Pompa wodna to jeden z najważniejszych elementów samochodu – jej awaria może doprowadzić do poważnego uszkodzenia silnika, skutkiem czego będzie jego kosztowna naprawa. Firma Metelli, jeden ze światowych liderów specjalizujących się w produkcji części zamiennych do samochodów, w tym pomp wodnych, prezentuje podręcznik techniczny, w którym radzi, na co zwrócić uwagę przy montażu pompy, jakie są najczęstsze powody usterek i co zrobić, by ich uniknąć. Inżynierowie Metelli podkreślają, że pompa wodna to element, który podlega zużyciu i uszkodzeniom, co w konsekwencji może prowadzić do usterek silnika. Ważne zatem jest, by prawidłowo ją zainstalować, co więcej zapoznać się z instrukcją montażu oraz zasadami użytkowania i konserwacji.

 

Działanie

W silnikach samochodowych zasadniczym celem pompy wodnej jest zapewnienie właściwego przepływu chłodziwa w celu chłodzenia silnika. W celu usunięcia ciepła wytwarzanego przez spalanie z silnika, chłodziwo musi poruszać się w odpowiednim tempie i musi mieć wymagane ciśnienie, aby pokonać opór całego układu.

Pompa jest napędzana kołem pasowym zasilanym pasem, którego prędkość jest proporcjonalna do prędkości obrotowej wału napędowego, a zatem pompa jest normalnie zawsze załączona. Absorbuje ona energię mechaniczną z silnika i przekazuje energię hydrauliczną cieczy przy pomocy wirnika, proporcjonalnie do prędkości obrotowej silnika.

Ponieważ pompa zawsze pracuje, to czy przez silnik i chłodnicę krąży chłodziwo zależy od innego podzespołu – termostatu (w niektórych przypadkach jego obudowa jest umieszczona w korpusie pompy). Termostat nie może zatrzymać pompy, ale może zapewnić, że ciepło nie będzie usuwane z silnika, kiedy nie jest to konieczne (np. kiedy silnik jest ciągle chłodny).

Biorąc pod uwagę ograniczenia związane z wytrzymałością materiałów, wiadomo, że im większa temperatura pracy silnika, tym większa jego efektywność. Z tego powodu niektóre samochody wyposażone są w systemy ciśnieniowe w celu zapewnienia przepływu chłodziwa w temperaturach powyżej 100°C bez wrzenia, co mogłoby spowodować niebezpieczną kawitację na wirniku. Fakt, że pompa jest rzeczywiście związana z prędkością obrotową silnika ma oczywiste wady. Po pierwsze, wirnik pompy nie może być dostosowany do właściwej prędkości operacyjnej, jak jest to w przypadku dużych pomp hydraulicznych. Po drugie, ilość chłodziwa nie jest zawsze dostosowana do rzeczywistych potrzeb silnika w różnych sytuacjach. Po trzecie, pompy nie można zatrzymać, kiedy nie jest potrzebna. Dlatego właśnie producenci aut i pomp pracują nad rozwojem pomp napędzanych silnikiem elektrycznym. Inne rozwiązanie to pompa mechaniczna, która może być odłączona od pasa napędowego przy pomocy sprzęgła elektromagnetycznego.

Znaczenie osiągów/wydajności

Każda pompa opisywana jest poprzez dane dotyczące wydajności, takie jak szybkość przepływu i ciśnienie przy różnych prędkościach obrotowych oraz poprzez energię mechaniczną, którą pochłania i energię hydrauliczną, którą dostarcza. 

Jak wyjaśniono wcześniej, pompy takie powinny teoretycznie być dostosowane do wszystkich prędkości obrotowych w zakresie ich obszaru działania: z konieczności, wynikający z tego kształt wirnika będzie dobrym kompromisem, który zapewni akceptowalną wydajność w zakresie prędkości, w jakich pompa będzie pracować.

Kiedy poziom minimalnej i maksymalnej wydajności potrzebnej do chłodzenia silnika przy różnych prędkościach został zagwarantowany, trzeba także spełnić inne warunki. Przede wszystkim pompa musi być przygotowana do pracy przy minimalnych prędkościach obrotowych w celu zapewnienia, że uszczelka nie będzie się obracać się sucha i uszkodzona. Po drugie, należy unikać kawitacji, gdyż może to spowodować przedwczesną erozję wirnika. Dla uniknięcia potencjalnie destruktywnych problemów istotne jest właściwe zaprojektowanie wirnika. Model musi być szeroko przetestowany przed wdrożeniem do produkcji. Postępując zgodnie z procedurą, która została dobrze wypracowana przez lata, trójwymiarowe modelowanie wykorzystuje się do bezpośredniej produkcji prototypu, przy pomocy najnowszych technik prototypowania. Specjalny test laboratoryjny jest wykorzystywany do tworzenia charakterystycznych krzywych i krzywych porównawczych i do przeprowadzania testów kawitacyjnych, aby zbadać geometrię pompy przed rozpoczęciem produkcji na skalę przemysłową.

