BADANIA EKSPLOATACYJNE OSADÓW ROZPYLACZY WTRYSKIWACZY ŚREDNIO-OBROTOWYCH SILNIKÓW OKRĘTOWYCH DO WTRYSKU OLEJÓW NAPĘDOWYCH

Transkrypt

1 SymSO 2006 JAN MONIETA 1 WITOLD GLIŃSKI 2 BADANIA EKSPLOATACYJNE OSADÓW ROZPYLACZY WTRYSKIWACZY ŚREDNIO-OBROTOWYCH SILNIKÓW OKRĘTOWYCH DO WTRYSKU OLEJÓW NAPĘDOWYCH Streszczenie Referat zawiera wyniki badań eksploatacyjnych osadów, powstających na powierzchniach zewnętrznych i wewnętrznych rozpylaczy wtryskiwaczy silników okrętowych w czasie ich uŝytkowania. Badaniom poddano rozpylacze okrętowych silników średnio-obrotowych typu 6AL20D, zasilanych paliwami destylacyjnymi. Rozpylacze eksploatowano w naturalnych warunkach i pobrano do badań w czasie obsług okresowych i bieŝących. Ilość powstałych osadów na poszczególnych rozpylaczach określono za pomocą metody wagowej, fotografii cyfrowej i analizy obrazów. Poszukiwano równieŝ związki tych osadów z czasem eksploatacji, zuŝyciem i stanem technicznym rozpylaczy. Stan techniczny rozpylaczy określano przez pomiary charakterystycznych cech geometrycznych. 1. WSTĘP Rozpylacz jest elementem wtryskiwacza, który jest naraŝony na duŝe obciąŝenia mechaniczne i cieplne. Część rozpylacza jest umiejscowiona w komorze spalania, dlatego istotne jest, jak on będzie wytworzony. Z badań wynika, Ŝe najczęściej uszkodzeniom ulegają w silniku elementy układu zasilania paliwem, wśród nich najczęściej uszkadzają się rozpylacze [1]. W skład układu zasilania paliwem wchodzą: pompa podająca oraz wtryskowa, filtr paliwa, przewody paliwowe, obsada rozpylacza i przewody wysokiego ciśnienia. Zespół prądotwórczy jest obiektem, który podczas swojej pracy na ogół nie jest obciąŝony optymalnie, ze względu na zmienne obciąŝenie sieci przez odbiorniki. Elektrownia statkowa zazwyczaj jest wyposaŝona w trzy agregaty prądotwórcze, podczas pływania morskiego na ogół pracuje jeden agregat, a pozostałe są w pogotowiu. Zespół prądotwórczy zazwyczaj nie pracuje na pełnym obciąŝeniu [5]. Powoduje to niskie temperatury ścianek komory spalania, niedopalenie się cząstek paliwa, a w efekcie powstawanie nagarów i laków, które osiadają na rozpylaczu tworząc niekorzystną powłokę [12, 13]. Wskutek tego dochodzi do pogorszenia się warunków chłodzenia. Wynikają one równieŝ ze stosowania paliw o niskiej jakości, o gorszych warunkach spalania [8]. Uszkodzenie wtryskiwacza oddziałuje na elementy z nim współpracujące takie jak turbina, na elementy tworzące komorę spalania, czyli głowicę, tłok wraz z pierścieniami i tuleją. 1 Dr inŝ. Akademia Morska w Szczecinie 2 InŜ. Absolwent Akademi Morskiej w Szczecinie

2 2. POWSTAWANIE OSADÓW Powstawanie osadów jest powiązane z budową chemiczną paliwa i z obecnością związków aromatycznych w paliwie [4]. Podczas przechowywania paliwa moŝna zaobserwować tworzenie się zawiesin niewielkich ilości osadów. Ilość tworzących się osadów w komorze spalania i w układzie dolotowym, jest zaleŝna od zawartości w paliwie węglowodorów nienasyconych i aromatycznych [4]. Paliwa bogate w węgiel wykazują większą tendencję do tworzenia osadów, a praca silnika z obciąŝeniem mniejszym niŝ 20% mocy efektywnej prowadzi do pogorszenia warunków pracy silnika na skutek zanieczyszczenia osadami kanałów przepływowych i kanału wylotowego [4, 13]. Dlatego konieczne jest ograniczenie czasu pracy silnika w tym przedziale obciąŝeń. DuŜa część nagaru