29 a) pokazano uszkodzony rowek pierścieniowy uszczelnienia wału po stronie turbiny. Na rysunku 2.29 b) pokazano nowy pierścień na nowym wale.

a) b)

Rys. 2.29. Widok rzeczywisty czopu wału turbiny z uszkodzonym rowkiem pierścieniowym (po lewej stronie), nowy (po prawej stronie)

-24-

W warunkach eksploatacyjnych powszechnie znane jest zjawisko przedostawania się niewielkiej ilości oleju smarującego do układu dolotowego i komory spalania. Jest to zjawisko niepożądane, jednak brak jest narzędzi i procedur weryfikujących wpływ przecieków na emisję szkodliwych związków spalin i prawidłową pracę silnika.

Systemy diagnozujące pracę silnika nie monitorują parametrów pracy turbosprężarki.

Brak jest urządzeń i algorytmów sprawdzających prawidłowe działanie układu doładowania. Układ turbodoładowania w sprzężeniu z silnikiem (nazywany w dalszej części pracy jako system) nie jest wyposażony w żadne czujniki.

Wirniki

W systemach turbodoładowania stosowanych najczęściej w pojazdach samochodowych wykorzystuje się osiowo-promieniowe (promieniowo-osiowe) koła wirnikowe sprężarek i turbin. Widok przykładowych wirników połączonych wałem pokazano na rysunku 2.30.

Rys. 2.30. Widok wirników sprężarki i turbiny połączonych wspólnym wałem

Jak napisano wyżej, temperatura pracy wirnika turbiny oscyluje w granicach 850 – 1000

C. Przekroczenie dopuszczalnej temperatury może powodować topienie końcówek łopatek (rys. 2.31).

Rys. 2.31. Widok uszkodzonego wirnika turbiny z zaznaczonymi fragmentami uszkodzonych łopatek

-25-

Wirniki turbin wykonane są w formie otwartej i najczęściej połączone są na stałe z wałkiem wirnika metodą zgrzewania tarciowego. Materiałami na wirniki turbin są najczęściej wysokostopowe stale żarowytrzymałe, stopy niklu, kadmu, tytanu i inne (np.

G-NiCr13MoAl – Inconel 713/LC). Napływ i wypływ spalin z wirnika turbiny ograniczony jest żeliwnym korpusem opisanym w niniejszym rozdziale. Pomimo dużej wytrzymałości mechanicznej wirników, fragmenty ciał obcych pochodzących najczęściej z komory spalania lub układu rozrządu (np. krawędzie zaworów) są narażone na uszkodzenia (rys. 2.32).

Rys. 2.32. Widok (od czoła) uszkodzonego wirnika sprężarki. Czerwonymi strzałkami zaznaczono elementy, które miały bezpośredni kontakt z ciałem obcym

Ze względu na budowę turbosprężarki, istotnym parametrem dla uzyskania wysokiej sprawności jest zachowanie odpowiedniej szczelności pomiędzy wirnikami, a obudowami (rys. 2.33). Konieczność zachowania niewielkiej odległości, oznaczonej kolorem czerwonym na rysunku 2.33 a), wiąże się z niebezpieczeństwem uszkodzenia obudowy przy wystąpieniu niewielkich luzów promieniowych zespołu wał – wirniki, co w eksploatacji jest zjawiskiem występującym bardzo często. Na rysunku 2.33 b) przedstawiono wirnik z uszkodzonymi krawędziami łopatek przez kontakt z obudową.

Wirniki sprężarek również zbudowane są bez tarczy nakrywającej i wykonane są

jako oddzielny element (najczęściej ze stopu aluminium), a napływ i wypływ powietrza

z wirnika sprężarki ograniczony jest spiralnym korpusem opisanym wyżej. Łopatki

sprężarki narażone są na uszkodzenia przez przedostające się przez filtr powietrza ciała

obce. Uszkodzony wirnik sprężarki ze śladami kontaktu z niewielkich rozmiarów

ciałem obcym przedstawiono na rysunku 2.34. Końcówki łopatek zostały trwale

zniekształcone na całym obwodzie.

