Czym jest ciśnienie zwrotne i dlaczego jest groźne dla turbosprężarki?

Choć turbosprężarka uchodzi za jedno z najefektywniejszych rozwiązań poprawiających osiągi silnika, potrafi być wyjątkowo wrażliwa na jeden często bagatelizowany czynnik – ciśnienie zwrotne. Zbyt wysokie może w krótkim czasie doprowadzić do kosztownej awarii. Specjaliści marki Nissens przedstawiają poradnik, w którym wyjaśnione zostały przyczyny i skutki ciśnienia zwrotnego w układzie wydechowym.

Czym jest ciśnienie zwrotne spalin?

Turbosprężarka i znajdujące się w niej wirniki podlegają działaniu ciśnienia sprężonego powietrza lub spalin. Z jednej strony ciśnienie pochodzi ze sprężonego powietrza wychodzącego przez króciec wylotowy sprężarki. Z drugiej strony pochodzi ono z układu wydechowego, do którego kierowane są spaliny po wykonaniu pracy w sprężarce; jest to tak zwane ciśnienie zwrotne czyli backpressure. Łożysko oporowe na wale jest skonstruowane tak, aby w warunkach normalnej eksploatacji równoważyć oddziaływanie ciśnień bocznych. Wraz z łożyskiem poprzecznym zapewnia ono prawidłowe wyważenie wału i jego obracanie się bez tarć.

Każda nieprawidłowość powodująca nietypowy wzrost sił bocznych będzie przyczyniać się do nieprawidłowego działania układu doładowania i może prowadzić do poważnych awarii turbosprężarki.

Jak ciśnienie zwrotne wpływa na turbinę?

Wskutek zbyt wysokich ciśnień bocznych łożysko oporowe turbosprężarki jest poddawane obciążeniom, których nie jest w stanie wytrzymać, przez co dochodzi do uszkodzenia łożyska. Wał przestaje się obracać swobodnie, dochodzi do kontaktu wirnika turbiny lub sprężarki z obudową oraz ścierania tych elementów i w rezultacie turbosprężarka ulega całkowitemu uszkodzeniu.

Nadmierne ciśnienie oporowe może mieć kilka przyczyn. Po stronie sprężonego powietrza zwykle jest to nadmierne ciśnienie doładowania albo przepływ powietrza ograniczony zatorami wewnątrz. Po stronie wydechowej główną przyczyną awarii jest nadmierne ciśnienie zwrotne za sprężarką. Głównymi sprawcami są szlam, sadza i nagar nagromadzony w rurze wydechowej i w elementach układu oczyszczania spalin. W zależności od rodzaju silnika zapchany filtr DPF albo katalizator będą powodować znaczny wzrost ciśnienia zwrotnego.

Przed montażem nowej turbosprężarki należy się upewnić, że w układzie wydechowym nie występuje nadmierne ciśnienie zwrotne. Niezależnie od konstrukcji silnika ciśnienie zwrotne zmierzone w układzie wydechowym tuż za turbosprężarką nie powinno przekraczać 0,3 bar (4,5 psi). Jeżeli ciśnienie to jest wyższe, należy wykryć i usunąć przyczynę tego zjawiska. Przyczynami nadmiernego ciśnienia zwrotnego mogą być zatkany katalizator, zatkane filtry DPF i tłumiki lub zdegradowane od wewnątrz łączenia rur, wobec czego należy te elementy wyczyścić lub wymienić.

Najczęstsze awarie powodowane przez nadmierne ciśnienie zwrotne w układzie wydechowym:

• nieprawidłowy skład mieszanki paliwowo-powietrznej, zwiększona emisja zanieczyszczeń i podwyższona temperatura układu wydechowego,
• nieprawidłowe ciśnienie doładowania, brak mocy i zwiększone zużycie paliwa,
• przedwczesne poważne awarie turbosprężarki: nadmierny luz wału, wycieki z uszczelnień wału, uszkodzenia mechaniczne wirnika turbiny/sprężarki, pęknięty wał.

Jest kilka metod pomiaru ciśnienia. Zasadniczo chodzi o zmierzenie ciśnienia zwrotnego tuż za turbosprężarką, a przed elementami układu oczyszczania spalin, w których najczęściej występują zatory.

UWAGA! Konieczne może być również sprawdzenie obecności skroplin wody w rurze wydechowej. Nadmiar wody może się gromadzić w układzie wydechowym, powodując ogromne opory przepływu, które należy wyeliminować.

Sposób pierwszy – bezpośredni pomiar ciśnienia

Aby określić wartość ciśnienia zwrotnego w układzie, odczytujemy dane na temat ciśnienia z interfejsu OBD lub podłączamy ciśnieniomierz w odpowiednich miejscach układu wydechowego.

W silnikach benzynowych dobrym punktem do wykonania pomiaru jest otwór montażowy sondy lambda. Do podłączenia ciśnieniomierza przez otwór sondy można użyć przeznaczonej do tego przejściówki albo wykonać ją samodzielnie z obudowy starego czujnika. Można też wywiercić nowy punkt dostępu przed katalizatorem albo innym elementem układu wydechowego. Do wykonania punktu przyłączenia ciśnieniomierza można użyć gwintowanego elementu przewodu hamulcowego albo odpowietrznika z zacisku hamulcowego. W konstrukcjach dieslowskich z filtrami DPF ciśnieniomierz można podłączyć przez jedno z dostępnych gniazd czujnika ciśnienia lub temperatury.

Po podłączeniu ciśnieniomierza należy uruchomić silnik i poczekać, aż rozgrzeje się do temperatury roboczej. Następnie zmierzyć ciśnienie zwrotne w całym zakresie obciążeń silnika. Najlepiej wykonać pomiar w kolejności od pracy na biegu jałowym do wysokich obrotów podczas jazdy.

Jeżeli zmierzone ciśnienie wynosi więcej niż 0,3 bar / 4,5 psi, oznacza to zatory w katalizatorze lub filtrze DPF, które należy usunąć.

Sposób drugi – pomiar temperatury

Innym sposobem wykrycia ewentualnych ograniczeń przepływu i nadmiernego ciśnienia zwrotnego w układzie wydechowym może być pomiar temperatury jego poszczególnych elementów. Do pomiarów można użyć termometru na podczerwień lub wykorzystać dane z testera diagnostycznego OBD. Należy zmierzyć temperaturę wlotu i wylotu katalizatora/ filtra DPF i porównać odczyty. Te same odczyty możemy uzyskać, jeżeli w pojeździe zastosowano czujniki temperatury w okolicach elementów układu oczyszczania spalin.

Jeżeli różnica temperatur między wejściem a wyjściem przekracza 10°C / 18°F, być może występuje ograniczenie przepływu wewnątrz elementu, będące przyczyną wzrostu ciśnienia zwrotnego.