tworzy się w początkowym okresie pracy silnika. Powiększaniu ilości osadów sprzyja zawartość w paliwie substancji smolistych, siarki oraz węglowodorów aromatycznych [2]. CięŜkie związki zawarte w Ŝywicach, które nie ulegną odparowaniu, osadzają się na ściankach tworząc później nagar. Przy powstawaniu nagaru udział bierze równieŝ olej smarujący, który przenika do komory spalania. W czasie eksploatacji silnika dochodzi do powiększenia luzu promieniowego w prowadzeniu iglicy, powoduje to dostawanie się w te miejsca cząstek paliwa. Na skutek działania korozyjnego paliwa, objawy te pojawiają się jako pociemnienie powierzchni, dochodzi do wytworzenia się na niej cieniutkich błonek, które są produktami korozji [12]. Na tworzenie osadów i koksowanie rozpylacza, ma wpływ stan techniczny silnika, rodzaj komory spalania i paliwa, oraz wysoka temperatura spalin [1, 4, 6]. Powstające osady tworzą warstwy, które zalegają na: ściankach komory spalania, zaworach, rozpylaczu, denku tłoka i pierścieniach tłokowych. Następuje zaburzenie dolotu powietrza, a zawory nie domykają się szczelnie podczas suwu pracy. Osady, które zalegają na ścianach tworzą izolację termiczną powodując pogorszenie chłodzenia silnika, następuje wzrost temperatury w komorze spalania [3]. Zakoksowane otworki rozpylacza powodują zmianę przepływu paliwa, a tym samym gorsze rozpylenie. Końcową częścią wtryskiwacza jest rozpylacz, to przez jego otworki paliwo zostaje rozpylone w komorze spalania pod odpowiednim kątem. Sam rozpylacz jest naraŝony na działanie wysokich temperatur. Stosowanie paliw pozostałościowych o większej zawartości siarki i nieprawidłowa eksploatacja silnika powodują, Ŝe podczas pracy dochodzi do tego, Ŝe cząstki paliwa osadzają się na głowicy i rozpylaczu. 3. DOTYCHCZASOWE BADANIA OSADU Badania wykonano na rozpylaczach wymontowanych z silników Sulzer Cegielski 5AL25/30. Silnik przepracował 1900 godzin, po tym okresie został poddany obsłudze. Zdemontowane rozpylacze miały symbol HCPx150x9x0,325xA25. Silnik wyposaŝony był we wskaźniki pomiaru ciśnienia oraz temperatury paliwa, wody, oleju i spalin. Okresowo wyznaczano takŝe parametry ciśnienia w cylindrach. Pobrane próbki osadu powstały podczas eksploatacji silnika. Rozpylacz po zdemontowaniu z silnika poddano myciu w płuczce ultradźwiękowej. Mycie wykono w 20 ml wody destylowanej przez co najmniej 5 minut [10]. Po umyciu osad wraz z wodą pozostał w specjalnym pojemniku, następnie po odparowaniu w suszarce, bądź po odczekaniu aŝ woda odparuje, uzyskano sam osad w pojemniku. Badania powstawania osadów prowadzono równieŝ w rzeczywistych warunkach na silnikach samochodowych, z tym problemem walczyła utworzona organizacja w 1996 roku w Europie CEC (Coordinating European Council) [4, 11]. Podjęto prace badawcze oceny paliw, olejów i smarów. Przyjęto procedurę badawczą, dotyczącą badań benzyn silnikowych

