Причина перелом турбина
Он был запатентован в далеком 1911 году, прошел долгий путь от авиации до Формулы-1 и, наконец, получил свое место на автомобильном конвейере лишь в 1977 году на Saab, после чего медленно, но уверенно продвигался на все ведущие предприятия по производству автомобилей, сломив, в конце концов, даже таких апологетов атмосферных двигателей, как BMW. Да, сегодня речь пойдет о турбокомпрессоре. В этот раз рассмотрим основные проблемы этого узла, возможные неисправности и процесс ремонта оных.
Кратко об устройстве и работе
Все гениальное просто. Правда, это относится к самой идее – концепции, так сказать, турбокомпрессора. Многим инженерам не давала покоя расходуемая впустую энергия вылетающих из выпускного коллектора отработанных газов. Наконец один из них (Альфред Бюхи) все-таки создал конструкцию, в которой на одном валу были установлены два колеса с крыльчатками – компрессорное и турбинное. Поместив вал с колесами в корпус, он получил турбокомпрессор.
Так, на турбинное колесо попадали вылетающие через выпускной коллектор отработанные газы и раскручивали его, а вместе с ним и компрессорное колесо, благодаря которому атмосферный воздух под давлением подавался во впускной коллектор. Компрессорное и турбинное колеса имеют свои корпусы, называемые еще «улитками», вал на втулках помещен тоже в свой корпус, который называют «картриджем». В последний подводится моторное масло для смазки, а иногда и охлаждающая жидкость для дополнительного охлаждения. Сам вал, на котором установлены турбина и компрессор, чаще вращается на подшипниках скольжения – втулках из бронзы. Есть варианты и на подшипниках качения, но такие турбокомпрессоры имеют очень высокую стоимость.
Для контроля за частотой вращения турбины, а, следовательно, и давлением наддува установили перепускной клапан (wastegate), который при необходимости сбрасывает часть отработанных газов в обход турбины. Управляется этот клапан с помощью актуатора, который может быть вакуумным или с электрическим сервоприводом. На впуске же установлен байпасный клапан, призванный перенаправлять воздух обратно на вход компрессора в моменты закрытия дроссельной заслонки. Кстати, знаменитый «пщщщ» при переключении передач в фильме «Форсаж» – это работа заменителя байпаса – блоу-офф клапана (blow-off). Именно при его работе избыток воздуха столь эффектно отправляется в атмосферу.
Но никто и ничто не стоит на месте, а потому те, кому не нравилась грубая работа перепускного клапана, решили, что неплохо было бы управлять направлением потока отработанных газов. Так появились турбокомпрессоры с изменяемой геометрией. Внутри корпуса турбинного колеса установлены по кругу направляющие лопатки, которые при помощи специального механизма изменяют свое расположение, по-разному направляя поток отработанных газов на лопатки турбинного колеса. Тем самым регулируется частота вращения турбины в зависимости от нагрузки на двигатель.
В рамках этого материала мы не будем рассматривать ни сдвоенные, ни комбинированные системы наддува, так как на сегодня главное – понять, какие проблемы могут возникнуть, и как они решаются.
Что может поломаться
Так, например, при попадании посторонних предметов или пыли во впускной трубопровод могут разрушиться лопатки компрессорного колеса.
Что-либо подобное случается и с лопатками турбинного колеса, а вместе с ним и лопатками изменяемой геометрии, если таковые имеются.
Масляное голодание, неправильный подбор масла, перегрев, нарушение регламента замены моторного масла – все это приводит к износу рабочих поверхностей вала турбокомпрессора.
Износ может стать причиной заклинивания системы изменения геометрии турбины.
Возможны заклинивания актуаторов привода перепускного и байпасного клапанов, которые управляются ЭБУ двигателя.
Из-за чрезмерных перегрузок есть вероятность деформации вала турбины. Все перечисленное – только основные причины. Выявленное же в процессе ремонта может неприятно удивить, ведь турбина – это высоконагруженный агрегат, и причин выхода из строя может быть множество.
