Диагностика и устранение неисправностей дизельных турбокомпрессоров | Beacon Diesel

Диагностика и устранение типичных неисправностей систем турбонаддува

Высокотемпературные и высокоскоростные выхлопные газы, выбрасываемые из цилиндра дизельного двигателя, поступают в турбину турбокомпрессора, приводя во вращение ротор турбины. Турбина, в свою очередь, приводит во вращение крыльчатку компрессора, находящуюся на том же валу, сжимая всасываемый воздух, повышая давление и направляя его во впускной патрубок, а затем в цилиндр. Это позволяет увеличить плотность воздуха в цилиндре, давая возможность большему количеству топлива сгорать полностью, тем самым повышая мощность дизельного двигателя и снижая расход топлива. Благодаря улучшению условий сгорания не только снижается выброс вредных веществ с выхлопными газами, но и уменьшается шум работы дизельного двигателя.

Турбокомпрессор — это силовой агрегат, вращающийся со сверхвысокими скоростями в условиях высоких температур. Его рабочая скорость при полной нагрузке обычно составляет от 80 000 до 120 000 об/мин, а максимальная может достигать более 200 000 об/мин. Такое высокоскоростное вращающееся оборудование часто выходит из строя из-за неправильной установки и эксплуатации, что приводит к невозможности нормальной работы дизельного двигателя.

Независимо от того, является ли используемый турбокомпрессор отечественным или импортным, срок его службы, как правило, не достигает ожидаемого предела. Более 90% коренных причин — это неправильная установка и использование. Серьезная перегрузка или несанкционированное изменение характеристик впрыска топлива являются основными факторами, влияющими на срок службы турбокомпрессора. Типичные неисправности системы турбонаддува приведены ниже.

8.1.1 Недостаточный впуск воздуха

Недостаточный впуск означает нехватку воздуха, вызванную засорением в определенных частях, отличных от входа в компрессор турбокомпрессора. Основные причины:

1. Засорение элемента воздушного фильтра. Воздушные фильтры включают бумажные фильтрующие элементы и предохранительные (войлочные) фильтрующие элементы. Дизельные двигатели, работающие в суровых условиях, используют масляно-инерционные воздушные фильтры. Независимо от типа воздушного фильтра, фильтрующий элемент необходимо обслуживать, чистить или заменять после определенного периода использования. Если элемент воздушного фильтра не обслуживать, не чистить или не заменять в течение длительного времени, фильтрующий элемент может потерять пропускную способность из-за чрезмерного налипания пыли.

2. Засорение во впускном патрубке. Во впускном трубопроводе перед компрессором обычно имеются резиновые переходные шланги. Если эти резиновые шланги перекручены, сплющены из-за внешней силы или их внутренний слой отслоился, это может привести к неисправности в виде недостаточного впуска.

(1) Симптомы неисправности
После возникновения недостаточного впуска на участке отрицательного давления дизельный двигатель будет демонстрировать такие симптомы, как аномальный выхлоп (черный дым) и недостаточная мощность. Также могут возникать такие явления, как перегрев и покраснение корпуса турбины турбокомпрессора.

(2) Диагностика неисправности
Когда впуск воздуха перед компрессором затруднен, следует всесторонне проверить, есть ли проблемы с вышеуказанными деталями, и заменить воздушный фильтр или резиновый переходной шланг впускного патрубка. Конкретные шаги и требования к диагностике можно найти в соответствующих разделах далее в этой главе.

(3) Устранение неисправности
Если проверка выявит, что элемент воздушного фильтра загрязнен или во впускном трубопроводе имеется засор, следует заменить элемент воздушного фильтра и поврежденные соответствующие трубы и уплотнения.

(4) Пример неисправности: Перегрев, вызванный недостаточным впуском

• ① Симптомы неисправности: Импортный скрепер (погрузочно-транспортная машина), оснащенный дизельным двигателем модели 3208. Во время строительных работ он случайно опрокинулся на правый бок. После подъема повреждения показались незначительными. После простого обслуживания работа продолжилась, но вскоре появились симптомы чрезмерной температуры охлаждающей жидкости, частые сигналы тревоги и недостаточная мощность скрепера.

