article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
1(87)/2012
Paweł Mazuruk1
DIAGNOSTYKA WTRYSKIWACZY COMMON RAIL Z WYKORZYSTANIEM EMISJI AKUSTYCZNEJ
l. Wstęp
Rosnące koszty eksploatacji silników przemysłowych, w szczególności wzrost cen
paliwa, powodują, że użytkownicy coraz częściej sięgają do paliw nieznanego pochodzenia. Paliwa te najczęściej nie spełniają norm odnośnie ich jakości i są przyczyną
licznych uszkodzeń w układach paliwowych. Często motywacją do tego typu działań jest
przekonanie, że mając doświadczenia ze starszego typu silnikami, użytkownik uważa, że
właściwie paliwo powinno jedynie zawierać wartości kaloryczne by wywołać proces
spalania i nic więcej. Obecnie większość silników produkowanych jeszcze wg norm
emisji spalin EURO Stage 3A posiada zasobnikowy układ wtryskowy zwany z języka
angielskiego Common Rail.
MAN
AgcoSisu
Lombardini
Kubota
Isuzu
Yanmar
Scania
Caterpillar
Perkins
Deutz
John Deere
Cummins
Iveco
Volvo
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Rys. 1. Zakres zastosowania systemu Common Rail w zależności od producenta
i mocy silnika w [kW][1]
Na podstawie wieloletnich obserwacji i analiz usterek badanych silników autor może stwierdzić, że około 70% wszystkich uszkodzeń silnika jest związanych z układem
1
mgr inż. Paweł Mazuruk – BU Power Systems Polska, [email protected]
87
paliwowym, a w szczególności z częścią wysokociśnieniową. Główną przyczyną uszkodzeń nie są zazwyczaj zanieczyszczenia stałe, gdyż te są zatrzymywane w bardzo dokładnych filtrach, ale problemem są zanieczyszczenia płynne, które tworzą osady
w postaci mazistej czy też korozję elementów metalowych całego układu paliwowego.
Osady najczęściej powodują zakleszczanie się elementów par precyzyjnych pompy
i wtryskiwaczy, zaś korozja dodatkowo doprowadza do wytwarzania się cząstek ciernych z elementów pompy.
Rys. 2 . Obraz zanieczyszczeń elementów wtryskiwacza [2]
Na powyższych zdjęciach przedstawiono płytkę rozdzielaczową oraz podkładkę
i sprężynę wtryskiwacza zdemontowane z uszkodzonego wtryskiwacza. Elementy te są
zanurzone w paliwie podczas pracy i widać wyraźnie osady powstałe z zanieczyszczonego paliwa.
2. Diagnostyka wtryskiwaczy
Z dokumentacji producentów silników oraz dostępnych danych literaturowych [3]
wynika, że najbardziej precyzyjnym podzespołem w układzie wtryskowym jest wtryskiwacz, w którym luzy prowadzenia iglicy są rzędu kilku µm zaś przekroje niektórych
kanałów wynoszą nie więcej niż 0,25 mm². Dlatego też ten element jest najbardziej narażony na uszkodzenia w przypadku stosowania paliw niezgodnych z normami. Na podstawie obserwacji autora można stwierdzić, że stan uszkodzenia wtryskiwaczy nie jest
zależny od wieku silnika a od czasu pracy na zanieczyszczonym paliwie.
88
3500
godz
.3000
2500
2000
1500
1000
500
0
silnik 1
silnik 2
silnik 3
silnik 4
silnik 5
silnik 6
silnik 7
Rys. 3. Liczba godzin pracy wtryskiwaczy do momentu uszkodzenia [2]
Z praktycznego punktu widzenia bardzo ważnym elementem eksploatacji silnika
jest także jego prawidłowa i szybka diagnoza, a w przypadku wystąpienia usterki także
skuteczna i szybka naprawa. Wiąże się to z ogromnymi kosztami związanymi
z przestojem maszyny, która to jest napędzana spalinowym silnikiem przemysłowym.
Maszyny te są najczęściej jednym z ogniw procesu technologicznego i każdy niepożądany przestój przynosi straty w całym procesie technologicznym.
