Турбокомпресор — здорові «легені» вашого двигуна

До двигунів внутрішнього згоряння, які «обслуговують» сучасну техніку, пред'являють високі вимоги щодо потужності, економічності та екологічності. Для забезпечення високої ефективності їхнього використання застосовують форсування двигуна методом газотурбінного наддуву, що в останні десятиріччя набуло широкого розвитку та впровадження.

Одними з найпоширеніших двигунів, на які встановлюють турбокомпресори сімейства ТКР, є силові установки серії Д-240 та Д-245, що широко використовуються на тракторах МТЗ-1221, МТЗ-1025, ПМЗ-8244, автомобілях ГАЗ, КАМАЗ і МАЗ.

Здебільшого у системах застосовують одноступінчастий наддув, тобто компресор, засмоктуючи повітря через повітряний фільтр, стискає його та подає під тиском у впускний колектор двигуна. Принцип роботи турбокомпресора: що більше повітря подаватиметься в циліндри, то більше спалюватиметься палива. Потужність, яку розвиває двигун, залежить від кількості повітря і змішаного з ним палива, яке може бути подано в двигун. Якщо потрібно збільшити потужність двигуна, слід збільшити кількість повітря, що подається, і палива. Однак подачею великої кількості палива бажаного ефекту не досягти, якщо не забезпечити достатню для його згорання кількість повітря. В такому разі утворюється надлишок неспрацьованого палива, що призводить до перегрівання двигуна, який до того ж сильно димить.

Турбокомпресори поділяють на певні групи за такими основними ознаками:

за конструкцією робочого профілю турбокомпресора: з постійною геометрією, наприклад ТКР 11Н-1 (двигун СМД), сімейство ТКР-6.1.6.5 (двигун Д-245 і його модифікації); зі змінною геометрією, наприклад Garret T-25-VNT (двигун f9q);

за наявністю перепускного клапана: без перепускного клапана, наприклад СZ К-27 (двигун КАМАЗ 740.31-240); із внутрішнім пропускним клапаном, наприклад Garret GT28 (двигун BWA), KKK K03 (двигун AJK);

за конструкцією підшипникового вузла: з моновтулкою, яка не обертається (НМ), наприклад ТКР 11Н (двигун ЯМЗ 238); ТКР 7Н1 (двигуни Д-440; Д-442); з двома втулками, які обертаються (ВВ), і торцевим підшипником, наприклад ТКР 7С6, (двигун КАМАЗ 740.61), Сz К-27 (двигун КАМАЗ 740.31-240), Schwitzer S2B (двигун КАМАЗ 740.30-240); з моновтулкою, яка не обертається, і торцевим підшипником (НМТ), наприклад Garret T-25-VNT (двигун f9q), сімейства ТКР-6 (двигун Д-245).

Збільшення потужності атмосферного двигуна може бути досягнуто шляхом збільшення або його робочого об’єму, або обертів. У разі першого варіанта відразу ж збільшуються вага, розміри двигуна і в кінцевому підсумку — його вартість. Збільшення обертів проблематичне, через що виникає ціла низка технічних проблем, особливоза наявності двигуна зі значним робочим об’ємом.

Технічно прийнятним рішенням проблеми щодо потреби збільшення потужності є використання нагнітача (компресора). Тобто повітря, яке подається в двигун,  стискають  перед  його  нагнітанням  у камеру  згорання. 

Є два основних  типи  компресорів:  із механічним  та турбінним приводами  (принцип  дії останнього  ґрунтується  на використанні  енергії відпрацьованих  газів). Крім того,  є також  комбіновані  системи,  наприклад,  турбокомпаундні.  У разі компресора  з механічним  приводом  потрібний тиск повітря  отримують  через механічний  зв’язок  між колінвалом  двигуна  й компресором.  У турбокомпресорі  — завдяки  обертанню  турбіни потоком  відпрацьованих  газів. 

У принципі,  будь-який турбокомпресор  складається  з відцентрового  повітряного  насоса  й турбіни, які конструкційно  пов’язані за допомогою  загальної  жорсткої  осі. Обидва  ці елементи  обертаються  в одному  напрямку  і з однаковою  швидкістю. Енергія  потоків  відпрацьованих  газів перетворюється  тут на крутний  момент,  що  приводить  у дію компресор. 

Це перетворення  енергії супроводжується  зниженням  температури  газів і  їхнього  тиску.  Компресор  засмоктує  повітря  через  повітряний  фільтр, стискає  його  й подає  у циліндри двигуна.  Кількість  палива,  яке можна  змішати  з  повітрям, у цьому  разі можна  збільшити,  що дає змогу  двигуну  збільшувати  потужність.  Крім того,  поліпшується процес  згоряння,  а це  своєю чергою  поліпшує  характеристики  двигуна  в широкому  діапазоні  кількості  обертів. 

