Jerzy Kaszkowiak 1, Sylwester Borowski 2, Edmund Dulcet 3, Marcin Zastempowski 4, Uniwersytet Technologiczno Przyrodniczy w Bydgoszczy Analiza uszkodzeń turbosprężarek 5 Stosowanie doładowania w silnikach spalinowych maszyn i pojazdów pomimo długiej historii powszechne stało się dopiero w latach 80 ubiegłego wieku. Pozwalało na wzbogacenie gamy silników bez konieczności konstruowania nowych jednostek napędowych. Niewątpliwymi zaletami było również poprawienie sprawności silnika co skutkowało mniejszym jednostkowym zużyciem paliwa. Przez szereg lat doładowanie dotyczyło przede wszystkim silników wysokoprężnych. Wzrost wymogów ekologicznych (czystość spalin, zużycie paliwa) sprawiło, że powszechne stało się wykorzystywanie doładowania również w silnikach z zapłonem iskrowym. Najchętniej stosowanym rozwiązaniem są turbosprężarki. Ich główną zaletą są niewielki rozmiary i stosunkowo wysoka funkcjonalność. [1] Podstawowymi elementami budowy turbosprężarek są: obudowa, wirnik, łożyskowanie oraz układ sterujący. Pomimo znacznych różnic w szczegółach budowy i działania turbosprężarka zasada działania oraz podstawowe elementy są wspólne dla większości turbosprężarek. Wykorzystują energię spalin w kanale wylotowym silnika do napędu turbiny napędzającej. Z kolei osadzona na wspólnym wałku turbina dostarczająca powietrze do silnika wymusza zwiększenie ilości powietrza dostarczanego do komory spalania. Często montowana jest dodatkowo chłodnica powietrza schładzająca powietrze tak, aby umożliwić jak największe zmniejszenie objętości wtłaczanego powietrza. Należy zwrócić uwagę, iż przy takiej konstrukcji (gdzie nie zastosowano żadnych elementów sterujących) prędkość obrotowa turbiny jest uzależniona tylko od ilości, prędkości wypływu i ciśnienia spalin w przewodzie wydechowym. W efekcie uzyskiwano niską efektywność energetyczną turbosprężarki przy małych prędkościach obrotowych silnika. Dla silników pracujących ze stałą prędkością i w sytuacji gdzie wytworzenie wysokiego momentu obrotowego i dużej mocy potrzebne jest przy z góry określonej prędkości obrotowej silnika (napęd agregatów prądotwórczych, maszyny robocze, silniki trakcyjne), nie stanowi to problemu. W przypadku jednak gdy silnik napędza pojazd samochodowy w którym zachodzi ciągła zmiana prędkości obrotowej silnika, uproszczona konstrukcja turbosprężarki rozwiązanie nie jest rozwiązaniem korzystnym. W takich przypadkach stosuje się konstrukcje zmniejszające wpływ prędkości obrotowej silnika na pracę sprężarki. Mogą to być przepustnice zmniejszające ilość spalin dostarczanych do kanału turbiny napędzającej. Część spalin trafia w takim rozwiązaniu bezpośrednio do układu wydechowego, a turbosprężarka pracuje przez cały czas z pełną prędkością obrotową. Innym rozwiązaniem, skuteczniejszym, lecz jednocześnie droższym jest zastosowanie zmiennej geometrii łopatek turbiny. Poprawia się w ten sposób skuteczność działania lecz zwiększa w znaczący sposób koszt wytworzenia i ewentualnej naprawy[2]. Rozwiązania takie najczęściej wymagają złożonych układów sterujących, które oprócz zwiększenia kosztów produkcji powodują również podniesienie kosztów naprawy jednocześnie wymuszając stosowanie zróżnicowanych urządzeń do testowania i kalibracji turbosprężarek po remoncie. Warto zaznaczyć, iż turbosprężarki o zmiennej geometrii są w większym stopniu narażone na uszkodzenia spowodowane złej jakości paliwem, niewłaściwą eksploatacją ( nadmierne obciążanie silnika) oraz niesprawnościami silnika (niesprawny układ wtrysku paliwa, lub ślady 1 dr inż. J. Kaszkowiak, Kierownik Zakładu, Uniwersytet Technologiczno Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Maszyn Roboczych 2 Dr inż. S. Borowski, Uniwersytet Technologiczno Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Maszyn Roboczych 3 Prof. dr hab. inż. Edmund Dulcet Uniwersytet Technologiczno Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Maszyn Roboczych 4 Dr inż. Marcin Zastempowski Uniwersytet Technologiczno Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Maszyn Roboczych, 5 Artykuł recenzowany.
