Нежелательные режимы в работе турбины и турбированного двигателя
|
|
Рассмотрим подробно различные режимы работы двигателя и турбокомпрессора, а также постараемся выяснить их влияние на ресурс агрегатов.
Определимся с понятием «ресурс» - важным маркетинговым аргументом, на который ориентируется покупатель автомобиля; данный параметр обязательно приводится в технической характеристике автомобиля.
Тем не менее ресурс - приблизительный показатель. При его расчете ориентируются на средние условия эксплуатации, причем весовая доля режима максимальной мощности не превышает, как правило, 5-7%. Поэтому при различных условиях эксплуатации ресурс одного и того же агрегата может отличаться в разы. Все это справедливо для двигателя и особенно - для турбокомпрессора.
РЕЖИМ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ
Максимальная мощность определяется при работе двигателя по внешней скоростной характеристике. При этом обороты двигателя и подача топлива достигают наибольших величин. В реальных условиях эксплуатации достичь такого режима достаточно сложно.
На режиме максимальной мощности мы получаем полную отдачу от двигателя. Соответственно, все его системы должны быть исправны, а качество топлива должно быть на высоте. Износ агрегатов на этом режиме тоже максимальный. На этом факторе и построены ускоренные ресурсные испытания агрегатов.
При запуске автомобиля в производство проводятся ускоренные ресурсные испытания узлов и агрегатов. При этом в программе испытаний достаточно большая доля приходится на максимальные режимы (30-50% в зависимости от методики). Испытания позволяют быстро выявить ресурс агрегата в часах работы в режиме максимальной мощности. Затем полученные часы пересчитываются в тысячи километров пробега, ориентируясь на некие усредненные показатели. Поэтому при эксплуатации следует четко понимать, что чем ближе режим эксплуатации автомобиля приближается к максимально допустимым режимам, тем меньше будет ресурс автомобиля и его агрегатов. Яркая иллюстрация тому - автоспорт: ресурсы агрегатов измеряются часами работы.
Если владелец автомобиля любит «погонять», не следует ожидать от автомобиля долгой службы. При таких условиях эксплуатации наиболее нагруженные агрегаты выходят из строя первыми.
Как мы уже знаем, турбокомпрессор - один из наиболее нагруженных агрегатов.
На режимах максимальной мощности корпус турбины и выпускной коллектор начинают светиться - ведь на дизельном двигателе температура газов перед турбиной достигает 800 С, а на бензиновом может превышать 900 С. И такой температурный режим достигается на кондиционном топливе на исправном двигателе. Легко себе представить, что может произойти, если топливо не соответствует нагрузкам на двигатель.
У любителей агрессивной езды ресурс турбокомпрессора двигателя ничтожен, особенно в условиях, когда каждая заправка - лотерея. При такой эксплуатации наиболее распространенные поломки - обгорание лопаток колеса турбины, разрушение колеса турбины, трещины и разрушения выпускного коллектора, обгорание и разрушение механизма регулируемого соплового аппарата у дизельных двигателей.
При таких повреждениях машина теряет мощность, слышны резкие звуки в зоне турбокомпрессора. При разрушениях ротора турбокомпрессора происходит выброс масла в зону выпускного коллектора. Требуется дорогостоящий ремонт.
Есть еще одна особенность максимальных режимов, о которой не следует забывать.
Как уже упоминалось, температура выхлопных газов высока. Следовательно, нагреваются и омываемые ими детали. С уменьшением нагрузки на двигатель температура выхлопных газов падает, постепенно охлаждая детали. Отсюда следует простое правило - после больших нагрузок двигателю необходимо какое-то время поработать на небольших нагрузках или холостом ходу, тем самым постепенно охлаждая нагретые детали. И только потом можно заглушить двигатель. В противном случае произойдет коксование подшипникового узла турбокомпрессора продуктами термического разложения моторного масла. В тяжелых случаях коксование настолько сильное, что происходит остановка ротора. В любом случае при коксовании подшипникового узла вращение ротора турбокомпрессора затруднено, происходит снижение давления наддува и мощности двигателя, иногда сопровождающееся появлением черного дыма из выхлопной трубы.