Rys. 4. Przykłady zastosowania spalinowych silników przemysłowych [2]
89
Analizując procedury diagnostyczne różnych producentów silników można wytypować następujące metody diagnostyczne wtryskiwaczy Common Rail:
1) Metody elektryczne
Polegają głównie na wykorzystaniu mierników elektrycznych, jak np. oscyloskop, do
badania przebiegu napięć a w szczególności przebiegu natężeń prądu oraz ich charakterystyki w czasie. Tą metodą można zdiagnozować usterkę po stronie elektrycznej
taką jak: przerwanie obwodu elektrycznego, nieprawidłowe wartości napięcia i natężenia prądu, uszkodzenia cewki w przypadku pomiaru indukcyjności czy też stosu
piezoelektryków w przypadku pomiaru pojemności elektrycznej.
2) Metody komputerowe
Polegają na analizie parametrów uzyskanych za pomocą komputera i programu diagnostycznego producenta silnika. Najczęściej diagnostyka silników przemysłowych
nie jest tak bardzo zaawansowana jak to jest w silnikach pojazdów samochodowych,
aczkolwiek w niektórych rozwiązaniach można znaleźć takie parametry diagnostyczne wtryskiwaczy jak współczynnik wypełnienia, stabilizacja biegu jałowego, adaptacja średniej wartości dawki, kalibracja dawki zerowej – które to parametry świadczą
pośrednio także o poprawności działania wtryskiwaczy [4].
3) Metody pomiaru zadymienia
Metoda opisana w pracach [5,6] jest stosowana wówczas, gdy istnieje możliwość
zmierzenia wartości zadymienia spalin. Wówczas rozłączając przewody zasilające
pracującego wtryskiwacza i podłączając go do nowego „serwisowego” wtryskiwacza
można zauważyć i zmierzyć zmiany w zadymieniu, jeżeli faktycznie wyłączony wtryskiwacz działał niepoprawnie.
4) Metody pomiaru przelewu
Najbardziej rozpowszechniona metoda badania poprawności pracy wtryskiwacza,
głównie pod kątem usterki mechanicznej. Za pomocą przewodów przelewowych
i menzurek wyznacza się wartość przelewu z każdego wtryskiwacza lub zbiorczo
i porównuje zgromadzoną ilość paliwa z danymi ustalonymi przez producenta. Nadmierny przelew może wskazywać na niepoprawną pracę wtryskiwacza lub całego
kompletu.
5) Badanie wtryskiwaczy na stanowisku probierczym w specjalistycznym zakładzie
Jest to najbardziej precyzyjny sposób sprawdzenia działania wtryskiwacza, polegający na przeprowadzeniu szeregu precyzyjnych testów pracy wtryskiwacza takich jak:
zdolność podziałowa wtryskiwaczy, ustalanie „mikro dawki”, pełne obciążenie wtryskiwacza itd. [7].
Analizując metody diagnostyczne wtryskiwaczy należy podkreślić, iż mogą one
mieć swoje ograniczenia w zastosowaniu do diagnostyki silnika w terenie, w którym
pracuje maszyna. W badanym silniku nie obserwowano uszkodzeń po stronie elektrycznej obwodu sterowania wtryskiwaczami, aczkolwiek jest to zależne od modelu silnika
i jego producenta. Diagnostyka komputerowa silników przemysłowych nie zawsze jest
aż tak rozbudowana jak w systemach silników samochodowych, stąd też może nie mieć
pełnego zastosowania. Weryfikacja uszkodzenia wtryskiwaczy za pomocą badania zadymienia ogranicza się do posiadania bardzo drogiego urządzenia, którym jest analizator
spalin i także nie ma praktycznego zastosowania w naprawach w terenie. Badanie wtryskiwaczy w specjalistycznym zakładzie mija się z celem, jeżeli mechanik musi szybko
określić przyczynę awarii i podjąć decyzję o wymianie wtryskiwaczy w miejscu postoju
maszyny. Pozostaje pomiar przelewu, który nie we wszystkich silnikach można precyzyjnie ustalić. W badanym silniku pomiaru dokonuje się zbiorczo ze wszystkich
90
wtryskiwaczy, stąd też jeżeli zgromadzona ilość paliwa przekroczy ustaloną normę przez
producenta, wówczas koniecznym jest wymiana całego kompletu wtryskiwaczy np. 6
sztuk a co za tym idzie wszystkich przewód wysokiego ciśnienia itd. Dodatkowym kosztem jest czas pracy potrzebny do wymiany wszystkich wtryskiwaczy co wiąże się
z zwiększeniem kosztów naprawy i dodatkowym przestojem maszyny. Z obserwacji
procesu naprawy takiej usterki, żądań użytkowników w takich przypadkach oraz kalkulacji kosztów można stwierdzić, iż istnieje potrzeba opracowania znacznie szybszej,
precyzyjniejszej i tańszej metody diagnozy pracy poszczególnych wtryskiwaczy Common Rail [8]. Poniżej przedstawiono zestawienie kosztów usunięcia awarii powstałej
w silniku maszyny drogowej do rozkładania asfaltu przy założeniu, że diagnostyka
usterki układu wtryskowego została wykonana metodą tradycyjną czyli poprzez pomiar
nadmiernego zbiorczego przelewu z wtryskiwaczy oraz że wymianie podlega cały komplet wtryskiwaczy. Porównano te koszty z proponowaną metodą badania poszczególnych wtryskiwaczy z pomocą EA.
