Monitorowanie usterek w układzie EGR silnika HDI RHR

Transkrypt

1 Bogusław Cieślikowski 1, Mariusz Cygnar 2, Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Nowym Sączu Zbigniew Ślipek 3, Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie Grzegorz Budzik 4 Politechnika Rzeszowska Monitorowanie usterek w układzie EGR silnika HDI RHR Wstęp Optymalizacja procesu spalania ładunku homogenicznego, przy wieloetapowym wtrysku paliwa wyznacza główne kierunki prac badawczych w zakresie rozwoju silników o ZS. Symptomami tych modyfikacji są działania konstrukcyjne pozwalające zachować zgodność homologacyjną z limitami emisji toksycznych składników spalin, głównie: CO, CH, NOx oraz cząstek stałych (PM). Zaznacza się upowszechnienie układów oddziałujących na spaliny silnika (Exhaust Aftertratment) takich jak recyrkulacja spalin EGR (Exhaust Gas Recirculation), konwerterów katalitycznych (katalizatorów) a także stosowanie filtrów cząstek stałych DPF (Diesel Particulate Filter). Producenci ciągników i samochodów ciężarowych wprowadzają również układy SCR (Selective Catalytic Reduction) z wykorzystaniem reduktora AdBlue lub DEF (Diesel Exhaust Fluid) spełniających wymogi jakościowe norm ISO dla potrzeb obniżenia poziomu NOx [9, 12]. Często stosowanym rozwiązaniem zwłaszcza w silnikach o niskiej pojemności skokowej jest system recyrkulacji spalin EGR (Exhaust Gas Recirculation) powodujący obniżenie prędkości spalania w fazie wybuchowej, przyczyniając się tym samym do obniżenia poziomu NOx w spalinach [4]. W wyniku tego procesu zostaje obniżona maksymalna temperatura spalania i następuje ograniczenie maksymalnej ilości tlenu w ładunku dostarczanym do cylindra. Jednak nadmierny udział spalin w całym ładunku dostarczanym do cylindra może powodować spadek mocy oraz znaczny wzrost emisji PM, a przez to uzyskanie niekorzystnych wartości innych wskaźników pracy silnika [8]. Graniczna emisja cząstek stałych PM (Particulate Matter) stanowi równorzędne kryterium w stosunku do emisji toksycznych składników spalin w silnikach o ZS [5]. Punkt ciężkości badań nad obniżeniem toksyczności spalin silników ZS przesunął się w kierunku wyjaśnienia zjawisk powstawania cząstek stałych oraz możliwości obniżania ich emisji [2]. Cząstki te absorbują metale ciężkie, związki siarki i azotu oraz węglowodory WWA (wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne), wśród których mogą wystąpić substancje pośrednio bądź bezpośrednio kancerogenne [6]. Zatem konieczne jest precyzyjne sterowanie strumieniem recyrkulowanych spalin, aby uzyskać pożądane efekty - głównie w postaci obniżenia emisji NOx. Uprzednio prowadzone badania wykazały potencjalny wpływ rodzaju paliw, stosowanych w procesie eksploatacji silników na przyczyny powstawania osadów w układzie EGR prowadzących do zapisu błędów wg OBDII. Badania porównawcze przeprowadzono z wykorzystaniem oleju napędowego Ekodiesel Ultra oraz paliwa B10 z udziałem biokomponentów [2, 3, 4]. 1 Bogusław Cieślikowski, Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Nowym Sączu, Instytut Techniczny, Nowy Sącz, ul. Zamenhofa 1a 2 Mariusz Cygnar, Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Nowym Sączu, Instytut Techniczny, Nowy Sącz, ul. Zamenhofa 1a 3 Zbigniew Ślipek, Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie, Wydział Inżynierii Produkcji i Energetyki, ul. Balicka 120, Kraków 4 Grzegorz Budzik, Politechnika Rzeszowska, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Konstrukcji Maszyn, Rzeszów, Al. Powstańców Warszawy 8 Logistyka 5/