О нагретых под капотом деталях владельцу турбированного автомобиля не следует забывать и при преодолении луж или бродов. Попавшая на раскаленные детали вода может вызвать их разрушение - ведь корпус турбины
Турбокомпрессора и выпускной коллектор изготовлены из чугуна, который плохо переносит резкое охлаждение. Из практики ремонтов приходилось видеть выпускные коллекторы и корпусы турбин с трещинами, образовавшимися после преодоления брода на внедорожнике.
РЕЖИМ ПУСКА ХОЛОДНОГО ДВИГАТЕЛЯ
После длительной стоянки, особенно в холодное время года, масло в поддоне остывает. При охлаждении моторного масла возрастает его вязкость, особенно резко - в зоне отрицательных температур.
Стоит заметить, что современные синтетические масла не столь подвержены этому недостатку. Тем не менее с понижением температуры вязкость масла неизбежно возрастает. Вместе с ее ростом падает способность масла проходить по масляным каналам небольшого диаметра. Все эти факторы могут вызывать масляное голодание соответствующих пар трения. Диаметр масляных каналов в опорных подшипниках современного малоразмерного турбокомпрессора составляет 1,5-2 мм, диаметр каналов упорного подшипника при этом равен 0,8-1,2 мм. Понятно, что при таких размерах масляных каналов требования к маслу высокие.
При пуске современного двигателя система управления сама устанавливает частоту вращения коленчатого вала. По мере прогрева частота вращения снижается. Не следует искусственно увеличивать ее частоту при прогреве. На времени прогрева это почти не скажется, но зато резко возрастает вероятность масляного голодания подшипникового узла турбокомпрессора. На холостом ходу частота вращения ротора современного малоразмерного турбокомпрессора может достигать 30 ООО об/мин. При увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя возрастает и частота вращения ротора турбокомпрессора. Расход масла для нормальной работы подшипникового узла турбокомпрессора прямо пропорционален частоте вращения ротора. Частота вращения ротора турбокомпрессора не связана напрямую с частотой вращения коленчатого вала, а подчиняется более сложным законам. В связи с этим существует достаточно большая вероятность получения эффекта масляного голодания подшипникового узла турбокомпрессора при резком увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя при прогреве. Эту особенность турбированно-го двигателя следует помнить.
В условиях холодного пуска алгоритм действий представляется таким.
Запускается двигатель без использования педали акселератора. После запуска система управления двигателем сама устанавливает необходимую частоту вращения коленчатого вала двигателя в зависимости от температуры наружного воздуха. Необходимо дать поработать двигателю 3-5 минут. За это время частота вращения коленчатого вала двигателя начнет постепенно снижаться. После этого можно плавно начинать движение, избегая больших нагрузок на двигатель. По мере прогрева охлаждающей жидкости можно постепенно увеличивать нагрузку на двигатель. Такая нехитрая процедура позволяет существенно продлить ресурс двигателя и турбокомпрессора.
Вышеизложенное можно пояснить примером. Допустим, частота вращения коленчатого вала двигателя 2000 об/мин. Если педаль акселератора нажата слегка, частота вращения ротора турбокомпрессора - примерно 60 000-80 000 об/мин. Нажав педаль акселератора на 3/4 при той же частоте вращения коленчатого вала двигателя, мы имеем частоту вращения ротора турбокомпрессора уже 130 000— 150 000 об/мин. Расход масла в масляной системе двигателя определяется частотой вращения масляного насоса, и при определенных оборотах он фиксированный. А частота вращения ротора турбокомпрессора зависит от нагрузки на двигатель и не имеет прямой пропорции частоте вращения коленчатого вала двигателя, поэтому на непрогретом двигателе и имеется вероятность недостаточного расхода масла через подшипниковый узел турбокомпрессора. Проблема может усугубляться износом масляного насоса, отложениями в каналах системы смазки, применением нерегламентиро-ванного масла, увеличенными против требуемых интервалов замены масла и т. д. Вот почему для турбированного двигателя состояние масляной системы, поддержание ее в исправном состоянии - один из важнейших моментов в техническом обслуживании.
