Wpływ stanu technicznego turbosprężarki samochodowej na emisję związków spalin silnika o zapłonie iskrowym

Transkrypt

1 BIELIŃSKI Maciej 1 KARPIUK Wojciech 2 BOROWCZYK Tomasz 3 Wpływ stanu technicznego turbosprężarki samochodowej na emisję związków spalin silnika o zapłonie iskrowym WSTĘP Obecnie, układy turbodoładowania stosowane w samochodach wyposażonych w silniki spalinowe są jednym z najbardziej rozpowszechnionych sposobów poprawy wskaźników pracy przez wpływanie na podnoszenie sprawności ogólnej silnika, zwiększanie objętościowego i masowego współczynnika mocy, zmniejszanie jednostkowej emisji toksycznych składników spalin itd. Z tego względu prowadzi się badania m.in. z zakresu konstrukcji, produkcji, eksploatacji. Turbosprężarka ze względu na zasadę działania i warunki pracy jest elementem podatnym na uszkodzenia, w związku z tym istnieje także konieczność prowadzenia badań wytrzymałościowych i trwałościowych. Mimo to do awarii tego podzespołu dochodzi bardzo często, a zakłady zajmujące się regeneracją wykazują stały wzrost zapotrzebowania na swoje usługi. Z analiz wynika, iż napraw układów doładowania dokonuje się dopiero w sytuacji całkowitego unieruchomienia turbosprężarki. Uszkodzenia najczęściej mają charakter lawinowy i pojawienie się drobnej niesprawności w szybkim tempie prowadzi do całkowitej destrukcji podzespołu. Niekiedy bywa jednak inaczej, gdzie turbosprężarka uszkodzona jest w sposób niepowodujący bezpośredniego zagrożenia mającego istotny wpływ na dalszą pracę urządzenia. Głównym celem prac badawczych prezentowanych w artykule była odpowiedź na pytanie, jaki wpływ na emisję związków spalin ma stan techniczny używanej turbosprężarki. W tym celu badaniom poddano trzy używane turbosprężarki firmy KKK typ K3-11A, a następnie wyniki analiz porównano z turbosprężarkami sprawnymi (po regeneracji). Uszkodzenie badanego zbioru elementów miało charakter eksploatacyjny i skupiało się głównie wokół uszczelnień labiryntowych. 1. PROCESY NISZCZĄCE TURBOSPRĘŻARKI Procesy niszczące turbosprężarki można sklasyfikować na wiele sposobów. Jednym z nich jest powszechnie znany podział ze względu na przyczynę uszkodzenia, który wraz ze skutkami krótko scharakteryzowano i przedstawiono poniżej Uszkodzenia spowodowane olejem niewłaściwej jakości Uszkodzenie turbosprężarki wywołane olejem złej jakości skutkuje m.in.: pogorszeniem warunków pracy łożyska ślizgowego i wzdłużnego, w wyniku zmniejszenia przekrojów czynnych otworków smarujących, miejscowym przegrzewania się elementów, wzrostem temperatury styku, szybkim zniszczeniem turbosprężarki objawiającym się m.in.: głębokimi rysami na czopach wału wirnika i powierzchniach łożyska, zmianą parametrów warstw wierzchnich styku, rozkalibrowaniem otworów mocujących łożyska korpusu środkowego pogorszeniem się właściwości uszczelnień labiryntowych wału (zapieczeniem pierścieni uszczelniających w rowkach). 1 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu; Poznań; pl. Marii Skłodowskiej Curie 5. Tel: , maciej.bielinski@doctorate.put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu; Poznań; pl. Marii Skłodowskiej Curie 5. Tel: , wojciech.karpiuk@put.poznan.pl 3 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu; Poznań; pl. Marii Skłodowskiej Curie 5. Tel: , tomaszborowczyk@wp.pl 377