• ② Диагностика неисправности:Воздушный фильтр, установленный на этой машине, имеет одноступенчатую сухую конструкцию с двумя большими бумажными фильтрующими элементами внутри. Фильтрующий элемент пропитался моторным маслом, вытекающим из дизельного двигателя при опрокидывании оборудования. В то время на строительной площадке не было запчастей для замены, поэтому фильтрующий элемент просто промыли и продолжили использовать. Вскоре после этого появился вышеуказанный симптом неисправности. Поэтому возникло подозрение, что неисправность вызвана загрязнением воздушного фильтра. После снятия элемента воздушного фильтра и кратковременного запуска дизельного двигателя симптом неисправности не повторился, что подтвердило, что неисправность действительно была вызвана элементом воздушного фильтра.

• ③ Причина неисправности: Эта машина оснащена дизельным двигателем с турбонаддувом большого объема, требующим большого количества воздуха. После того, как фильтрующий элемент пропитался моторным маслом, он быстро забился масляным шламом и пылью. Это вызвало резкое снижение объема всасываемого воздуха в цилиндр. Дизельное топливо не могло сгорать полностью и продолжало гореть позже (догорание в выхлопной трубе), что не только снизило мощность, но и вызвало повышение температуры двигателя.

• ④ Устранение: После замены элемента воздушного фильтра температура двигателя вернулась к норме, сигнальная лампа погасла, и неисправность исчезла.

Теплое напоминание: Затрудненный запуск (или невозможность запуска), недостаточная мощность и аномальный выхлоп, вызванные грязными элементами воздушного фильтра и засоренными впускными трубами, не являются редкостью. Поэтому, когда в дизельном двигателе возникают такие неисправности, если причина ищется в других частях, но неисправность не удается устранить, возможно, необходимо проверить элемент воздушного фильтра и всю впускную систему. Не думайте всегда, что новый воздушный фильтр в сборе определенно не имеет проблем; иногда недавно замененные фильтрующие элементы также могут иметь плохую пропускную способность.

8.1.2 Помпаж компрессора

Когда турбокомпрессор работает, если поток воздуха компрессора уменьшается до определенного уровня, воздушный поток компрессора начинает сильно колебаться, вызывая вибрацию лопастей, сопровождаемую аномальным шумом, и давление наддува значительно падает. Это явление называется помпажем компрессора. Его причины заключаются в следующем:

(1) Пульсация давления во впускном патрубке
Колебания давления во впускном патрубке дизельного двигателя оказывают большое влияние на помпаж, особенно для 6-8 цилиндровых дизельных двигателей, где колебания давления относительно велики. Поскольку частота пульсации во впускном патрубке дизельных двигателей низкая, а амплитуда большая, помпаж возникает легко.

• Устранение неисправности: Установить ресивер (стабилизатор) воздуха на входе в компрессор для уменьшения пульсации давления; соответствующим образом увеличить объем впускного патрубка для уменьшения амплитуды пульсации; V-образные 8-цилиндровые дизельные двигатели могут соединять левый и правый впускные патрубки толстой трубой.

(2) Пропуск зажигания в отдельном цилиндре
Когда два комплекта турбокомпрессоров (при условии, что каждый соединяется с 3 цилиндрами) делят одну выхлопную трубу, если один цилиндр в одной группе дает пропуск зажигания, турбокомпрессор этой группы уйдет в помпаж. Это происходит потому, что после пропуска зажигания в одном цилиндре энергия выхлопа уменьшается, скорость турбины снижается, в то время как давление во впускном патрубке все еще поддерживается другой группой турбокомпрессоров, которая работает нормально. В это время компрессор вызывает помпаж из-за недостаточной мощности, поглощаемой турбиной.

• Устранение неисправности: Проверьте рабочее состояние каждого цилиндра дизельного двигателя (можно использовать такие методы, как метод пульсации топливопровода высокого давления и определение температуры выпускного коллектора), найдите цилиндр, который не работает, и отремонтируйте (или замените) топливную форсунку этого цилиндра или другие поврежденные детали по мере необходимости.

(3) Изменение рабочей нагрузки
Если необходимо быстро сбросить газ при переключении передач, ротор турбокомпрессора продолжает вращаться с относительно высокой скоростью по инерции. Газу, нагнетаемому компрессором, некуда деваться, и сопротивление на впуске велико, что вызывает помпаж.

• Устранение неисправности: Добавление впускного перепускного клапана (клапан сброса давления или blow-off) может предотвратить помпаж и увеличить срок службы турбокомпрессора.

(4) Нагар в каналах турбокомпрессора
Сильные отложения нагара или скопление грязи в воздушном канале компрессора или газовом канале турбины турбокомпрессора увеличивают сопротивление канала, что вызовет помпаж компрессора.