3 w zakresie tworzenia osadów w silniku. Określenie zanieczyszczeń silnika testującego obejmowało pomiar masy osadów i ocenę punktową. Badania wykazały, Ŝe w początkowym okresie eksploatacji dochodzi do szybkiego narastania osadu do km [4]. Po km narastanie jest ustabilizowane, a po osiągnięciu stanu równowagi jest znikome. W badaniach wykonano zdjęcia pokrytych części osadem do oceny wizualnej. Stworzono model rozpylacza do opracowania izoterm na powierzchni rozpylacza [1]. Pogorszenie warunków pracy powoduje powstawanie osadu na rozpylaczu i w komorze spalania. Prowadzone badania grubości osadu na powierzchni rozpylacza nie były do końca trafną metodą badań, nie przyniosły, bowiem ściśle określonych wyników. 4. PROGRAM BADAŃ Badaniami objęto rozpylacze silników typu 6AL20/24D. Program badań przewidywał zebranie informacji na temat eksploatacji wtryskiwaczy w dziennikach maszynowych. Jako źródło materiałów badawczych wykorzystywano statki przypływające do Szczecina. Wykorzystywano zdemontowane wtryskiwacze, które zostały wycofane z eksploatacji z powodu uszkodzenia, a takŝe dokonywano badań na wtryskiwaczach zdemontowanych z silnika podczas ich obsług. Zebrane informacje i próbki stanowiły podstawę do dalszych badań. Na przełomie roku 2004/2005 badania były prowadzone na próbkach ze statków do przewozów masowych. Statki te pływały po Europie, a takŝe do Ameryki Północnej i Południowej. Silniki 6AL20/24D wykorzystywane są jako agregaty prądotwórcze. Silnik AL20/24 jest wysokopręŝny z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Jest on rzędowym, nienawrotnym, doładowanym silnikiem czterosuwowym. Powietrze doładowujące jest chłodzone. Wtryskiwacze badanych silników były niechłodzone. Wtryskiwacz silnika AL20 składa się z obsady wtryskiwacza i rozpylacza z iglicą (rys. 1). Napięcie spręŝyny, a tym samym ciśnienie otwarcia na iglicę przenoszone jest przez trzpień, które jest regulowane przy pomocy śruby regulacyjnej. Napięcie to jest regulowane na ciśnienie paliwa 250 lub 400 bar. Rys. 1. Osad zalegający na rozpylaczu wtryskiwacza W zaleŝności od producenta rozpylaczy moŝna spotkać róŝne oznaczenia na jego kadłubie. Do badań przyjęto rozpylacze siedmio- i dziewięciootworkowe. Na rozpylaczu

4 moŝna równieŝ spotkać znak wytwórcy, rok wykonania, materiał z którego wykonany jest rozpylacz itp. Dane te są istotne ze względu na prędkości obrotowe silników, z którymi one pracują. Rozpylacze pokryte nagarem, koksem i lakami fotografowano. Wykonano zdjęcia wtryskiwaczy znajdujących się na statku oraz w warunkach laboratoryjnych. 5. METODY BADAŃ 5.1. Metoda wagowa Metoda wagowa pozwalała na określenie wielkości tworzenia się osadu na elementach rozpylacza. Badanie przebiegało w warunkach odniesienia, które przewiduje norma dla przyrządów objętych Krajowym Systemem Automatyki [9]. Do badań wykorzystano próbki zebrane na statkach. Ze względu na zasięg pływania statków, zbieranie próbek było trudne do przewidzenia. Na statku dokonywano czyszczenia rozpylaczy przy uŝyciu narzędzi do skrobania. Osad zbierano do woreczków foliowych, które wcześniej zostały zwaŝone i oznakowane numerami. Dzięki temu uzyskany wynik po odjęciu masy woreczka dawał masę osadu. Podczas pomiarów zwracano uwagę na wygląd rozpylacza, wszystkie rozpylacze poddano myciu, aby wypłukać substancje konserwujące i paliwo. Do mycia rozpylaczy uŝyto benzyny ekstrakcyjnej. Do pojemnika z benzyną ekstrakcyjną wkładano rozpylacz. Następnie przedmuchiwano spręŝonym powietrzem cały rozpylacz, wyjmowano iglicę i spręŝonym powietrzem wydmuchiwano benzynę. Tak przygotowany rozpylacz poddawano suszeniu, a następnie przed dokonaniem pomiaru wkładano do eksykatora, przez jedną godzinę przechowywano i poddawano waŝeniu. Zdemontowane rozpylacze umieszczono w specjalnych pojemniczkach, których