2 Analiza termodynamiczna procesu Całkowita masa zasysanego ładunku do cylindra jest mieszaniną powietrza i spalin przy zmiennych proporcjach i jest obliczana na podstawie takich parametrów jak: prędkość obrotowa wału, masa powietrza zasysanego, ciśnienie doładowania, temperatury składników [1]. Masa recyrkulowanych spalin wyznaczana jest z różnicy masy całkowitej ładunku i masy powietrza w odniesieniu do korekty temperaturowej powietrza zasysanego. Zatem można wyznaczyć stopień recyrkulacji jako stosunek masy spalin do masy powietrza i porównać tą wartość w danych warunkach obciążeń silnika z wartością zapisaną w pamięci sterownika. Stopień otwarcia zaworu EGR wyznacza masę spalin dla potrzeb zapewnienia chwilowej wartości stopnia recyrkulacji spalin. Przedział błędu jest ściśle ustalony a przekroczenie tej wartości prowadzi do sygnalizacji stanu awaryjnego pracy silnika poprzez kontrolkę MIL. Rozpoznanie błędów stanowi w tym przypadku złożoną procedurę, gdyż analizowana jest grupa wzajemnie sprzężonych sygnałów pochodzących z siłownika elektrycznego układu, w odniesieniu do sygnału masowego natężenia przepływu, ciśnienia w układzie dolotowym, temperatur czynników oraz prędkości obrotowej wału. Stopień recyrkulacji spalin XE dla chwilowej wartości stopnia otwarcia zaworu EGR wyznaczony jest zależnością: X E me 100% (1) m m E p gdzie: mp strumień masy powietrza [kg s -1 ], me strumień masy spalin kierowany przez zawór EGR do układu dolotowego [kg s -1 ] Zasadniczy problem stanowi: określenie ciepła właściwego recyrkulowanych spalin na podstawie ciepła właściwego poszczególnych jego składników z wyznaczeniem ich udziałów masowych, przy czym w wyniku stosowania dodatków biopaliwowych zaznacza się zróżnicowany, w stosunku do paliw węglowodorowych, udział takich składników jak: CO2, CO, HC, NOx [3] zmienna powierzchnia wymiany ciepła, zróżnicowany współczynnik przenikania ciepła przez strukturę materiałową kolektora ssącego oraz czas wymiany ciepła przy różnicy temperatur ładunku i otoczenia, uśrednienie warunków przepływu czynnika przy zmiennej geometrii kanału w strefach o zróżnicowanych temperaturach ścianek, brak możliwości pomiaru masowego natężenia przepływu recyrkulowanych spalin przy zmiennej temperaturze czynnika na wlocie do cylindra. EGR wyróżnia się stopniem znacznego przedziału tolerancji na chwilową zmianę stopnia recyrkulacji, zwłaszcza w przedziale nieustalonych obciążeń silnika. Biorąc pod uwagę powyżej wskazane przybliżenia stanu rzeczywistego obiektu w stosunku do zapisu formalnego należy zdać sobie sprawę z niedoskonałości funkcjonalnej analizowanego układu. Sytuację pogarsza fakt braku możliwości oceny zmiennych oporów przepływu spalin w strefie zaworu sterującego przepływem recyrkulowanych spalin w wyniku zalegania nagaru, jak również zmiennego udziału składników spalin zależnych od udziału biokomponentów w oleju napędowym [7]. Procedury diagnostyczne Obiektem badań diagnostycznych był silnik o zapłonie samoczynnym 2.0 HDi RHR, wykazujący nierówną pracę na biegu jałowym. Podczas zwiększenia kąta położenia pedału przyspieszenia następowało gaśnięcie silnika co wskazywało na stan awaryjny pracy sygnalizowany zapaleniem się kontrolki MIL [13]. Stwierdzono przy tym brak powietrza w paliwie obserwując przepływ w przezroczystym przewodzie zasilającym pompę wysokiego ciśnienia układu CR. Nie stwierdzono nieszczelności układu dolotowego oraz brak wycieków z uszczelnień opraw wtryskiwaczy CR. Następnym etapem badań było przeprowadze- 86 Logistyka 5/2015