• Устранение неисправности: Проверьте и очистите соответствующие каналы турбокомпрессора, прочистите все трубы впускной и выхлопной системы; избежание закупорки соответствующих каналов имеет решающее значение для предотвращения помпажа турбокомпрессора.

Теплое напоминание: При проектировании дизельного двигателя с турбонаддувом соответствие турбокомпрессора и дизельного двигателя тщательно рассчитывается. Поэтому вероятность помпажа в оригинальных комплектующих относительно мала. Однако, если технические параметры замененного турбокомпрессора сильно отличаются от оригинального продукта во время технического обслуживания, или если атмосферный дизельный двигатель самостоятельно переделывается в дизельный двигатель с турбонаддувом, вероятность возникновения помпажа во время использования намного выше из-за неправильного подбора. Поэтому при обслуживании турбокомпрессора, особенно при замене узла в сборе, следует уделять особое внимание соответствию технических параметров.

8.1.3 Недостаточное давление наддува

Когда падает давление наддува, объем воздуха в дизельном двигателе уменьшается, мощность падает, расход топлива увеличивается, а температура выхлопных газов повышается. Поэтому, если обнаружено падение давления более чем на 10%, остановитесь и проверьте. Основные причины снижения давления наддува:

(1) Факторы воздушного фильтра
Элемент воздушного фильтра забит пылью, вызывая блокировку, или во впускном патрубке есть засор, резиновый шланг перекручен или деформирован и т.д., что увеличивает сопротивление впуска, увеличивая потери на всасывании компрессора, что приводит к падению давления.

• Устранение неисправности: В это время очистите или замените элемент воздушного фильтра и проверьте, не перекручены ли, не сложены ли и не сплющены ли соответствующие трубопроводы всей впускной системы.

(2) Загрязнение канала компрессора
Из-за плохого эффекта удаления пыли воздушным фильтром, пыль и моторное масло прилипают к крыльчатке турбокомпрессора и каналу диффузора, увеличивая сопротивление воздушному потоку и снижая эффективность компрессора и давление наддува.

• Устранение неисправности: Для предотвращения и избежания этого явления, помимо поддержания или улучшения фильтрующего эффекта воздушного фильтра, компрессор турбокомпрессора следует регулярно разбирать и промывать.

(3) Нагар на турбине
Из-за плохого сгорания в дизельном двигателе и утечки масла из-за отказа уплотнения турбокомпрессора, нагар скапливается на лопастях турбины, а также между вращающимся валом и уплотнительным кольцом, увеличивая сопротивление вращению ротора, затрудняя запуск дизельного двигателя и ухудшая ускорение.

• Устранение неисправности: Регулярно обслуживайте турбокомпрессор и очищайте турбину турбокомпрессора, чтобы максимально избежать неисправностей, связанных со сгоранием масла в дизельном двигателе.

(4) Утечка воздуха
Утечка в выпускном коллекторе или импульсной трубе приведет к снижению скорости турбины, вызывая падение давления наддува. Кроме того, утечка во впускном патрубке или засорение интеркулера также приведет к падению давления наддува.

• Устранение неисправности: В это время обратите внимание на наблюдение и прослушивание звуков утечки воздуха или других аномальных явлений; тщательно проверьте выхлопную трубу перед турбиной и систему впускных трубопроводов после компрессора.

(5) Отказ регулирующего устройства
Клапан управления давлением наддува (вестгейт) выходит из строя из-за чрезмерно высокой температуры. Клапан сброса воздуха не закрывается плотно из-за отложений нагара, что приводит к отказу регулирования. Когда давление наддува низкое, выделяется большое количество выхлопных газов, что вызывает падение давления наддува.

• Устранение неисправности: Выполните соответствующий ремонт регулирующего клапана давления турбокомпрессора.

(6) Плохой выхлоп
Плохой выхлоп из турбины увеличивает сопротивление выхлопа, расширение газа в турбине в определенной степени тормозится, что приводит к снижению эффективности турбины, снижению скорости турбокомпрессора и падению давления наддува. Причиной является деформация выхлопной трубы или засорение глушителя выхлопа.

• Устранение неисправности: Проверьте и прочистите выхлопную систему, уделив особое внимание проверке того, не заблокированы ли глушитель выхлопа, сажевый фильтр, каталитический нейтрализатор и другие устройства доочистки выхлопных газов.

(7) Низкая скорость турбокомпрессора
Если соединение между турбокомпрессором и дизельным двигателем (включая впускные и выпускные соединения) имеет утечку, или ротор турбокомпрессора плохо смазывается, это может привести к недостаточной скорости турбокомпрессора и снижению давления наддува.