Oprócz redukcji czasu dostawy na rynek, firma Metelli jest w stanie zapewnić, że jej pompy oferują poziom wydajności bliski, a w niektórych przypadkach wyższy niż oryginalne pompy wodne i nie podlegają kawitacji pod warunkiem, że system jest właściwie odpowietrzony podczas instalacji pompy.

Chłodziwo

W skład chłodziwa wchodzą glikol etylenowy i woda w różnym stężeniu procentowym. Mieszanka zawierająca 50% glikolu ma punkt zamarzania około -35°C, a punkt wrzenia około 110°C.

Chłodziwa rekomendowane przez producentów samochodów nie „tylko” nie zamarzają. Różnią się one po pierwsze i przede wszystkim ze względu na różne wymogi pod względem chemicznej i fizycznej kompatybilności z różnorodnymi materiałami, które tworzą układ chłodzenia, zawierającymi wszelkiego rodzaju metale, polimery, gumy i materiały ceramiczne. Podczas gdy odpowiednie chłodziwo efektywnie zabezpiecza układ, niewłaściwe może dosłownie zapoczątkować szybki proces niszczenia. Nie wszystkie chłodziwa dostępne na rynku są odpowiednie dla ogromnej różnorodności tworzyw w układzie chłodzącym, szczególnie te, które nie są produktami „markowymi”. Jest też faktem niezaprzeczalnym, że użycie „czystej” wody lub tzw. środków czyszczących do silnika, lub – co gorsza – produktów które rzekomo odblokowują/przepychają zawory, może doprowadzić do kompletnej korozji części metalowych pompy. Stare silniki mogą zawierać kamień wapienny i/lub osady rdzy. Chłodziwo jest w stanie rozpuścić lub usunąć część z nich, ale drobiny w roztworze lub zawiesinie mogą potem potencjalnie uszkodzić powierzchnie uszczelniające uszczelki mechanicznej, która zacznie ciec. Dlatego też zaleca się mechanikom wypłukiwanie układu chłodniczego ostrożnie, wymieniając stary płyn i wszelkie inne zardzewiałe lub uszkodzone elementy układu.

Wiarygodność części

Trzeba uświadomić sobie, że pompa wodna jest elementem nieuchronnie podlegającym zużyciu i tarciu, przynajmniej, jeśli chodzi o jej uszczelkę mechaniczną, podczas gdy żywotność pozostałych komponentów, takich jak łożyska czy wirniki, może być skrócona poprzez kiepskie zaprojektowanie lub czynniki zewnętrzne, które omówimy później. Wiarygodność i wytrzymałość części zawsze uważana była przez nas jako priorytet podczas opracowywania nowych pomp wodnych; w niektórych przypadkach dając lepsze działanie w tych obszarach niż oryginalny komponent.

Łożyska

W dzisiejszych czasach większość pomp wodnych silnika w motoryzacji używa „zintegrowanych” łożysk, zwanych tak ponieważ trzon/wał pompy plus dwa łożyska tworzą jedną jednostkę. Ten typ łożyska ma zaletę szybszej i bardziej wygodnej instalacji i zmniejszenia ilości części pompy.

Mówiąc najogólniej, łożyska występują zasadniczo w dwóch typach: kulowo/kulowe lub wałkowo/kulowe, w zależności od rodzaju kręcącego się elementu w łożysku pierścieniowym najbliższym kołu pasowemu, na który oddziałuje siła pociągowa paska. Łożysko z wałkami w pierwszym pierścieniu ma wyższą obciążalność niż łożysko kulowo/kulowe; dlatego jest sprawą kluczową, by wybrać typ łożyska odpowiedni do siły pociągowej nadawanej przez pasek podczas projektowania pompy. W wielu przypadkach wzornictwo pomp Metelli stanowi ulepszenie w odniesieniu do wzornictwa oryginalnych części i ogólnie mówiąc takie pompy okazały się mocniejsze. Kolejnym czynnikiem jest precyzja obróbki gniazda łożyska obudowy pompy w celu utrzymania odstępu promieniowego potrzebnego wałkom i kulom do odpowiedniego ruchu w odpowiednich granicach. Wszystkie łożyska montowane w pompach Metelli przeszły skrupulatne testy wytrzymałościowe, podczas których były one sztucznie poddane szczególnie trudnym warunkom eksploatacyjnym. Testy są tak zaplanowane, by sztucznie dopełnić całkowitą teoretyczną żywotność łożyska i jeśli pompy przejdą przez nie bez uszczerbku, uważane są za odpowiednie do użytku.

