Turbosprężarki samochodowe

HistoriaMarzenie o tym,by z istniejącej pojemności silnika „wycisnąć jeszcze więcej mocy” towarzyszyło konstruktorom od chwili narodzin silnika spalinowego.

Idea doładowania silników spalinowych jest tak stara jak pierwsze jednostki służące do napędu pojazdów. Już Gottlieb Daimler w 1895 r i Rudolf Diesel w 1896 r próbowali podwyższyć moc i zmniejszyć zużycie paliwa przez wstępne sprężanie dostarczanego do silnika powietrza.

Jednym z pierwszych konstruktorów urządzenia napędzanego przez silnik po to, by właśnie wtłoczyć do tego silnika powietrze, był Francuz L. Creux, który w roku 1905 opatentował spiralną sprężarkę powietrza.

Wiadomo, że w tej samej objętości cylindra można zmieścić znacznie większą masę powietrza, jeśli się je wcześniej odpowiednio spręży, i spalić dzięki temu znacznie większą ilość paliwa, uzyskując znacznie więcej energii (mocy).

Na tym polega istota doładowania opracowana przez szwajcarskiego fizyka A. Buchni na początku poprzedniego stulecia. Przewidział on wcześniej praktycznie niezrealizowane możliwości zwielokrotnienia mocy uzyskiwanej dzięki wstępnemu sprężaniu i schładzaniu powietrza zasilającego.

Silniki doładowane turbosprężarkami są dziś bardzo rozpowszechnione, zwłaszcza wysokoprężne jednostki napędowe samochodów osobowych, ciężarowych i autobusów, a także w silnikach z zapłonem iskrowym.

W turbodoładowaniu wykorzystuje się energię spalin do napędu turbiny (ma ona od 100 do 200 tys. obr/min , a nawet i więcej), która napędza sprężarkę osadzoną na tym samym wałku.

Podstawowe informacjeTurbosprężarka to w istocie napędzany gazami wydechowymi kompresor powietrza. Gazy spalinowe opuszczając silniki poprzez kolektor wydechowy kierowane są do komory turbiny w której znajduje się wirnik. Poprzez wał napędza on z kolei wirnik kompresora znajdujący się po drugiej stronie urządzenia, który spręża powietrze zasilające silnik. Ponieważ sprężone powietrze zawiera w jednostce więcej tlenu stwarza to lepsze warunki dla procesu spalania. Dodatkowy tlen może być w połączeniu z dodatkową ilością paliwa wykorzystany do zwiększenia mocy silnika, lub jak w przypadku silników diesla umożliwia pełniejsze spalanie redukując znacząco ilość emitowanych przez silnik zanieczyszczeń i podnosząc jego sprawność. Zwiększając kompresję powietrza, a więc ilość gazu znajdującą się w tej samej objętości, równocześnie podnosi się jego temperaturę. Większa temperatura to mniejsza gęstość, co oznacza, że do cylindrów trafia mniejsza ilość tlenu, niż gdyby temperatura powietrza była niższa. Dla dalszego zwiększenia efektywności procesu spalania stosuje się chłodnicę powietrza doładowującego (intercooler).

Turbosprężarka pracuje w bardzo ciężkich warunkach (wysokie temperatury) i jest bardzo czuła na różne zanieczyszczenia dostające się do niej z zewnątrz.

Kompresor turbosprężarki najczęściej typu odśrodkowego (koło kompresora oraz obudowa) wykonane są ze stopów aluminium a ich tempreratura pracy dochodzi do 450 m/s.

Turbina gazowa ma natomiast obudowę wykonaną z żeliwa a koło turbiny wykonane jest ze stopu odpornego na wysokie temperatury (temperatura na końcu łopatek w silnikach ZI przekracza 1000 oC. Przypomnieć należy to, że obroty turbiny przekraczają 200.000 ob/min a temperatura spalin na wylocie z kolektora wynosi 700 oC. Prawidłowo użytkowana i obsługiwana turbosprężarka zużywa się stopniowo i jest to proces długotrawały. Tylko i wyłącznie czynniki pochodzące spoza turbosprężarki mogą spowodować jej przedwczesną awarię.

Warunki pracy

Budowa turbosprężarkiTurbosprężarka gazowa wykorzystuje energię gazów wydechowych silnika do podniesienia ciśnienia powietrza podawanego do komór spalania. We współczesnych silnikach sprężone powietrze przed wprowadzeniem do silnika schładzane jest w dodatkowej chłodnicy powietrza (intercooler) celem zwiększenia gęstości. Skutkuje to poprawą warunków spalania wtryskiwanego paliwa, a co za tym idzie wzrostem mocy i momentu obrotowego silnika.

Zasadniczym elementem turbosprężarki jest zespół wirujący

Składający się z wałka z kołem turbiny (napędowym) po stronie

spalin, oraz kołem kompresora po stronie sprężanego powietrza.

Całość zespołu wirującego utrzymywana jest w korpusie centralnym

za pomocą łożysk hydrodynamicznych oraz łożyska oporowego.

Przez środek korpusu prowadzony jest olej z układu smarowania

silnika którego zadaniem jest utrzymywanie filmów olejowych w

systemie łożyskowania, oraz odprowadzanie ciepła. Po obu końcach

zespołu wirującego znajdują się olejowe pierścienie uszczelniające, tworząc uszczelnienia labiryntowe zabezpieczające przed wydostawaniem się oleju na koła.

Niektóre modele turbosprężarek posiadają dodatkowe kanały do połączenia z układem chłodzenia

Przyczyny awarii turbosprężarki

Brak smarowania

Zanieczyszczenia w oleju

Zanieczyszczenia w zasysanym powietrzu

Zanieczyszczenia w spalinach    

Brak smarowania

Niedostateczna ilość oleju powoduje przede wszystkim uszkodzenie łożysk, ocieranie kół wirnika o obudowę, utratę szczelności lub pęknięcie wałka, zniszczenie uszczelnień w obudowie a także otworów i rowków olejowych.