Как понять, что с турбокомпрессором проблемы
Базовых признаков только два – потеря тяги или такая тяга, которой не было раньше. При потере тяги сервисмен первым делом «грешит» на турбину, потому что она – одна из самых уязвимых единиц под капотом. Крутится порой до 150 000 об/мин, с одной стороны греется, с другой – охлаждается, а потому если тяга на авто куда-то начала пропадать, то подозрение в первую очередь падет на нее. Все остальное можно узнать только после снятия турбокомпрессора с автомобиля.
Предварительно мастер просто обязан выполнить диагностику всех систем, чтобы убедиться в том, что ни один из датчиков не вышел из строя, и нет ни одного места, через которое воздух попадал бы во впускной коллектор в обход системы впуска.
Есть еще один момент – это шум турбины высокой частоты, почти писк, который зачастую говорит о слишком большом осевом или радиальном люфте вала турбокомпрессора. Двигатель при этом может тянуть, как и прежде, но время жизни турбины резко начинает стремиться к нулю.
А теперь о том, что касается тяги, нехарактерной для двигателя – то есть, если вы вдруг обнаружили, что больше нет турбоямы и чего-то подобного, и автомобиль «на подрыве» всегда. Такие признаки могут говорить о том, что перепускной клапан (wastegate) заклинило, отработанные газы не сбрасываются, и оттого турбина качает воздух по полной, повышая давление наддува. «Подрыв» – это хорошо, но он может закончиться прогоранием поршня или клапанов из-за перегрузки. Так что следите за «характером» своего автомобиля.
После снятия турбокомпрессора
Все, что описано выше, касается исключительно диагностики до снятия турбины с двигателя. Теперь же представим, что мастер провел диагностику и выдал неутешительный вердикт, что скорее всего проблемы связаны именно с турбокомпрессором. В этом случае механик демонтирует его и отправляет на участок дефектовки и ремонта.
Теперь начинается самое интересное. Первое, на что смотрит мастер, – это компрессорное и турбинное колеса и состояние корпуса турбинного колеса. По нагару и саже на впуске корпуса турбины мастер может приблизительно сориентировать, что является их причиной – может, «заливает» форсунка, или износились поршневые кольца, отчего в наддув гонит масло из картера двигателя. Осмотром же турбинного и компрессорного колес можно выявить чрезмерный износ оных, как в нашем случае.
В идеале каждая из лопаток должна проходить рядом с корпусом с минимальным зазором – слишком большой зазор означает потери. Далее мастер на ощупь проверяет люфт вала турбины.
Почему на ощупь? Да потому, что люфта практически не должно быть, причем ни радиального, ни осевого. Далее следует разборка. Ничего сложного в ней нет: болты и гайки долой – и вот уже «улитки» отдельно, картридж отдельно. Далее мы отвернули гайку крепления компрессорного колеса и сняли его, после чего вал извлекли из картриджа. Втулки – выпрессовали. Вот по сути и вся разборка. Турбинное колесо, к слову, образует с валом одну неразъемную деталь.
Все элементы корпуса турбокомпрессора отправляются на пескоструйную очистку.
Рабочие элементы отправляются на обмер – там, в частности, измеряется диаметр вала в местах установки втулок. При необходимости заменяется компрессорное колесо. Если с валом или с турбинным колесом все плохо, то поможет только замена. Помимо этого, при проверке подают разрежение и проверяют работу актуаторов. Если же актуатор электрический, его проверяют с помощью соответствующих диагностических приборов.
Ремонт турбины
Если поверхности вала изношены в пределах допустимого, то их шлифуют, если вне пределов – заменяют. После шлифовки снова измеряют наружный диаметр и вытачивают под него втулки.
Затем вал отправляют на проверку его биения – и никакого диссонанса или нарушения технологии здесь нет. Дело в том, что вал можно условно разделить на две части – рабочую, на которую установлены втулки, и часть, на которую установлено компрессорное колесо. Последняя не может быть отшлифована из-за того, что компрессорные колеса, как запчасти, поставляются только в номинальных размерах. Шлифовка вала пусть и на малую долю, но изменит его диаметр. А изменение зазора между валом и колесом недопустимо. Потому мастер ставит вал на специальный стенд с индикатором часового типа и, вращая его, определяет точки деформации.