2 1.2. Uszkodzenia spowodowane spadkiem ciśnienia oleju lub chwilowym jego brakiem Uszkodzenie turbosprężarki wywołane przerwą w dostarczeniu oleju objawia się: zniszczeniem w obrębie warstw wierzchnich materiału łożysk i czopu wału wirnika, w zmianie właściwości fizycznych materiału wału wirnika i łożysk, zapieczeniem tulei łożysk w otworach korpusu środkowego, termolizą składników oleju (koksowanie) produkty w postaci nagaru osadzają się w otworach smarujących korpusu środkowego doprowadzając do ich niedrożności, pogorszenie szczelności uszczelnień labiryntowych (wytarcie się pierścieni uszczelniających lub rowka) Uszkodzenia spowodowane brakiem oleju Uszkodzenie turbosprężarki wywołane brakiem oleju objawia się : natychmiastowym zatarciem wału wirnika w łożyskach poprzecznych w wyniku tego procesu dochodzi także do ścięcia zabezpieczeń utrzymujących pojedynczą tulejkę łożyska we właściwym położeniu a nawet do rozerwania wału, zniekształceniem płytki łożyska wzdłużnego, zapieczeniem pierścieni uszczelniających w rowkach Uszkodzenia spowodowane przegrzaniem Uszkodzenie turbosprężarki wywołane zbyt wysoką temperaturą gazów spalinowych objawia się: zniekształceniem (w wyniku nadtopienia) oraz korozją wysokotemperaturową łopatek turbiny obserwowane jest także zjawisko ablacji (erozja materiału pod wpływem przepływu gazów o dużej entalpii ) pęknięciem korpusu turbiny szczególnie niebezpieczne są naprężenia termiczne powstałe w wyniku nagłego schłodzenia (np. strumieniem wody padającym na rozgrzaną turbinę), zniekształceniem innych elementów mających kontakt z gorącymi spalinami szczególnie przylgni zaworu upustowego, mechanizmu zmiennej geometrii łopatek kierownicy, gromadzeniem się nagaru (powstałego w wyniku koksowania oleju) w wewnętrznych przekrojach turbiny w rowkach pierścieni, oraz na samych pierścieniach uszczelniających na wałku wirnika turbiny i korpusie, w kanałach doprowadzających olej do łożysk jak i w samych łożyskach [1]. Wspólnym mianownikiem przedstawionej klasyfikacji uszkodzeń są m.in. uszczelnienia labiryntowe, na których spoczywa odpowiedzialność prawidłowego działania turbosprężarki. Powodów uszkodzeń może być wiele, ale większość z nich związana jest z parametrami i właściwościami układu olejenia i smarowania. Uszczelnienia labiryntowe należą do grupy uszczelnień bezstykowych. Są one wykorzystywane w maszynach, w których uszczelniane wały obracają się z dużymi prędkościami obwodowymi, np. turbiny gazowe, sprężarki. Ogólna zasada działania tego uszczelnienia polega na zakłócaniu przepływu czynnika, przez co powoduje się spadek jego ciśnienia aż do wyrównania z ciśnieniem atmosferycznym lub innym ciśnieniem panującym poza uszczelnianą przestrzenią maszyny. Wyróżnia się dwa rozwiązania konstrukcyjne: uszczelnienie labiryntowe osiowe (rys. 1.1), uszczelnienie labiryntowe promieniowe (rys. 1.2) [2]. Rys Widok labiryntowych uszczelnień osiowych w przekroju Rys Widok labiryntowych uszczelnień promieniowych w przekroju 378