masy zostały zwaŝone przed włoŝeniem do nich rozpylaczy. Pomiarów dokonywano w pojemnikach, następnie wyjmowano iglicę i jej pomiar prowadzono na wadze z działką elementarną do 0,0001 g. Badane próbki chwytano przez foliową rękawicę i pokryte igielitem kleszcze, tak Ŝeby ograniczyć wpływ czynników zewnętrznych na zmianę masy i stan rozpylaczy. Dopiero po poddaniu rozpylaczy analizie fotograficznej i badaniom właściwości cech stanu, rozpylacze i iglice poddano oczyszczeniu z osadu. Na iglicach były wyraźne ślady osadów, co potwierdziła analiza wagowa. Oczyszczone rozpylacze i iglice ponownie waŝono, przez odjęcie zmierzonych mas rozpylaczy i iglic od zmierzonych na początku Metoda fotograficzna Zdjęcia wykonano aparatem cyfrowym firmy Nikon podczas badań na statku jak i na stanowisku przystosowanym do wykonywania zdjęć w warunkach laboratoryjnych. Zakładano aparat na statyw, aby ograniczyć ruch aparatu. Podczas wykonywania zdjęć wykorzystywano padające światło dzienne, a wyeliminowano lampę błyskową, która powodowała odbicia na powierzchni metalicznej. Do zdjęć uŝywano przybliŝenia i funkcji makro aparatu. Wykonywano zdjęcia korpusu rozpylacza w jednej płaszczyźnie obracając o 180 o, tak aby uzyskać całkowity obraz rozpylacza oraz zdjęcie od czoła. Iglicę ustalano za pomocą magnesu, po sfotografowaniu jednej strony dokonywano obrotu o 180 o. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowe zdjęcia korpusu rozpylacza.

5 Rys. 2. Widok jednej strony korpusu rozpylacza pokrytego osadami 5.3. Badanie droŝności otworków DroŜność otworków ma istotny wpływ na pracę wtryskiwacza. Poddając badaniom zebrane rozpylacze dokonano pomiaru droŝności przy pomocy światła przechodzącego. Rozpylacz umocowano w pryzmie i obracano, co 40 o lub 51 o (w zaleŝności od liczby otworków). Światło przechodząc określało czy otworek jest droŝny. Klasyfikację droŝności otworków prowadzono wizualnie. Do badań uŝyto wytworzonego do tego celu oświetlacza, który umiejscowiono na wysokości studzienki w rozpylaczu. Następnym etapem badania otworków, była ich obserwacja pod mikroskopem oraz wykonanie zdjęcia otworka. Do mikroskopu wykorzystano nasadkę i statyw obiektywu, łączący z aparatem. Poprzez regulację odległości pomiędzy obiektywem mikroskopu a badanym obiektem, ustalano ostrość obrazu. Aby badany otwór znalazł się w osi obiektywu, pod pryzmą mocującą rozpylacz umieszczono klin ścięty pod kątem 30 o Pomiary cech stanu technicznego Rozpylacze poddano pomiarom istotnych cech stanu technicznego, aby zbadać czy stan techniczny ma związek z tworzeniem się osadów. Mierzono maksymalny skok iglicy rozpylaczy, luz i siłę tarcia między częścią prowadzącą korpusu i iglicy rozpylaczy, kąt stoŝka uszczelniającego itp. Metody pomiaru tych wielkości zostały opisane w pracy [7]. 6. WYNIKI BADAŃ 6.1. Ocena powierzchni Na rysunku 1 widać jak osad zalega na nosku rozpylacza. Jest to gruba warstwa, której największe skupisko znajduje się w okolicy otworków rozpylających. Szukano metody do analizy stopnia zaczernienia. PosłuŜono się w tym celu programem komputerowym. Zdjęcia, które zostały wcześniej wykonane (rys. 2) wykorzystano do analizy obrazów za pomocą programu komputerowego. Wykonano równieŝ zdjęcia korpusów i iglic pokrytych osadami w polu widzenia mikroskopu, co przykładowo przedstawia rysunek 3. Analiza obrazu pozwalała określić intensywność zaczernienia powierzchni (rys. 4). Dla tego diagramu średni stopień zaczernienia wynosi 0,463. Średnia jasność n z diagramu