PLN netto
18000
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
Koszt przestoju
Koszt robocizny
Koszt części
Koszt wtryskiwaczy
Tradycyjna metoda
Diagnostyka EA
Rys. 5. Koszty w PLN netto usunięcia usterki wtryskiwaczy w maszynie drogowej [2]
W ostatnich latach rozwija sie dosyć dynamicznie metoda zastosowania Emisji
Akustycznej w badaniach i diagnostyce elementów i podzespołów silnika spalinowego.
Emisja Akustyczna jest to zjawisko występowania chwilowych fal sprężystych wywołanych przez wyzwolenie energii w materiale lub przez proces [9]. W silnikach spalinowych sygnał Emisji Akustycznej (EA) znalazł zastosowanie m.in. w detekcji luzów
zaworowych [10], badaniu szczelności uszczelki pod głowicą [11], pracy pompy wtryskowej i wtryskiwaczy sterowanych mechanicznie [12,13,14], badaniu stanu pierścieni
tłokowych [15], pomiarów wartości ciśnienia spalania w komorze cylindrowej [16]
i inne. Pojawiły się już pierwsze artykuły wykorzystujące EA w diagnozie pracy wtryskiwaczy Common Rail [17,18], jednak skupiają się one na specyficznym zakresie badań jak np. zastosowanie paliw alternatywnych i wpływ tych paliw na wtryskiwacz czy
też opis usterek wtryskiwaczy, takich jak uszkodzenie końcówki rozpylacza, które nie
występowały w badanym silniku.
91
3. Badania eksperymentalne
Badania przeprowadzono na fabrycznie nowym, nowoczesnym, przemysłowym silniku z zapłonem samoczynnym z układem wtryskowym Common Rail stosowanym do
napędu maszyn drogowych, rolniczych czy też budowlanych.
Tabela 1. Zestawienie podstawowych danych technicznych badanego silnika
Silnik rzędowy, czterosuwowy, certyfikowany wg norm EU 97/68/EC Stage 3A
Liczba cylindrów
Średnica cylindra
Skok tłoka
Pojemność silnika
Maksymalna moc przy 2200 obr/min
Maksymalny moment obrotowy przy 1400 obr/min
Stopień sprężania
Maksymalne ciśnienie wtrysku
Typ wtryskiwacza
4
105 mm
127 mm
4400 cm3
102 kW
536 Nm
16,2:1
160 MPa
elektromagnetyczny
Na bazie niniejszego silnika zbudowano stanowisko badawcze przedstawione na
zdjęciu poniżej. Ze względu na to, iż ogromna większość zakładów naprawczych nie
posiada i nie stosuje hamulców do obciążania silnika zaś wszystkie testy przed i po naprawie dokonuje się bez obciążenia, zdecydowano się na badanie wtryskiwaczy pod
obciążeniem około 5-10% czyli takim, które pochodzi od napędu osprzętu silnika. Podczas diagnostyki silnika zamontowanego w maszynie również nie bada się wtryskiwaczy
np. metodą przelewową pod obciążeniem silnika. Dlatego też założono, iż badanie wtryskiwaczy EA powinno dać możliwość wykrycia nieprawidłowości pracy wtryskiwacza
właśnie pod niskim obciążeniem.