Затем с помощью специальных инструментов и молотка правит его. Правит до тех пор, пока не добьется почти идеальных результатов по биению.
После правки вал отправляется на балансировку. Процесс этот сам по себе интересный. На специальный стенд ставят вал, на него накидывают приводной ремень, который и прижимает вал к опорам. На турбинное колесо наносится метка, а напротив него ставится лазерный датчик частоты вращения. После включения приводного электромотора вал раскручивается до определенных оборотов, чтобы откалибровать стенд. Затем мастер прилепляет небольшой кусок пластилина напротив метки турбинного колеса и снова включает стенд. Потом лепит приблизительно такой же кусок пластилина с обратной стороны турбинного колеса, но напротив первого куска.
После этого мастер включает стенд, доводит обороты до требуемых и выключает. По итогам процедуры на экране дисплея стенда выводятся приблизительные точки дисбаланса вала с весом материала, который необходимо удалить для балансировки.
Глядя на эти точки, мастер немного стачивает поверхность гайки турбинного колеса.
Затем вал снова отправляется на стенд – и весь процесс повторяется по кругу, пока не будут достигнуты требуемые показатели.
После удачной балансировки мы ставим на вал уже подготовленные втулки и собираем то, что называют картриджем – корпус вала.
Турбину почти полностью собирают – лишь без установки «улитки» компрессора.
В таком виде ее устанавливают на стенд для окончательной проверки перед сборкой.
Гайку крепления компрессорного колеса предварительно намагничивают специальным магнитом. Делают это с целью снятия показаний работы вала – его частоты вращения и биения. Установка на стенд подразумевает подключение подачи масла и холодного сжатого воздуха. На стенде мастер раскручивает турбину до частоты немного выше рабочей, проверяя основные показатели работы.
Убедившись, что все в порядке, устанавливают корпус компрессора и актуатор. Далее подсоединяют к актуатору вакуумный шланг, а на его шток устанавливают электронный индикатор, который является частью специального оборудования для регулировки начала открытия и хода штока.
В память стенда внесена база данных по турбокомпрессорам – мастеру достаточно внести номер турбины в эту базу (номер нанесен на корпусе каждой турбины) и запустить процесс диагностики.
Стенд подведет определенное разрежение к актуатору, а индикатор считает ход штока. Если что-то окажется не в порядке, мастер отрегулирует длину штока. На этом ремонт турбины можно считать оконченным.
Перед установкой турбокомпрессора на двигатель, особенно если сам ДВС «капиталился», многие рекомендуют промыть систему смазки промывочным или просто недорогим маслом. Рекомендуется сделать это как минимум четыре раза и только после этого ставить турбокомпрессор. Если не учесть этого, то следующий ремонт турбины потребуется раньше, чем предполагалось.
В заключение
Вал турбины очень чувствителен к качеству моторного масла, и продукты износа двигателя могут сделать свою коварную работу. Потому, когда дело касается ремонта турбокомпрессора, не стоит дешевить. В целом даже самый сложный ремонт всегда будет приблизительно в два раза дешевле самой дешевой, но новой турбины. Если усреднить цены, то ремонт может стоить около 250 долларов, а новая турбина в сборе – приблизительно 500 долларов. Ну а чтобы подольше не заезжать в сервис за столь дорогостоящим ремонтом, следите за своим автомобилем и качеством используемого моторного масла, а также не ленитесь читать рекомендации по правильной эксплуатации автомобилей в зимний период.
Особая благодарность в подготовке материала организации «РемТурбоСервис»
(+38 057-762-98-26, Харьков; +7 917-540-61-20, Белгород; +7 495-255-46-96, Москва)
Опрос
А вам приходилось сталкиваться с поломкой турбокомпрессора?
Источник
Турбина: как работает, почему ломается и легко ли ремонтируется
Турбина, или, как ее правильно называть – турбокомпрессор, служит для нагнетания воздуха в цилиндры двигателя. Чем больше воздуха попадает в цилиндры, тем больше топлива можно с ним смешать и получить в результате более высокие мощностные характеристики двигателя без увеличения его рабочего объема.
