Турбина. Устройство, проверка, советы по эксплуатации турбокомпрессора. Часть 2
Внимание! Это вторая часть статьи. Первая опубликована ранее: Турбина. Устройство, проверка, советы по эксплуатации турбины. Часть 1
В посте, во многих местах текста, я использую наименование ТУРБИНА, как название всего агрегата в целом. В первой части это вызвало споры. Именно автомобильный агрегат называют турбиной широкие массы - владельцы автомобилей, и даже специалисты, занимающиеся ремонтом турбин.
Турбина дует
Поэтому вношу ясность: если быть предельно точным, конечно, данный автомобильный агрегат называется ТУРБОКОМПРЕССОР. Он состоит из горячей части - ТУРБИНЫ. И холодной части - КОМПРЕССОРА. Выхлопные газы крутят турбинное колесо, кручение передаётся валом на компрессорное колесо, которое нагнетает воздух в камеру сгорания двигателя автомобиля. Это что касается терминологии.
Держу в курсе, что есть видео-версия статьи. Если удобнее слушать, воспользуйтесь этим вариантом. В видосе тот же текст и те же иллюстрации. Здесь видео на VK, внизу статьи на Youtube:
Что такое турбина с изменяемой геометрией или с регулируемым сопловым аппаратом (РСА), она же - VGT (Variable Geometry Turbocharger) или (VNT - variable nozzle turbine). На низких оборотах двигателя интенсивность потока выхлопных газов достаточно низкая. В этом режиме направляющие поток газов лопатки закрыты, чем достигается минимальное сечение в канале и поток направляется по максимально эффективной траектории.
Турбокомпрессор с изменяемой геометрией
Проходящее через узкий канал даже небольшое количество газов, получает бОльшую интенсивность и более эффективно крутит турбину. Турбокомпрессор обеспечивает бОльшую производительность на низких оборотах.
При езде на высоких оборотах двигателя выхлопные газы имеют максимум энергии. Чтобы исключить создание избыточного давления наддува лопатки в турбинах с изменяемой геометрией поворачиваются так, чтобы мощный поток газов двигался по широкому каналу с наибольшим поперечным сечением, тем самым снижая интенсивность потока.
Турбина с изменяемой геометрией
Если турбина выполнена с применением системы РСА, то есть с изменяемой геометрией, то неисправность актуатора, управляющего лопатками, о котором я говорил немного ранее, или неисправность самого механизма лопаток, его заклинивание, может стать причиной перекручивания турбины и выхода её из строя.
В этом случае сопловой аппарат не регулируется и постоянно остается в исходном положении, рассчитанным на минимальное давление выхлопных газов. Когда обороты двигателя повышаются, давление выхлопных газов растет, направляющие лопатки должны изменить своё положение, чтобы снизить интенсивность потока отработавших газов, но они остаются неподвижны. Как следствие – перекручивание турбины и перенаддув двигателя.
От чрезмерных нагрузок нарушается масляный клин, появляется дисбаланс ротора, подшипники подвергаются повышенному износу, повреждаются внешние части крыльчатки турбинного или компрессорного колеса, а под действием огромной центробежной силы, это еще больше усиливает дисбаланс. В лучшем случае, будут сорваны патрубки высокого давления. А в худшем случае – сломается вал ротора и может быть нанесен ущерб двигателю автомобиля.
Причиной перекручивания турбины может стать не только неисправность приводного механизма регулируемого соплового аппарата. Затруднение перемещения лопаток или полное блокирование механизма возможно всё по той же банальной причине – загрязнение, отложение кокса и механические повреждения лопаток продуктами износа в масле.
Если проблема еще не достигла своего апогея и лопатки еще не заклинили, а только подклинивают, это можно будет заметить, обратив внимание на возможные симптомы – подергивания при разгоне, потеря мощности двигателя, увеличение расхода топлива и появление на панели приборов индикации Check Engine.
Основной признак неисправности системы турбокомпрессора – потеря мощности автомобиля, что называют «машина не едет». Самый простой способ проверить создаёт ли турбина давление – это пощупать напорный патрубок на выходе из компрессора, когда второй человек повысит обороты двигателя до 3000-4000.
Еще одна система от исправности которой в большой мере зависит корректная работа турбокомпрессора – система вентиляции картера двигателя. Пара слов об этой системе. Картерными газами называют продукты сгорания топливовоздушной смеси, которые прорываются через негерметичность поршневых колец в картер двигателя. Небольшое количество картерных газов присутствует в любом, даже полностью исправном моторе.