3 Oba rozwiązania różnią się położeniem rowków. Uszczelnienie osiowe ma rowki ułożone zgodnie z osią obracającego się wału, natomiast uszczelnienie promieniowe ma rowki ułożone prostopadle do osi obrotu wału. Rowki mogą posiadać różne kształty, lecz najczęściej są wykonywane w kształcie prostokąta lub trapezu. Rowki można wykonywać bezpośrednio na elementach wirujących (wały, osie) i w korpusach, lub mogą być to odrębne elementy jedynie mocowane i ustalane względem siebie. Częściej stosowane jest rozwiązanie uszczelnienia labiryntowego jako osobnych elementów montowanych w oprawie i na elemencie wirującym. Konstrukcja uszczelnienia wymaga precyzyjnego ustalenia względem siebie poszczególnych komponentów w celu uzyskania optymalnej szczelności połączenia. W celu poprawy warunków uszczelnienia stosuje się kilka umieszczonych po sobie przegród. Szczelina pomiędzy kolejnymi rowkami tworzy labirynt. Im labirynt jest dłuższy, tym większa jest jego skuteczność. W wielu przypadkach rozporządzalna przestrzeń konstrukcyjna jest niewielka, co ogranicza liczbę rowków. Odstępy pomiędzy kolejnymi rowkami zazwyczaj wynoszą 2-krotność szczeliny labiryntowej. Budowa typowej turbosprężarki opiera się najczęściej na jednym lub dwóch pierścieniach (rys. 1.3). Rys Widok pierścienia uszczelniającego osadzonego w rowku wałka turbosprężarki Do prawidłowego działania uszczelnienia wymagane jest tarcie płynne pomiędzy przegrodami. Nie można dopuścić do zjawiska tarcia pomiędzy sąsiednimi elementami uszczelnienia. Niesie to ze sobą konieczność dokładnego wykonania elementów uszczelnienia, ze szczególnym uwzględnieniem niewspółosiowości wału, jego bicia i rozszerzalności cieplnej [3]. W maszynach narażonych na duże obciążenia dynamiczne i wysokie drgania luz między pierścieniem, a gniazdem powinien być odpowiednio większy. Turbosprężarka ze względu na warunki pracy posiada namacalnie wyczuwalny luz osiowy (podczas unieruchomienia urządzenia). Luz promieniowy jest niedopuszczalny [4]. Badania przedstawione w niniejszym artykule maja na celu zbadanie wpływu stanu technicznego uszczelnień labiryntowych turbosprężarki na emisje szkodliwych związków spalin silnika o zapłonie iskrowym oraz na jego właściwą pracę. W tym celu wykonano szereg testów opisanych w kolejnej części artykułu. 2. OBIEKT BADAWCZY Badaniom poddana została grupa wybranych turbosprężarek tego samego typu - firmy KKK typ K3-11A. Wszystkie obiekty badawcze pochodziły z pojazdów eksploatowanych w podobnym okresie czasu. Przedmiotowa turbosprężarka wyposażona jest w jedno łożysko poprzeczne i jedno wzdłużne. Regulacja wydatku powietrza odbywa się za pomocą zaworu upustowego (waste gate). Ciśnienie kalibracyjne zaworu wynosi,43 bara i jest równe 4 mm wysunięcia popychacza siłownika. Korpus środkowy chłodzony jest cieczą pochodzącą z układu chłodzenia silnika. Średnica wirnika 379

4 turbiny wynosi 45 mm, liczba łopatek 11 szt. Wirnik sprężarki (typu superback) ma średnicę 5 mm i zbudowany jest z 12 łopatek [5]. Turbosprężarki po przeprowadzonych badaniach zostały zdemontowane z pojazdów, a następnie rozmontowane na części. Zużyte elementy pokazano na rys 2.1 oraz 2.2. Rys Widok zapieczonych uszczelnień labiryntowych na wale turbosprężarki Rys Widok osłony sprężarki z widocznymi osadami skoksowanego oleju Rys Widok talerzyka termicznego zarzuconego osadami ze skoksowanego oleju Na potrzeby badań, turbosprężarki wyposażono w czujniki temperatury i przetworniki ciśnień oraz czujnik laserowy do pomiaru prędkości obrotowej wału. Ponadto zastosowano dwustanowy pomiar położenia zaworu upustowego bazujący na zasadzie wyłącznika krańcowego. Charakterystykę i opis czujników zamieszczono w następnym punkcie. 3. METODYKA, APARATURA I PRZEBIEG BADAŃ Zastosowaną metodą badawczą były pomiary wielkości mechanicznych wykonywane na turbosprężarce zamontowanej w pojeździe poruszającym się w ruchu mieszanym. Wartości emisji drogowej poszczególnych szkodliwych gazowych składników spalin (CO, CO2, HC, NOx) mierzono i rejestrowano za pomocą mobilnej aparatury SEMTECH (rys. 3.1). 38

