Установка турбины на КамАЗ

Назначение

Стандартное функционирование дизельного мотора предполагает образование топливно-воздушной смеси в отсеке сгорания из того объема воздуха, который «своим ходом» поступает при опускании поршня. В этом случае, горючее не полностью сгорает, при этом теряется потенциальная энергия, а силовой агрегат не развивает мощность, на которую способен. Турбокомпрессор КамАЗ позволяет принудительно увеличить количество воздуха, поступающего в камеру сгорания. Это самое простое, но и самое эффективное решение проблемы.

Рассматриваемый агрегат осуществляется наддув. В итоге топливно-воздушный состав лучше сгорает, в результате насыщения кислородом. Если рассмотреть подробнее, насколько процесс происходит «лучше», необходимо понимать, что единица количества горючего отдает больше энергии, что повышает мощность мотора. Как показывает практика, турбокомпрессор КамАЗ-5490 дает прирост силы до 40%. Примечательно, что повышение показателя мощности не требует конструктивных изменений двигателя.

Как работает турбокомпрессор КамАЗ

В составе топливной горючей смеси, подающейся в двигатель внутреннего сгорания, находится воздух, который проникает туда при помощи работы клапана. Но этого недостаточно для полного сгорания топлива, и двигатель автомобиля не работает в полную силу. Поэтому конструкторам пришла в голову идея принудительной подачи воздуха под давлением в камеру сгорания мотора с помощью специального устройства, называемого турбонаддув или турбокомпрессор.

За счет использования турбокомпрессоров мощность двигателей машин КамАЗ возрастает на величину от 20 до 40%. При этом повышаются экологические показатели автомобиля, так как полное сгорание позволяет снизить вредные для здоровья выхлопы и понизить количество выделяемой при сгорании топлива сажи.

Двигатель с турбонаддувом потребляет больше топлива в количественном эквиваленте, но по сравнению с возрастанием мощности двигателя в целом расход топлива, наоборот, уменьшается.

Турбокомпрессор работает по довольно простому принципу. Выхлопной поток поступает через коллектор на турбину и оказывает давление на лопасти колеса, вращая его с большой скоростью. Вращение передается компрессорному валу, который нагнетает воздушный поток в коллектор впуска, повышая тем самым объем входящего в камеру сгорания воздуха, что способствует полноценному сгоранию топливной смеси в камере двигателя.

Особенности

Более активное и плотное сгорание топлива существенно уменьшает выброс токсичных отработанных газов. Также снижается количество дыма, благодаря уменьшению остаточных твердых продуктов (сажи). Проще говоря, увеличивается общая экологическая безопасность мотора.

Установка турбокомпрессора на КамАЗ увеличивает расход горючего. Но, в целом затраты топлива для получения единицы мощности в таком моторе ниже, чем в обычном аналоге. То есть «движок» с наддувом «прожорливее», но и мощнее. В результате использование силового агрегата с турбиной для получения конкретной мощности выгоднее, чем достижение того же показателя на обычном дизеле. Ниже представлена схема газотурбинного наддува.

1 – тепловой обменник; 2 – радиатор охлаждающей системы; 3 – вентилятор; 4 – мотор; 5 и 6 – турбокомпрессоры.

Ремонт турбокомпрессора

При нарушении герметичности в соединении между установочным фланцем турбины и выпускным патрубком коллектора замените стальную прокладку.

При появлении посторонних шумов, а также при повышенном дымлении и снижении мощности двигателя, связанных с техническим состоянием турбокомпрессора, отсоедините от турбокомпрессора приемную трубу глушителя и проверьте легкость вращения ротора.

При тугом вращении, заклинивании или задевании ротора о корпусные детали снимите турбокомпрессор.

Снимайте турбокомпрессор в такой последовательности:

— снимите воздухоочиститель (при снятии левого ТКР), соединительные патрубки, тройник;

— отсоедините трубку подвода масла к ТКР;

— ослабьте хомуты крепления соединительных патрубков корпуса компрессора;

— расконтрите и выверните болты выпускного коллектора, сместите выпускной коллектор назад, разъедините магистраль слива масла, снимите выпускной коллектор с ТКР в сборе.

Примечание. Для удобства последующего монтажа перед разборкой ТКР на корпусах турбины и компрессора нанести метки спаренности с корпусом подшипников;

— выверните шесть болтов крепления турбины и снимите корпус компрессора вместе с корпусом подшипников;

— выверните восемь болтов крепления корпуса компрессора и снимите его;

— промойте корпус компрессора и экран в дизельном топливе, удалите отложения;

— промойте корпус подшипника со стороны компрессора и удалите с поверхностей лопаток и корпуса отложения.

