METODA BADANIA PRZEBIEGU ZUŻYCIA SEKCJI TŁOCZĄCYCH POMP WTRYSKOWYCH SILNIKÓW ZS

Transkrypt

1 Leszek GIL, Piotr IGNACIUK, Andrzej NIEWCZAS METODA BADANIA PRZEBIEGU ZUŻYCIA SEKCJI TŁOCZĄCYCH POMP WTRYSKOWYCH SILNIKÓW ZS Streszczenie W artykule omówiono metodę oceny zużycia tribologicznego sekcji tłoczących pomp wtryskowych. Określono zbiór parametrów, które mogą być wskaźnikami zużycia sekcji. Przedstawiono wyniki badań zużycia sekcji tłoczących pompy wtryskowej firmy MOTORPAL wykorzystywanej silniku 4CT90. WSTĘP Elementy aparatury wtryskowej silników ZS należą do najdokładniej wykonanych elementów silnika, a występujące w niej pary kinematyczne charakteryzują się niewielkimi luzami rzędu paru mikrometrów. Zastosowanie nowego rodzaju paliwa zawsze wiąże się tu ryzykiem uszkodzenia ciernego par precyzyjnych. W przypadku pasowania elementów sekcji tłoczących, w których luzy promieniowe nie przekraczają dwóch mikrometrów zużycie nawet niewielkie może być przyczyną niesprawności. Zasadniczy problem w badaniach zużyciowych wymienionych elementów polega na wyborze adekwatnych do wielkości przewidywanych zużyć metod pomiarowych. W opisywanej pracy obiektem badań były sekcje tłoczące pompy wtryskowej MOTORPAL silnika 4CT90 stosowanego w samochodach dostawczych LUBLIN III. Celem badań była analiza porównawcza przebiegu zużycia elementów sekcji tłoczących pomp wytryskowych zasilanych klasycznym olejem napędowym (ON Verva) oraz nowym biopaliwem opartym na estrach metylowych oleju lnianki siewnej. Badania miały charakter badań stanowiskowych. Stanowisko badawcze wyposażono w dwie równolegle pracujące pompy wtryskowe zasilane wymienionymi paliwami. Praca pomp odbywała się przy jednakowym ustawieniu listew sterujących. Elektroniczny układ sterowania pozwalał na kontrolę liczby wykonywanych obrotów ( roboczych pompy). AUTOBUSY 1

2 Rys. 1. Stanowisko badawcze 1. WYBÓR METODYKI POMIARÓW Przeprowadzona analiza wstępna uszkodzeń eksploatacyjnych sekcji tłoczących pomp wtryskowych wykazała, że: objawem eksploatacyjnym uszkodzenia sekcji tłoczących jest nierównomierność dawkowania oraz spadek szczelności złożenia tłoczek cylinderek sekcji, bezpośrednią przyczyną spadku szczelności jest zużycie powierzchni tłoczka nad krawędzią sterującą dawkowaniem paliwa. Zużycie to jest zwykle widoczne w postaci wyraźnie wytartej i porysowanej powierzchni. Mechanizm powstawania nieszczelności oraz widok uszkodzonej eksploatacyjnie sekcji przedstawiono na rysunku 2. a) Obszar wysokiego ciśnienia b) Krawędź sterująca Rowek przelewowy Przecieki Cylinderek sekcji Tłoczek Rys. 2. a) mechanizm powstawania nieszczelności w uszkodzonej sekcji; b) uszkodzona na skutek zużycia powierzchnia nad krawędzią sterującą tłoczka badanych sekcji Dodatkowa analiza uszkodzonych sekcji tłoczących wykazała, że zużyciu powierzchni nad rowkiem sterującym dawkowaniem paliwa towarzyszy zużycie powierzchni na części prowadzącej. Uwzględniając powyższe obserwacje, w odniesieniu do badanych sekcji wykonano następujące pomiary: pomiary średnicy zewnętrznej elementu tłoczącego na części prowadzącej i nad krawędzią sterującą wykonywane metodą optyczną z dokładnością do 0,0002 [mm], 2 AUTOBUSY