-26-

a) b)

Rys. 2.33. Wirnik z wałem turbosprężarki a) fragment przekroju obudowy turbiny i wirnik turbiny z zaznaczonym miejscem współpracy tych elementów, b) – widok uszkodzonych łopatek turbiny

w wyniku kontaktu z obudową turbiny

Rys. 2.34. Widok uszkodzonego wirnika sprężarki z uszkodzonymi łopatkami

Układy regulacji

Regulacja mocy turbiny może odbywać się m.in. poprzez zastosowanie zaworu

upustowego, zmianę kąta napływu spalin na łopatki oraz zmianę pulsacji strumienia

spalin, a także zmianę czynnej powierzchni łopatek. Rozwiązania te stosowane są

zamiennie w zależności od potrzeb projektowych i oczekiwań, choć tendencja

ukierunkowana jest na bardziej skomplikowaną, ale umożliwiającą regulację w

szerszym zakresie (regulacja ze zmienną geometrią kierownicy spalin). W układzie tym

(w odróżnieniu od turbiny z zaworem upustowym) cały wydatek spalin wytwarzanych

przez silnik kierowany jest na łopatki turbiny, napędzając wał. Ciśnienie doładowania

regulowane jest poprzez zmianę prędkości przepływu spalin napływających na łopatki

turbiny. Służy do tego dodatkowy element zamontowany w obudowie turbiny zwany

kierownicą spalin. Odpowiednie ustawienie kątowe łopatek kierownicy spalin pozwala

zwiększyć lub zmniejszyć energię z jaką spaliny trafiają na łopatki turbiny. Układ

-27-

sterowany jest płynnie (bezstopniowo) pomiędzy dwoma skrajnymi położeniami. Faza

„A” maksymalnego wzrostu ciśnienia doładowania – silnik pracuje z małą prędkością obrotową i niewielkim obciążeniem, wytwarzając strumień spalin o niedużej energii i prędkości przepływu. W tym przypadku łopatki kierownicy spalin ustawiane są w położeniu „zamkniętym”, zmniejszając szczeliny, przez które przepływają spaliny zanim trafią na łopatki turbiny. Faza „B” maksymalnego ograniczenia ciśnienia doładowania – silnik pracuje z dużą prędkością obrotową i dużym obciążeniem, wytwarzając strumień spalin o dużej energii i prędkości przepływu. W tym przypadku łopatki kierownicy spalin ustawiane są w położeniu „otwartym”, zwiększając szczeliny, przez które przepływają spaliny zanim trafią na łopatki turbiny (rys. 2.35).

Faza „A” Faza „B”

Rys. 2.35. Widok fragmentu turbiny z łopatkami kierownicy spalin – czerwonymi strzałkami zaznaczono kierunek napływu gazów zasilających w fazie zamkniętej (faza „A”) oraz w fazie otwartej (faza „B”)

Rozwiązanie to oparte jest na większej liczbie części – jest bardziej skomplikowane oraz bardziej podatne na wystąpienie niesprawności. Najczęstszym problemem jest blokowanie się mechanizmu łopatek, zacieranie trzpieni (rys. 2.36), a także uszkodzenie powierzchni lub profilu łopatki (rys. 2.37).

Rys. 2.36. Widok pierścienia sterującego łopatkami kierownicy spalin wraz z dźwigienkami

-28-

Rys. 2.37. Uszkodzona kierownica spalin a) widok ogólny, b) widok pojedynczej łopatki z uszkodzoną przez ciało obce powierzchnią

Przyczyną zacierania się mechanizmu (trzpieni, pierścienia prowadzącego lub dźwigienek) są najczęściej nieprawidłowe parametry spalin, zwiększone zadymienie, obecność zwiększonego stężenia sadzy, lub zbyt wysoka temperatura spalin (rys. 2.38). Mechanizm może się również zablokować w sytuacji, gdy nie pracuje w pełnym zakresie, oraz gdy temperatura spalin jest zbyt niska.