3 nie diagnostyki pojazdu z wykorzystaniem programu ESI (tronic) 2.0, posługując się profesjonalnym, licencjonowanym testerem diagnostycznym KTS 540 firmy BOSCH - zapewniającym komunikację z pojazdem przez gniazdo OBD II. Po poprawnym nawiązaniu komunikacji poprzez magistralę, z listy testera wybrano model i pozostałe dane pojazdu niezbędne do przeprowadzenia diagnostyki. Po pojawieniu się głównego menu programu w pierwszej kolejności przystąpiono do odczytania pamięci błędów: P0487 Czujnik położenia odprowadzenia spalin Za duży stopień recyrkulacji P0102 Obwód masowego przepływomierza powietrza Niska wartość sygnału wejść. Usterki wskazane przez tester diagnostyczny wskazały w pierwszej kolejności na wadliwe działanie czujnika położenia sworznia zaworu EGR. Należy zaznaczyć, że na rynku dostępnych jest wiele testerów diagnostycznych różnych producentów (np. Texa, Delphi etc.). Poszczególne testery mogą w różny sposób odczytywać błędy, przy czym kody nie zawsze zapisane są zgodnie z normami ISO, gdyż producenci pojazdów stosują własną terminologię oznaczania błędów [14]. W ten sposób może dochodzić do innej formy zapisu stanu awaryjnego utrudniając podjęcie trafnej decyzji diagnostycznej. Jedną z przyczyn powyższej usterki, po wykluczeniu nieszczelności układu i uszkodzenia połączeń elektrycznych, może być wadliwe działanie zaworu recyrkulacji spalin w wyniku unieruchomienia trzonka zaworu grzybkowego. Częstą przyczyną tego stanu jest zaleganie dużej ilości nagaru w strefie elementów ruchomych i gniazda zaworu EGR (rys.1). Rys.1. Zdemontowany zawór i kanał dolotowy układu EGR silnika 2.0 HDi RHR. Zapis błędu P0102 może wskazywać natomiast na uszkodzenie czujnika masowego natężenia przepływu powietrza (MAF). Kanał obejściowy pełniący funkcję chłodnicy spalin nie wykazał znacznego nagromadzenia osadów w strefie przyściennej w przeciwieństwie do strefy gniazda i sworznia zaworu EGR. Przed demontażem zaworu recyrkulacji i kanału dolotowego spalin przystąpiono do sprawdzenia wartości rzeczywistych parametrów roboczych układu (rys.2). Logistyka 5/

4 Rys.2. Zmiana prędkości obrotowej wału silnika przy zwiększeniu kąta położenia pedału przyspieszenia. Podczas zwiększania kąta położenia pedału przyspieszenia obroty wału silnika utrzymywały się na poziomie ok obr/min przez 2 s a następnie silnik gasł. W pierwszej kolejności sprawdzono synchronizację wałka rozrządu z wałem korbowym. Stwierdzono prawidłową synchronizację wałka rozrządu z wałem korbowym oraz wartość rzeczywistą ciśnienia paliwa wynoszącą 28MPa w stosunku do wymaganej 27MPa. Sprawdzono również współczynnik wypełnienia sygnału PWM oraz poziom ciśnienia doładowania. Pozycjonowanie zaworu AGR (EGR) wykazuje nieistotną różnicę w stosunku do wartości zadanej mieszczącą się w granicach tolerancji. Natomiast parametrem, który wykazuje znaczącą różnicę w stosunku do wartości zadanej jest niska wartość ciśnienia doładowania w układzie dolotowym silnika. Przystąpiono zatem do sprawdzenia masy powietrza w czasie rzeczywistym przepływającej przez przepływomierz MAF w układzie dolotowym wraz z oceną dokładności wskazań czujnika temperatury powietrza (rys.3). Rys.3. Przepływ masy powietrza w zależności od obrotów silnika i położenia kątowego pedału przyspieszania. Zmierzona wartość masy powietrza była o blisko 80% mniejsza od wartości wymaganej, przy czym stwierdzono poprawne działanie czujnika temperatury. Stan ten nie oznacza potrzeby wymiany przepływomierza masowego MAF gdyż uzyskane wskazania wykazują jednorodny charakter przebiegu w całym cyklu testu silnika. Po odłączeniu przewodu doprowadzającego powietrze do kolektora ssącego stwierdzono przepływ zwrotny spalin narastający wraz ze zwiększaniem prędkości obrotowej silnika. Stan ten świadczy 88 Logistyka 5/2015