5 Rys Widok aparatury pomiarowej zamontowanej w pojeździe Pozostałe wielkości oraz parametry pracy silnika rejestrowano z wykorzystaniem urządzenia serwisowego VAG-COM komunikującego się z portem OBD w pojeździe. W obu przypadkach pomiar i zapis odbywał się w trybie on-line. Dla zminimalizowania niepewności pomiarowej każdej próby pomiarowej starano się zachować te same warunki, tzn. testy wykonywano w podobnych warunkach pogodowych i atmosferycznych, przejazdy odbywały się przy zbliżonym natężeniu ruchu. Pomiary prowadzono przy temperaturze cieczy chłodzącej wynoszącej 85 ºC. Temperatura otoczenia wynosiła 1 ºC, a ciśnienie było równe 997 hpa. Silnik zasilany był benzyną o badawczej liczbie oktanowej 95, pochodzącej z jednej dostawy. Badania przeprowadzone zostały w II etapach i miały charakter porównawczy. Wykonano je przy użyciu samochodu osobowego typu PC (Passenger Car) z grupy VAG Volkswagen Golf o oznaczeniu handlowym 1.8 GTI wyposażonego fabrycznie w turbosprężarkę firmy KKK o parametrach opisanych w punkcie powyżej. Obiekt badawczy wyposażony był w manualna, pięciobiegową skrzynię przekładniową oraz reaktor katalityczny. Nowa turbosprężarka stanowiła tło badań, zużycia eksploatacyjnego pojazdu nie brano pod uwagę. 4. WYNIKI BADAŃ W związku z charakterem badań przeprowadzanych w warunkach ruchu rzeczywistego, wartości poszczególnych przejazdów i warunków ruchu dla przejazdów nieznacznie się różniły zatem dla zachowania sensu porównawczego zdefiniowano jedną zmienną, którą była prędkość pojazdu poruszającego się na stałym przełożeniu II biegu. Punkty pracy wyznaczono doświadczalnie na trzech poziomach 2 km/h, 5 km/h oraz 7 km/h. Wyniki badań przedstawiono graficznie. Dla lepszego zobrazowania zależności, chwilowe wartości mierzonego parametru sumowano. Z przeprowadzonej w pracy analizy wynika, że regeneracja turbosprężarki przynosi wymierne korzyści w wielu aspektach. Wpływ naprawy urządzenia na poprawę strumienia masy powietrza dostarczanego do cylindrów przedstawiono na rys Z charakterystyk wynika, iż dla obu prędkości pojazdu (5 km/h i 7 km/h) ilość powietrza dostarczanego do spalania wzrosła. Różnica najbardziej widoczna jest w początkowej fazie przebiegu. W dalszej części krzywe charakteryzują się równoległym przebiegiem, co oznacza równe wartości chwilowe strumienia masy powietrza. 381

6 chwilowego zużycia paliwa [ml] strumienia masy powietrza [g] 1 Strumień masy powietrza PO REG (5 km/h) Rys Suma strumieni masy powietrza w funkcji czasu dla trzech prędkości przejazdu badanego pojazdu turbosprężarek przed i po regeneracji Krzywe opisujące próbę dla prędkości równej 2 km/h pokrywają się niemalże w 1 %, co oznacza, że w tym zakresie turbosprężarka nie ładuje powietrza. Z charakterystyki zużycia paliwa (rys. 4.2) wynika, iż regeneracja turbosprężarki wpłynęła nieznacznie na zużycie paliwa. Korzystną zależność zauważono w początkowych fazach pomiaru, ale uwzględniając fakt iż w artykule skupiono się na stanach ustalonych, różnice w sumie chwilowych wartości zużycia paliwa mieszczą się w granicach błędu pomiaru. Regeneracja turbosprężarki nie wpłynęła znacząco na efekt termochemiczny obiegu. Sterowanie mieszanki jest ilościowe, do utrzymania tej samej prędkości pojazdów (np. 7 km/h) niezbędne jest wygenerowanie tej samej energii, zawartej w paliwie 9 Zużycie paliwa PO REG (5 km/h) Rys Suma chwilowych wartości zużycia paliwa w funkcji czasu dla trzech prędkości przejazdu badanego pojazdu turbosprężarek przed i po regeneracji 382

7 NOx [g] HC [ppm] Wymierne korzyści ze względu na rozkład emisji szkodliwych związków chemicznych zauważono podczas analizy wartości emisji HC (rys. 4.3). Poprawa właściwości uszczelnień skutkowała PO REG (5 km/h) Rozkład misji HC Rys Rozkład emisji HC dla trzech prędkości przejazdu badanego pojazdu turbosprężarek przed i po regeneracji znacznym zmniejszeniem emisji węglowodorów podczas całego pomiaru dla każdej analizowanej prędkości pojazdu. Ograniczenie wydostającej się mgiełki olejowej obniżyło emisję HC prawie dwukrotnie.,7 Rozkład emisji NOx,6,5,4 PO REG (5 km/h),3,2, Rys Rozkład emisji NOx dla trzech prędkości przejazdu badanego pojazdu turbosprężarek przed i po regeneracji 383