Rys. 2.38. Uszkodzona kierownica spalin – zablokowanie łopatek przez nadmiar sadzy

Do zablokowania łopatek może również dojść z powodu zbyt wysokiej temperatury w komorze spalania związanej z korekcją dawki paliwa. Konsekwencją zwiększonej dawki może być topienie denka tłoka, w wyniku czego płynne aluminium wraz ze strumieniem spalin osadza się na łopatkach kierownicy spalin (rys. 2.39).

Rys. 2.39. Widok kilku łopatek z odłożonymi fragmentami przetopionego aluminium

-29- Wyrównoważenie

Obecnie produkowane turbosprężarki pracują z prędkościami obrotowymi rzędu 250 tys. [obr/min], dlatego wyważanie wirników jest jednym z kluczowych etapów procesu montażu zespołu wirującego [44], [49].

Najczęstszą przyczyną zaburzeń ruchu obrotowego zespołu wirniki – wał turbosprężarki są odśrodkowe siły bezwładności powstające wskutek niepokrywania się osi wirowania z jedną z głównych centralnych osi układu wirującego. Niejednakowego usytuowania tych osi należy upatrywać przede wszystkim w niewyrównoważeniu mas wirujących [47], [62].

Charakterystyczną cechą niewyważonego zespołu wirującego jest wzrost amplitudy drgań łożysk, towarzyszący zwiększeniu prędkości obrotowej. Jeżeli znacznie różni się ona od najblżeszej prędkości krytycznej, to amplitudy drgań łożysk zmieniają się proporcjonalnie do kwadratu ich prędkości obrotowej. Drgania takie są zawsze drganiami harmonicznymi o częstości równej liczbie obrotów wirnika.

W związku z bardzo dużymi prędkościami obrotowymi zespołu wirującego problem częstości drgań własnych nabiera szczególnego znaczenia. Krytyczna prędkość obrotowa wirników, przy której występuje rezonans pomiędzy drganiami wymuszonymi i własnymi turbosprężarki, powinna znacznie przewyższać jej wartości znamionowe. Oprócz tego wymaga się, aby w całym zakresie użytecznych prędkości obrotowych wału korbowego silnika, turbosprężarka nie przejawiała skłonności do jakichkolwiek drgań. Inną przyczyną występowania drgań może być nadmierne zwiększenie lub zmniejszenie się luzów łożysk. Zjawisko takie nosi nazwę samowzbudnych drgań olejowych. W niektórych przypadkach drgania są tak duże, że uniemożliwiają normalną pracę turbosprężarki, a niekiedy w krótkim czasie niszczą łożysko. Przyczyną powstawania drgań może być także cieplna niestabilność wirnika.

Charakterystyczną cechą stanu dynamicznego zespołu wirującego z wirnikiem cieplnie nieustabilizowanym jest szybki przyrost amplitudy drgań, towarzyszący wzrostowi temperatury czynnika w kadłubie turbiny [85, 67, 75].

Pierwszym etapem procesu wyważania jest wyważenie wirnika turbiny, wirnika sprężarki, a następnie wyważenie całego zespołu turbosprężarki (przed zamontowaniem do korpusu). Działanie to wykonuje się na specjalistycznych wyważarkach. W celu wyważenia wirnika sprężarki należy na jednej łopatce nanieść znacznik, np. w postaci substancji chemicznej z domieszką sproszkowanego szkła, aby umożliwić odbicie światła dla czujnika zliczającego impulsy. Następnie wirnik należy zamocować na wałku pomocniczym. Wałek z wirnikiem mocuje się na wyważarce i podłącza napęd (rys. 2.40) rozpędzenia go do wyznaczonej prędkości. Układ pomiarowy określa miejsca, w których występuje nadmiar materiału konieczny do usunięcia w celu właściwego wyważenia.