5 zwykle o niedotykaniu zaworu EGR w wyniku uszkodzenia nastawnika lub nieszczelności gniazda pokrytego warstwą nagaru znacznej grubości. Próby oczyszczenia mechanicznego i chemicznego (heksan) strefy trzonka i przylgni zaworu nie przyniosły rezultatu, dlatego też zdecydowano o wymianie kompletnego zaworu EGR na nowy. Wstępna kontrola podstawowych parametrów silnika wykazała pozytywny wynik diagnozy. W celu potwierdzenia poprawnego wyniku diagnozy, przeprowadzono pełną komputerową analizę parametrów rzeczywistych podczas próby drogowej charakterystyk wymaganej i zmierzonej wartości ciśnienia doładowania, pozycjonowania zaworu AGR (EGR), obrotów silnika oraz prędkości jazdy (rys.4 i 5). Rys. 4. Kontrola przebiegu zmienności podstawowych parametrów silnika po wymianie zaworu EGR. Rys.5. Wartości zmierzone i wymagane ciśnienia doładowania, obrotów silnika, prędkości jazdy oraz pozycjonowania zaworu AGR (EGR) w trakcie przyspieszania. Zapis charakterystyk przedstawiony na rys.5 wskazuje, iż wartości ciśnienia doładowania wymaganego (linia fioletowa) oraz zmierzonego (linia zielona) są w wysokim stopniu zbliżone. Ciśnienie powietrza za turbosprężarką wynosi ponad 2300 [mbar], co jest wartością poprawną przy przesunięciu czasowym około Logistyka 5/

6 0,5s wynikającym z opóźnienia narastania wydatku spalin i bezwładności wirnika. Należy również zauważyć, iż podczas zwiększania prędkości jazdy zawór recyrkulacji pozostaje w pozycji zamkniętej. Uzupełnieniem wyniku diagnozy jest wykazanie poprawnych przebiegów stopnia recyrkulacji spalin w trakcie przejazdu testowego (rys.6). Rys. 6. Przebieg zmienności stopnia recyrkulacji spalin, ciśnienia doładowania, prędkości jazdy oraz obrotów silnika Podsumowanie Wymogi normatywów OBD II (On-Board Diagnostics II) wprowadzają jako zasadniczy monitor diagnostyczny kontrolę układu EGR. Zaprezentowane etapy testów rozpatrywanego układu odnoszą się do przypadku rozpoznania złożonych przyczyn usterek zapisanych w wykazie kodów błędów. Koniecznym jest w tym przypadku posłużenie się zapisem przebiegu różnorodnych parametrów w warunkach eksploatacyjnych pojazdu, które umożliwią dokonanie trafnej diagnozy. Procedury te wprowadzają jednak subiektywne odniesienia diagnosty do uzyskanego zapisu parametrów, co znacząco utrudnia szybkie podjęcie trafnej decyzji diagnostyczne. Niekiedy sceptyczne odniesienia użytkowników do stopnia złożoności tego układu oraz pewności prawidłowego funkcjonowania znajdują w tym przypadku uzasadnienie. Zaprezentowane etapy testów wraz z analizą zapisanych błędów układu ukierunkowują procedurę wnioskowania na podjęcie trafnej decyzji diagnostycznej. Streszczenie W artykule omówiony został proces lokalizacji usterek w układzie EGR z wykorzystaniem listy kodów w systemie OBD II. Analizując procesy wymiany ciepła i masy na odcinku układu dolotowego silnika zwrócono uwagę na szereg uproszczeń w opisie formalnym, prowadzących do ustalenia przedziału tolerancji chwilowej wartości stopnia recyrkulacji. Posłużono się przykładem monitorowania układu EGR pojazdów z silnikiem HDi RHR. Analiza funkcjonalna układu oraz znajomość procedur diagnostycznych pojazdu stanowi właściwe ukierunkowanie procesu lokalizacji uszkodzeń. MONITORING OF THE EGR SYSTEM HDI RHR ENGINE Abstract In the article was discussed the location faults in the agreement EGR using list of fault codes OBD II. Analyzing the processes of heat and mass transfer over a distance of the engine intake system, called attention to a number of simplifications in the description of formal, leading to establish a temporary tolerance range of recirculation. As an example was used the monitoring system EGR of vehicle with an HDi RHR 90 Logistyka 5/2015