Zanieczyszczenia w oleju

Mogą uszkodzić panewki i czopy wałka, utrudnić przepływ oleju i funkcjonowanie pierścieni uszczelniających. Mogą to być cząstki metalu, nagaru itp. Produkty zużycia bądź awarii silnika dostająsię wraz z olejem do układu łożyskowania turbosprężarki.

Zanieczyszczenia w zasysanym powietrzu

Ciała obce (brud) w zasysanym powietrzu dostają się najczęściej przez uszkodzone filtry powietrza powodując zniszczenie koła kompresora.

Zanieczyszczenia w spalinach

Obce ciała w gazach spalinowych – fragmenty zaworów, gniazd i prowadnic zaworowych, pierścieni, tłoka, świecy żarowej – powoduje zniszczenie koła turbiny. Obce ciała w zassanym powietrzu doładowującym jaki w spalinach, poprzez zniszczenie koła turbiny lub kompresora, powodują utratę wyważenia układuwirującego, co prowadzi do przedwczesnego zużycia mechanicznego turbosprężarki nawet w sposób nagły.

Przyspieszone zużycieSpośród wielu przyczyn powodujących przyspieszone zużycie turbosprężarki wymienić należy:

• zaniedbanie terminowej wymiany oleju silnikowego (niekiedy skutkuje awarią turbosprężarki dopiero po przejechaniu wielu tysięcy kilometrów)

• nieumiejętne uruchomienie silnika w uszkodzonym pojeździe długo stojącym "na placu"

• przedostanie się ciała obcego na koło kompresji wraz z zasysanym powietrzem

• pojawienie się drobnego elementu silnika w spalinach napędzających koło turbiny

• chwilowy spadek lub utrata ciśnienia w układzie smarowania silnika

• nieumiejętna technika jazdy pojazdem z silnikiem turbodoładowanym

Objawy zużycia turbosprężarki

Spadek mocy silnika oraz zwiększona emisja czarnego zadymienia - niewystarczające ciśnienie doładowania. Nastąpiło powstanie dużej ilości nagaru pod kołem turbiny. Zespół wirujący wskutek tarcia o nagar nie osiąga właściwych obrotów.

Spadek mocy silnika oraz niebieskie zadymienie - silnik spala olej wydostający się poprzez system uszczelnień turbosprężarki. Następuje mieszanie oleju ze sprężanym powietrzem. Dodatkowy objaw: obecność oleju zalegającego w przewodach pomiędzy turbosprężarką a kolektorem ssącym.

Proces naprawczy

1. Demontaż turbosprężarki

2. Mycie oraz czyszczenie wszystkich elementów

3. Kontrolę i ocenę punktów pomiarowych wskazanych przez producenta

4. Wymianę kompletu elementów z zestawu naprawczego

5. Precyzyjne wyważenie zespołu wirującego

6. Montaż końcowy

7. Sprawdzenie i ewentualna regulacja wartości ciśnienia doładowania

PodsumowanieObecny rozwój turbosprężarek zmierza w kierunku zmniejszenia zużycia paliwa i spełnienia coraz bardziej rygorystycznych norm EURO dotyczących emisji spalin.Nowe konstrukcje turbosprężarek stają się coraz bardziej nowatorskie i technologicznie skomplikowane. Jeszcze kilka lat temu nowością były turbosprężarki ze „zmienną geometrią”, które teraz pracują w niemal każdym nowym silniku z turbodoładowaniem: w pojazdach osobobowych, dostawczych i ciężarowych. Nowe konstrukcje posiadają sterowanie za pomocą modułu elektronicznego-zamiast stosowanego do tej pory zaworu pneumatycznego. Najbardziej nowatorską konstrukcją jaka pojawiła się w ostatnim czasie jest system „2-stage”, składający się z dwóch turbosprężarek zintegrowanych w całość. Konstrukcja ta pozwala uzyskiwać maksymalny moment obrotowy już od 1200 obr/min i utrzymywać czystość spalin według norm EURO4.

Ponadto firma Volkswagen w swoim Golfie 1,4 TSI zastosowała podwójne doładowanie, a mianowicie: na początku wolnych obrotów działa kompresor (doładowanie mechaniczne), a następnie od 2400 obr/min włącza się turbosprężarka. Efekt powyższego systemu to 170 KM i 7,2 l/100 km.Należy także nadmienić, że turbosprężarka w trakcie eksploatacji prawie nie wymaga obsługi, jednak w celu zapewnienia jej bezawaryjnej, długiej żywotności należy bezwzględnie przestrzegać następujących zasad:-stosować właściwe oleje silnikowe i przestrzegać okresów jego wymiany-dbać o cały system smarowania silnika-ciągle kontrolować ciśnienie w oleju-w czasie jazdy, a także podczas obsług technicznych-dbać o filtry powietrza i okresowo je wymieniać-prawidłowo zatrzymywać silnik (wygaszać) : zatrzymywać silnika nie wolno, jeżeli pracuje on na wysokich obrotach, ponieważ turbosprężarka wiruje nadal, a ciśnienie oleju spada do zera. Turbina nie jest wówczas smarowana, a nadal ma bardzo duże obroty i wysoką temperaturę. Należy zatem przez ok.. 1 minutę utrzymać wolne obroty i wyłączyć silnik.

Opracował mgr inż. Edward Rymaszewski

• Publikacja powstała dzięki aktywnej pomocy firmy Cartur. s.c. (Bydgoszcz)

• www.cartur.pl