Nadmiar ten usuwany jest obróbką skrawaniem, lub szlifowaniem z powierzchni

wirnika turbiny (rys. 2.41 a), lub z trzpienia wału (rys. 2.41 b).

-30-

Rys. 2.40. Widok wyważarki z zamontowanym wałem oraz dwoma wirnikami

a) b)

Rys. 2.41. Widok wirnika turbiny, a) od strony wału z widocznym miejscem frezowania materiału b) od strony napływu spalin z frezowaniem trzpienia

Wyważanie wirników sprężarek wykonuje się podobną metodą jak wirników turbin, jednak ze względu na sposób montażu elementu, nadmiar materiału zbierany jest najczęściej metodą frezowania (rys. 2.42).

Rys. 2.42. Widok wirnika sprężarki po operacji wyważania – czerwoną strzałką zaznaczono miejsce zebrania materiału

-31-

Niezastosowanie się do procedur dotyczących wyważania wirników może być przyczyną zniszczenia całej maszyny w krótkim czasie eksploatacji.

Przykładowe uszkodzenia związane z niewyrównoważeniem wału pokazano na rysunku 2.43. Przyczyną pojawienia się odśrodkowych sił bezwładności było odłamanie się łopatki (miejsce przełomu zaznaczono czerwoną strzałką). W wyniku powstałego rezonansu uszkodzone zostało łożysko promieniowe (rys. 2.44), a następnie doszło do zerwania wału (miejsce przełomu wału zaznaczono zieloną strzałką).

a) b)

Rys. 2.43. Widok uszkodzonego łożyska osiowego, a) powierzchnia boczna., b) uszkodzona powierzchnia czołowa tulei

Rys. 2.44. Widok wirnika sprężarki z uszkodzoną łopatką zaznaczoną czerwoną strzałką oraz zerwany wał

Podczas rozpędzania wału turbosprężarki częstotliwość drgań własnych z drganiami wymuszonymi pokrywa się wielokrotnie. Istotne jest, aby podczas obliczeń projektowych nominalna prędkość wału była odmienna od tej z pola występowania rezonansu.

Z przeprowadzonej analizy oraz opisu uszkodzeń wybranych elementów

turbosprężarki wynika, że urządzenie zbudowane jest ze stosunkowo niewielkiej liczby

części współpracujących ze sobą. Duża cześć elementów jest wykonanych

-32-

z wysoką precyzją. Tolerancje i pasowanie skojarzeń łożyska – czopy wału, lub wirnik – obudowa, utrzymane są na odpowiednim poziomie, aby móc zapewnić prawidłowe funkcjonowanie urządzenia. Zapewnienie projektowych wymagań dotyczących klasy czystości powietrza oraz oleju smarującego wraz z parametrami jakościowymi umożliwia niezawodną i bezawaryjną pracę urządzenia.

Na przedstawionych powyżej fotografiach części, przyczyną uszkodzeń były warunki zewnętrzne, nie obejmujące bezpośrednio urządzenia, ale połączone węzłami termodynamicznymi. Wspólne węzły gazowe i olejowe powodują, że turbosprężarka jest urządzeniem umiejscowionym w newralgicznym miejscu całego układu pędnego pojazdu. Nasuwa się zatem stwierdzenie, że do identyfikacji uszkodzeń konieczna jest synteza układu silnika wraz z układem zasilania, wylotowym, oczyszczania spalin, chłodzenia i smarowania. Ciągła poprawa parametrów ekologicznych silników spalinowych związana jest z modyfikacjami układów dolotowego, zasilania, oczyszczania spalin itp. Stopień skomplikowania oraz liczba elementów ruchomych, a także małe tolerancje pasowania w tych układach powodują, że systemy w powiązaniu z precyzyjnymi urządzeniami jakim są pompa wysokiego ciśnienia, wtryskiwacze, bądź turbosprężarka są szczególnie narażone na zaburzenie projektowych parametrów pracy mediów współpracujących.

