Części i regeneracja

ponad rok temu  28.05.2013, ~ Administrator - ,   Czas czytania 10 minut

Uszkodzona turbosprężarka
Użytkownik samochodu zażyczył sobie zwiększenia osiągów turbodiesla użytkowanego Audi. Jedna z firm tuningowych spełniła życzenie. Niestety, niedługo później, podczas korzystania z dodanych „koników”, turbosprężarka zakończyła swój żywot. Poproszono mnie o odpowiedź na pytanie – dlaczego?

Omawiany samochód to Audi A3 Sportback, rok modelowy 2008, napędzany silnikiem 2,0 l TDI, o oznaczeniu kodowym BKD, zasilany pompowtryskiwaczami. Współpracuje z dwusprzęgłową skrzynią biegów (DSG).

O ile więcej można?
Zanim zacząłem analizę tego przypadku, zobaczyłem, co dla tego silnika oferują firmy tuningowe. Przyjąłem za punkt odniesienia ofertę Abt Sportsline, chyba najbardziej renomowanej firmy tuningującej samochody koncernu V.A.G. Dodam, że w firmie tej można tuningować pojazdy bez utraty fabrycznej gwarancji (może być skrócony przebieg pojazdu w ramach gwarancji). Samochód po tuningu spełnia również homologacyjną normę emisji składników szkodliwych spalin.
Według oferty firmy Abt, jeśli silnik ten współpracuje z ręcznie sterowaną skrzynią biegów, to w wyniku tuningu (charakterystyki silnika przed i po przeróbce widoczne są na fot. 1):
- maksymalny moment obrotowy silnika wzrasta z 320 Nm na 370 Nm,
- maksymalna moc silnika wzrasta z 103 kW/140 KM na 125 kW/170 KM.


Jeśli jednak ten sam silnik współpracuje z dwusprzęgłową skrzynią biegów (DSG), to w wyniku tuningu (charakterystyki silnika przed i po przeróbce widoczne są na fot. 2) maksymalny moment obrotowy silnika wzrasta z 320Nm na tylko 340Nm (patrz fot. 1a i 2a), podczas gdy maksymalna moc silnika wzrasta również na 125kW/170KM (patrz fot. 1b i 2b). Niższa wartość maksymalnego momentu obrotowego silnika współpracującego z dwusprzęgłową skrzynią biegów (DSG) wynika z niższej wartości maksymalnego momentu obrotowego, przy której może pracować ten określony typ tej skrzyni biegów. Może to wynikać z jej wytrzymałości mechanicznej lub cieplnej. Zasięgnąłem również opinii o możliwości przeróbki tego silnika u p. Marka Staszewskiego, osoby, która specjalizuje się w tuningu silników. W jego opinii bezpieczną granicą mocy dla silnika o kodzie BKD, współpracującego z dwusprzęgłową skrzynią biegów (DSG), jest 125 kW/170 KM, a bezpieczną granicą momentu obrotowego 340 Nm.

Dla wyjaśnienia dodam, że mój rozmówca czerpie swą wiedzę z doświadczenia okupionego – jak sam przyznał – wieloma uszkodzeniami silników przez niego tuningowanych. Nie ma jednak innego sposobu na poznanie rezerw wytrzymałości części mimo istnienia zaawansowanych programów komputerowych. Producenci też tak zdobywają tę wiedzę.

Silnik po tuningu
Silnik, na którym była zamontowana uszkodzona turbosprężarka, osiągnął po przeróbce podczas pomiarów na hamowni podwoziowej (w firmie, która go tuningowała):
- maksymalny moment obrotowy – 421,2Nm,
- maksymalną moc – 134,5kW/182,9KM.