Как устроена турбина
Турбокомпрессор имеет привод от потока выхлопных газов: жесткой связи с какими-либо движущимися частями двигателя у него нет. Это прерогатива, например, компрессора, который приводится непосредственно со шкива коленвала. На первый взгляд «турбина» устроена просто: представьте себе вал, на обои концах которого расположены две крыльчатки. Крыльчатки помещены в герметичные корпуса, «закрученные» на один оборот будто ракушки улитки. Турбинное колесо приводится от потока выхлопных газов: выхлопные газы воздействуют на лопасти турбины, раскручивают его и уходят дальше в выхлопную систему через центральное отверстие улитки. Соединенное валом с турбинным колесом компрессорное (насосное) колесо начинает вращаться с той же скоростью и нагнетать воздух во впускной коллектор. Компрессор всасывает воздух через центральное отверстие, передает его к лопаткам. При этом обеспечивается нагнетание воздуха под заданным давлением. Сжатый воздух направляется дальше во впускную систему двигателя: попадает в цилиндры, проходя через промежуточный охладитель-радиатор (интеркулер). Сжатому воздуху нужно охлаждение, т.к. при сжатии воздух неизбежно нагревается. Подавать нагретый воздух в камеры сгорания бессмысленно: моментально падает КПД двигателя.
Турбокомпрессор оснащен рядом компонентов, обеспечивающих его регулировку, управление и контроль. Часто на дизельных двигателях применяются турбины с «изменяемой геометрией». Геометрия тут действительно меняется, но не турбины как таковой, а ее направляющего аппарата, который представляет собой встроенные в «улитку» турбины планки-лопасти. Эти лопасти, подобно закрылками на крыльях самолета, меняют свое положение относительно насосного колеса. Лопасти приводятся от отдельного актуатора, управляемого соленоидом. Чем ниже скорость работы дизельного двигателя, тем меньше поток и давление выхлопных газов. Следовательно, лопатки принимают большой угол атаки, чтобы сильнее направлять газы на лопасти турбины. С ростом объема выхлопных газов угол атаки лопаток направляющего механизма снижается. Направляющего аппарата у турбин бензиновых двигателей не бывает – в нем нет нужды. Единственные бензиновые турбомоторы с регулируемой геометрией направляющего аппарата турбины применяются на 4- и 6-цилиндровых оппозитных моторах Porsche.
Зато на бензиновых моторах все большее распространение приобретают двухпоточные турбины, в английской терминологии twinscroll. Суть в том, что выпускной коллектор, подводящий выхлопные газы к турбине, «собирает» газы в два раздельных канала. Такое разделение (буквально как в коллекторе типа 4-2-1, также известному как «паук») позволяет снизить противодавление газов в выпускном коллекторе, улучшить его продувку и в итоге немного повысить эффективность двигателя. К тому же и поток газов к турбине в этом случае более равномерный.
Любые автомобильные турбины оснащаются перепускным клапаном (байпас, от англ. bypass – обход). Этот клапан служит для стравливания избытка сжатого компрессором воздуха в момент резкого закрытия дросселя (отпускания педали газа). Если этот воздух не стравливать, он пойдет из впускного коллектора обратно в противоход вращению крыльчатки, в результате чего возможно повреждение элементов ротора компрессора.
Также турбокомпрессоры оснащаются перепускной заслонкой или клапаном на выпуске. Этот клапан называется «уэстгейт» (от англ. wastegate – дословно «ворота растраты», или просто перепускной клапан). Он служит для того, чтобы направлять часть потока выхлопных газов в обход турбины. При этом ограничивается и контролируется скорость вращения ротора турбокомпрессора. Уэстгейт приводится от специального актуатора («вакуумника»), который управляется соленоидом. Обычно соленоид связан и с актуатором, и с впускным коллектором вакуумными трубками.
Важной частью любого турбокомпрессора являются подшипники, на которых удерживается и вращается вал. Подшипники обязательно нуждаются в смазке и охлаждении моторным маслом, которое подводится к ним по специально выделенным каналам. Иногда, в основном на гоночных автомобилях, подшипники турбокомпрессора охлаждаются антифризом (он омывает обоймы, а не сами подшипники).
