Дизели с наддувом имеют различное применение в народном хозяйстве страны. Они устанавливаются на тракторы, карьерные самосвалы, магистральные автопоезда, специальные автомобили. 

Эти транспортные средства эксплуатируются на дорогах с различным покрытием /различным техническим состоянием/, в различных климатических зонах страны, на равнинных участках и в высокогорных районах. Изменение условий эксплуатации, характера работы, выполняемой автотранспортным средством, влияет на режим работы дизельного двигателя и турбокомпрессора. Так, дизель ЯМЗ-238НБ с номинальной мощностью 215 л.с. /158 кВт/ при частоте вращения коленчатого вала 1700 мин^-1 устанавливается на трактор К-700А. Трактор выполняет сельскохозяйственные операции: почвообработку агрегатами и транспортные работы при движении по грунтовым дорогам. Исследованиями установлено, что при почвообработке дизель работает в узком скоростном и нагрузочном режимах: свыше 2/« времени при мощности 70—90 % от номинального значения и половину времени при частоте вращения коленчатого вала 90÷104 % от номинального значения. Приведенные цифры свидетельствуют о том, что дизель при пахоте работает вблизи номинального режима с выходом по частоте вращения на регуляторную ветвь. Такой режим работы сохраняется на протяжении длительного времени, определяемого длиной гона при почвообработке.

При выполнении транспортных операций скоростной диапазон работы дизеля еще более сужается. Примерно 2/3 времени дизель работает при частоте вращения коленчатого вала 1770—1830 мин^-1 при широком диапазоне изменения мощности. Работа дизеля при частоте вращения близкой к номинальной обусловлена стремлением водителя поддерживать высокую скорость движения трактора на каждой из передач.

При почвообработке частота вращения ротора турбокомпрессора ТКР 11 изменяется в относительно узких пределах 40—45 тыс. мин^-1. Температура газа перед турбиной при этом составляет 550—600°С. Эти условия сохраняются в указанном диапазоне довольно продолжительное время, определяемое, как уже говорилось, длиной гона.

При работе самосвала БелАЗ-548А на вывозе руды из карьера полный цикл движения составляет в среднем 30 минут. Из них примерно 20 минут затрачивается на подъем груженого самосвала от экскаватора в гору до обогатительной фабрики и 10 минут занимает спуск порожнего самосвала от фабрики в карьер. На этом самосвале установлен дизельный 12-цилиндровый двигатель с наддувом ЯМЗ-240Н с номинальной мощностью 500 л.с. /368 кВт/ при частоте вращения коленчатого вала 2100 мин^-1. При движении груженого самосвала в гору дизель работает на режимах в зоне внешней скоростной характеристики: примерно 2/3 времени при мощности 80—100 % от номинального значения. Частота вращения коленчатого вала близка к номинальному значению. В силу большей форсировки дизеля ЯМЗ-240Н по сравнению с ЯМЗ-238НБ, частота вращения ротора ТКР 11 повышается до 60 тыс.мин^-1, а температура выпускных газов перед турбиной превышает 700°С.

При спуске самосвала в карьер порожняком дизель работает на режимах близких к режимам холостого хода. Температура выпускных газов понижается до 250—300°С, а частота вращения ротора — до 15—20 тыс. мин^-1. Наряду с этим уменьшается температура охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя до 40÷50°С и температура масла. Такое изменение параметров работы дизеля происходит циклически, в среднем каждые 30 минут. Таким образом, режим работы дизеля с наддувом на карьерном самосвале имеет циклический и явно выраженный неустановившийся характер. Это оказывает влияние на характер отказов турбокомпрессора, надежность его работы. При примерно одинаковом отношении числа отказов турбокомпрессоров к числу отказов дизелей при установке их на самосвал и трактор, сами отказы имеют различный характер.

Уровень форсирования тракторного дизеля за счет наддува не превышает 20% при одновременном понижении номинальной частоты вращения коленчатого вала базовой, безнаддувной модификации дизеля ЯМЗ-238. Уровень форсирования карьерного самосвала достигает 45%. Поэтому уровень механических и термических нагрузок на детали тракторного дизеля и турбокомпрессора ниже, чем на детали дизеля карьерного самосвала. Надежность работы тракторного дизеля и турбокомпрессора определяются в основном тем, как обеспечено снижение темпа процессов изнашивания в парах трения.

Работа дизеля на тракторе происходит в условиях повышенной запыленности воздуха. Для таких условий эксплуатации требуется высокая износостойкость деталей цилиндро-поршневой группы дизеля в целом и узла подшипников в частности. Установка дополнительного фильтра очистки масла, поступающего к подшипникам турбокомпрессора, уменьшает отказы турбокомпрессора из-за износов подшипников.