Wyniki badań na hamowni budzą moje wątpliwości odnośnie prawidłowości ich wykonania, szczególnie ze względu na wartość momentu obrotowego. Pracownicy firmy tuningowej czuli jednak, że „mocno ten silnik wysilili”, dlatego wyłączyli turbosprężarkę z postępowania reklamacyjnego po ewentualnej awarii silnika. I mieli rację. Uszkodzeniu uległa właśnie ona, podczas jazdy po autostradzie, w trakcie wjazdu na wzniesienie. Ponieważ użytkownik tego samochodu lubi szybką jazdę, należy przypuszczać, że kierowca wykorzystywał zwiększone osiągi silnika w następstwie zmian w programie sterującym. Tu raz jeszcze przywołam rozmowę z p. Markiem Staszewskim. Gdy opowiedziałem,  co się stało, zapytał mnie: „Czy stało się to na autostradzie?”. Widać doświadczenie.

Przypuszczenie, że uszkodzenie wystąpiło na autostradzie, wynika z różnic w charakterze obciążeń pomiędzy sytuacjami, gdy:
- kierowca od czasu do czasu wciśnie pedał gazu „do deski”,
- kierowca długotrwale jedzie z głęboko wciśniętym pedałem gazu.

Gdy krótkotrwale, nawet znacznie, obciążamy silnik, przeważają obciążenia mechaniczne. Obciążenia cieplne nie zdążą o sobie dać znać. Natomiast podczas jazdy np. po autostradzie, z dużą prędkością, im dłużej ona trwa, to do obciążeń mechanicznych dochodzą obciążenia cieplne. Z tego też powodu można tylko chwilowo korzystać z funkcji over-boost, która zwiększa moment obrotowy i moc silnika doładowanego. Dłuższe korzystanie z niej może być niebezpieczne dla silnika ze względu na niebezpieczny wzrost temperatury elementów silnika.

Wzrost mocy mierzonej „na kołach”
Jeśli uzyskujemy dodatkową moc silnika, mierzoną na kołach napędowych pojazdu, to ze względu na bilans energetyczny silnika należy pamiętać o:
- wzroście energii cieplnej, którą muszą odprowadzić układy chłodzenia i smarowania silnika,
- wzroście energii kinetycznej i temperatury strumienia spalin.

Wzrost energii kinetycznej spalin spowodowany jest przez:
- spalanie większej masy paliwa (większych dawek paliwa), niż zostało to przewidziane przez producenta w programie sterującym pracą silnika,
- wzrost prędkości przepływu spalin, co jest następstwem wzrostu ciśnień w komorach spalania silnika.

Wzrost energii kinetycznej spalin powoduje zwiększenie prędkości obrotowej wirnika turbosprężarki. Wzrost temperatury spalin powoduje zwiększenie obciążenia cieplnego turbosprężarki. Trzeba ją wówczas intensywniej chłodzić, aby temperatury jej elementów nie wzrosły niebezpiecznie. Proszę zauważyć, że obudowa turbiny może osiągać temperatury co najmniej 600°C w przypadku silników ZS oraz 850°C w przypadku silników ZI. Ciepło przepływa strumieniem 6 (fot. 3) od obudowy turbiny do korpusu łożysk turbosprężarki 4 oraz strumieniem 8, bezpośrednio od spalin, przez wirnik turbiny 6, do wałka 2. Jednocześnie wymaga się, aby temperatura w strefie łożysk ślizgowych 9 wałka turbosprężarki wynosiła od 60 do 90°C. Aby spełnić ten warunek, łożyska ślizgowe turbosprężarek są nie tylko smarowane, ale również chłodzone olejem silnikowym przepływającym przez korpus łożysk turbosprężarki 4. Drogę przepływu oleju silnikowego oznaczają na fot. 3 strzałki 3, 5 i 10. W większości turbosprężarek olej silnikowy jest jedynym czynnikiem chłodzącym. Jeśli chłodzenie łożysk nie jest wystarczające, to temperatura w ich strefie może przekroczyć bezpieczną wartość 90°C, a nawet osiągnąć 400°C. Za wysoka temperatura powoduje koksowanie oleju silnikowego. Powstałe z niego osady utrudniają jego przepływ i zmniejszają luz łożysk ślizgowych. Może nastąpić zatarcie łożysk, a w konsekwencji – ukręcenie wałka turbosprężarki. To w opisywanej turbosprężarce nie zdążyło jednak nastąpić – wydarzenia potoczyły się szybciej.