Внимание! Во избежание повреждения поверхностей лопаток и нарушения балансировки ротора не допускается использовать для удаления отложений металлические предметы и исправлять погнутые лопатки;

— проверьте целостность лопаток колес и отсутствие на них погнутостей. При наличии поврежденных лопаток замените турбокомпрессор.

Внимание! Ввиду того, что ротор турбокомпрессора при сборке балансируется с высокой точностью, разборка ротора ТКР не допускается. Полная разборка турбокомпрессора осуществляется на специализированных предприятиях, имеющих необходимое оборудование и приборы;

— соберите турбокомпрессор в обратной последовательности. Установку корпусов компрессора и турбины относительно корпуса подшипников проводите по меткам;

— затяните болты крепления корпуса компрессора с крутящим моментом 4,9-7,8 Н.м (0,5-0,8 кгс.м), болты крепления корпуса турбины с крутящим моментом 23,5-29,4 Н.м (2,4-3,0 кгс.м);

— проверьте легкость вращения ротора и отсутствие задевания его о корпусные детали при крайних его осевых и радиальных положениях;

— установите выпускной коллектор, затяните болты крепления с крутящим моментом 43,1-54,9 Н.м (4,4-5,6 кгс-м), законтрите болты.

Как устроен турбокомпрессор Камаз

Турбонаддув на двигателях КамАз-ов состоит из газовой турбины и компрессора центробежного типа. Корпуса турбины и компрессора имеют особую форму, за которую их прозвали «улитка».

В корпусе газовой турбины расположено колесо с лопастями, на которые подаются выхлопные газы и, ударяясь о них, вращают колесо турбины. Затем отработанные газы удаляются через центральное отверстие корпуса в выхлопную систему.

Похожее устройство имеет и центробежный компрессор. Компрессор и турбина соединяются валом, на который передается вращение турбинного колеса.

Вследствие этого запускается и рабочее колесо компрессора, которое забирает воздух, поступающий сюда из атмосферы, и с силой нагнетает его в диффузор, откуда воздух под сильным давлением выталкивается во впускной коллектор камеры сгорания.

Корпус турбины в автомобилях КамАЗ изготавливается из очень прочных сплавов, а подшипники скольжения, благодаря которым турбина развивает большие обороты, всегда смазываются через маслопроводы.

Вес компрессоров, применяемых на КамАЗ-ах, не превышает 7 кг, они имеют довольно маленькие габариты, диаметры корпусов немного более 22 см. В автомобилях устанавливаются двухрядные двигатели, поэтому и количество устанавливаемых компрессоров равно двум – по числу рядов.

Соответствие двигателей и типов турбин согласно экологическим нормам выброса отработавших газов (Евро)

Самые ходовые сегодня – это турбины стандартов Евро-2 и Евро-3. Интересно, что турбина на камаз класса Евро-2 производства BorgWarner Turbo Systems подойдет и для двигателей Евро-3.

Производством турбоагрегатов для дизельных двигателей занимаются 3 предприятия в России, чешский и белорусский заводы, а также немецкий концерн Borg Warner Turbosystems.

Российские ТКР7 доступны по цене, немецкие турбины отличаются высоким качеством и универсальностью.

Заказывая агрегаты турбонаддува для камазов, учтите, что вам нужна пара турбин: правая и левая.

*Турбины классов Евро-5 (2009 г.) и Евро-6 (2015 г.) еще не выпускаются. При этом в Украине стандарт Евро-5 введен с 1 января 2016 г., а Евро-6 планируется с 2018.