НЕПОЛАДКИ
При небольших неполадках в масляной системе двигателя на холодном агрегате масляное голодание подшипникового узла турбокомпрессора может быть кратковременным и не приведет тут же к поломке турбокомпрессора, но небольшие повреждения деталей останутся. По мере накопления повреждений будут возрастать люфты ротора -как радиальный, так и осевой. Если процесс растянут во времени, владелец автомобиля его не замечает, так как видимых проявлений происходящего нет. По мере увеличения люфтов ротора нарушается нормальная работа уплотнений, элементы уплотнений изнашиваются, начинается унос масла. Владелец автомобиля потихоньку доливает масло. Автомобиль не теряет динамики, расход топлива не изменяется, двигатель не дымит. Поэтому владельцу автомобиля с турбированным двигателем необходимо следить за расходом масла. Если он возрос даже немного, а поведение автомобиля не изменилось - это первый признак начала процесса разрушения и повод к срочной диагностике. Ведь небольшие повреждения успешно «лечатся» заменой ремкомплекта турбокомпрессора и приведением масляной системы двигателя в порядок, если в этом есть необходимость, или изменением манеры езды.
Если не обращать внимания на возросший расход масла и продолжать эксплуатацию, накопление повреждений будет продолжаться до тех пор, пока они не достигнут критической величины. В нашем случае люфты ротора начинают превышать зазоры между рабочими колесами и корпусными деталями. В таких случаях при работе турбокомпрессора ротор может касаться корпусных деталей. Представьте себе касание жаропрочного колеса турбины и ее чугунного корпуса на частоте вращения 150 000 об/мин. Звук будет впечатляющий. При этом велик риск разрушения ротора. В таких случаях ремонтировать уже, как правило, нечего - требуется замена турбокомпрессора.
При этом владелец совершенно уверен, что все произошло «вдруг и сразу», а до этого все было просто отлично, забывая и совершенно игнорируя нехитрые правила, описанные выше.
РЕЗКОЕ ИЗМЕНЕНИЕ РЕЖИМОВ
Не добавляет ресурса мотору и турбокомпрессору резкое изменение режимов работы двигателя. Мы уже выяснили, что при одинаковой частоте вращения коленчатого вала двигателя частота вращения ротора турбокомпрессора может отличаться в разы, расход масла в масляной системе пропорционален частоте вращения коленчатого вала двигателя и не всегда может обеспечивать потребности подшипникового узла турбокомпрессора.
Представим теперь режим резкого снижения частоты вращения коленчатого вала двигателя. Обычно этим грешат так называемые гонщики, любители «газовать» на месте. Речь идет о прогретом двигателе. На холодном, как мы уже выяснили, такие режимы совершенно недопустимы.
При нажатии на педаль акселератора частота вращения коленчатого вала двигателя стремительно растет. Вслед за ней увеличивается и частота вращения ротора турбокомпрессора но с небольшим запаздыванием – ведь ротор имеет массу, а следовательно, некоторый момент инерции. Между ротором турбокомпрессора и коленчатым валом двигателя нет жесткой связи (как у приводного нагнетателя). Ротор турбокомпрессора раскручивается только за счет энергии выхлопных газов. Вследствие этих факторов ротор турбокомпрессора ускоряется с небольшой задержкой. Величина задержки тем больше, чем больше масса ротора. Тенденции современного конструктива турбокомпрессоров направлены на уменьшение размеров ротора и, следовательно, массы и момента инерции. Поэтому современные турбокомпрессоры имеют величину запаздывания существенно меньше, чем ТК более старых конструкций. Тем не менее такое запаздывание существует.
При резком увеличении «газа» момент инерции ротора турбокомпрессора играет положительную роль - происходит смазка подшипникового узла за счет более резкого возрастания частоты вращения коленчатого вала двигателя.
Однако если педаль резко сброшена, так же резко падает частота вращения коленчатого вала двигателя, а вслед за ней уменьшается расход масла. Но за счет инерции частота вращения ротора турбокомпрессора остается все еще довольно высокой. Вот на таких режимах и может возникать масляное голодание подшипникового узла турбокомпрессора, особенно при неисправностях масляной системы двигателя.
Владимир НУЖНЫХ, эксперт «ДП»
Источник: "Детальный подход" 7(27) сентябрь 2009
|
|