Rys. 6. Stanowisko badawcze [2]
92
Do badań wytypowano sześć fabrycznie nowych wtryskiwaczy oznaczonych jako
NN1, NN2...NN6 oraz sześć uszkodzonych opisanych jako UU1, UU1...UU6. Wartość
przelewu z wtryskiwaczy została zmierzona na silniku oraz potwierdzona na stole probierczym w specjalistycznym zakładzie aparatury wtryskowej. Zgodnie z Instrukcją
Serwisową producenta prędkością badawczą przy pomiarze wartości przelewów z wtryskiwacza jest 1000 obr/min zaś czas pomiaru przelewu wynosił 1 minutę. Wartości przelewu wytypowanych wtryskiwaczy podano poniżej i kolorem czerwonym oznaczono
wartość przelewu, wskazująca na uszkodzenie wtryskiwacza.
[ml]
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
NN1 NN2 NN3 NN4 NN5 NN6 UU1 UU2 UU3 UU4 UU5 UU6
Rys. 7. Zestawienie graficzne średniej wartości przelewu zbiorczego z wtryskiwaczy
zgromadzonego w ciągu 1 minuty przy prędkości badawczej [2]
Do pomiaru sygnału Emisji Akustycznej wykorzystano akcelerometr o oznaczeniu
4371V firmy Bruel&Kjaer. Układ pomiarowy składa się z przetwornika Emisji Akustycznej oraz oprogramowania wykonanego w Zakładzie Badań Nieniszczących Instytutu Podstawowych Problemów Technicznych Polskiej Akademii Nauk [18].
Akcelerometr
mocowany w
uchwycie
Wzmacniacz
środkowoprzepustowy
20 dB
Analogowocyfrowa karta
dźwiękowa
PCI 9118
Miejsce pomiarowe
Komputer PC
Rys. 8. Uproszczony schemat układu pomiarowego Emisji Akustycznej
93
W celu zapewnienia jednakowych warunków pomiaru EA wtryskiwaczy badano je
w jednym cylindrze. Montowano kolejno w głowicy, a następnie dokonywano pomiaru
sygnału EA z akcelerometru zamontowanego na króćcu przewodu wysokiego ciśnienia
do wtryskiwacza. Akcelerometr montowano w specjalnie wykonanym do tego celu
uchwycie, który był pozycjonowany na króćcu przy wtryskiwaczu i dokręcany jednakowym momentem 2,5 Nm za pomocą klucza dynamometrycznego. Każdorazowo wprowadzano pomiędzy akcelerometr i powierzchnię króćca żel przewodzący.
Przed każdym pomiarem silnik pracował do momentu ustabilizowania się temperatury wody chłodzącej (wynosiła ona w zadanych warunkach 79°C) oraz prędkości obrotowej 1000 obr/min. Dokonywano 10 kolejnych pomiarów dla każdego wtryskiwacza
zdejmując każdorazowo akcelerator.
4. Wyniki badań
W omówieniu wyników wykorzystano fragment prowadzonych aktualnie przez autora badań. Porównano wartości sygnałów fabrycznie nowego wtryskiwacza oraz uszkodzonego, którego wartość przelewu przekracza dopuszczalne normy określone przez
producenta i jest wyższa o 92% od wartości przelewu nowego wtryskiwacza. Poniżej
podano przebieg sygnału EA wybranych wtryskiwaczy jako wartość napięcia w [mV]
w czasie w [ms].
[mV]
Rys. 9. Sygnał Emisji Akustycznej pochodzący z wtryskiwacza nowego
Porównując sygnały źródłowe Emisji Akustycznej widoczna jest liczba przekroczeń
sygnału zarówno dla progu 800 mV jak i 1000 mV. Dla uszkodzonego wtryskiwacza
wartości kolejnych przekroczeń sygnału są znacznie niższe.
