Ремонт и диагностирование турбокомпрессоров

Ремонт и диагностирование турбокомпрессоров

Задание

Выбрать агрегат автомобиля, для которого необходимо оценить техническое состояние или провести ТР.

Изучить особенности конструкции и принцип действия агрегата.

Определить параметры узла или агрегата, по которому оценивается техническое состояние или особенности выполнения ТР.

Разработать возможные методические оценки технического состояния агрегата автомобиля.

Для выбранной методики спроектировать технологическое оборудование, позволяющие оценить техническое состояние агрегата или снизить трудоемкость ремонта.

Выбрать компоновочную схему оборудования с учетом размещения агрегатов и

особенностью подключения и оценить эргономические показатели рабочего места.

Выбрать кинематическую схему.

Спроектировать несущие конструкции с учетом перемещения агрегата или механизма.

Разработать способы переключения или подключения испытаний агрегата к технологическому оборудованию.

Если это необходимо обеспечить подвод коммуникаций.

Произвести расчет эксплуатационных параметров и подбор стандартных элементов.

Сделать вывод о соответствии спроектированного оборудования выдвинутым требованиям.

Нагнетание воздуха при помощи турбокомпрессора

Мощность, развиваемая двигателем, зависит от количества воздуха и смешанного с ним топлива, которое может быть подано в двигатель. Если нужно увеличить мощность двигателя, нужно увеличить как количество подаваемого воздуха, так и топлива. Подача большого количества топлива не даст эффекта до тех пор, пока не появится достаточное для его сгорания количество воздуха, иначе образуется избыток несгоревшего топлива, что приводит к перегреву двигателя, который к тому же сильно дымит.

Увеличение мощности атмосферного двигателя может быть достигнуто путем увеличения либо его рабочего объема, либо оборотов. Увеличение рабочего объема, сразу же увеличивает вес, размеры двигателя и в конечном итоге его стоимость. Увеличение оборотов проблематично из-за возникающих при этом технических проблем, особенно в случае двигателя со значительным рабочим объемом.

Технически приемлемым решением проблемы увеличения мощности, является использование нагнетателя (компрессора). Это означает, что подающийся в двигатель воздух сжимают перед его впуском в камеру сгорания.

Другими словами, компрессор обеспечивает подачу необходимого количества воздуха, достаточного для полного сгорания увеличенной дозы топлива. Следовательно, при прежнем рабочем объеме и тех же оборотах мы получаем большую мощность.

Существует два основных типа компрессоров: с механическим приводом и «турбо» (использующие энергию отработанных газов). Кроме того, существуют также комбинированные системы, например, турбокомпаундная. В случае компрессора с механическим приводом необходимое давление воздуха получают благодаря механической связи между коленвалом двигателя и компрессором. В турбокомпрессоре давление воздуха получают благодаря вращению турбины потоком отработавших газов.

В принципе, любой турбокомпрессор состоит из центробежного воздушного насоса и турбины, связанных при помощи общей жесткой оси между собой. Оба эти элемента вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью. Энергия потоков отработавших газов, которая в обычных двигателях, преобразуется здесь в крутящий момент, приводящий в действие компрессор. Происходит это так. Выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление. Они разгоняются до большой скорости и вступают в контакт с лопатками турбины, которая и преобразует их кинетическую энергию в механическую энергию вращения (крутящий момент).

Это преобразование энергии сопровождается снижением температуры газов и их давления. Компрессор засасывает воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Количество топлива, которое можно смешать с воздухом, при этом можно увеличить, что позволяет двигателю развивать большую мощность. Кроме того, улучшается процесс сгорания, что позволяет увеличить характеристики двигателя в широком диапазоне чисел оборотов.

Между двигателем и турбокомпрессором существует связь только через поток отработавших газов. Частота вращения турбокомпрессора напрямую не зависит от числа оборотов двигателя и характеризуется некоторой инерционностью, т.е. сначала увеличивается подача топлива, увеличивается энергия потоков отработавших газов, а затем уже увеличиваются обороты турбины и давление нагнетания и в цилиндры двигателя поступает еще больше воздуха, что дает возможность увеличить подачу топлива.

Подача и давление воздуха в турбокомпрессоре без регулирования давления наддува, прямо пропорциональны энергии отработавших газов, т.е. числу оборотов турбины.