У современных двигателей картерные газы направляются на дожигание во впускной воздушный тракт, то есть на впуск холодной части турбины. Если цилиндропоршневая группа двигателя исправна и количество картерных газов невелико, это не причиняет ущерба турбокомпрессору. Но если, в следствии износа поршневой группы двигателя, картерных газов становится слишком много – это становится проблемой.
В составе картерных газов - несгоревшее топливо, сажа, а также пары моторного масла, которые при попадании в турбину откладываются на ее поверхностях, что негативно влияет на балансировку турбины, а также ухудшает аэродинамические параметры крыльчаток из-за образования нагара на компрессорном колесе. Но это еще не всё.
Когда картерных газов становится слишком много, система вентиляции уже не справляется с отводом их во впускной тракт и в картере двигателя начинает повышаться давление. На самом двигателе это отражается в виде масляного запотевания примыкания картера, течей через прокладки или сальники. Для турбины это становится еще более губительно. И вот почему.
Масло, обеспечивающее смазку турбокомпрессора, поступает в него под давлением, равным давлению в системе смазки двигателя. Когда масло прошло через подшипники, давление масла сравнялось с давлением в картере. Из корпуса подшипников это масло сливается в картер двигателя «самотёком», оно не стремится в турбинную (горячую) часть и компрессорную (холодную часть), так давление там значительно выше. Если же давление картерных газов превышает норму, то повышается давление на выходе из центрального корпуса турбины и слив масла затрудняется. Также это возможно, если уменьшено сечение сливой магистрали из-за пережатия или закупорки.
Уплотнение между масляной полостью корпуса турбины и впускной (холодной), а также выпускной (горячей) полостью работает по принципу газодинамического затвора. Но когда из-за возросшего давления картерных газов увеличивается давление масла внутри центрального корпуса турбокомпрессора, турбокомпрессор начинает «кидать» масло даже будучи исправным. Если же имеется хотя бы незначительный износ уплотнительных колец, то этот эффект будет еще более выраженный.
Из этого следует, перед покупкой автомобиля с турбированным двигателем, не будет лишнем измерить или, хотя бы, оценить по косвенным признакам количество картерных газов. Это не только показатель исправности турбины, но и показатель исправности цилиндропоршневой группы самого двигателя.
Бывает иначе. Если двигатель и система вентиляции картера исправны, проблема может заключаться и в самом турбокомпрессоре. Из-за того, что в корпусе турбины, в горячей части, давление избыточное, а в центральном корпусе подшипников практически атмосферное, эти камеры изолированы друг от друга бесконтактными динамическими уплотнениями лабиринтного типа.
Лабиринт – зазор сложной формы между поверхностями канавки на валу ротора, и входящего в нее кольца прямоугольного сечения, аналогичного поршневому. Кольцо зафиксировано в корпусе подшипников. Когда вал с канавкой вращается относительно неподвижного кольца, то в «лабиринте» между ними создаются локальные зоны повышенного давления. Так достигается не полная, но достаточная непроницаемость уплотнения для газов и вязких жидкостей.
Если бы не было этого уплотнения, то отработанные газы из горячей части турбины пробивались бы в центральную часть корпуса подшипников, а оттуда в картер двигателя. Так и происходит, когда уплотнение с турбинной стороны ухудшается. Как правило, эффективность уплотнения снижается в результате механического износа его элементов - кольца и канавки на валу. А это, в свою очередь, следствие увеличения люфта ротора, из-за выработки подшипников. Одна проблема неизбежно влечет за собой другую и опять упирается в чистоту и качество масла.
С компрессорной стороны, то есть в холодной части картина иная. В режиме холостого хода или на малых оборотах, под крыльчаткой компрессора создаётся разряжение. В этот момент динамическое уплотнение препятствует прорыву картерных газов с парами масла во впускную систему. По мере увеличения оборотов и давления наддува, функция уплотнения меняется. Теперь уплотнение препятствует попаданию наддувного воздуха в центральную часть турбины и оттуда в картер двигателя.
Так как выброс масла наиболее вероятен именно через компрессорную, холодную часть, здесь применяется дополнительное уплотнение - маслоотражающие экран, двойные «лабиринты» и прочее. Тем не менее, даже на исправном турбокомпрессоре, уплотнение не герметично полностью, отработавшие и картерные газы с масляным туманом преодолевают уплотнение в незначительном количестве. Поэтому стоит понимать, что даже исправная турбина расходует масло, а напорные патрубки после компрессора внутри будут умеренно замаслены.