7 engine. Functional analysis system and knowledge diagnostic procedures, using selected recording car operating parameters, is the appropriate focus in the process location damage. Literatura [1] Bieniek A., Graba M., Lechowicz A:. Adaptive Control Of Exhaust Gas Recirculation at Nonroad Vehicle Diesel Engine, Journal of KONES 2011 vol. 18, No. 4, pp. 11. [2] Cieślikowski B.: Monitorowanie układu EGR silnika TDI, Technika, Eksploatacja,Systemy Transportowe Autobusy 10/2011 ISSN [3] Cieślikowski B.: Spectral analysis of deposits from a catalytic converter of Diesel engine. Kongres: Combu stion Engines. Wyd. Silniki spalinowe. PTNSS 3/2011(146), 1-6. [4] Cieślikowski B., Jakóbiec J.: Modyfikacja właściwości użytkowych biopaliw w aspekcie zagadnień eksploatacyjnych pojazdów rolniczych.. Inżynieria Rolnicza, Nr 19 (88), [5] Jung S. Ishida M., Yamamoto S., Ueki H., Sakaguchi D., Enhancement of NOx- PM trade off a diesel engine adopting bio-ethanol and EGR. Intenational Journal of Automotive Technology, Vol. 11, No.5 pp [6] Lejda K., Elimination of NOx Emission In Diesel Engine by EGR Metod, Western Sciientific Centra of Ukrainian Transport Academy, Logos [7] Merkisz J., Mazurek S.: Pokładowe systemy diagnostyczne pojazdów. WKiŁ Warszawa, ISBN , [8] PN-EN 14214: Paliwa do pojazdów samochodowych. Estry metylowe kwasów tłuszczowych (FAME) do silników o zapłonie samoczynnym (Diesla). Wymagania i metody. [9] Rokosz U.: Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy diagnostyczne samochodów WKi Ł Warszawa [10] Sadlej J.: Spektroskopia molekularna. Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa, [11] Stępień, Z., Oleksiak, S. (2009) Zagadnienia współdziałania pasywnej i aktywnej regeneracji filtrów cząstek stałych silników z ZS do autobusów miejskich. Nafta-Gaz, R.65, nr 11, [12] Yokomura H., Kohketsu S., Mori K., EGR Systems In a Turbocharged and Intercooled Heavy-Duty Diesel Engine Expansion of EGR Area with Venturi EGR System, Technical Review, [13] White Ch., Randall M.: Kody usterek. WKiŁ, ISBN , s.78-95, Warszawa [14] Wypis z norm: SAE J2012 i ISO Logistyka 5/

8 92 Logistyka 5/2015