Koncepcja zastosowania kamery termowizyjnej do oceny stanu wybranych zespołów silnika spalinowego

Transkrypt

1 JARMUŻEK Patryk 1 SAWCZUK Wojciech 2 Koncepcja zastosowania kamery termowizyjnej do oceny stanu wybranych zespołów silnika spalinowego WSTĘP Ostatnie lata stanowią okres dynamicznego rozwoju w dziedzinie produkcji silników spalinowych w aspekcie mniejszej toksyczności spalin, mniejszego zużycia paliwa oraz dobrych właściwości trakcyjnych. Stosowanie się do zaleceń producenta podczas użytkowania silnika spalinowego pozwala zachować jego właściwości eksploatacyjne oraz zapobiega nadmiernemu zużywaniu się elementów silnika. W trakcie życia obiektu istotnym elementem jest bieżąca kontrola jego stanu technicznego. Istotą działań dążących do maksymalnego wykorzystania czasu pracy silnika jest jego diagnostyka. Dzięki temu można zdiagnozować uszkodzenie przed wystąpieniem awarii unieruchamiającej jednostkę napędową. Istnieje wiele sposobów diagnozowania [2, 3]. Jednym z nich jest diagnostyka termowizyjna, która najbardziej rozwinięta jest w dziedzinach takich jak: budownictwo, medycyna, energetyka czy przemysł. W niniejszej artykule dokonano próby zastosowania pomiarów termowizyjnych do oceny stanu silnika spalinowego Celem artykułu jest ocena stanu technicznego wybranych zespołów silnika spalinowego jak układ korbowo-tłokowy i smarowania na podstawie uzyskanych obrazów termograficznych. 1. METODYKA I OBIEKT BADAŃ Obiektem badań termowizyjnych był silnik spalinowy ZI typu S03 zabudowany na stanowisku badawczym z napędem zewnętrznym (rys. 1). Zastosowany napęd zewnętrzny pozwala na uruchomienie silnika spalinowego jak również na prowadzenie pomiarów bez procesu spalania przy pracujących wszystkich zespołach silnika. Rys.1 Widok stanowiska badawczego a) przygotowanego do badań b) w trakcie budowy z widocznym napędem zewnętrznym [4] Celem badania było wyznaczenie rozkładu średniej temperatury na silniku spalinowym S03, w szczególności na kolektorze wydechowym, wykorzystując kamerę termowizyjną FLIR E60 (2b)). 1 Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, Poznań. Tel , Fax: , patryk.jarmuzek@gmail.com 2 Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, Poznań. Tel , Fax: , wojciech.sawczuk@put.poznan.pl 2557

2 Rys. 2 Obiekt i przedmiot badań: a) termogram z badań silnika spalinowego, b) kamera termowizyjna FLIR E60 Badania termowizyjne poprzedzone były konfiguracją ustawień kamery do warunków jakie panowały w czasie badań. Szczególną uwagę zwrócono na ustawienie emisyjności (współczynnika ε), temperatury odbitej, otoczenia oraz wilgotność powietrza. Rys. 3 Konfiguracja kamery IR: a) widok folii aluminiowej do wyznaczenia temp. odbitej, b) obraz termowizyjny z folii aluminiowej, c) termometr GTH 1179, d) higrometr AB-172 Na potrzeby pomiaru, badany element tj. kolektor wydechowy został pomalowany czarną farbą żaroodporną dlatego współczynnik emisyjności ustalony został na poziomie Temperatura odbicia określona została dzięki zastosowaniu metody z użyciem niskoemisyjnego obiektu, którym w tym przypadku był arkusz folii aluminiowej (rys. 3a), b)). Pomiar polegał na umieszczeniu folii przed obiektem, którego intensywność promieniowania planowano zmierzyć. Następnie ustawiono w kamerze wartości emisyjności na wartość 1,0 oraz odległości obiektywu kamery od obiektu wynoszącej 0 i odczytano średnią temperaturę pozorną folii [1]. 2. WYNIKI BADAŃ Przeprowadzone zostały pomiary średnich temperatur z kolektora wydechowego silnika z symulowanymi uszkodzeniami w układzie korbowo-tłokowym i smarowania. Uszkodzenia wywołano przez obniżenie ciśnienia sprężania dla oceny zużycia układu korbowo-tłokowego (lub rozrządu) oraz obniżenie ciśnienia oleju smarującego. Zmianę ciśnienia sprężania uzyskano poprzez zastosowanie podkładki o odpowiedniej grubości pod świecą zapłonową, wówczas ciśnienie sprężania obniżyło się z 5,6 bara na 5,2 bara. Ciśnienie oleju obniżone zostało poprzez rozszczelnienie układu smarującego z ciśnienia nominalnego wynoszącego 2,8 bara na ciśnienie 1,8 bara. Dla każdego symulowanego defektu przeprowadzono po dwie serie pomiarów, trwające po 10 minut, przy stałej prędkości obrotowej silnika wynoszącej 1200obr/min. Po zarejestrowaniu wszystkich pomiarów, silnik był wyłączany i chłodzony przy pomocy wentylatora do osiągnięcia temperatury 30 C, w celu przeprowadzenia kolejnej serii pomiarów. Zarejestrowane obrazy termowizyjne analizowane były w programie FLIR Tools. 2558