• Диагностика неисправности: Проверьте, нет ли утечки воздуха в соединении между турбокомпрессором и выхлопной трубой, обращая особое внимание на то, герметично ли соединение между импульсным преобразователем (трубой) и корпусом турбины. Проверьте, нет ли утечки или засора в трубопроводе от выхода компрессора турбокомпрессора до впускного патрубка, и обратите особое внимание на то, не заблокирован ли интеркулер и нет ли в нем утечки.
  Кроме того, следует уделять особое внимание давлению масла в дизельном двигателе с турбонаддувом. Если давление масла слишком низкое, ротор турбокомпрессора не получит хорошей смазки, скорость турбокомпрессора упадет, что в конечном итоге приведет к падению давления наддува.

• Устранение неисправности: Выполните ремонт на основе результатов диагностики и проверки.

(8) Механическое повреждение турбокомпрессора
Основные причины:
а. Сопловой аппарат турбины длительное время работает при высокой температуре, лопатки деформируются, увеличивая площадь поперечного сечения сопла, скорость ротора и давление наддува падают;
б. Из-за износа подшипников турбокомпрессора лопасти ротора трутся о корпус, или застревают посторонние предметы, вызывая снижение скорости ротора и падение давления.

• Диагностика и устранение: После выхода из строя или деформации деталей турбокомпрессора во время работы появятся аномальные шумы. Если внимательно наблюдать и слушать, нетрудно обнаружить, есть ли у турбокомпрессора эксплуатационные неисправности. В соответствии с результатами проверки отремонтируйте или замените турбокомпрессор в сборе.

(9) Отказ датчика
Для дизельных двигателей с электронным управлением, когда датчик давления наддува выходит из строя или повреждается, и электронный блок управления (ECU) обнаруживает информацию о неисправности, он сравнивает ее с заданным значением. Если они не совпадают, ECU сохраняет код неисправности, зажигает лампу неисправности и выдает инструкции для перевода дизельного двигателя в режим аварийного управления (уменьшение объема топлива, снижение скорости).

• Устранение неисправности: Используйте диагностический прибор для обнаружения кода неисправности и выполните соответствующий ремонт.

8.1.4 Чрезмерное давление наддува

Основные причины повышения давления наддува заключаются в следующем.

(1) Неисправность топливной системы
Из-за неисправностей системы подачи топлива, таких как плохая фильтрация топливной форсунки, чрезмерный период догорания, вызывающий сильное догорание, увеличивающее энергию выхлопа, давление наддува повышается по мере увеличения скорости турбины. Это приведет к чрезмерно высокой температуре выхлопных газов, выхлопная труба и корпус турбины могут покраснеть, а ротор склонен к превышению скорости. Это явление крайне губительно для работы турбокомпрессора и должно быть своевременно устранено.

(2) Неисправность клапанного механизма
Утечка выпускного клапана или несоответствие фаз газораспределения вызывает повышение скорости турбины и давления наддува. Проверьте клапан и отрегулируйте фазы газораспределения в это время.

(3) Неисправность регулирования давления турбокомпрессора
Регулирующий клапан давления турбокомпрессора (Рисунок 8-2) выходит из строя и не может пропускать избыточные выхлопные газы, вызывая повышение давления наддува. В это время следует отремонтировать регулирующий клапан давления.

(4) Неисправность соплового аппарата
Деформация соплового аппарата или отложения нагара приводят к уменьшению площади его проходного сечения, вызывая повышение давления наддува. Отложения нагара следует удалять, когда их много.

8.1.5 Аномальный шум в турбокомпрессоре

Повреждение лопастей турбокомпрессора или слишком маленький зазор между лопастями ротора и корпусом, серьезный износ подшипника и упорной пластины, чрезмерный осевой люфт ротора, вызывающий столкновение внешнего края крыльчатки с корпусом, или сухое трение движущихся частей, таких как подшипники и уплотнительные кольца, вызовут аномальный шум. Деформация лопастей или прогиб вала, вызывающие нарушение динамической балансировки, особенно серьезное столкновение и деформация крыльчатки компрессора из-за попадания посторонних предметов, разрушат нормальный проход и вызовут высокочастотные визжащие звуки при трении высокоскоростного воздушного потока.

• Устранение неисправности: В это время турбокомпрессор следует разобрать, а все детали турбокомпрессора (включая лопасти турбины внутри) следует очистить и обслужить. Если полный ремонт невозможен, следует заменить узел вращающегося вала с лопастями или турбокомпрессор в сборе.