Uszkodzenia turbosprężarek współczesnych silników spalinowych są powszechnym zjawiskiem, a ich źródeł należy szukać w dysfunkcjach wszystkich układów współpracujących. Autor, przy pomocy praktyki rzeczoznawczej wykazał, że wielokrotnie zdarza się, że naprawa kończy się wymianą turbosprężarki (bez usunięcia inicjatora uszkodzeń), po czym do uszkodzenia dochodzi ponownie, często po kilku lub kilkunastominutowej pracy silnika.

Istnieje konieczność systemowego rozwiązywania problemu awaryjności turbosprężarek, ponieważ tylko działanie wieloaspektowe, obejmujące cały obszar współpracy urządzenia doładowującego wraz z silnikiem może przyczynić się do podniesienia jego niezawodności. Poprawa trwałości maszyn to również bezpośrednie oddziaływanie na szerokorozumianą globalną ekologię silników wraz z emisją szkodliwych związków spalin.

Jak napisano we wstępie, nacisk na poprawę właściwości trwałościowych maszyn, tj. m.in. podnoszenie niezawodności będzie coraz większy, co będzie determinowane zaostrzeniem norm czystości spalin.

Kolejny próg stawiany przez ekologów to wykonywanie takich samych testów czystości spalin, podczas badań okresowych, jakie wykonuje się na potrzeby badań homologacyjnych dla pojazdów opuszczających fabrykę. Taki zabieg prowadzi do dwóch skrajnych przypadków. Jeden będzie miał bezpośrednie odzwierciedlenie w jakości i trwałości produkowanych maszyn i urządzeń, aby te przez określony czas spełniały projektowe normy. Drugi zaś spowoduje, że pojazdy staną się jeszcze bardziej

„jednorazowe”. Przewidywany okres eksploatacji ulegnie skróceniu, podzespoły mające

decydujący wpływ na finalną emisję szkodliwych związków spalin ulegać będą

nieodwracalnym uszkodzeniom, a wymiana ich na nowe będzie ekonomicznie

nieuzasadniona.

-33-

Automatyzacja, elektronizacja, miniaturyzacja obecna w motoryzacji zmierza do wyeliminowania szerokorozumianych napraw. Od wielu lat najpowszechniejszą metodą naprawiania maszyn i urządzeń jest wymiana całych zespołów na nowe.

Z jednej strony stają się one niedemontowalne, a z drugiej naprawa wiąże się

z koniecznością użycia drogiego i skomplikowanego sprzętu [33].

-34- 3. Analiza FMEA i metoda ETA

3.1. Wprowadzenie

Wieloletnie doświadczenie autora w dziedzinie eksploatacji maszyn, praktyka w zakładzie zajmującym się regeneracją maszyn przepływowych poparta wiedzą warsztatową stały się inspiracją do wykonania identyfikacji przyczyn uszkodzeń turbosprężarek.

Ze względu na złożoność i charakter problemu konieczne było poszukiwanie metod umożliwiających usystematyzowanie i opisanie założeń. Aby zminimalizować liczebność wykonywanych napraw związanych z układem turbodoładowania, podczas całego okresu eksploatacji pojazdu, autor proponuje podjęcie pewnych kroków mających na celu nadanie ilościowego opisu zjawisk, wpływu ciągu zdarzeń przyczynowo-skutkowych mających wpływ na wskaźniki pracy, prawidłowe działanie, a także wpływ na emisję szkodliwych składników spalin. Zagadnienie staje się wieloaspektowe i potencjalnie trudne do opisania.

W celu wykonania analizy systemu w odniesieniu do jego uszkodzeń, podstawowe znaczenie ma stosowanie ujednoliconych procedur. Klasyczne wyznaczenie niezawodności – jako prawdopodobieństwa wystąpienia zdatności systemu w ustalonym przedziale czasu – zastępuje się analizą możliwości realizacji zadań nakładanych na system [7].