94
[mV]
Rys. 10. Sygnał Emisji Akustycznej pochodzący z wtryskiwacza uszkodzonego
Na rysunkach powyżej czerwonym kółkiem zaznaczono moment przekroczenia
progu napięcia 1000 mV – dla nowego wtryskiwacza nastąpiło to po 0,78 ms od początku wtrysku zaś dla uszkodzonego dopiero po 1,88 ms od początku wtrysku. Przerywanym kółkiem żółtym zaznaczono też impulsy sygnału, które można wyodrębnić we
wtryskiwaczu uszkodzonym.
[ms]
Wtryskiwacz
nowy
Wtryskiwacz
uszkodzony
10 20
30
10
20
30[ms]
Rys. 11. Wycinek spektrogramu EA z programu Z.Ranachowski IFTR-spectrum analyser wraz z legendą (powyżej) oraz widok szczegółowy analizy czasowoczęstotliwościowej wtryskiwaczy
95
We wtryskiwaczu z nadmiernym przelewem proces wtrysku paliwa do cylindra silnika jest zakłócony poprzez zmianę wartości ciśnienia w komorze sterującej wtryskiwacza. Konsekwencją tego jest to, że iglica nie jest unoszona w odpowiednim czasie co
powoduje niekontrolowane opadanie i unoszenie się iglicy, a tym samym zmienia się
wartość i moment wtrysku dawki paliwa. Generuje to jednocześnie różne częstotliwości
sygnału i tak jak to jest widoczne na rysunku powyżej, wykonanym w programie do
analizy EA [18]. W przypadku nowego wtryskiwacza widoczne są sygnały w okolicach
15 kHz na poziomie powyżej 54 dB. Dla uszkodzonego wtryskiwacza pasmo maksymalnego natężenia hałasu wynosi tylko 48 kHz i przesunęło się w zakres 12-13 kHz.
Dosyć wyraźna jest różnica także na wykresie gęstości widmowej, czyli wartości
napięcia w stosunku do częstotliwości w funkcji czasu. Dla omawianego przypadku
wykreślono ją w częstotliwości 15200 Hz.
t [ms]
Rys. 12. Gęstość widmowa sygnału EA w częstotliwości 15200 Hz dla
nowego wtryskiwacza
t [ms]
Rys. 13. Gęstość widmowa sygnału EA w częstotliwości 15200 Hz dla
uszkodzonego wtryskiwacza
96
Wartości gęstości widmowej sygnału EA przedstawiono w tej samej skali. W nowym wtryskiwaczu wartości napięcia osiągają 400-500 mV w kolejnych procesach
wtrysku zaś w uszkodzonym połowę mniej, czyli wartości z zakresu 150-250 mV.
5. Wnioski
Na obecnym etapie autor wciąż prowadzi badania wtryskiwaczy nowych i uszkodzonych przy pomocy EA pod kątem metody mocowania czujnika, miejsca mocowania
wtryskiwacza, stopnia przelewu z wtyskiwacza, warunków pracy silnika itd. Niemniej
analizując powyższe wybrane przykłady widać obiecujące rezultaty. Obecnie testowany
jest również analizator Emisji Akustycznej dedykowany do silników z wtryskiwaczami
Common Rail, który został opracowany w Zakładzie Badań Nieniszczących IPPT PAN
i Akademii Morskiej w Szczecinie. Analizator ten jest przenośnym urządzeniem, które
ma posłużyć do badań wtryskiwaczy w terenie przez mechaników, celem zastosowania
i dopracowania uniwersalnej metody diagnostycznej wtryskiwaczy Common Rail.
