Dlaczego padło turbo?

Na tym pięknym przekroju widać drogę jaką pokonuje olej silnikowy smarując i chłodząc korpus turbosprężarki.

PO CO NAM TURBOSPRĘŻARKI?

Powiecie, że w celu zwiększenia mocy silnika. Dobrze, ale nie tylko. Turbosprężarka pozwala na zmniejszenie obciążenia układu korbowo-tłokowego. Pozwala też ograniczyć zużycie paliwa i emisję szkodliwych związków do atmosfery. Tak, tak. Turbosprężarka jest EKO! Wpadlibyście na to? Jak widzicie nie tylko o moc chodzi.

Turbosprężarka jest urządzeniem prostym jak konstrukcja gwoździa. Wiecie, ile jest w niej elementów ruchomych? Można powiedzieć, że tylko jeden. Wałek z dwoma wirnikami. Oczywiście w takiej najprostszej konstrukcji. W tych bardziej rozbudowanych mamy jeszcze kierownice spalin po stronie turbiny i zawór upustowy, tak zwany waste gate. Jest on potrzebny, żeby turbo nie przedobrzyło. Jeśli rosną obroty silnika wzrasta też ciśnienie spalin, a co za tym idzie, prędkość obrotowa wirników. Wzrasta ciśnienie doładowania i jeśli w pewnym momencie nie ograniczymy go to dojdzie do pracy silnika na ubogiej mieszance lub jeśli da się podawać więcej i więcej paliwa, to…. Coś musi ustąpić. Może urwie się korba, a może tłok. Dlatego musimy mieć wpływ na ciśnienie doładowania.

W tym przypadku doszło do zatarcia łożyskowania. Najprawdopodobniej w wyniku braku smarowania.

Kierownice spalin dbają o jak najlepsze wykorzystanie ich energii do napędzenia wirników. Oczywiście nie w zawsze zależy nam na jak najwyższym ciśnieniu doładowania. I tu pojawia się problem. Wirnik ma pewną bezwładność. Duży większą, a mały mniejszą. Duży jest bardziej efektywny, ale potrzebuje więcej czasu na rozkręcenie się i więcej za zmniejszenie obrotów. Mały szybciej się rozkręci, ale straci „oddech”. Dlatego stosuje się na przykład układy z dwiema turbosprężarkami. Jak mała już nie ma siły, to ta duża dopiero się rozkręca.

Czasem luz na panewce jest tak duży, że wirnik zaczyna ocierać się o obudowę. Tu doszło do takiego zjawiska po stronie turbiny, czyli po stronie gorącej. Dużo bardziej niebezpieczne jest uszkodzenie sprężarki. Jej kawałki mogą wpaść do cylindrów.

JAK DZIAŁA TURBOSPRĘŻARKA?

Wykorzystuje spaliny, czyli około 30% energii wytworzonej w wyniku spalania paliwa, do napędzenia turbiny. Turbina za pośrednictwem wałka przenosi obroty na sprężarkę, która wtłacza powietrze do układu dolotowego. Oczywiście jest to duże uproszczenie, ale akceptowane dla naszych potrzeb.

Ciśnienie spalin rozkręca wirniki do prędkości około 100-200 tys. obr.min. Dla porównania, silnik turbowentylatorowy w samolocie pasażerskim osiąga około 20 tys. obr/min. Czujecie różnicę? W silnikach lotniczych za smarowanie odpowiada olej przekładniowy, w naszych silnikach jest to oczywiście olej silnikowy. Nie ma on łatwego życia.

Temperatura pracy turbosprężarki wynosząca ok. 200 st. C, a w stanach maksymalnego obciążenia dochodząca do 300 st. C, powoduje utlenianie oleju. Produktem tego szkodliwego procesu są osady wysokotemperaturowe, najczęściej zmniejszające (zatykające) średnicę kanałów smarowych turbosprężarki. Powoduje to spadek wydajności smarowania wałka turbosprężarki, czego konsekwencją jest uszkodzenie jej łożysk.

Michał Izdebski, dział techniczny Castrol

Ta nieduża turbosprężarka o stałej geometrii wyposażona jest w chłodzenie cieczą. Obieg cieczy realizowany jest poprzez widoczne na zdjęciu dwa otwory.

SKORO BUDOWA TURBOSPRĘŻAREK JEST TAKA PROSTA TO DLACZEGO POTRAFIĄ TYLE KOSZTOWAĆ?

Kosztują prace badawcze. Optymalizacja kanałów, którymi przepływają spaliny i tłoczone powietrze. Zmiana kształtu łopatek wirników, badania nowych materiałów i rozwiązań. Obecnie w turbosprężarkach stosuje się na przykład powłoki ceramiczne, różne rozwiązania konstrukcyjne wirników, chłodzenie cieczą… To wszystko kosztuje. A chodzi nam nie tylko, jak wcześniej wspomniałem, o wzrost mocy, ale i o optymalizację pracy turbosprężarki. Chcemy z niej wycisnąć jak najwięcej.

Po stronie gorącej, czyli turbiny, stosuje się zawór upustowy. W autach cywilnych jest to bypass. Po jego otwarciu część spalin przelatuje przez turbosprężarkę nie napędzając turbiny. W ten sposób można regulować ciśnienie doładowania.

USTERKI TURBOSPRĘŻAREK

No dobrze, to co może się zepsuć w tak prostym urządzeniu? Awarie mogą być spowodowane wadami materiałowymi i konstrukcyjnymi, ale też zaniedbaniami serwisowymi i eksploatacyjnymi.