6 wynosi 136,80. Podstawiając ją do zaleŝności 1 otrzymuje się stopień zaczernienia A. Oznacza to, Ŝe większość powierzchni rozpylacza była pokryta osadem. Elementy korpusu usadowione w obudowie, znacznie mniej były pokryte osadami. Do obliczenia stopnia zaczernienia wykorzystano zaleŝność: 255 n A = (1) 255 gdzie: A stopień zaczernienia, n średnia jasność z diagramu programu komputerowego. Stopień zaczernienia równy liczbie 1 jest równoznaczny całkowicie czarnej powierzchni, a dla powierzchni białej stopień zaczernienia równy jest 0. Rys. 3. Widok osadu rozpylacza w mikroskopie przy powiększeniu 50 x Rys. 4. Diagram zaczernienia powierzchni rozpylacza Wszystkie rozpylacze dość znacznie były zaczernione. Analiza nie wykazała zaczernienia korpusu rozpylacza o stopniu poniŝej 0,4. Wyniki stopnia zaczernienia od czoła są największe. Spowodowane jest to tym, Ŝe osad najbardziej zalega na nosku rozpylacza. Iglica podczas pracy ma mniejszą styczność z gorącymi gazami niŝ korpus rozpylacza, poniewaŝ nie jest umieszczona bezpośrednio w komorze spalania. Jednak analiza stopnia zaczernienia powierzchni wykazała równieŝ zaczernienie tego elementu rozpylacza. Jest spowodowane między innymi penetracją spalin do części wnętrza korpusu rozpylacza, co sprzyja tworzeniu się osadów Analiza badań masy osadów Ze wszystkich powierzchni korpusów i iglic rozpylaczy zebrano dość znaczne ilości osadu. Największe masy osadu z poszczególnych powierzchni jednak nie wystąpiły na tych samych rozpylaczach, co największy stopień zaczernienia. Stwierdzono tu istotne róŝnice w wartościach. Najwięcej osadu znajdowało się na korpusie rozpylacza nr 4, najmniej na rozpylaczu nr 8 (rys. 5). Oznacza to, Ŝe rozpylacz nr 8 pracował w korzystnych warunkach. Bardzo duŝo osadu w porównaniu do innych rozpylaczy znajdowało się na iglicy nr 9, osad aŝ czterokrotnie był większy niŝ na innych iglicach. Wynika z tego, Ŝe paliwo tworzyło osady

7 najintensywniej wewnątrz rozpylacza. MoŜna teŝ zauwaŝyć, Ŝe rozpylacz ten miał duŝą siłę tarcia iglicy względem korpusu. śadna z badanych cech stanu technicznego nie znalazła się w polu tolerancji stanu zdatności. Na rysunku 6 przedstawiono wyniki badań wpływu czasu pracy na masę osadu na rozpylaczach. Z rysunku wynika, Ŝe czas pracy rozpylacza decyduje o ilości powstającego osadu na rozpylaczach i tworzy zaleŝność liniową. Po czasie pracy około 500 godzin występuje dość duŝy przyrost mas osadów. 0,2 0,15 m o [g] 0,1 0,05 korpusu iglicy Nr rozpylacza Rys. 5. Masy osadów m o na korpusach i iglicach rozpylaczy mo [g] 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, t p [h] Rys. 6. Wpływ czasu pracy t p na masę osadu rozpylaczy m o 8. WNIOSKI Z przeprowadzonych prac moŝna wyciągnąć następujące wnioski: 1) Analiza zdjęć potwierdza, Ŝe osad dość znacznie gromadzi się w okolicy noska. 2) Zastosowanie analizy obrazów zwiększyło szybkość i obiektywność oceny pokrycia osadami. 3) Powstający osad powoduje niedroŝność otworków, zalegając na krawędziach i w środku otworków. Większość z badanych rozpylaczy miała niedroŝne otworki dwa lub trzy. 4) Powstające osady wewnątrz rozpylaczy zwiększają opory ruchu iglicy względem korpusu.