Если же весь корпус турбокомпрессора и патрубки покрыты обильным, свежим слоем масла снаружи, можно сделать очевидное предположение, что турбина гонит масло в избытке. А значит есть причина - одна из многочисленных проблем, которые я описываю.
Проницаемость лабиринтных динамических уплотнений не постоянна. На холостом ходу, когда вращение вала минимально, проницаемость увеличивается. А также, учитывая разряжение под компрессорным колесом, когда не происходит наддув, масляные пары преодолевают уплотнение в наибольшем количестве.
Именно поэтому производители турбокомпрессоров рекомендуют избегать продолжительной работы двигателя на холостых оборотах. И также поэтому, после длительного простоя на холостых, более 20-30 минут, после нажатия на педаль акселератора, можно увидеть сизый дым, вырывающийся из выхлопной трубы. Это нормально.
А вот постоянный сине-сизый дым или выброс дыма при работе двигателя в отдельных режимах, особенно при повышении оборотов – это плохой симптом, говорящий о том, что масла выбрасывается и сгорает слишком много. Как говорилось выше, причиной может быть износ подшипников скольжения ротора турбокомпрессора или неисправности, не связанные с турбиной напрямую. Например, проблемы с двигателем или системой вентиляции картера.
Проблема может быть предельно банальна – загрязненный воздушный фильтр. Если фильтр не способен пропускать достаточное количество воздуха, создаётся зона разряжения и происходит втягивание масла. Трещины, повреждения или другие причины негерметичности воздуховодов также могут провоцировать втягивание масла и потерю мощности двигателя.
Симптомом неисправности системы турбокомпрессора может быть не только сине-сизый дым из выхлопной трубы, но и чёрный. Черным дым свидетельствует о том, что топливовоздушная смесь переобогащённая. Это может быть как проблемой топливной системы, когда подаётся излишнее топливо, так и проблемой турбины, когда подаётся недостаточно воздуха. Это может оказаться неисправностью самого турбокомпрессора или банальной утечкой воздуха из-за негерметичности воздуховодов или интеркулера.
Кстати, загрязненный воздушный фильтр может также стать косвенной причиной повышенного механического износа деталей турбокомпрессора. Если фильтр забит, ротор затягивая воздух с большим усилием, перемещается в сторону центральной части, что передаёт большее усилие на упорный подшипник. В следствии этого масляный клин продавливается и начинается повышенный износ упорного подшипника, в следствии сухого трения. Если износ достигнет критического уровня и осевой люфт фатально увеличится, возможно касание компрессорного колеса по корпусу и его разрушение.
Не только повышенное сопротивление на впуске воздуха является проблемой, но и на выпуске. Кустарное изменение геометрии, уменьшение сечения выхлопной трубы или глушителя, неисправность катализатора повышают давление выхлопных газов в горячей части, что приводит к проблеме, описанной выше – повышенное воздействие на упорный подшипник, продавливание масляного клина, износ подшипника, осевой люфт, касание колесом ротора корпуса и его разрушение или обрыв вала.
Стоит отметить важность герметичности всех соединений системы турбокомпрессора. Во фланцевых соединениях необходимо использовать только новые прокладки. А сами фланцы не должны иметь повреждений или коррозийных раковин. К примеру, рассмотрим участок воздуховода от воздушного фильтра до входа в компрессор. Если герметичность на этом участке будет нарушена, то атмосферный воздух будет попадать на вход компрессора вместе с пылью. Как следствие – абразивный износ колеса компрессора, его разбалансировка и цепная реакция разрушения узлов турбокомпрессора.
Если негерметичность возникает на участке от компрессора до двигателя, это влечёт за собой потерю давления наддува, как следствие неверную работу актуатора. Актуатор будет срабатывать позднее, а значит велик риск перекручивания турбины. Чем это чревато, было рассказано ранее.
Из-за негерметичности на этом участке, может возникнуть другая проблема – возникновение резонанса клапанной группы с валом ротора турбины. Резонансная вибрация проявляется как свист или подвывание в турбине и может привести к выходу турбины из строя. Симптомы этой неисправности могут проявляться во всём диапазоне работы турбины или на определенных оборотах вращения.
Тем не менее, если турбина воет – это не говорит однозначно о негерметичности соединений. Тот же самый симптом может означать раннюю стадию разбалансировки колёс ротора или компрессора, их возможное повреждение. Если слышен скрежет или лязганье, дела совсем плохие – колесо турбины или компрессора уже задевает за края корпуса. Рекомендуется оценить звук работы турбины на холодном и разогретом двигателе, а также на различных оборотах.