Турбокомпрессор в целом не считается проблемным и капризным элементом силового агрегата. Эта деталь способна не доставлять проблем весь срок службы двигателя. Если экономить на обслуживании силового агрегата или ездить агрессивно и неаккуратно, снижается срок службы и мотора, и турбины.
Причины поломок турбины
Недостаток смазки и охлаждения
Чаще всего турбина выходит из строя из-за недостатка смазки подшипников, на которые опирается ее вал. Причины, которые привели к масляному голоданию, следует искать вне турбины. Эта поломка приводит к износу подшипников и их перегреву: масло не только смазывает, но и охлаждает. Обычно из-за масляного голодания нормальная рабочая температура подшипников и вала турбины подскакивает с 60-90°С до 400°С (к неотведенному теплу добавляется тепло, выделяемое в подшипниках при трении). При такой температуре остатки масла буквально горят, коксуются и еще сильнее засоряют маслопроводящие каналы и отверстия в подшипниках. Работающие «на сухую» перегретые подшипники быстро изнашиваются, зазор увеличивается до недопустимых размеров. В таких условиях вал турбины может потерять центровку. Это в свою очередь приведет к тому, что роторы турбокомпрессора начнут задевать за корпуса («улитки»). Турбокомпрессор получит серьезные повреждения и либо заклинит, либо разрушатся его внутренние детали.
То, как быстро произойдет поломка турбины и насколько серьезными будут последствия, зависит от характера масляного голодания. Нехватка масла может наступить быстро. Например, в случае обрыва маслопроводящей трубки или резкого уменьшения производительности масляного насоса. Резкое масляное голодание может погубить отремонтированную или новую установленную турбину. Эта неприятность случается при неправильной установке турбокомпрессора, когда в масляных каналах в картридже сохраняется воздушная пробка, которую масло не в состоянии продавить.
Медленное масляное голодание развивается в условиях небольшого недостатка масла из-за, например, снижения производительности масляного насоса, закоксованности масляной магистрали или их перегибов.
Периодическое масляное голодание обычно происходит при резкой остановке турбомотора после серьезных нагрузок. В этом случае прекращается смазка и охлаждение, но в полостях турбины сохраняется высокая температура, при которой масло коксуется и если не забивает масляные каналы, то уменьшает площадь их сечения. В перспективе это может привести к медленному масляному голоданию и связанных с ним поломках.
Загрязненное масло
Нередко моторное масло содержит в себе частицы износа трущихся деталей двигателя. Если фильтр не задерживает абразив, то он неизбежно попадет в масляные каналы турбины (и другие важные детали двигателя). В результате владелец столкнется с поломкой, вызванной износом подшипников, увеличением радиального люфта. В любом случае факты, приводящие к поломке, находятся в двигателе, а не в турбине.
Попадание посторонних предметов
И тут причины неисправности турбины, произошедшие из-за разрушения или повреждения ее лопастей твердыми частицами, лежат за пределами ее корпуса. Чтобы достичь лопастей ротора, обычно это ротор компрессора, посторонние частицы должны попасть во впускную систему двигателя. Как правило мусор прорывается через изношенный воздушный фильтр или через неплотные соединения впускных патрубков. Мелкие частицы вызывают локальные повреждения кромок ротора или их сошлифовывание.
Подпор картерных газов
Картерные газы так или иначе циркулируют в двигателе. Они образуются при прорыве газов из цилиндров через поршневые кольца. Любой двигатель оснащен системой вентиляции этих газов: без нее внутри двигателя (под клапанной крышкой и в картере) образовывалось бы избыточное давление, способное выдавить любые уплотнения двигателя (первыми в этом случае сдаются сальники коленвала или распредвалов). К тому же картерные газы несут в себе частицы сгоревшего топлива, которые обычно отфильтровываются в выхлопной системе.
Одним словом, если система вентиляции картерных газов засоряется или ее производительность снижается по другим причинам, избыточное давление может препятствовать стеканию масла из каналов турбины обратно в двигатель. В этом случае масло будет искать себе другую дорогу. Масло может просачиваться в холодную (компрессорную) часть: отсюда оно попадает в интеркулер, а оттуда – во впускные каналы и, следовательно, в камеры сгорания. Тут оно просто сгорает. В результате можно столкнуться с «жором масла», никак не связанным с состоянием ЦПГ.