Co się stało?
W opiniowanej turbosprężarce pękł wałek turbosprężarki od strony wirnika turbiny (fot. 4) wskutek obciążenia momentem zginającym o za dużej wartości. Przyczyną wystąpienia za dużej wartości momentu zginającego była za duża wartość siły niewyważenia resztkowego wirnika turbosprężarki. Jeśli przyjmiemy, że wirnik turbosprężarki był wyważony prawidłowo, to za duża wartość siły niewyważenia resztkowego wirnika turbosprężarki powstała wskutek obracania się wirnika turbosprężarki z prędkością obrotową większą niż dopuszczalna dla tego typu turbosprężarki (patrz następny punkt). Wzrost prędkości obrotowej wirnika turbosprężarki ponad wartość dopuszczalną spowodowany był większą energię kinetyczną spalin. Większa energia kinetyczna spalin to następstwo korzystania przez kierowcę ze zwiększonych osiągów silnika. Powróćmy do pęknięcia wałka. Nastąpiło ono bezpośrednio za przejściem czopa łożyska ślizgowego w wałek o mniejszej średnicy (fot. 5a), a więc w miejscu, w którym występuje tzw. działanie karbu. Powoduje on zwiększenie koncentracji naprężeń w materiale wałka. Efekt ten jest łagodzony przez zastosowanie widocznego na zdjęciu promienia przejściowego. Widok przełomu wałka od strony wirnika turbiny pokazany jest na fot. 5b. Na działanie siły pochodzącej od niewyważenia resztkowego wirnika turbosprężarki wskazuje też uszkodzenie krawędzi łożyska ślizgowego od strony turbiny (fot. 6). Wskutek pęknięcia wałka turbosprężarki wirnik turbiny uderzył w obudowę (fot. 7), co spowodowało jego zniszczenie (fot. 8).

Maksymalna prędkość obrotowa wirnika turbosprężarki
Jak wspomniałem, każda turbosprężarka ma określoną przez producenta maksymalną prędkość obrotową wirnika. Do pracy przy tej prędkości obrotowej wyważany jest wirnik turbosprężarki. Jeśli założymy, że wirnik turbosprężarki wyważony jest prawidłowo, to występujące niewyważenie resztkowe (wynika ono z dokładności wyważania) nie jest niebezpieczne dla wirnika turbosprężarki, jeśli jego prędkość obrotowa nie przekroczy wartości maksymalnej dla danego typu turbosprężarki. Według informacji firmy Cimat (krajowy producent wyważarek do wirników turbosprężarek świadczy też usługi w zakresie ich wyważania) maksymalna prędkość obrotowa dla opiniowanej turbosprężarki wynosi 168.000 obr./min., a przekroczenie jej o 20.000 obr./min. może spowodować pęknięcie wałka turbosprężarki również wówczas, gdy wirnik turbosprężarki został wyważony prawidłowo, przy prędkości obrotowej 168.000 obr./min. Aby w tuningowanym silniku wirnik turbosprężarki mógł się bezpieczniej obracać z wyższą prędkością obrotową, można wykonać dodatkowe wyważanie dla trochę wyższej prędkości obrotowej niż dopuszcza producent (patrz fot. 9). Ponieważ jednak nie wiemy, z jak dużą prędkością obrotową obraca się wirnik turbosprężarki, gdy kierowca wykorzystuje zwiększone osiągi silnika, zmniejszy to tylko ryzyko uszkodzenia wirnika turbosprężarki wskutek działania sił pochodzących od resztkowego niewyważenia wirnika, ale go nie wyeliminuje. Dodatkowe wyważanie wirnika turbosprężarki nie wykluczy ryzyka jego uszkodzenia wskutek np. przegrzania łożysk, gdy kierowca będzie wykorzystywał zwiększone osiągi silnika w dłuższych okresach czasu. Bez wykonania dodatkowych pomiarów trudno określić, jak długie są okresy bezpiecznego wykorzystania zwiększonych osiągów silnika. Podkreślmy, że nie można dowolnie zwiększać prędkości obrotowej wirnika turbosprężarki ze względu na określoną wytrzymałość wirnika sprężarki i wirnika turbiny. Siły odśrodkowe chcą je rozerwać. Temperatura, szczególnie wirnika turbiny, obniża dodatkowo wytrzymałość materiału.