Циклический характер изменения нагрузочного и температурного режимов работы дизеля карьерного самосвала является одной из главных причин возникновения отказов в дизеле и турбокомпрессоре. Циклическое изменение температуры газов в выпускном трубопроводе перед турбиной являлось причиной образования термоусталостных трещин на корпусе турбины около шпилек крепления фланца отводящего трубопровода. Отмечалось и образование окалины на поверхности корпуса, его усадка, что затрудняло, а в некоторых случаях и делало невозможным снятие соплового венца, и разборку турбокомпрессора. Таких дефектов не было при эксплуатации тракторного дизеля ЯМЗ-238НБ. С целью унификации материала корпусов турбин различных двигателей потребовалось введение в материал корпуса турбины легирующих присадок, повышающих жаростойкость чугуна. Применение более жаростойкого чугуна для отливки корпуса турбины позволило исключить образование термоусталостных трещин.

Дизель ЯМЗ-240Н имеет импульсную систему наддува: выпуск газов из трех цилиндров объединен одним выпускным турбопроводом. Чередование работы цилиндров, объединенных одним трубопроводом, происходит через 120 градусов поворота коленчатого вала. Давление газового потока в выпускном трубопроводе по времени имеет переменный /импульсный/ характер. Это обеспечивает более полное использование энергии газов, проходящих через турбину. Однако при этом на упорный подшипник ротора турбокомпрессора действует осевая динамическая нагрузка с частотой равной частоте импульсов давления в выпускном трубопроводе. Величина этой динамической нагрузки в несколько раз превышает статическую нагрузку при тех же самых значениях среднего давления газа в выпускном трубопроводе, как если бы турбина работала в стационарном потоке газа. В результате совокупного воздействия циклически меняющегося температурного режима работы турбокомпрессора и динамического нагружения упорного подшипника в осевом направлении происходит самоотворачивание винтов его крепления. Это приводит к отказу турбокомпрессора. Такой дефект отмечался лишь в турбокомпрессоре дизеля карьерного самосвала. Ужесточение требований к контровке крепежных винтов исключило этот дефект.

Увеличение литровой мощности дизеля при газотурбинном наддуве за счет увеличения заряда воздуха и цикловой подачи топлива в цилиндры происходит пропорционально повышению плотности воздуха на впуске.

Пределы форсирования дизеля устанавливаются из условия достижения приемлемых значений максимального давления газов в цилиндре, температуры выпускных газов перед турбиной, дымности выпускных газов и топливной экономичности. Вполне очевидно, что предельные значения давления и температуры газов в цилиндре зависят от смесеобразования и тепловыделения в цилиндре, конструктивных особенностях дизеля, применяемых материалов. Но не все указанные параметры становятся предельно допустимыми при форсировании. Обычно ограничительным при форсировании является один из параметров. Наиболее часто им является температура выпускных газов, которая характеризует уровень термических нагрузок на детали дизеля. Так, для автомобильного дизеля ЯМЗ-238ПМ, устанавливаемого на автопоезда МАЗ, максимальное значение температуры выпускных газов перед турбиной при работе дизеля по внешней скоростной характеристике не должно превышать 700°С. Такое предельно допустимое значение температуры обусловлено физико-механическими свойствами сплава на основе никеля АНВ-300, из которого отливаются колесо турбины турбокомпрессора. Коэффициент избытка воздуха, представляющий собой отношение действительного расхода воздуха через цилиндры к теоретически необходимому количеству воздуха для сгорания топлива, при форсировании дизеля всегда далек от предельного значения, т. е. имеется запас по коэффициенту избытка воздуха на номинальном режиме работы дизеля. Изменение параметров атмосферного воздуха /внешних условий/ в определенных пределах, а значит и коэффициента избытка воздуха не приводит к достижению предельных значений параметров двигателя по дымности, топливной экономичности, термическим напряжениям в деталях. Это справедливо при эксплуатации дизеля на равнине. В высокогорье, на высоте свыше 2000 метров над уровнем моря, давление атмосферного воздуха уменьшается, а температура в летний период времени выше 0°С. Плотность атмосферного воздуха заметно понижается. При неизменной цикловой подаче топлива в цилиндры, коэффициент избытка воздуха уменьшается. При этом уменьшается мощность дизеля и повышается температура выпускных газов перед турбиной. При эксплуатации автопоездов МАЗ с дизелями ЯМЗ-238ПМ в высокогорных районах нашей страны отмечается увеличение температуры выпускных газов перед турбиной до 780—800°С на высоте 3500—4000 метров. Характерным отказом турбокомпрессора является обгорание диска и лопаток колеса турбины с последующим его разрушением. Предотвратить такой отказ можно лишь уменьшив цикловую подачу топлива за счет применения высотного корректора или снизить скорость движения, уменьшив соответственно загрузку автомобиля. Если же высотный корректор на дизеле не установлен, то необходимо перерегулировать топливный насос высокого давления и уменьшить цикловую подачу топлива на 10—12 мм³ /цикл /на 7-8%/.