oleju silnikowego w spalinach). Powoduje to zapiekanie się łopatek turbiny i brak reakcji na zmienne obroty silnika co skutkuje osłabieniem efektywności turbosprężarki a nawet znaczącym spadkiem mocy. Metody chemicznego usuwania nagaru z łopatek na ogół przynoszą krótkotrwałe efekty. Rys. 1. Widok przekroju przykładowej turbosprężarki. Źródło: (http://www.mahle-aftermarket.com) Łożyskowanie wirnika turbosprężarki jest złożoną i zróżnicowaną konstrukcją. Przenosi zarówno obciążenia promieniowe jak i osiowe. Łożyska poprzeczne wykonane są w formie tulejek, osadzonych najczęściej pływająco w korpusie turbosprężarki. Łożysko wzdłużne to najczęściej płytka osadzona na stałe w korpusie oraz ruchomy pierścień ślizgowy. Smarowanie łożysk realizowane jest poprzez oddzielny przewód doprowadzający pod ciśnieniem olej z układu smarowania silnika. Skuteczność smarowania jest jednym z najważniejszych czynników wpływających na trwałość turbosprężarki [1], a ich awarie powodują wyłączenie całego pojazdu z eksploatacji na czas naprawy [3]. Cel i metody badawcze Celem prowadzonych badań było zidentyfikowanie przyczyn najczęstszych uszkodzeń turbosprężarek w aspekcie możliwości ich ograniczenia, a w konsekwencji obniżenia awaryjności i kosztów eksploatacji pojazdów. Badania przeprowadzono w firmie CARTUR S.C. w Bydgoszczy zajmującej się regeneracją turbosprężarek zarówno objętych gwarancją producenta jak i naprawami pogwarancyjnymi. Dla uzyskania reprezentatywnej próby do badań, poddano analizie 100 kolejno oddawanych do naprawy turbosprężarek. Oprócz ilościowego określenia przyczyn naprawy, starano się również zidentyfikować przyczyny uszkodzeń awaryjnych. Wyniki badań Procedura naprawy rozpoczyna się oględzinami wstępnymi dostarczonej turbosprężarki,. Często już przy wstępnej weryfikacji można określić iż naprawa nie będzie możliwa ze względu na rodzaj uszkodzenia. Turbosprężarka wstępnie zakwalifikowana do naprawy poddana zostaje demontażowi i czyszczeniu elementów, ich weryfikacji i klasyfikowaniu: do dalszego wykorzystania lub do złomowania. Nie praktykuje się naprawy elementów turbosprężarek. Po wymianie uszkodzonych elementów na nowe, montuje się turbosprężarkę. Zostaje poddana wyważeniu (wstępnemu i końcowemu). Wśród dostarczonych turbosprężarek większość stanowiły egzemplarze o widocznym zużyciu eksploatacyjnym. Wśród uszkodzeń awaryjnych stwierdzono najczęściej powtarzające się rodzaje i przyczyny uszkodzeń.
Jednym z nich są uszkodzenia spowodowane ciałem obcym w powietrzu dostarczanym do turbosprężarki. Przykładowe zdjęcia obrazujące powstałe w taki sposób uszkodzenia przedstawiają rysunki 2, 3 i 4. Rys. 2. Widok wirnika turbosprężarki uszkodzonej przez ciało obce w powietrzu Źródło: Zdjęcia firmowe Cartur SC. Rys.3. Widok wirnika turbosprężarki uszkodzonej przez ciało obce w powietrzu Rys.4. Widok korpusu turbosprężarki uszkodzonej przez?????? w powietrzu Kolejną przyczyną uszkodzeń, były awarie spowodowane ciałem obcym w spalinach. Przykładowy widok uszkodzonego elementu przedstawiono na rysunku 5.