8 CO [g] Rozkład emisji tlenków węgla z silnika z zamontowaną turbosprężarką po regeneracji charakteryzował się znacznym zmniejszeniem w obu testach prędkościowych (rys. 4.5). Niewielkie zafalowania krzywych sugerują na pojawienie się niewyjaśnionego stanu nieustalonego. Różnica emisji CO była niezauważalna dla zakresu na poziomie 2 km/h, gdzie prędkość wirnika sprężarki jest niewielka, a ciśnienie doładowania bliskie atmosferycznemu.,6 Rozkład emisji CO,5,4 PO REG (5 km/h),3,2,1 Rys Rozkład emisji CO dla trzech prędkości przejazdu badanego pojazdu turbosprężarek przed i po regeneracji WNIOSKI Pomimo, iż przeprowadzone testy przebiegały przy niskich oporach i obciążeniach silnika oraz niewielkich ciśnieniach doładowania zmiany były zauważalne. Dla pełnej analizy wpływu stanu technicznego turbosprężarki na emisję i wskaźniki pracy silnika niezbędne jest uwzględnienie stanów przejściowych oraz nieustalonych cieplnie, podczas przyspieszania wałka turbosprężarki, zmiany prędkości wału korbowego silnika oraz prędkości i obciążenia pojazdu. Powyższa analiza potwierdza słuszność okresowej wymiany turbosprężarki na nową, jednak ze względów ekonomicznych ten sam efekt można uzyskać przez przeprowadzenie regeneracji. Autorzy nie analizują maksymalnego bezobsługowego czasu eksploatacji pojazdu, ani przebiegu między wymianami. Zwracają jedynie uwagą na konieczność prowadzenia badań nad układami doładowania w dziedzinie budowy i eksploatacji turbosprężarek. Prace w tej dziedzinie mogą przyczynić się do ograniczania negatywnego wpływu na środowisko naturalne. Streszczenie Zgodnie z obecną tendencją do redukcji emisji szkodliwych związków spalin silników spalinowych stosowane są różne metody ograniczające wpływ ich emisji na środowisko naturalne. W artykule przedstawiono wyniki badań, których celem było zweryfikowanie wpływu stanu technicznego turbosprężarki na emisję spalin silnika o zapłonie iskrowym. Testy przeprowadzono na grupie turbosprężarek uszkodzonych, a następnie wyniki porównano z wynikami turbosprężarek po regeneracji. W pracy nakreślono konstrukcję i zasadę działania uszczelnień labiryntowych, zbadano wpływ ich zużycia i nieszczelności na pracę. Wyniki badań dowodzą, iż turbosprężarka pracująca ze zużytymi uszczelnieniami (nawet w niewielkim stopniu) generuje wzrost emisji szkodliwych związków spalin do atmosfery. Słowa kluczowe: turbosprężarka, eksploatacja, emisja związków, regeneracja 384

9 The influence of the car turbocharger condition on the exhaust emission in spark-ignition engine Abstract According to the current trend to reduce exhaust emissions of spark-ignition engines use different methods of limiting the impact of emissions on the environment. The article presents the results of research, whose aim was to verify the effect of the technical condition of the turbocharger on exhaust emissions of a spark-ignition engine. The research have been done on damage turbocharger. Results have been compared with the results of new turbochargers. This paper present the basic principle operation of the labyrinth seal. Next, the influence of labyrinth seal in bad condition to the operation of turbocharger have been verified. The results shows that the turbocharger working with worn seals (even slightly) generates an increase in exhaust emissions of harmful compounds into the atmosphere. Keywords: turbocharger, operation, emission of toxic compounds, regeneration BIBLIOGRAFIA 1. Idzior M., Bieliński M,. Borowczyk T,. Karpiuk W.: Analiza wpływu warunków eksploatacji na stan techniczny turbosprężarek doładowanych silników spalinowych 2. Krzyślak P., Winowiecki M.: Metoda diagnozowania uszczelnień labiryntowych w maszynach przepływowych 3. Lawrowski Z.: Tribologia. Tarcie, zużywanie i smarowanie, Wrocław, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej Witkowski A.: Sprężarki wirnikowe. Teoria, konstrukcja, eksploatacja, Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej "Publikacja powstała w ramach realizacji projektu "Inżynier Przyszłości. Wzmocnienie potencjału dydaktycznego Politechniki Poznańskiej.", nr POKL /12, współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego." 385