3 Rys.4 Obrazy termograficzne rozkładu średniej temperatury podczas pracy silnika dla zmiany ciśnienia sprężania wynoszącego: a) 5,6 bara, b) 5,2 bara Na rysunku 4 i 5 przedstawiono wybrane termogramy z pracy badanego silnika spalinowego, na podstawie których wyznaczono temperatury z kolektora wydechowego podczas pracy silnika sprawnego oraz z wymuszonymi uszkodzeniami poprzez zmiany ciśnienia sprężania i oleju w układzie smarowania. 2559

4 Rys. 5 Obrazy termograficzne rozkładu średniej temperatury podczas pracy silnika dla zmiany ciśnienia oleju wynoszącej: a) 2,8 bara, b) 1,8 bara 2560

5 Rys. 6 Rozkład średniej temperatury na kolektorze wydechowym dla: a) ciśnienia sprężania nominalnego, p s =5,6 bara, b) ciśnienia sprężania obniżonego, p s =5,2 bara. Rys. 7 Rozkład średniej temperatury na kolektorze wydechowym dla: a) ciśnienia smarowania nominalnego, p o =2,8 bara, b) ciśnienia smarowania obniżonego, p o =1,8 bara. W celu dokładniejszego zobrazowania zmian w rozkładzie średniej temperatury na kolektorze wydechowym, w programie FLIR Tools ustawiono rozpiętość (Span) na 100 i 290 C, co dało możliwość obserwacji gradientów temperaturowych. Na rysunku 6 i 7 przedstawiono wybrane termogramy z badania silnika spalinowego od temperatury na kolektorze wydechowym wynoszącej około 30 C (na początku pomiaru) do temperatury zarejestrowanej w 10-ej minucie pomiaru. 2561

6 WNIOSKI Po przeprowadzeniu pomiarów przy użyciu kamery termowizyjnej i analizie termogramów w programie FLIR Tools sformułowano następujące wnioski: 1. Spadek ciśnienia sprężania z 5,6 na 5,2 bara w badanym silniku przyczynia się do obniżenia temperatury: a) na głowicy od strony zaworu ssącego o wartość 2 C, b) na głowicy od strony zaworu wydechowego o wartość 14 C, c) na kolektorze wydechowym o wartość do 30 C. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, że zmiana wartości ciśnienia sprężania, świadczyć może nie tylko o zużyciu pierścieni tłokowych w układzie korbowo-tłokowym ale również o zużyciu zaworów w miejscu styku z gniazdami zaworowymi. 2. Obniżenie ciśnienia oleju w z 2,8 na 1,8 bara w układzie smarowania silnika powoduje wzrost temperatury: a) na głowicy od strony zaworu ssącego o wartość 1,5 C, b) na głowicy od strony zaworu wydechowego o wartość 6 C, c) na kolektorze wydechowym o wartość do 25 C. W dalszej części prac planuje się przeprowadzenie badań na silniku wielocylindrowym z wymuszonym zużyciem wybranej pary kinematycznej złożenia tłok-teleja cylindrowa w celu weryfikacji opracowanej metodyki badań termowizyjnych. Streszczenie We współczesnych silnikach spalinowych dąży się do mniejszej toksyczności spalin, mniejszego zużycia paliwa oraz jak najlepszych właściwości trakcyjnych. W trakcie eksploatacji silnika spalinowego istotnym elementem jest bieżąca kontrola jego stanu technicznego. Istotą działań dążących do maksymalnego wykorzystania czasu pracy silnika jest jego diagnostyka. Dzięki temu można zdiagnozować zużycie przed wystąpieniem awarii. Istnieje wiele sposobów diagnozowania. Jednym z nich jest diagnostyka termowizyjna, która najbardziej rozwinięta jest w dziedzinach takich jak: budownictwo, medycyna, energetyka czy przemysł. Celem artykułu jest ocena stanu technicznego wybranych zespołów silnika spalinowego jak układ korbowotłokowy i smarowania na podstawie uzyskanych obrazów termograficznych. The concept of using IR camera for assessment of wear of selected components of internal combustion engine Abstract In the modern internal combustion engines aims to reduce the toxicity of exhaust gases, fuel economy and how best cohesive properties. In the operation of the engine of internal combustion important element is the ongoing control of its technical condition. The essence of activity, directed on the maximum use of the time of the engine and its diagnosis. This makes it possible to diagnose the consumption of failure. There are many methods of diagnostics. One of them is the diagnosis is ideal for maintenance, which is the most developed in areas such as construction, medicine, energy or industry. The purpose of the article is technical condition assessment of selected components of the engine of internal combustion of crank train and oil supply system based on the obtained IR image. BIBLIOGRAFIA 1. FLIR Exx series. Instrukcja obsługi, November 7, 2011, Corporate Headquarters Flir System. 2. Piętak A. Systemy współczesnego diagnozowania silników spalinowych. KONES 2000, Politechnika Lubelska - Nałęczów. 3. Trzeciak K. Diagnostyka samochodów osobowych, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa Wojciechowski M. Koncepcja i budowa stanowiska do badań silników spalinowych z napędem zewnętrznym, Praca Inżynierska, Politechnika Poznańska, WMRiT, Poznań