Jednakże, zdarzają się rzadkie przypadki, w których łożysko zawodzi przed skalkulowanym czasem. Jest to najczęściej spowodowane nadmiernym napięciem paska, co może spowodować nawet znaczne zmiany w napięciach promieniowych obliczonych podczas projektowania łożyska i skutkuje jego awarią nawet na długo przed teoretycznym końcem jego żywotności. Napięcie paska, a w szczególności ustawienie napinaczy musi być ściśle dostosowane do rekomendowanych przez producenta pojazdu. W niektórych przypadkach, zwłaszcza, gdy trzon/wał pompy porusza także innymi jednostkami (złącza/sprzęgła wiskostatyczne lub sprzęgło-wentylatora), brak współosiowości w tych jednostkach powoduje przedwczesne zużycie łożyska. Niewłaściwe użycie pompy może także mieć miejsce, gdy dodatkowe koła pasowe zostaną dołączone do trzonu/wału w celu poruszania dodatkowymi urządzeniami, do czego pompa nie została przeznaczona.

Uszczelka mechaniczna

To jest komponent, który zapewnia, że pompa jest wodoszczelna: składa się z części przymocowanej do obudowy pompy i części przymocowanej do wału łożyska. Obracające się pierścienie ślizgowe zabezpieczają chłodziwo przed wypłynięciem. Ich niezawodność i wytrzymałość zależy głównie od materiałów użytych do produkcji tych dwóch pierścieni. Kiepska jakość chłodziwa wystawia ten komponent na duże ryzyko: twardsze materiały wprowadzane ostatnio w znacznej mierze redukują ten problem, chociaż obecnie nie ma ostatecznego rozwiązania z powodu różnorodności płynów chłodniczych dostępnych na rynku i bardzo kiepskiej jakości niektórych nieoryginalnych produktów, również nawet dziś wielu mechaników nie wymienia płynów chłodniczych zgodnie z rekomendacją.

Badania nad materiałami wykorzystywanymi do uszczelek cały czas trwają. Kadra Metelli ciągle pracuje nad testowaniem najnowszych trendów na sprzęcie testowym, aby móc wybrać najlepszą uszczelkę do pomp w każdej sytuacji. Wszystkie uszczelki mechaniczne montowane w pompach Metelli przechodzą test, w którym uszczelki pracują bez przerwy 500 godzin (odpowiednik pracy w pojeździe przejeżdżającym 40000 km), powtarzając 9-godzinne cykle w temperaturach płynu chłodzącego pomiędzy -25°C a +130°C przy różnych prędkościach obrotowych.

Inne materiały wykorzystywane w uszczelkach to elementy gumowe zdolne wytrzymywać pracę w wysokich temperaturach (HNBR) powyżej 110°C, a także części metalowe wykonane ze stali nierdzewnej (co nie byłoby konieczne, gdyby wykorzystywano zawsze zalecane płyny chłodzące).

Uszczelka mechaniczna działa poprzez odparowanie płynu chłodzącego w temperaturze równowagi wytworzonej przez tarcie dwóch powierzchni ślizgowych. Jeśli równowaga ulega zakłóceniu, to powstają nieuniknione wycieki. Wycieki płynu chłodzącego zbierane są w specjalnym zbiorniku na wycieki dopasowanym tak, że kierowca nie jest niepotrzebnie alarmowany. Kiepskiej jakości chłodziwo niszczy uszczelkę, normalnie, jeśli płyn nie jest wymieniony, osad wapienny lub brud rysuje powierzchnie ślizgowe, uszkadzając uszczelkę. W najgorszych przypadkach, różne powierzchnie uszczelki (innych komponentów pompy) doznają uszkodzeń chemicznych.

Inny rodzaj uszkodzeń, który często występuje: powierzchnie ślizgowe są uszkodzone przez nadmierną temperaturę, w takim przypadku różne części uszczelki nabierają charakterystycznego niebieskawego koloru. Występuje to, gdy pompa pracuje na sucho. A to z kolei pojawia się, gdy system nie jest właściwie odpowietrzony tak, że bąbelki powietrza tworzą się blisko pompy, uniemożliwiając jej właściwą pracę. We wszystkich tych przypadkach uszczelka zaczyna zbyt wcześnie przeciekać ze śladami chłodziwa, pojawiającymi się na obudowie pompy.