Rys.5. Widok wirnika turbosprężarki uszkodzonego przez ciało obce w spalinach Innym rodzajem uszkodzeń jest przyspieszone zużycie wałka w wyniku braku lub niedostatecznego smarowania. Przyczynami mogą być: brak oleju, niedrożność przewodu dostarczającego olej do turbosprężarki, lub zastosowanie niewłaściwego oleju silnikowego do smarowania silnika. Uszkodzenia takie powodują znaczny wzrost temperatury wału turbosprężarki a niejednokrotnie jego zatarcie. Przykładowy widok wału z widocznymi skutkami nadmiernej temperatury spowodowanej niewłaściwym smarowaniem przedstawiono na rysunku 5. Rys.6. Widok wału turbosprężarki ze śladami wskazującymi na zbyt wysoką temperaturę Niejednokrotnie naprawiane turbosprężarki ulegają uszkodzeniu po przebiegu znacznie niższym niż zakładany. Przyczyną są najczęściej elementarne błędy popełnione podczas montażu turbosprężarki: nie sprawdzenie drożności przewodów olejowych, nie dokonanie wymiany oleju silnikowego i filtra oleju, nie oczyszczenie przewodu ssącego i filtra powietrza. Często również inne przeprowadzane naprawy silnika mogą być powodem uszkodzenia turbosprężarki Uszkodzenie spowodowane przedostaniem się silikonu technicznego stosowanego podczas montażu elementów silnika przedstawiono na rysunku 7.
Rys.7. Widok resztek silikonu w kanale turbosprężarki Zarówno w wyniku zużycia eksploatacyjnego jak i w wyniku awarii może dojść do uszkodzenia uszczelnienia i wycieku oleju. Objawia się to intensywnym dymieniem silnika niezależnie czy wyciek następuje po stronie spalin czy po stronie powietrza zasilającego. Problemy z ubytkiem oleju silnikowego i jego wycieki z turbosprężarki są najczęstszym powodem oddawania przez użytkowników turbosprężarki do naprawy. Warto nadmienić, iż często znaczny stopień zużycia zwiększa koszty naprawy, lub wręcz uniemożliwia jej przeprowadzenie a ewentualna naprawa sprowadza się w praktyce do odbudowy turbosprężarki z nowych elementów. Niektórzy producenci zalecają nawet prewencyjną wymianę turbosprężarek dla obniżenia kosztów jej naprawy a również uniknięcia ewentualnej awarii silnika[7]. Różnica w kosztach naprawy może wynosić nawet ponad 90% (różnica między kosztem naprawy ceną nowej turbosprężarki)[6]. Przykładowy widok turbosprężarki z uszkodzeniem uszczelnienia przedstawiono na rysunku 8. Rys.7. Widok wycieku oleju w turbosprężarce
Zużycie eksploatacyjne występuje w większości analizowanych przypadków, jakkolwiek według opini osób dostarczających turbosprężarki do naprawy niejednokrotnie okres użytkowania był zdecydowanie krótszy niż przewidywany, a nawet deklarowany przez producenta. Przykładowe użycie ścierne tulejek jak i wałów przedstawiono na rysunkach 8 i 9. Rys.8. Widok wałka turbosprężarki ze śladami zużycia ściernego Rys.9. Widok tulejek turbosprężarki ze śladami zużycia ściernego Dla szczegółowego określenia rodzaju zużycia przeprowadzono szczegółowe badania mikroskopowe powierzchni zużytych elementów. Badania mikroskopowe wykonano przy użyciu mikroskopu skaningowego (SEM) typ JSM-5600 firmy JEOL przy napięciu przyspieszającym 20 kv i prądzie katody ok. 0,2 10-10 A. Wybrane zdjęcia przedstawiono poniżej (10). Uzyskany obraz powierzchni jest zbieżny z otrzymanymi przez innych autorów opisujących zużycie turbosprężarek [4], [5].