8.1.6 Перегрев турбокомпрессора

Перегрев турбокомпрессора включает такие аномальные явления, как чрезмерная температура всасываемого топливного газа, чрезмерная температура возврата масла и чрезмерная температура охлаждающей жидкости.

(1) Чрезмерная температура топливного газа
Чрезмерная температура топлива вызовет повреждение лопастей и корпуса турбины, а также обгорание таких деталей, как сопловые аппараты. Основными причинами чрезмерной температуры топлива являются: плохое распыление форсунки, чрезмерно богатая горючая смесь, чрезмерно малый угол опережения впрыска топлива, чрезмерная задержка процесса сгорания, вызванная чрезмерно длительным периодом догорания (сильное явление догорания).

(2) Неисправность клапана моторного тормоза (горного тормоза)
Отказ клапана моторного тормоза (дроссельная заслонка закрыта во время работы дизельного двигателя); чрезмерное противодавление выхлопа; давление турбокомпрессора падает, объем воздуха, поступающего в камеру сгорания, уменьшается; утечка моторного масла и т.д.

(3) Чрезмерная температура возврата масла
Температура возврата масла обычно ниже 90~120°C (варьируется в зависимости от модели). Причины чрезмерной температуры: уменьшенный объем масла, слишком низкое давление масла (<0,20 МПа); утечка масла в системе смазки, уменьшающая объем масла в подшипнике; засорение трубки возврата масла, плохой возврат масла; плохой теплоотвод масла, отказ уплотнительного устройства со стороны турбины, попадание высокотемпературного газа в масляную полость, вызывающее чрезмерную температуру турбокомпрессора.

(4) Чрезмерная температура охлаждающей жидкости
Нормальная температура воды должна быть ниже 90°C. Снижение эффекта теплоотвода устройства теплоотвода или засорение водяной полости турбокомпрессора накипью вызовет чрезмерную температуру охлаждающей воды.

(5) Недостаточное давление впуска
При определенных специфических условиях, если во впускной системе после компрессора турбокомпрессора имеется утечка воздуха или засор, что приводит к недостаточному впуску дизельного двигателя, это также может привести к аномальным явлениям, таким как покраснение корпуса турбины турбокомпрессора (основная причина — усиленное догорание).

8.1.7 Снижение скорости турбокомпрессора

Основные причины снижения скорости турбокомпрессора заключаются в следующем.

1. Скопление нагара и другой грязи между ротором и движущимися частями увеличивает сопротивление вращению.

2. Сопловой аппарат деформируется из-за высокой температуры, увеличивая площадь выхода сопла, и скорость ротора снижается. Когда лопатки сопла сильно деформированы, они трутся о лопасти турбины или заклинивают их, вызывая остановку вращения ротора.

3. Повреждение подшипника вызывает заклинивание вращающегося вала.

4. Утечка в выхлопной системе дизельного двигателя уменьшает количество газа, поступающего в турбину.

8.1.8 Утечка масла из корпуса компрессора или корпуса турбины

Основные причины, вызывающие выброс масла наружу из корпуса компрессора или корпуса турбины турбокомпрессора, заключаются в следующем.

1. Если турбокомпрессор снабжается маслом изнутри, проверьте, не упал ли уровень в масляном поддоне. Если уровень масла не упал, это указывает на то, что моторное масло, распыленное из цилиндра дизельного двигателя, попало в турбину и превратилось в масляный туман, выбрасываемый из воздушного окна после конденсации. Если уровень жидкости в масляном поддоне падает, это указывает на повреждение масляного уплотнения (сальника).

2. Если турбокомпрессор снабжается маслом извне, проверьте, цел ли сальник турбокомпрессора. Если он цел, это вызвано попаданием масла в цилиндр дизельного двигателя. Кроме того, засорение трубки возврата масла турбокомпрессора также вызовет выброс моторного масла с обоих концов турбокомпрессора.

Теплое напоминание: Истинные причины некоторых явлений неисправности, возникающих в турбокомпрессоре, могут заключаться не в самом турбокомпрессоре, а являться следствием других неисправностей. Поэтому, когда турбокомпрессор демонстрирует механические неисправности (такие как аномальный шум, повреждение крыльчатки и т.д.) или явления неисправности, отличные от механических, в большинстве случаев причины кроются в других частях дизельного двигателя. Поэтому, когда система турбонаддува демонстрирует определенные явления неисправности, помимо проведения необходимой проверки турбокомпрессора, следует провести тщательную и детальную проверку других частей дизельного двигателя.