Literatura:
[1] Opracowanie własne na podstawie informacji zamieszczonych na stronach internetowych producentów
[2] Materiały fotograficzne oraz dane techniczne zgromadzone przez autora
[3] Informator techniczny firmy Bosch: Zasobnikowe układy wtryskowe Common
Rail, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Wydanie 2 rozszerzone, Warszawa
2009
[4] Gładysek J.: Common Rail Bosch – III Generacja, Diagnostyka systemów CR,
Materiały szkoleniowe z kursu Kraków 2009
[5] Gűnter H.: Układy wtryskowe Common Rail w praktyce warsztatowej, Budowa,
sprawdzanie, diagnostyka, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Wydanie 1,
Warszawa 2010
[6] Gűnter H.: Diagnozowanie silników wysokoprężnych, Wydawnictwo Komunikacji
i Łączności, Wydanie 3, Warszawa, 2009
[7] Centrum Szkolenia Motoryzacji „Autoelektronika Kędzia”. Budowa, funkcjonowanie i remonty systemów sterowania elektronicznego silników Diesla, Materiały
Szkoleniowe z kursu Poznań 2010
[8] Bejger A., Mazuruk P.: Praktyczne sposoby wykrywania niesprawności układów
wtryskowych silników Common-Rail, Nadieżnost i Efiektiwnost Tiechniczieskich
Sistiem, Mieżdunarodnyj Sbornik Trudow, Kaliningrad 2009, ISBN 978-5-94826245-1
[9] Norma PN-EN 1330-9-2002
[10] Elamin F., Fan Y., Gu F., Ball A.: Detection of diesel engine valve clearance by
acoustic emission, In: Proceedings of Computing and Engineering Annual, Researchers' Conference 2009: CEARC’09. University of Huddersfield, Huddersfield,
pp. 7-13
[11] El-Ghamry M., Reuben. R. L., Steel, J. A.: The development of automated pattern
recognition and statistical feature isolation techniques for the diagnosis of reciprocating machinery faults using acoustic emission, Mechanical Systems and Signal
Processing, 2003
[12] Bejger A.: Możliwości aplikacyjne emisji akustycznej do badania układów wtryskowych silników okrętowych, Explo-Ship 2004, Zeszyty Naukowe Nr 1(73) Akademii Morskiej w Szczecinie
97
[13] Elamin F., Gu F., Ball A.: Diesel Engine Injector Faults Detection Using Acoustic
Emissions Technique, Modern Applied Science Vol. 4, No. 9; September 2010
[14] Ranachowski Z., Bejger A.: Fault diagnostic of the fuel injection system of a medium power maritime diesel engine with application of acoustic signal, Archives of
Acoustic, Vol. 30, 4, Warszawa 2005
[15] Douglas R., Steel J., Reuben R.: A study of tribological behaviour of piston
ring/cylinder liner interaction in diesel engines using acoustic emission, Tribology
International,39 (2006)
[16] El-Ghamry, M., Steel, J. A., Reuben, R. L., Fog, T. L.: Indirect measurement of
indicated power from diesel engines using acoustic emission, Mechanical Systems
and Signal Processing, 2005, 19(4)
[17] Bialkowski M.T.: Theoretical and experimental investigation of a CDI injection
system operating on neat rapeseed oil – feasibility and operational studies,
Rozprawa doktorska School of Engineering and Physical Sciences, Chemical Engineering, Heriot-Watt University. September 2009
[18] Olszowski S., Marczak M.: Diagnostics of new generation diesel engines,
Diagnostyka 4(48)/2008
[19] Ranachowski Z.: Instrukcja Obsługi Analizatora Emisji Akustycznej oraz oprogramowania do obróbki sygnału, 2010
Streszczenie
W niniejszym artykule zaprezentowano praktyczne sposoby diagnozowania wtryskiwaczy oraz potrzeby wynikające z niedokładności werfikacji i znacznych kosztów
usunięcia usterki związanej z wtryskiwaczami Common Rail. Zaprezentowano fragment
prowadzonych prac związanych z zastosowaniem Emisji Akustycznej do diagnostyki
wtryskiwaczy Common Rail oraz wyniki badań, wskazujące na możliwości zastosowania tej metody w „polowych” naprawach wysokoprężnych silników spalinowych z zasobnikowym układem wtryskowym paliwa.
Słowa kluczowe: Common Rail, silnik spalinowy, silnik przemysłowy, Emisja Akustyczna
COMMON RAIL INJECTORS DIAGNOSIS USING ACOUSTIC EMISSION
Abstract
The paper presents practical methods of injectors’ faults detection and requirements
as a resulting of inaccuracies and significant cost associated with repairing Common Rail
injection systems. The article presented fragment of the research associated with using
Acoustic Emission for diagnostic and some results of the work which are giving possibilities of applying this method in the “field” repair diesel engines with Common Rail
injection systems.
Keywords: Common Rail, combustion engine, industrial engine, Acoustic Emission
98