Двигун  і турбокомпресор  функціонально  пов’язані тільки  потоком  відпрацьованих  газів.  Частота  обертання  турбокомпресора  безпосередньо  не залежить  від кількості обертів двигуна  й  характеризується  деякою  інерційністю.  Тобто  спочатку  збільшуються  кількість подавання  палива  та енергія  потоків  відпрацьованих  газів, а вже потім  — і число  обертів турбіни та тиск  нагнітання.  Таким  чином  у циліндри двигуна  надходить  ще більше повітря, що  дає можливість  збільшити  подавання  палива. 

Для двигунів,  що працюють  у широкому  діапазоні  обертів (наприклад,  у  легковому  автомобілі),  високий  тиск  наддуву  повітря бажаний  навіть за  їхньої роботи  на низьких  обертах.  Саме  тому  майбутнє  належить  турбокомпресорам  із регульованим  тиском.  Невеликий  діаметр  сучасних  турбін і спеціальний  перетин  газових  каналів  сприяють  зменшенню  інерційності, тобто  турбіна дуже  швидко  розганяється  і тиск повітря  стрімко досягає  потрібного  значення. 

Є два основні  типи  випускних  систем  із турбокомпресором:  із постійним  тиском  на вході в турбіну та з  імпульсним  тиском  на вході в  турбіну.  У випускних  системах  із постійним  тиском  на вході в турбіну відпрацьовані  гази  від усіх циліндрів збираються  в  загальному  випускному  колекторі,  а  потім, майже  під постійним тиском,  надходять до турбокомпресора.  У випускних  системах  із імпульсним  тиском  на вході в турбіну використовується  випускний  колектор  типу  «спагетті  ». У такому  разі відпрацьовані  гази підводяться  до турбокомпресора  окремими  патрубками,  що йдуть від кожного  циліндра. Це дає змогу  використовувати  резонансні  явища  у випускному  колекторі  та отримати максимальну  продуктивність. 

Переваги  турбокомпресорного  двигуна 

Двигун,  оснащений  турбокомпресором,  має технічні та економічні  переваги  порівняно  з двигунами  безтурбінного  нагнітання  повітря в циліндри. Співвідношення  маса/  потужність  у двигуна  з турбокомпресором  вище,  ніж в атмосферного  двигуна.  Крива  крутного  моменту  двигуна  з турбокомпресором  може  бути  краще  адаптована  до специфічних  умов  експлуатації.  Завдяки  цьому,  наприклад,  водій важкої  вантажівки  матиме  змогу  набагато  рідше перемикати  передачі  на  гірській дорозі,  а саме  рух буде  більш  «м’яким» і комфортним. 

Атмосферний  двигун  втрачає  потужність  через  розрідження  повітря,  тоді як турбокомпресор,  забезпечуючи  підвищену  кількість повітряного  нагнітання  в циліндри,  компенсує  зниження  атмосферного  тиску,  майже  не погіршуючи  характеристики  двигуна.  Зокрема,  кількість  повітря, що нагнітається,  стане  лише  трохи меншою,  ніж під час руху  машини  на нижчій висоті,  тобто  в режимі  руху  техніки в  умовах  гірських доріг двигун  практично  зберігає свою звичайну  потужність. 

Двигун  із турбокомпресором  забезпечує  краще  згоряння  палива,  сприяє  зменшенню  токсичності  відпрацьованих  газів та працює  стабільніше, ніж  його  атмосферний  аналог  такої  самої  потужності.  До того  ж, оскільки він  менший  за розміром, то працює, відповідно,  тихіше. Крім того,  турбокомпресор  відіграє роль своєрідного  глушника  в системі  випуску. 

І попри  те, що турбокомпресор  вважають  «слабким  місцем» двигуна,  проте  його  ресурс  відповідає  ресурсу  двигуна.  Відмова  турбокомпресора  — це  наслідок неправильної  експлуатації:  турбіна «не прощає » поганого  ставлення,  тож під час проведення  дефектації  цього  вузла  одне  з основних  завдань  — визначити  причину  відмови  турбокомпресора. 