Возможные неисправности турбонаддува и способы устранения

Неисправность

— причина неисправности

Устранение неисправности

Уменьшение мощности двигателя, черный дым

— грязный воздушный фильтр

Очистите или замените воздушный фильтр

— загромождение подвода воздуха к компрессору ТКР

Удалите загромождение или замените дефектные детали

— утечка на трассе подвода воздуха в компрессор ТКР

Затяните болты хомутов, при необходимости замените рукава

— утечка на трассе отвода воздуха от компрессора ТКР во впускную систему

Затяните болты хомутов, при необходимости замените рукава и прокладки

Голубой дым

— закоксовывание ротора турбины, узла уплотнения ТКР

Ремонт в специализированной мастерской или замена ТКР

— плохая вентиляция картера

Устраните сопротивление, при необходимости замените неисправные детали

Принцип работы

В турбокомпрессоре КамАЗ (Евро-1/2/3/4) отработанные газы подаются в турбину, взаимодействуют с лопастями колеса, передавая ему собственный кинетический потенциал, раскручивая его до 75 тысяч вращений в минуту. Турбинный элемент трансформирует крутящий момент на компрессорный аналог, который забирает атмосферный воздух, активно отбрасывая его к стенкам и разгоняя до высокой скорости. Далее, масса поступает в сужающуюся диффузорную часть, там сжимается, под давлением подаваясь во впускной коллектор, затем — в отсеки сгорания.

Поскольку турбина функционирует стабильно под высоким давлением и механическим воздействием, ее корпусная часть сделана из специальных усиленных сплавов. Для обеспечения большой скорости вращения колес требуется хорошая смазка подшипников. Это условие обеспечивается при помощи маслопроводов, которые подключены к системе смазки мотора.

Стоит уточнить, что в грузовиках КамАЗ монтируются двухрядные V-образные двигатели. Для них уместно применение пары турбинных компрессоров (на каждый ряд по одному элементу). Экономически выгоднее использование двух небольших моделей, чем одного большого агрегата. Турбины рассматриваемых приспособлений обладают относительно небольшими габаритами:

• диаметры крыльчаток — не более 61 мм;
• аналогичные размеры турбины и компрессора — 220 мм;
• масса одного элемента в сборе — около 7 кг.

Применение таких компактных агрегатов дает возможность резко увеличить параметр мотора.

Типы и классы

На современном рынке представлено четыре категории двигателей соответствия экологическим стандартам. В зависимости от этих параметров, подбирается тип и марка компрессора. Ниже в таблице указана эта информация.

На некоторые модификации грузовиков монтируется турбокомпрессор КамАЗ (Евро 4). Он взаимодействует пока только с двигателем «Кумминс», отличается по конструкции и параметрам от отечественных аналогов.

Устройство

Турбокомпрессоры КамАЗ имеют простую конструкцию. По сути, в этом приспособлении взаимодействуют два элемента (компрессор центробежного типа и газовая турбина). Первая комплектующая часть состоит из таких деталей

• остова в виде улитки;
• колеса с рабочими лопатками специфической конфигурации;
• отверстия, через которое воздух поступает, подаваясь посредством диффузора во впускной коллектор мотора.

Газовая турбина имеет аналогичное строение, только вместо воздуха, в нее подаются отработанные газы, которые выводятся в систему выхлопа.

Колеса обоих элементов соединяются при помощи центрального корпуса, а крутящая сила передается посредством валика. Следовательно, энергия для работы агрегата продуцируется из отработанных газов.

1 – подшипник; 2 – экранная часть; 3 – корпус; 4 – диффузор; 5 – кольцо уплотнения; 6 – гайка; 7 – отражатель масляный; 8 – компрессорное колесо; 9 – экран маслосброса; 10 – заслонка; 11 – остов подшипников; 12 – крепеж; 13 – переходник; 14 – прокладка; 15 – турбинный экран; 16 – колесо; 17 – корпус; 18 – уплотнитель.

Производители

Выпускает рассматриваемые приборы ограниченное число производителей. Среди них:

1. Акционерное общество КамАЗ изготавливает стандартные для своих моторов версии, доступные по цене. В ассортименте модификации «Евро 0-2».
2. Объединение «Турботехника» (находится в Московской области, г. Протвино). Фирма специализируется на производстве турбокомпрессоров ТКР КамАЗ различных моделей.
3. Компания «Турбоинжиниринг». Предлагает версии К27-ТИ, стандартами от «Евро 1» до «Евро 3».
4. Общество БЗА, находится в Белоруссии, предлагает аналоги агрегатам типа ТКР7.
5. Чешский завод в Страконице. Здесь изготавливаются высококачественные копии К-27, цена которых несколько выше отечественных изделий.
6. Немецкий концерн Borg Warner Turbo systems реализует качественные турбинные компрессоры под маркой Schwitzer.

Для КамАЗа все агрегаты представлены в правом или левом исполнении. Это важно учитывать при приобретении изделия, поскольку монтаж на противоположный ряд является невозможным.

Устройство, работа и характеристики турбокомпрессора

 В сущности, в турбокомпрессоре объединено два самостоятельных устройства — газовая турбина и центробежный компрессор.