Wg autora, analiza FMEA (ang. Failure Mode and Effect Analysis – analiza przyczyn i skutków wad) pozwala urzeczywistnić ideę zawartą w zasadzie „zera defektów”. Celem FMEA jest:

konsekwentne i trwałe eliminowanie wad („słabych” miejsc) wyrobu poprzez rozpoznawanie rzeczywistych przyczyn ich powstawania i stosowanie odpowiednich – o udowodnionej skuteczności środków zapobiegawczych, unikanie wystąpienia rozpoznanych, a także jeszcze nieznanych wad w nowych wyrobach poprzez wykorzystywanie wiedzy i doświadczeń z już przeprowadzonych analiz.

Wynikiem przeprowadzonych analiz jest współczynnik (iloczyn trzech kryteriów, tj.: znaczenie, wykrywalność lub częstotliwość występowania – wyjaśnienie zamieszczono w kolejnym rozdziale), na podstawie którego określa się najbardziej znaczące przypadki. Aby zmniejszyć wpływ wybranych przypadków należy podjąć działania mające na celu redukcję poszczególnych wartości lub jeśli to możliwe wszystkich razem.

Wg autora, w celu zmniejszenia wpływu jednego z nich (wykrywalności), proponuje się zastosowanie metody ETA, która w graficzny sposób przedstawia prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzeń przy obecnych barierach.

Do oceny możliwości wystąpienia wybranych uszkodzeń najkorzystniej jest

zastosować metodę analizy drzewa zdarzeń (ang. Event Tree Analysis). Obie metody

szczegółowo opisano w kolejnych rozdziałach pracy.

-35- 3.2. Ogólny opis analizy FMEA

Cele FMEA są również zgodne z zasadą „ciągłego doskonalenia”. Metoda FMEA pozwala poddawać wyrób kolejnym analizom, a następnie na podstawie uzyskanych wyników, wprowadzać poprawki i nowe rozwiązania, skutecznie eliminując źródła wad.

Analizy mogą przy okazji dostarczyć nowych pomysłów ulepszających właściwości wyrobu. W ten sposób stosowanie FMEA wplata się w cykl działań zwanych „kołem Deminga”.

Metodę FMEA zaczęto stosować w latach sześćdziesiątych w USA przy konstruowaniu oraz przygotowywaniu procesów wytwarzania złożonych i odpowiedzialnych wyrobów w astronautyce, technice jądrowej i przemyśle lotniczym.

Z czasem jej stosowanie stopniowo zaczęło obejmować inne gałęzie przemysłu, od których wymaga się wyrobów szczególnie wysokiej niezawodności ze względu na bezpieczeństwo użytkowników (np. postęp w bezpieczeństwie czynnym i biernym samochodów osobowych, liczba systemów przeciwdziałających zdarzeniom oraz ograniczeniom skutków wypadków drogowych) [31].

Tendencja ta wiąże się z poprawą niezawodności, rozumianą jako prawdopodobieństwo spełnienia przez obiekt stawianych mu wymagań, dotyczącą ochrony środowiska, jednak zazwyczaj tylko na etapie badań homologacyjnych.

Powszechnie wiadomo, że zwiększanie trwałości elementów, podzespołów, maszyn i urządzeń mających wpływ na niezawodność samochodów od wielu lat nie jest główną domeną koncernów.

Wyróżnia się FMEA wyrobu/konstrukcji oraz FMEA procesu. W pracy wykorzystano analizę FMEA wyrobu, ponieważ autor nie ingeruje w zmiany konstrukcyjne, ani w procesy związane z wytwarzaniem turbosprężarek.

Zazwyczaj, analiza FMEA przeprowadzana jest już podczas wstępnych prac projektowych w celu uzyskania informacji o silnych i słabych punktach wyrobu, tak aby jeszcze przed podjęciem właściwych prac konstrukcyjnych istniała możliwość wprowadzenia zmian koncepcyjnych.