Oczywiście eksploatacja jest najważniejsza. Po pierwsze, to o czym wspomniałem na wstępie. Delikatnie obchodzimy się z gazem w pierwszych chwilach jazdy, chłodzimy turbo po forsownej jeździe. Oczywiście stosujemy najlepszy dostępny na rynku olej silnikowy, zaakceptowany przez producenta naszego auta. W starszych autach możemy zastosować oleje przewyższające wymagania sprzed lat. Nie wydłużamy okresu między wymianami oleju. Olej zawsze wymieniamy z filtrem.

Tu widzimy podciśnieniowy mieszek sterujący zaworem upustowym, otwory układu chłodzenia i otwór, przez który olej odprowadzany jest do silnika.

Napisałem oczywiste rzeczy? Tak, ale kto z was pomyślałby, że bardzo ważny jest stan osłon termicznych na silniku, czy stan przewodu, którym olej wraca z turbosprężarki do silnika?

Okazuje się, że jak nam „jakaś blaszka” odpadnie, to może się to skończyć awarią turbo. Dlaczego? Wyobraźmy sobie, że przewód olejowy, dzięki któremu zapewnione jest smarowanie turbosprężarki przebiega w taki sposób, że gdyby nie osłona, to będzie narażony na dużo wyższą temperaturę. Osłona odpada i co się dzieje? Na dolocie środka smarnego do podpór wałka łączącego turbinę ze sprężarką zaczynają zachodzić niekorzystne zmiany. Olej przepływający w stalowej rurce zaczyna ulegać przegrzaniu. Może dojść do wytrącenia stałych osadów, które dostaną się do łożysk ślizgowych. Mogą też one zatkać sitko na śrubie mocującej przewód kolejowy do kadłuba turbosprężarki. Efektem tego będzie zanik smarowania.

Jak to się skończy? 150000 obr/min bez smarowania? Koniec!

W turbosprężarkach ze zmienną geometrią (bardzo nieprecyzyjne określenie) coraz częściej mamy do czynienia ze sterowaniem elektrycznym. Jeśli chcemy sprawdzić, czy kierownice gazów nie zapiekły się, pod żadnym pozorem nie wolno poruszać popychaczem poprzez klucz płaski. Doprowadzi to do połamania kół zębatych silnika krokowego.

Dopływ oleju to jedno, a odpływ to druga sprawa. Są silniki, w których przewód odpływowy to po prostu gumowa rura. Niestety, pracuje ona w ciężkich warunkach. Może dojść do jej rozwulkanizowania. Przepływ oleju może być zaburzony. Kłopot gotowy.

Niestety bardzo często, kiedy padnie turbosprężarka, w warsztacie usuwającym usterkę, nikt nie sprawdzi poprawności montażu i stanu technicznego wszystkich elementów mających wpływ na pracę turbo.

Czarny element po prawej stronie to elektryczne sterowanie wydatkiem turbiny. W pudełku znajdziemy silnik krokowy i przekładnię ślimakową.

Zdarza się też, że niewielka awaria przeradza się w poważną w wyniku nieumiejętnych działań mechanika lub właściciela auta. Dam wam przykład.

W starszych typach turbosprężarek, z tak zwaną zmienną geometrią, czyli z kierownicami spalin po stronie gorącej, dochodziło do zapiekania się tych kierownic. Wynikało to ze zbyt delikatnej jazdy i/lub jakości paliwa, co przekładało się na ilość nagaru osadzającego się u układzie wydechowym. Kierownice gazów przestawiane były popychaczem podłączonym do mieszka podciśnieniowego. Czasem też sam mieszek przedwcześnie kończył swój żywot. Tak czy inaczej, żeby sprawdzić czy wszystko działa, mechanik brał klucz i przy jego pomocy ruszał popychaczem. To dawało jakieś pojęcie na to co się dzieje w turbosprzężarką. Jeśli wszystko ruszało się płynnie to trzeba było dalej szukać usterek.

Wielkość ma znaczenie. Po prawej stronie turbosprężarka przeznaczona do auta osobowego. Po lewej do ciężarówki.

Obecnie sterowanie powierzono układom elektrycznym z silnikami krokowymi. Problem w tym, że stosuje się w tych rozwiązaniach przekładnie ślimakowe. Mają one tę „wadę”, że działają w jedną stronę. Czyli moment obrotowy można przenieść tylko ze ślimaka na koło zębate. Niestety, jeśli mechanik nie ma doświadczenia i chce sprawdzić czy kierownice spalin nie są zapieczone i za pośrednictwem klucza poruszy popychaczem, to może połamać koła zębate w przekładni.

Turbosprężarka może też przestać działać ze starości. Osprzęt zewnętrzny może ulec wyeksploatowaniu.

Jak widzicie, trzeba bardzo uważać podczas eksploatacji aut z silnikami doładowanymi. Oczywiście nie demonizowałbym, ale te silniki wymagają od mechaników trochę wyższych kwalifikacji. Również właściciel auta powinien być świadomy potrzeb swojego auta. Wszystkie elementy muszą być na swoim miejscu, olej w misce olejowej musi być najwyższej jakości, a kierowca powinien znać podstawowe zasady eksploatacji auta z takim silnikiem. Jeśli już dojdzie do awarii, to należy dołożyć wszelkich starań aby usunąć prawdziwą jej przyczynę. Samo stwierdzenie, że na przykład zatarł się wałek, to za mało. Trzeba sprawdzić z jakiego powodu się zatarł. Czy wynikało to z niskiej jakości oleju, jego wyeksploatowania, niedrożności układu smarowania, czy może układ dolotowy był nieszczelny. A może osłony termiczne układu wydechowego odpadły?

Wszystko to pozwoli po naprawie cieszyć się kolejnymi nawijanymi na koła kilometrami.