8 5) Badania osadu potwierdzają, Ŝe jego ilość jest proporcjonalna do czasu pracy. 6) Badane rozpylacze wykazywały cechy niezdatności do dalszej eksploatacji, które miały związki z powstawaniem osadu. 7) Maksymalny skok iglicy nie wpływa jednoznacznie na powstawanie osadu, rozpylacze o duŝym skoku posiadały mniejszą ilość osadu zalegającą na rozpylaczu. 8) Metoda usuwania osadu mechanicznie jest pracochłonna, a próba rozpuszczania chemicznego osadów równieŝ okazała się nieskuteczna. LITERATURA [1] Drozdowski J.: Studium obciąŝeń cieplnych, kawitacji i niezawodności rozpylaczy silników okrętowych. Wyd. WyŜszej Szkoły Morskiej, Szczecin [2] Gąsowski W.: Wpływ zuŝycia na charakterystyki hydrauliczne i wzrost koksowania rozpylaczy silników wysokopręŝnych. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn 1986 nr 3 4, s [3] Hafnan M., Nishiwaki K.: Research thermo-physical properties in combustion chambers of diesel engines. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers , s [4] Jakóbiec J., Gis W.: Wpływ benzyny na zanieczyszczenia silnika. Journal of KONES 2003, Vol 10, No 3 4, s [5] Monieta J.: Analiza obciąŝeń spalinowych silników okrętowych typu 6AL20/24 napędu prądnic w róŝnych warunkach pływania. EXPLO SHIP 99, WyŜsza Szkoła Morska, Szczecin Międzyzdroje Kopenhaga 1999, cz. 2, s [6] Monieta J.: Problemy eksploatacji wtryskiwaczy silników Sulzer 6AL20/24D. Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Szczecinie, Szczecin 2004 nr 73, s [7] Monieta J., Łukomski M.: Metody i środki oceny stanu technicznego rozpylaczy wtryskiwaczy silników okrętowych typu 6AL20/24. Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej 2005 nr 5, s [8] Monieta J., Wójcikowski P.: Investigations of carbon deposit of injector nozzles of marine diesel engines. First International Congres on Combustion Engines. PTNSS Kongres The Development of Combustion Engines. Szczyrk 2005, s. 86, 12. [9] Organista W.: Laboratorium z Termodynamiki i Mechaniki Płynów. Poznań [10] Piekara M.: Onboard measurements of carbon deposits formation on fuel injector nozzle tips of the marine medium speed diesel engine. 22 nd CIMAC Kongres May 1998 Copenhagen, s [11] PN 76/C Badanie zdolności olejów silnikowych do zapobiegania tworzeniu się nadmiernych osadów w silniku Fiat 115C.076. [12] Włodarski J. K.: Stany eksploatacyjne okrętowych silników spalinowych. Wyd. Fundacja Rozwoju WyŜszej Szkoły Morskiej, Gdynia [13] Włodarski J. K.: Tłokowe silniki spalinowe. Procesy trybologiczne. WKiŁ, Warszawa 1982.