Для двигателей, работающих в широком диапазоне оборотов (например, в легковом автомобиле), высокое давление наддува желательно даже на низких оборотах. Именно поэтому будущее принадлежит турбокомпрессорам с регулируемым давлением. Небольшой диаметр современных турбин и специальные сечения газовых каналов способствуют уменьшению инерционности, т.е. турбина очень быстро разгоняется и давление воздуха очень быстро достигает требуемого значения. Регулировочный клапан следит за тем, чтобы давление наддува не возрастало выше определенного значения, при превышении которого двигатель может быть поврежден.

Типы выпускных систем с турбокомпрессором

Существует два основных типа выпускных систем с турбокомпрессором: с постоянным давлением на входе в турбину и с импульсным давлением на входе в турбину.

Применяются оба типа, иногда в комбинированных вариантах. Выбор определяется типом двигателя, количеством цилиндров, спецификой использования и множеством других факторов.

В выпускных системах с постоянным давлением на входе в турбину отработавшие газы от всех цилиндров собираются в общем выпускном коллекторе и затем, при почти постоянным давлении, направляются к турбокомпрессору.

В выпускных системах с импульсным давлением на входе в турбину используется выпускной коллектор типа «спагетти», в этом случае отработавшие газы подводятся к турбокомпрессору по отдельным патрубкам, идущим от каждого цилиндра, что позволяет использовать резонансные явления в выпускном коллекторе и добиться максимальной производительности от турбокомпрессора в узком диапазоне чисел оборотов.

Дополнительные системы

Охлаждение наддувочного воздуха (intercooler)

Когда предмет сжимают, он нагревается. Воздух, сжатый турбокомпрессором, тоже нагревается и расширяется. Горячий воздух обладает меньшей плотностью и содержит значительно меньше кислорода, чем холодный; поэтому необходимо охладить воздух, так как большее количество кислорода означает большее количество сгоревшего топлива, т.е. двигатель развивает большую мощность.

По этой причине выходящий из компрессора сжатый воздух сначала проходит через радиатор, где охлаждается перед подачей в двигатель.

Подача в двигатель более холодного воздуха заметно снижает температурную нагрузку, что благоприятно влияет на его надежность и долговечность.

Существуют охладители типа «воздух / воздух» и системы, которые используют охлаждающую жидкость для охлаждения воздуха («охлаждающая жидкость / воздух»).

Турбокомпаунд

Улучшение температурной отдачи двигателя – одна из важнейших задач в процессе модернизации двигателей внутреннего сгорания. В этой связи очень перспективным является турбокомпаунд. Поэтому многие производители двигателей работают в этом направлении; особенно это касается дизельных двигателей с рабочим объемом от 10 до 20 л.

Принцип работы турбокомпаунда состоит в том, что отработавшие газы сначала приводят в действие одну турбину, а при выходе из нее – другую турбину, а затем уже отводятся в выхлопную трубу.

Вторая турбина не приводит в действие компрессор, а помогает вращать коленвал двигателя через гидромуфту и шестеренчатый редуктор.

Турбокомпаунд имеет хорошие перспективы, поскольку энергия отработавших газов будет снова приносить пользу. Вторая турбина дополнительно снижает температуру отработавших газов примерно на 100 °С.

Турбокомпаунд уже используется в серийных двигателях концерна Scania.

Загрязненное масло

Мелкие частицы загрязнения – не могут быть замечены в масле визуально, но о причине износа поверхности говорит округление внешних граней. Часто подшипник компрессора, может сужаться на внешнем диаметре.

Крупные частицы загрязнения – перенесенные маслом большие частицы загрязнения, могут проточить глубокие канавки, как показано слева. Отверстие в подшипнике может быть также задрано, но обычно в меньшей степени. Вал и центр корпуса обычно повреждаются немного меньше, т. к. изготовлен из более твердого материала. Световой блик, показанный ниже, был образован перенесенными маслом крупными частицами загрязнения.

Химическое загрязнение – причина большого износа опорного вала и перегрева. Визуальные признаки являются почти такими же, как и от недостаточного смазывания. Обычно причиной является разжижение масла топливом, уменьшающим смазочные свойства масла.

Недостаточное смазывание.

Минимальное смазывание – там, где уменьшена подача масла на турбину (например, когда материалы прокладки частично блокируют доступ маслу или образовывают кромку). Характеризуется чрезвычайным обесцвечиванием вала и шейки вала (как показано ниже).

Полное отсутствие масла – по подобным причинам, дает аналогичные повреждения, но более крупные. Повреждение происходит очень быстро!