Filtr cząstek stałych a tuning
Firma wykonująca przeróbkę silnika usunęła filtr cząstek stałych. W świetle obowiązujących przepisów prawnych, zarówno w Europie, jak i w naszym kraju, firma mogła to zrobić, ale powinna przedłożyć badania potwierdzające, że jego usunięcie nie spowodowało większej emisji składników szkodliwych spalin, niż jest to określone w normie, zgodnie z którą samochód był homologowany (w tym przypadku była to norma Euro 4). Tylko pod tym warunkiem mogą być wykonywane takie zmiany konstrukcyjne. Jeśli w następstwie przeróbek silnika lub jego układów nastąpi wzrost emisji składników szkodliwych spalin ponad wartości określone w normie homologacyjnej, zgodnie z którą dany model samochodu był homologowany przez producenta, osobie, która dokonała takich przeróbek, w świetle obowiązującego prawa grozi kara finansowa (do 1 mln zł). W kwestiach prawnych odsyłam zainteresowanych do Kancelarii Radcy Prawnego Rafała Szczerbickiego (www.skplex.pl). Zwracam jednocześnie uwagę, że nie należy mylić okresowych badań technicznych pojazdów, wykonywanych na stacjach kontroli pojazdów, z homologacyjnymi badaniami emisji składników szkodliwych spalin. W naszym kraju homologacyjne badania emisji składników szkodliwych spalin wykonują tylko 3 laboratoria pomiarowe. Jest natomiast faktem, że przy obecnych przepisach dotyczących stacji kontroli pojazdów i ich wyposażeniu technicznym, zarówno w Polsce, jak ich odpowiedników w innych krajach europejskich, nie są one obecnie w stanie stwierdzić na podstawie pomiaru stopnia zadymienia spalin, czy w danym samochodzie jest, czy nie jest zamontowany filtr cząstek stałych lub jaka jest sprawność zamontowanego w układzie wylotowym silnika filtra cząstek stałych. Sytuacja ta ulegnie jednak zmianie w ciągu 1 do 2 lat, przynajmniej w Austrii i w Niemczech. Umożliwi to nowa technika pomiarowa oraz przepisy prawne. Pomiar będzie również mogła wykonać policja, na drodze, w czasie kilkudziesięciu sekund lub będą to wykonywać automatyczne bramki pomiarowe na drogach. Takie urządzenia są już testowane w tych krajach. Poruszanie się w nich samochodem, w którym zdemontowano filtr cząstek stałych, będzie wówczas realnie zagrożone karą. Mimo wiedzy o kłopotach, które użytkownikom stwarzają filtry cząstek stałych niektórych samochodów, jestem zdecydowanym przeciwnikiem ich demontażu. Badacze uważają, że zanieczyszczenia powietrza cząstkami stałymi, szczególnie w aglomeracjach miejskich, zajmują czołowe miejsca na liście przyczyn chorób nowotworowych, a szacuje się, że ilość zachorowań na te choroby wzrośnie. Do tematu powrócimy.

mgr inż. Stefan Myszkowski

B1 - prenumerata NW podstrony

Komentarze (0)

dodaj komentarz
    Nie ma jeszcze komentarzy...
do góry strony