Газовая турбина состоит из корпуса (который метко прозвали «улиткой») и крыльчатки (турбинного колеса или ротора), имеющей лопасти особой формы. В турбину подаются выхлопные газы двигателя, которые, проходя через канал корпуса, с силой ударяют о лопасти колеса и через центральное отверстие выводятся в выхлопную систему.

Центробежный компрессор имеет такое же устройство — в корпусе-улитке находится компрессорное колесо с лопатками особой формы. Воздух поступает в компрессор через центральное отверстие и через диффузор выходит во впускной коллектор двигателя.

Колеса турбины и компрессора связаны валом через центральный корпус, и именно посредством вала крутящий момент от турбинного колеса передается компрессорному. Тем самым, энергия для работы турбокомпрессора извлекается из энергии отработанных газов.

Принцип работы турбокомпрессора очень прост. Отработанные газы поступают в турбину, где они, ударяясь о лопасти турбинного колеса, передают ему свою кинетическую энергию — во время работы колесо раскручивается до 75 000 оборотов в минуту! Турбинное колесо через вал передает крутящий момент компрессорному — оно, забирая атмосферный воздух, с силой отбрасывает его к стенкам корпуса, разгоняя до высоких скоростей. Этот воздух поступает в сужающийся диффузор, где сжимается и под большим давлением подается во впускной коллектор, а через него — в камеры сгорания.

Так как турбина постоянно работает под высокими тепловыми и механическими нагрузками, ее корпус изготавливается из особо прочных сплавов. А большая скорость вращения колес возможна только при хорошей смазке подшипников (в турбинах для КамАЗов используют подшипники скольжения) — для этой цели турбокомпрессор через маслопроводы подключается к системе смазки двигателя.

Нужно сказать, что в КамАЗах установлены двухрядные V-образные двигатели, для которых оказалось целесообразным применять два турбокомпрессора — по одной на каждый ряд. Применение двух маленьких турбокомпрессоров гораздо удобнее, экономически выгоднее и эффективнее, чем использование одного большого.

Интересно, что турбины на КамАЗы отличаются малыми размерами: диаметры крыльчаток не превышают 61 мм, а диаметры корпусов турбины и компрессора ненамного больше 220 мм. При этом один компрессор весит не более 7 кг. И использование таких небольших агрегатов позволяет резко поднять мощность двигателя!

Ремонт турбокомпрессора

При нарушении герметичности в соединении между установочным фланцем турбины и выпускным патрубком коллектора замените стальную прокладку.

При появлении посторонних шумов, а также при повышенном дымлении и снижении мощности двигателя, связанных с техническим состоянием турбокомпрессора, отсоедините от турбокомпрессора приемную трубу глушителя и проверьте легкость вращения ротора.

При тугом вращении, заклинивании или задевании ротора о корпусные детали снимите турбокомпрессор.

Снимайте турбокомпрессор в такой последовательности:

— снимите воздухоочиститель (при снятии левого ТКР), соединительные патрубки, тройник;

— отсоедините трубку подвода масла к ТКР;

— ослабьте хомуты крепления соединительных патрубков корпуса компрессора;

— расконтрите и выверните болты выпускного коллектора, сместите выпускной коллектор назад, разъедините магистраль слива масла, снимите выпускной коллектор с ТКР в сборе.

Примечание. Для удобства последующего монтажа перед разборкой ТКР на корпусах турбины и компрессора нанести метки спаренности с корпусом подшипников;

— выверните шесть болтов крепления турбины и снимите корпус компрессора вместе с корпусом подшипников;

— выверните восемь болтов крепления корпуса компрессора и снимите его;

— промойте корпус компрессора и экран в дизельном топливе, удалите отложения;

— промойте корпус подшипника со стороны компрессора и удалите с поверхностей лопаток и корпуса отложения.

Внимание! Во избежание повреждения поверхностей лопаток и нарушения балансировки ротора не допускается использовать для удаления отложений металлические предметы и исправлять погнутые лопатки;

— проверьте целостность лопаток колес и отсутствие на них погнутостей. При наличии поврежденных лопаток замените турбокомпрессор.