Причиной свиста турбокомпрессора, что является показателем резонансной вибрации вала ротора, может оказаться даже негерметичность системы выхлопа – прогар резонатора, глушителя, негерметичность труб или прогар прокладок. В этом случае сам турбокомпрессор не виноват, а следует устранять просечки выхлопных газов в атмосферу.
Как еще можно проверить турбину в полевых условиях, кроме того, чтобы осмотреть её на предмет замасливания, оценить звуковое сопровождение её работы, а также цвет и запах выхлопных газов. Без частичной разборки системы, практически никак. Даже, чтобы осмотреть патрубки на предмет количества масла внутри или провести инспекцию трубки подачи масла, сливной трубки на предмет их проходимости и наличия отложений на стенках, их нужно демонтировать. Не говоря уже о проверке нагнетаемого давления после компрессора и разряжения до компрессора, с помощью манометра.
Если вы осматриваете автомобиль перед покупкой, не всякий продавец разрешит что-то откручивать у него под капотом вне автосервиса. Визит в автосервис, где можно оценить состояние турбины, хотя бы поверхностно, идея неплохая. Конечно, детальная диагностика возможна только в специализированном сервисе, на специальных стендах, с применением специального диагностического оборудования. Но если такого автосервиса рядом нет, не лишним будет посетить, хотя бы обычный.
Если снять патрубок с компрессорной части турбины, можно увидеть компрессорное колесо, зафиксированное на валу гайкой. Взявшись за эту гайку, можно проверить радиальный и осевой люфт, хотя бы приблизительно. А также можно оценить состояние целостности крыльчатки, наличия следов натиров о корпус, абразивного износа, объём масла и нагара. Напоминаю, что небольшое масляное запотевание корпуса компрессора – это норма.
Нормальный зазор между втулкой и корпусом подшипников – 0.09 мм, а между втулкой и валом 0.04 мм, в сумме 0.13 мм. Но учитывая, что мы проверяем радиальный люфт на краю вала, а проверяемые зазоры находятся ближе к его центру, то нужно учитывать плечо рычага. То есть на конце вала, нормальный люфт будет примерно до 0.8 мм. Чтобы его ощутить просто покачайте вал вверх-вниз.
Осевой люфт обеспечивает упорный подшипник. Чтобы оценить осевой люфт, покачайте вал вперед-назад, то есть вдоль самого вала. Для большинства современных легковых турбин нормальный люфт будет составлять до 0.1 мм. Если люфты заметно больше, турбина нуждается в ремонте.
Всегда стоит помнить – любая поломка турбокомпрессора чаще всего связана с какой-то сопутствующей неисправностью сопряженных систем, которая и стала причиной поломки турбокомпрессора. Мало просто его отремонтировать. Обязательно нужно найти причину поломки, иначе после ремонта или установки нового турбокомпрессора, его будет ждать повторение участи предыдущего.
Компьютерная диагностика турбины
Что касается компьютерной диагностики турбины, логично начать с чтения ошибок в электронных блоках управления. Конечно, если ошибка текущая, то скорее всего, на приборке будет гореть индикатор Check Engine. Но если неисправность плавающего характера, то ошибка может быть исторической. В этом случае, узнать о её наличии можно будет только с помощью диагностического сканера. Самая распространенная ошибка – низкое давление наддува. Также может присутствовать ошибка по высокому давлению или иные ошибки, расшифровку кодов которых несложно найти в интернете.
На большинстве турбированных двигателей можно оценить состояние турбокомпрессора путем снятия показаний с датчика давления наддува, который установлен после компрессорного колеса, а также данных степени открытия вестгейта или скважности клапана управления актуатором – N75. Скважность должна быть обратно пропорциональна оборотам двигателя - обороты растут, скважность падает. Эти данные можно получить из электронного блока управления, используя диагностический сканер.
Если турбина имеет изменяемую геометрию, проводится проверка исполнительных механизмов, отвечающих за изменение этой самой геометрии. Тесты исполнительных механизмов проводятся также с помощью диагностического сканера. Если актуатор электро-механический, то всё еще проще – можно прочитать данные датчика положения штока.
Следует понимать, что для разных двигателей и турбокомпрессоров заданные параметры работы различаются. Поэтому, перед диагностикой необходимо выяснить заводские параметры для сравнения их с текущими параметрами.
Видео-версия на Youtube:
Полное руководство "Как выбрать и проверить автомобиль с пробегом":
Подбор авто. Как выбрать автомобиль с пробегом.
А также советы пикабушникам о том, как продать автомобиль:
Как продать автомобиль быстро и дорого