Если масло будет уходить в горячую (турбинную) часть, то оно тоже сгорит под действием высоких температур. Правда, сгорание приведет к образованию масляного налета – закоксовыванию – внутри «улитки». Порой приходится сталкиваться с тем, что количество отложений бывает настолько большим, что ротор турбины начинает задевать за него и перестает свободно вращаться.
Также картерные газы могут достичь точек смазки и охлаждения подшипников. В этом случает происходит масляное голодание, закоксовывание маслопроводящих каналов. Все это вновь приводит к выходу турбокомпрессора из строя.
Симптомы неисправности турбины
Любые неисправности в системе наддува воздуха обычно связаны с несвоевременным и некачественным обслуживанием автомобиля либо его эксплуатацией в предельных режимах. Регулярные ТО по технологии производителя машины и применение сертифицированных материалов (масел, фильтров и т.д.) обеспечивают турбокомпрессору надежность и безотказность.
Причины поломок турбокомпрессора обычно кроются не в нем самом, а в двигателе. Если турбина начала подавать тревожные сигналы, то помимо ее ремонта нужно позаботиться о поиске неисправности и ее устранении. Возможно поломку вызвала та или иная подсистема силового агрегата. Если не устранить неисправность, отремонтированный или новый турбокомпрессор, установленный вместо дефектного, быстро выйдет из строя.
Симптомы неисправности турбины можно условно разделить несколько больших частей.
1. Падение мощности двигателя, снижение разгонной динамики. Этот симптом ощущается моментально водителем. Не сложно догадаться, что неисправность следует искать в недостаточном поступлении воздуха в двигатель из-за неисправной системы управления наддувом или его повреждения. Если при этом в моторном отсеке появляется задымление, то следует искать утечку выхлопных газов.
2. Дым из выхлопной трубы подозрительного цвета: сизого (белого, синего) или черного. Дым светлого цвета, валящий из выхлопной трубы при ускорении, является причиной сгорания масла в цилиндрах двигателя. Оно туда может попасть из-за утечек в турбокомпрессоре. Если масло попадает в камеры сгорания, то его следы можно обнаружить в интеркулере и во впускном коллекторе.
Черный цвет выхлопных газов свидетельствует о сгорании в цилиндрах обогащенной топливной смеси. В этом случае следует искать утечки воздуха в «холодной» части турбокомпрессора, включая интеркулер и впускной коллектор.
1. Снижение уровня масла – этот симптом может свидетельствовать как о сгорании масла в цилиндрах, так и о его утечках и сгорании внутри «улитки» турбины.
2. Посторонние шумы при работе турбокомпрессора могут быть вызваны как утечками воздуха или выхлопных газов, так и механическими повреждениями турбины (ее крыльчаток или подшипников).
Ремонт турбины: починка или замена?
Прежде чем решиться на манипуляции с турбиной нужно определить причину неисправности и устранить ее ведь дело может быть вовсе не в турбине. Если же по итогам диагностики была «приговорена» турбина, то и тут не стоит спешить с заменой. Турбокомпрессор – узел, состоящий из ряда компонентов, подлежащих замене и, иногда, ремонту. Можно отдельно поменять любой из роторов, актуатор, клапаны и даже корпус турбины. Также продаются ремкомплекты турбин со всеми необходимыми уплотнениями. Корпус, как правило, разборный: отдельно идут «улитки» турбины и компрессора и центральная часть, называемая «картриджем». В картридж входит центральная часть турбины с подшипниками, сальниками, валом и обоими роторами. Стоимость картриджа варьируется от 200 до 350 рублей. Замена обойдется еще в 200 рублей.
«Базовый» вариант ремонта турбины – это ее замена целиком. Стоимость «б/ушных» турбин на популярные модели автомобилей варьируется от 180 до 500 рублей. Стоимость новых и восстановленных турбин: от 600 до 1500 бел. рублей и выше.
В любом случае, неисправную турбину следует продиагностировать и определить вышедшие из строя детали. «Точечная» замена деталей может продлить жизнь турбокомпрессору и сэкономить деньги.
Источник