Внимание! Ввиду того, что ротор турбокомпрессора при сборке балансируется с высокой точностью, разборка ротора ТКР не допускается. Полная разборка турбокомпрессора осуществляется на специализированных предприятиях, имеющих необходимое оборудование и приборы;

— соберите турбокомпрессор в обратной последовательности. Установку корпусов компрессора и турбины относительно корпуса подшипников проводите по меткам;

— затяните болты крепления корпуса компрессора с крутящим моментом 4,9-7,8 Н.м (0,5-0,8 кгс.м), болты крепления корпуса турбины с крутящим моментом 23,5-29,4 Н.м (2,4-3,0 кгс.м);

— проверьте легкость вращения ротора и отсутствие задевания его о корпусные детали при крайних его осевых и радиальных положениях;

— установите выпускной коллектор, затяните болты крепления с крутящим моментом 43,1-54,9 Н.м (4,4-5,6 кгс-м), законтрите болты.

Соответствие двигателей и типов турбин согласно экологическим нормам выброса отработавших газов (Евро)

Самые ходовые сегодня – это турбины стандартов Евро-2 и Евро-3. Интересно, что турбина на камаз класса Евро-2 производства BorgWarner Turbo Systems подойдет и для двигателей Евро-3.

Производством турбоагрегатов для дизельных двигателей занимаются 3 предприятия в России, чешский и белорусский заводы, а также немецкий концерн Borg Warner Turbosystems.

Рекомендуемые режимы работы двигателя с турбонаддувом

Во избежание подсоса масла из турбокомпрессоров и попадания его в цилиндры двигателя, на проточные части компрессора и турбины, не рекомендуется длительная, более 10 минут, работа двигателя на режиме холостого хода с частотой вращения коленчатого вала менее 700 мин-1.

Это приводит к закоксовыванию поршневых колец, загрязненности проточной части компрессора и нагарообразованию на проточной части турбины.

При вынужденной работе двигателя на оборотах холостого хода (прогрев, накачка воздуха в баллоны тормозной системы и т.п.) необходимо поддерживать частоту вращения коленчатого вала не менее 1000-1200 мин-1.

Перед остановкой двигателя после его работы под нагрузкой, необходимо установить режим холостого хода длительностью не менее 3-х минут во избежание перегрева подшипника турбокомпрессора и закоксовывания ротора.

Резкая остановка двигателя после работы под нагрузкой запрещается.

Потеря мощности, дымление, высокий расход топлива, перегрев двигателя, высокая температура выхлопных газов, утечки масла из турбокомпрессора — это симптомы неполадок в работе систем, связанных с турбонаддувом.

Однако, всё это часто несправедливо относят к неисправности турбокомпрессора, так как дефекты других деталей двигателя приводят к аналогичным симптомам.

Так как турбокомпрессор самонастраивающийся агрегат двигателя, только механические неисправности или загромождение воздушных и газовых каналов из-за грязи и посторонних предметов ухудшают его работу.

Перед остановкой двигателя после его работы под нагрузкой, необходимо установить режим холостого хода длительностью не менее 3-х минут во избежание перегрева подшипника турбокомпрессора и закоксовывания ротора. Резкая остановка двигателя после работы под нагрузкой запрещается.

Возможные неисправности

Поскольку рассматриваемое приспособление испытывает значительные нагрузки, не удивительно, что рано или поздно оно ломается. Среди распространенных неисправностей:

1. Недостаточное поступление масла. Работающие всухую подшипники приводят к смещению вала, что чревато деформациями колес и полной поломкой всего агрегата.
2. Попадание в конструкцию инородных предметов. При этом ротору для заклинивания достаточно будет небольшого кусочка или стружки от клапана или поршня. Чаще всего, такая неисправность возникает по причине нарушения правил эксплуатации. Даже попадание куска ткани или резины приводит к сгибанию лопаток элемента.
3. Деформация и износ прокладки турбокомпрессора КамАЗ. В этом случае, неисправный элемент подлежит замене.

Чаще всего, причиной поломки становится недостаток масла. Это может происходить даже после остановки двигателя.

Рекомендации по ремонту

Имеются и прочие причины поломки турбинных компрессоров. В большинстве случаев проблема решается кардинально — покупкой новой модели. Несмотря на то что ремонт будет дешевле, восстановленный агрегат проработает недолго, что потребует дополнительных затрат.

Починка приспособления усложняется тем, что деталь подвергается значительным нагрузкам. Следовательно, требуется ювелирная точность при обработке и монтаже запчастей. Для этого необходимо специальное оборудование и инструмент. Специалисты рекомендуют приобрести новый агрегат, поскольку их цена доступна. Частично оправдан ремонт только дорогих аналогов.