Rys.10. Widok mikroskopowy tulejki turbosprężarki ze śladami zużycia ściernego Źródło: zdjęcie własne. W efekcie prowadzonych badań dokonano zestawienia ilościowego uszkodzeń turbosprężarek. W związku z faktem, iż występowało kilka rodzajów przyczyn uszkodzeń jednocześnie suma różni się od 100%. Warto zauważyć iż najczęstszą przyczyną naprawy turbosprężarek jest zużycie eksploatacyjne, występujące w 84 dostarczonych turbosprężarkach. Kolejną usterką stwierdzoną w 68 przypadkach były wycieki oleju. Dla wielu użytkowników jest to decydujący czynnik wpływający na podjęcie decyzji o naprawie turbosprężarki. Tabela 1. Uszkodzenia turbosprężarek Rodzaj uszkodzenia Ilość Zużycie wału i panewek 84 Wyciek oleju 68 Ciało obce w układzie zasilania 3 Ciało obce w spalinach 2 Zatarcie panewek brak smarowania 9 Silikon w układzie smarowania 1 Źródło: dane własne. Pozostałe przyczyny oddania turbosprężarki stanowiły zdecydowanie mniejszą grupę i wystąpiły łącznie w 15 przypadkach. Podsumowanie Awarie turbosprężarek są jedną z częstszych usterek występujących w obecnie stosowanych silnikach zarówno wysokoprężnych jak i benzynowych. Z partii analizowanych przypadków najczęstszą przyczyną niesprawności było nadmierne zużycie wału i panewek objawiające się głośną pracą i drganiami, najczęściej występujące w połączeniu z wyciekiem oleju. Najczęściej do awarii turbosprężarek przyczynia się niewłaściwa eksploatacja, oraz błędy popełnione podczas napraw silnika (często wymiany turbosprężarki). Uszkodzenia awaryjne najczęściej zaobserwowane w trakcie badań spowodowane są brakiem sma-
rowania lub jego usterkami. Sporadycznie występujące uszkodzenia spowodowane są uszkodzeniami ciałami obcymi w powietrzu zasilającym silnik lub w spalinach. Streszczenie W artykule przedstawiono najczęstsze przyczyny uszkodzeń turbosprężarek. Analizowano serię do naprawy turbosprężarek. Najczęściej występowało zużycie ścierne panewek oraz wału turbosprężarki. W istotny sposób można obniżyć koszty naprawy nie dopuszczając do awarii. Oprócz sugerowanego przez producenta przebiegu, czynnikiem decydującym o naprawie mogą być kontrole działania (wydajność, poziom drgań) oraz objawy eksploatacyjne: zużycie oleju, brak mocy. Abstract Damage analysis of turbochargers The article lists the most common causes of damage turbochargers. Analyzed a series of repair turbochargers. Was the most frequently the abrasive wear bearings and shaft of the turbochargers. In an important way to reduce the cost of repairs preventing crashes. In addition to the manufacturer's suggested course, factor in the repair can control the action (performance, vibration) and symptoms Supplies: oil consumption, lack of power. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. Masłowski J., Doładowanie silników, WKiŁ Warszawa, 2006. [2]. Stejskal T., Valenčík Š., Technická diagnostika - 1. Vyd, SjF TU, Košice [3]. Dudziński W., i in. Struktura i własności materiałowe łożysk ślizgowych turbo-sprężarek współpracujących z silnikami spalinowymi, Tribologia: tarcie, zużycie, smarowanie, nr 4/2002, Radom 2002, [4]. Drozd K., Olejnik K., Badania materiałowe elementów turbosprężarki pod kątemeliminowania przyczyn uszkodzeń eksploatacyjnych Zeszyty Problemowe WSOWL Wrocław 2013 [5]. Tian L., Wang W.J., Peng Z.J., Effects of bearing outer clearance on the dynamic behaviours of the full floating ring bearing supported turbocharger, Mechanical Systems and Signal Processing, no. 31/2012 [6]. www.mantruckandbus.pl [7]. Korczewski Z., Identyfikacja uszkodzeń układów turbodoładowania w eksploatacji silników okrętowych Zeszyty Naukowe Akademii Marynarki Wojennej Gdańsk 2007