Do wskazania słabych punktów wyrobu, mogących być w czasie jego eksploatacji przyczyną powstawania wad, są przydatne ustalenia uzyskiwane na etapie projektowania, dzięki wiedzy i doświadczeniu zespołu zaangażowanego w przeprowadzenie FMEA, a także z pomocą informacji uzyskiwanych podczas eksploatacji podobnych wyrobów. Wady wyrobu lub konstrukcji mogą dotyczyć:

funkcji, które wyrób ma realizować,

niezawodności wyrobu w czasie eksploatacji, łatwości naprawy w przypadku uszkodzenia, technologii konstrukcji.

Przeprowadzanie FMEA wyrobu/konstrukcji jest zalecane w sytuacjach:

wprowadzania nowego wyrobu,

wprowadzania nowych lub w dużym stopniu zmienionych części lub podzespołów,

wprowadzania nowych materiałów,

-36- zastosowania nowych technologii,

otwarcia się nowych możliwości zastosowania wyrobu,

dużego zagrożenia dla człowieka lub otoczenia w przypadku wystąpienia awarii wyrobu (nie jest dopuszczalne wystąpienie jakichkolwiek wad), eksploatacji wyrobu w szczególnie trudnych warunkach,

znacznych inwestycji [28].

Mając powyższe, na uwadze podjęto próbę wykonania analizy FMEA dla turbosprężarki.

Celem przeprowadzonej analizy FMEA wyrobu jest określenie najsłabszego ogniwa, które definiowane jest liczbą priorytetu „LPR” będącej iloczynem trzech wskaźników „Z”, „W” oraz „R”:

LPR = Z R W. (1)

Przez ogniwo, w zależności od stopnia dekompozycji, rozumie się pojedynczy element urządzenia lub zespół maszyny. Autor wykonał analizę na poziomie poszczególnych elementów turbosprężarki.

Aby uzyskać składniki iloczynu, warunkiem koniecznym jest wyznaczenie ich wartości liczbowych. Wskaźnik opisany znakiem „Z” symbolizuje znaczenie wady.

Przez ten parametr rozumie się to, na ile dana wada ma wpływ na prawidłowe funkcjonowanie całego systemu. Im parametr przyjmuje większe wartości tym wada może mieć większy wpływ. Procedurę wyznaczania parametru „Z” autor dokonał na podstawie tabeli 3.1. Objaśnienia zawarte w trzeciej kolumnie zostały zdefiniowane przez autora na podstawie analizy uszkodzeń opisanych w rozdziale 2. Po zdefiniowaniu relacji przyczynowo-skutkowych, każdą wadę oceniono liczbą całkowitą z przedziału 1–10, ze względu na dwa kryteria – funkcjonalne oraz emisyjne.

Tabela. 3.1. Wytyczne do przyjmowania parametru „Z”

Parametr „R” oznacza częstotliwość występowania danej wady prowadzącej do uszkodzenia elementu turbosprężarki, całego zespołu lub silnika. Wartość ta została wyznaczona na podstawie wiedzy eksperckiej oraz informacji uzyskanych w zakładach

Z

1 brak Wada nie wystepuje.

2-3 małe Wada występuje rzadko, pojawienie się jej nie wpływa bezpośrednio na pracę systemu, brak wpływu na zużycie paliwa oraz emisję SZS.

4-5 przeciętne

Wada w małym stopniu wpływa na pracę systemu. Układy korekcji i regulacji skompensują odchyłki. Wada nie wpływa bezpośrednio na pracę systemu. Nie ma wpływu na emisje SZS.

10 krytyczne Wada natychmiast unieruchamia system, wpływa na zwiększoną emisję SZS, wpływa na pracę TS oraz uszkadza elementy silnika.