3 pomiary chropowatości elementu tłoczącego na części prowadzącej i tłoczącej, pomiary błędów okrągłości na części prowadzącej oraz nad rowkiem sterującym dawką paliwa elementu tłoczącego. Schemat prowadzenia pomiarów mikrometrycznych przedstawiono na rysunkach 3 i A B A Rys. 3. Pomiary średnic elementu tłoczącego na części prowadzącej na liniale optycznym firmy Carl-Zeiss Jena B Rys. 4. Tłoczek sekcji tłoczącej pompy MOTORPAL; cyframi zaznaczono miejsca wykonywania pomiarów błędów okrągłości oraz miejsce pomiarów chropowatości powierzchni Do monitorowania zużyciowych zmian chropowatości wykorzystano następujące parametry: R max - największa wysokość chropowatości na odcinku pomiarowym, R z - średnia wysokość chropowatości wzdłuż odcinka pomiarowego, R a - średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości od linii średniej, R t - całkowita wysokość profilu na odcinku pomiarowym, R mr (10%) - udział powierzchni nośnej profilu, R p - wysokość największego wzniesienia profilu na odcinku pomiarowym, R pm - średnia wysokość wzniesień profilu na odcinku pomiarowym. Należy zauważyć ze wszystkie wartości mierzonych parametrów chropowatości oprócz udziału powierzchni nośnej profilu ulegają zmniejszeniu na wskutek wzajemnego docierania się współpracujących par precyzyjnych. Wybrane parametry mogą być zatem wykorzystane do oceny zużycia powierzchni sekcji tłoczącej. Opisane pomiary mikrometryczne obejmują tylko tłoczek sekcji. O szczelności sekcji decyduje jednak nie tylko zużycie powierzchni tłoczka, ale i współpracującego z nim cylinderka. W celu uzyskania kompleksowej oceny sprawności eksploatacyjnej złożenia tłoczek cylinderek wykonano pomiary szczelności. Jako miarę szczelności sekcji wykorzystano czas spadku ciśnienia nad tłoczkiem. Metoda taka jest zalecana przez BN-77/ do oceny stanu technicznego sekcji tłoczących. Wymieniona norma przewiduje pomiar czasu spadku ciśnienia w przedziale od 20 do 16 MPa. Jako kryterium sprawności eksploatacyjnej podaje AUTOBUSY 3

4 się czas spadku ciśnienia dłuższy niż 6 sekund. Jednak jak wynika z przeprowadzonych badań elementów uszkodzonych metoda ta nie zawsze jest efektywna. Wykonano zatem szerszą charakterystykę szczelności sekcji tłoczących poprzez pomiar czasu spadku ciśnienia w następujących przedziałach pomiarowych: MPa, MPa, MPa, MPa, MPa, MPa. Przedział MPa przyjęto zgodnie z wymaganiami BN-77/ Pomiary szczelności sekcji przeprowadzono przy ustawieniu tłoczka odpowiadającym maksymalnej dawce paliwa. 2. WYNIKI POMIARÓW Pomiary opisanych poprzednim rozdziale parametrów przeprowadzono dla sekcji nowych (przed rozpoczęciem badań), oraz po przepracowaniu przez sekcje 20 i 60 mln pracy Wyniki pomiarów średnic tłoczka sekcji Na rysunku 5 przedstawiono obserwowane zmiany średnich wartości mierzonych średnic badanych sekcji. Średnice tłoczka sekcji 7,055 7,05 7,045 7,04 7,035 7,03 7,025 1 ON 2 ON 3 ON 4 ON 5 EL 6 EL 7 EL 8 EL Sekcje nowe Sekcje po przebiegu 20 mln Sekcje po przebiegu 60 mln Rys. 5. Średnice badanych sekcji; ON- sekcje zasilane tradycyjnym olejem napędowym, EL- sekcje zasilane estrami lnianki Analizując zmiany średnic widzimy wyraźne przyrosty zmierzonych wartości. Przyczyną obserwowanych zmian jest zjawisko adsorpcji laków paliwa na powierzchni badanego elementu. Laki te wyraźnie widoczne są pod mikroskopem w postaci błyszczącej jak plama oleju na wodzie warstewki. Widzimy, że osadzana jest większa ilość laków niż wynosi ubytek materiału spowodowany współpracą pary precyzyjnej. Na rysunkach 6 i 7 przedstawiono obserwowane zmiany poszczególnych średnic nr 1, 2 i 3 dla sekcji zasilanych ON i estrami lnianki. Średnica tłoczka [mm] 7,06 7,055 7,05 7,045 7,04 7,035 7,03 7, d1 d2 d3 Sekcje nowe Sekcje po Sekcje po przebiegu 20 mln przebiegu 60 mln Rys. 6. Obserwowane zmiany trzech mierzonych średnic tłoczka sekcji d1,d2 i d3 zasilanych olejem napędowym 4 AUTOBUSY