Kolejny problem, który ostatnio jest powszechny, to nadmierny hałas pochodzący od uszczelki mechanicznej, szczególnie przy małych prędkościach obrotowych. Ten kłopotliwy problem związany z wprowadzeniem twardszych materiałów, takich jak ciężki węgiel (który jednak znacznie zredukował liczbę wycieków) pojawia się tylko przy specyficznych warunkach pracy pompy określanych jako „przylgnięcie –ślizg” . Zjawisko to jest postrzegane jako rodzaj gwizdu lub pisku i występuje, gdy uszczelniające powierzchnie najpierw przylegają do siebie a później zaczynają ślizgać, szczególnie, gdy pompa pracuje prawie sucha na niskich obrotach. Problem ten jest zatem związany z kiepskim odpowietrzeniem układu, zwłaszcza, gdy kształt wirnika utrudnia usunięcie powietrza wokół uszczelki. W niektórych przypadkach pierwotna pozycja pompy w silniku jest odpowiednia (najniższy punkt w układzie); powoduje to problemy z zalewaniem pompy, zwiększając ryzyko pracy na sucho. Od pewnego czasu producenci pojazdów ukierunkowują badania ma poszukiwanie materiałów, które wyeliminują problem hałasu.

Wirniki

Ogólnie mówiąc, wirniki występują w całej różnorodności kształtów i rozmiarów. Dla typowych prędkości obrotowych, firma Metelli zwykle stosuje wirniki typu „zamkniętego” lub „otwartego”. Idealna liczba łopatek (zwyczajowo pomiędzy minimum 4-5 a maksimum 10-12) i kształt wirnika zależą od szacowanej prędkości obrotowej, niewymiarowego parametru, który pozwala na wybór najlepszego kształtu ogólnego. Średnica wirnika i kąt łopatki są parametrami najbardziej bezpośrednio odpowiedzialnymi za charakterystykę hydrauliczną wirnika. Materiały, takie jak mosiądz, lane żelazo czy blacha stalowa gruba, są nadal szeroko stosowane w wirnikach; nie będąc przestarzałymi, są one idealnymi komponentami z dosłownie nieskończoną żywotnością w normalnych warunkach eksploatacyjnych. Gdy jednak kształt oryginalnego wirnika wymaga użycia plastiku, tylko technopolimery najwyższej jakości o mechanicznych, chemicznych i fizycznych cechach odpowiednich dla tego delikatnego zastosowania mogą być używane. Trzydzieści lat doświadczenia firmy Metelli, urządzenia zapewniające najwyższej jakości sprzęt montażowy i techniki obróbki wirnika zapewniają niezwykle precyzyjny montaż na podstawie (odpowiednie wyrównanie polepsza działanie i wydajność pompy o ok. +5%) i idealnie wyważoną rotację. 

Jeden problem, który pojawia się zaskakująco często, to obecność ciała obcego, co może nawet oderwać wszystkie łopatki wirnika. Aby temu zapobiec, system chłodzący musi być odsączony i cały płyn chłodzący wymieniony, a gniazdo pompy wnikliwie zbadane. Gdy oryginalny wirnik zrobiony jest z plastiku, w niektórych przypadkach polimer może się całkowicie oderwać od tulei, na której jest zamontowany na trzonie/wale. Odpowiednie zaprojektowanie plastikowego wirnika i ścisła kontrola parametrów profilowania redukują ten problem.

 

Koło pasowe

Mimo że koło pasowe jest częścią narażoną na znaczne siły mechaniczne, dobrze zaprojektowane, dokładnie wyprodukowane (np. ostrożność przy procedurach obróbki, które go wyważają) i dobry wybór materiałów spowodują, że w normalnych warunkach problemy nie pojawiają się. Koła zębate, często z proszków spiekanych, są zwykle głównym komponentem, ponieważ tworzą one część układu rozrządu. Jednakże nieprawidłowa instalacja (nadmierne naprężenie) zwiększy prawdopodobieństwo uszkodzenia koła. Z drugiej strony, pasek założony nieprostoliniowo uszkadza wszelkie przyspawane pierścienie/podkładki regulujące: pasek nigdy nie może o nie ocierać, ponieważ może to spowodować ich oderwanie. W takich przypadkach pasek musi być wyosiowany i ustawiony względem wału napędowego i pasków rozrządu. Jeśli koło pasowe pompy działa jako prowadnica paska, zamiast przyspawanego pierścienia regulującego/podkładki jest występ zintegrowany z odlewem koła.

Materiał firmy Metelli.