Причини  втрати  роботоздатності  турбокомпресора 

Відомо,  що більшість відмов системи  турбонаддува  викликана  проблемами,  які виникають  поза  межами  турбокомпресора.  Розглянемо  ці чинники  детальніше.  Œ

1. Забруднена  олива  Дрібні частки  забруднення  в оливі  візуально  помітити  неможливо,  але про  причини  спрацювання  робочої  поверхні  виразно  свідчить заокруглення  зовнішніх граней.  Часто  підшипник  компресора  може  звужуватися  на  зовнішньому  діаметрі.  Великі  частки  забруднення,  перенесені  оливою,  можуть  проточити  глибокі  канавки.  Отвір у підшипнику  також  може  бути  пошкодженим.  Вал і центр  корпуса  пошкоджуються  трохи  менше,  позаяк  він виготовлений  із твердішого  матеріалу.  Світловий  відблиск на робочих  деталях  свідчить про  наявність  в оливі великих  часток  забруднення.  Хімічне забруднення  — причина  значного  спрацювання  опірного  вала  внаслідок його  перегрівання.  Візуальні  ознаки  цього  майже  такі самі, як і від  недостатнього  змащування.  Зазвичай  причиною  є  розрідження  оливи  паливом,  що зменшує  її мастильні  властивості.
2. Недостатнє  мащення  Мінімальне  мащення  наявне  там, де зменшено  кількість подавання  оливи  на турбіну (наприклад,  коли  матеріали  прокладки  частково  блокують  доступ  оливи  або утворюють  крайку).  Характеризується  надзвичайним  знебарвленням  вала  і його  шийки  (розглянуто  нижче).  Повна  відсутність оливи  — одна  з  причин,  що зумовлює  аналогічні  пошкодження,  але ще значніші,  оскільки руйнування  відбувається  дуже  швидко.  Ž
3. Граничні  режими  експлуатації  Високі  швидкість, навантаження  і  температура  — фактори,  що спричинюють  пошкодження  турбокомпресора.  Так, типове  пошкодження  через  вплив  високої  температури  зазвичай  призводить  до утворення  масляного  нагару  та  закоксування  його  на опірній шийці  вала.  Часто  задня  поверхня  колеса  турбіни  трохи  увігнута  — це явище  супроводжується  виникненням  «помаранчевої  кірки» на задній частині  колеса  компресора,  що є безсумнівною  ознакою  їзди з  перевищенням  швидкості  та роботи  в  режимі  надмірного  навантаження.  Рух автомобіля  з перевищенням  швидкості  спричинює  втрату  частини  лопатей  турбіни і нерідко призводить  до появи тріщин  біля основи  лопаті.  У надзвичайних  випадках  через це  навіть може  розірвати  колесо.  Від  короткочасних  перевантажень  з’являються  тріщини,  оскільки колесо  «розтягується  » понад  розрахункові  межі. Тріщини  збільшуються  за  повторних  перевантажень,  що призводить  до підвищення  інтенсивності  відмов.  
4. Пошкодження  сторонніми  предметами  Цей тип пошкодження  зумовлює  попадання  у компресор  твердих  сторонніх  предметів,  які можуть  рикошетити  по колу  його  вхідного  отвору.  Сіль або пісок чинять  абразивний  вплив на робочі  поверхні  гідрокомпресора  та зумовлюють  серйозну  ерозію й  корозію,  що зрештою  призводить  до  сильних  пошкоджень  лопастей  компресора.  М’які предмети  (протиральна  тканина  або навіть папір) також  можуть  спричинити пошкодження  — як правило,  лопаті  згинаються  і за частого  прояву  такого  впливу  можуть  зруйнуватися.  Тверді сторонні  предмети  в турбіні  пошкоджують  передню  крайку  лопаті.  Навіть такі маленькі  предмети,  як частки  іржі, що відокремлюються  від колектора,  можуть  значно  зіпсувати деталей. 

Турбокомпаунд 

Поліпшення  температурної  віддачі  двигуна  — одне  з найважливіших  завдань  у процесі  модернізації  двигунів  внутрішнього  згоряння  (ДВЗ).  Тож дуже  перспективним  є турбокомпаунд.  Тому  багато  виробників  двигунів  працюють  у цьому  напрямі  (особливо  це стосується  дизельних  двигунів  із робочим  об’ємом від 10 до  20 л). 

Принцип  роботи  турбокомпаунда  полягає  в тому,  що відпрацьовані  гази  спочатку  приводять  у дію одну  турбіну,  а на виході  з неї — другу,  а потім уже  виводяться  через  вихідну трубу.  Друга  турбіна не приводить  у дію компресор,  а допомагає  обертати  колінчастий  вал  двигуна  через  гідромуфту  й шестеренний  редуктор. 

Турбокомпаунд  має хороші  перспективи,  оскільки енергія відпрацьованих  газів знову  приносить  користь.  А друга  турбіна додатково  знижує  температуру  відпрацьованих  газів приблизно  на 100°С. Турбокомпаунд  уже  встановлюють  у серійних двигунах  концерну  Scania. 

С. Карабиньош, А. Новицький, кандидати тех. наук, доценти

Ю. Новицький, студент

В. Кучерявий, інженер

Національний університет біоресурсів і природокористування України

Журнал «Пропозиція», №10, 2017 р.