Znaczenie wady dla systemu

6-7 ważne Wada powoduje zauważalne ograniczenie w prawidłowym funkcjonowaniu systemu.

Może mieć wpływ na emisję SZS.

8-9 bardzo ważne Wada prowadzi do unieruchomienia systemu, ma wpływ na emisję SZS oraz może prowadzić do uszkodzenia elementów silnika.

-37-

zajmujących się regeneracją turbosprężarek. Przy określaniu tego parametru uwzględniono wszystkie turbosprężarki, które zostały uszkodzone, a następnie poddane regeneracji w określonym czasie. Wartość jest liczbą całkowitą z przedziału 1–10.

Tabela. 3.2. Wytyczne do przyjmowania parametru „R”

Kolumna opisana znakiem „W” to wykrywalność wady, co oznacza na ile dana wada może zostać wykryta, tj. zobaczona, usłyszana, lub w jakikolwiek inny sposób zidentyfikowana przy pomocy zmysłów człowieka (kierowcy, osoby serwisującej) bądź istniejących układów ostrzegania lub zapobiegania (np. system EOBD). Procedurę wyznaczania parametru „W” opisano w następnym rozdziale, ponieważ do prawidłowego określenia jego wartości autor proponuje posłużyć się metodą analizy drzew zdarzeń ETA.

3.3. Ogólny opis metody ETA

Metoda ETA jest to technika identyfikacji i oceny sekwencji zdarzeń będących następstwem zdarzenia inicjującego. Celem tej analizy jest określenie zarówno rozkładu potencjalnej dotkliwości ryzyka związanego ze zdarzeniem inicjującym, jak i zidentyfikowanie wpływu skuteczności zastosowanych instrumentów reakcji na ryzyko. Wyróżnia się dwie formy ETA: przedwypadkową i powypadkową.

Przedwypadkowa ETA pozwala na zbadanie skuteczności neutralizacji dotkliwości ryzyka, powypadkowa zaś, służy do analizy zmaterializowanego ryzyka i możliwości zarządzania poziomem jego dotkliwości [32].

Wg Oprychała [68], aby metoda drzewa zdarzeń mogła zostać zastosowana należy założyć, że do powstania poważnej awarii nie wystarczy wystąpienie pojedynczego zdarzenia inicjującego, ale zbiegu kilku zdarzeń, lub ich szeregu. Pojawienie się pojedynczej dysfunkcji nie generuje reakcji łańcuchowej, bądź groźnej awarii. Dopiero pojawienie się ciągu niesprzyjających warunków wywołujących następujące po sobie uszkodzenia może spowodować poważną awarie.

Metodą ETA przedstawia się graficznie ciąg zdarzeń i barier prowadzących od zainicjowania stanu mogącego spowodować nieprawidłowości, do skutków powstałych na poszczególnych etapach analizy. Barierami są najczęściej systemy zabezpieczające (np. filtr powietrza, czujnik CO

, bądź bezpiecznik topikowy), jak również czynnik ludzki, który może wpłynąć bezpośrednio na zminimalizowanie skutków wystąpienia awarii (np. operator obrabiarki CNC, lub operator kombajnu zbożowego). W metodzie tej, zakłada się, że każde zdarzenie w sekwencji jest sukcesem lub niepowodzeniem (nie

R

1 nieprawdopodobne Wada nie występuje.

2-3 prawdopodobne Wada występuje bardzo rzadko. Wystąpnienie wady może być powodem rażącego niedbalstwa serwisanta.

4-5 rzadko Wada występuje rzadko. Istnieje wiele układów zapobiegania lub wczesnego reagowania.

6-7 przeciętnie Wada występuje dość często, istnieją systemy zapobiegania wystąpienia.

8-9 często Wada występuje często, brak układów umożliwiających szybkie reagowanie.

10 bardzo często Wada występuje bardzo często. Szczególnie przy dużym kilometrażu. Brak układów umożliwiających reagowanie.

Częstotliwość występowania wady