Степень ухудшения параметров работы дизеля с увеличением высоты зависит от многих факторов, и в первую очередь, от взаимного согласования характеристик дизеля и турбокомпрессора. Если, например, благодаря соответствующей настройке турбокомпрессора /компрессор для высокогорных районов с более высокой степенью повышения давления, регулируемый направляющий аппарат входа газа в колесо/ параметры воздуха на впуске при пониженном давлении в высокогорье будут равны исходному состоянию при нормальных условиях, то с увеличением высоты вообще не потребуется уменьшать цикловую подачу топлива. В общем, проблема установления цикловой подачи /мощности/ в зависимости от внешнего давления и температуры является очень сложной. Ориентировочные значения изменения некоторых параметров четырехтактных дизелей с наддувом при постоянной цикловой подаче топлива на каждый 1000 метров увеличения высоты при неизменной температуре атмосферного воздуха опубликованы компанией МАН:

Мощность — падает на 1—2 %

максимальное давление — падает на 3—4 %

коэффициент избытка воздуха — падает на 6—7 %

частота вращения ротора ТКР — растет на 6—8%

температура выпускных газов перед турбиной — растет на 30—40° С

Хорошо согласуются с этими данными и результаты исследований, проведенными Ярославским моторным заводом.

Наряду с отказами дизелей из-за производственных дефектов, нарушениями заводских инструкций по эксплуатации известны случаи, когда автотранспортные предприятия в результате плохой диагностики преждевременно и необоснованно отправляют дизели в капитальный ремонт. Это сокращает ресурс дизеля.

Проверка на Ярославском моторном заводе партии дизелей с автомобилей МАЗ и КрАЗ, отправленных в капитальный ремонт АТП четырех крупных городов центральной части страны, показала, что в результате низкого уровня технического обслуживания системы смазки, системы очистки воздуха, топливной аппаратуры 50% двигателей отправлены в капитальный ремонт необоснованно. Двигатели были отправлены в капитальный ремонт из-за снижения номинальной мощности и повышенного расхода масла. Отправленные в ремонт двигатели были испытаны на стендах завода для проверки номинальной мощности, максимального крутящего момента, максимальных и минимальных оборотов холостого хода, параметров работы по внешней скоростной характеристике с регистрацией давления масла. Затем все двигатели были разобраны для осмотра и микрометража деталей.

Комплексная проверка двигателей на заводе показала, что в результате низкого уровня технического обслуживания, двигатели имели большие отклонения по основным регулировочным параметрам: угол опережения впрыска топлива был в пределах 9÷28° вместо 20° по инструкции; тепловые зазоры в клапанном механизме по отдельным двигателям достигали 1,5 мм, вместо 0,25—0,30 мм; нарушена регулировка топливной аппаратуры по цикловой подаче, изменены максимальные и минимальные обороты холостого хода.

Максимальные обороты холостого хода были завышены почти у 80% проверенных двигателей.

В результате разгерметизации впускного тракта во впускных коллекторах была обнаружена кварцевая пыль. Негерметичность впускного тракта привела к повышенным износам цилиндро-поршневой группы, поломке первого компрессионного кольца почти у половины деталей.

При проверке системы смазки установлено, что 60% масляных насосов имели заниженную производительность. Элементы масляных фильтров были значительно закоксованы, имели надрывы и выровы фильтрующего элемента, смяты колпаки фильтров. Отложения в центробежном фильтре очистки масла по весу достигали 600 граммов, что в 2 раза превышает допустимый уровень.

Дефекты в масляной системе привели к износам шеек коленчатого вала выше предельного значения 50 мкм у 40% двигателей. Износ рабочего слоя шатунных и коренных вкладышей превышал предельное значение 25 мкм.

В результате выполнения регламентных работ по техническому обслуживанию половина от направленных в капитальный ремонт двигателей были пригодны к дальнейшей эксплуатации. Они имели остаточный ресурс и не требовали капитального ремонта. Наличие простейшей диагностики в автохозяйствах могло бы предотвратить необоснованную отправку двигателей в ремонт.

Известно, что стоимость технического обслуживания и ремонта в несколько раз превышает стоимость изготовления нового двигателя, а трудоемкость их проведения в десятки раз выше трудоемкости изготовления двигателя. Учитывая массовый характер производства автомобильных двигателей, необоснованный и преждевременный капитальный ремонт двигателя, не выработавшего свой ресурс, увеличивает количество людей, занятых в сфере эксплуатации и ремонта, и снижает производительность общественного труда.

Рассмотрение отказов двигателей в эксплуатации будем проводить на примере серийно выпускаемого Ярославским моторным заводом дизельного двигателя ЯМЗ-238ПМ и его модификаций, устанавливаемых на магистральные автопоезда МАЗ.

Г. М. Савельев, Б. Ф. Лямцев, Е. П. Слабов
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ЯМЗ С НАДДУВОМ
1988