5 Średnica tłoczka [mm] 7,055 7,05 7,045 7,04 7,035 7,03 7, Sekcje nowe Sekcje po Sekcje po przebiegu 20 mln przebiegu 60 mln d1 d2 d3 Rys. 7. Obserwowane zmiany trzech mierzonych średnic tłoczka sekcji d1,d2 i d3 zasilanych estrami oleju lnianki 0,00387 Zmiana średnicy [mm] 0, , , , , ,00384 Zmiany średnic elementów pracujących na ON Zmiany średnic elementów pracujących na EL Rys. 8. Średnie przyrosty średnic tłoczków sekcji zasilanych olejem napędowym ON i estrami oleju lnianki EL Podsumowując wyniki pomiarów średnic tłoczków badanych sekcji można stwierdzić, że w wyniku pracy następuje odłożenie warstwy chemicznie zaabsorbowanych laków paliwa. Warstwa ta nie ulega usunięciu podczas mycia w dostępnych w handlu typowych rozpuszczalnikach organicznych (benzyna ekstrakcyjna, rozpuszczalnik nitro, rozpuszczalnik ftalowy). Estry lnianki tworzą grubszą i silniej związaną z powierzchnią metalu warstwę osadów. Średnia grubość naniesionych warstw nie przekracza dwóch mikrometrów. Należy zatem przypuszczać, że tak utworzona warstwa graniczna stanowi dobre zabezpieczenie powierzchni przed zużyciem ciernym. Zjawisko to potwierdzają pomiary parametrów chropowatości, których wyniki jednoznacznie nie wskazują na wytarcie współpracujących powierzchni Wyniki pomiarów błędu kołowości Przeprowadzone na trzech wysokościach pomiary błędów kołowości wykazały, znaczny wzrost błędu kołowości tłoczków po przepracowaniu przez sekcje 20 mln. W okresie tym wyraźnie uwidacznia się trwałe plastyczne odkształcenie materiału tłoczka nad górną krawędzią sterującą. Wypływ ten powodowany oddziaływaniem ciśnienia pompowanego paliwa - co zostało stwierdzone w przeprowadzonej analizie numerycznej z wykorzystaniem MES. Zmierzone powtórnie po przepracowaniu 60 mln błędy kołowości tłoczków znacznie maleją - w kilku ch brak wcześniej obserwowanego odkształcenia plastycznego nad rowkiem sterującym świadczy o jego wykruszeniu. AUTOBUSY 5

6 a) b) c) Rys. 9. Obserwowane zmiany okrągłości tłoczka jednej z badanych sekcji: a) tłoczek nowy, b) tłoczek po 20 mln, c) tłoczek po 60 mln Błąd okrągłości części prowadzącej tłoczka [mm] ON "0" EL "0" ON "20" EL "20" ON "60" EL "60" Rys. 10. Zestawienie średnich wyników pomiarów błędów kołowości tłoczków badanych sekcji: ON- sekcje zasilane olejem napędowym, EL- sekcje zasilane estrami lnianki, w cudzysłowie podano liczbę pracy po jakich wykonano pomiary [mln] 2.3. Wyniki pomiarów szczelności Sporządzenie charakterystyki szczelności pozwala na ocenę sprawności funkcjonalnej sekcji. Wykonane dla każdej z badanych sekcji charakterystyki pozwoliły zaobserwować wyraźny spadek szczelności każdej z badanych sekcji. Podobne zmiany zaobserwowano w odniesieniu do sekcji zasilanych olejem napędowym i estrami lnianki (rysunki 11 i 12). Obserwowane zmiany szczelności świadczą o zachodzących procesach zużycia. Czas spadku ciśnienia [s] Rys. 11. Zestawienie charakterystyk szczelności jednej zbadanych sekcji Przedziały spadku ciśnienia [Mpa] sekc. 2 nowa sekc. 2 po 20 mln sekc. 2 po 60 mln 6 AUTOBUSY

7 Czas spadku ciśnienia [s] Sekcje ON nowe Sekcje EL nowe Sekcje ON 20 Sekcje EL 20 Sekcje ON 60 Sekcje EL 60 Rys. 12. Zestawienie charakterystyk szczelności sekcji zasilanych olejem napędowym i estrami lnianki po różnych okresach pracy na stanowisku badawczym 2.4. Obserwacje mikroskopowe Przedziały spadku ciśnienia [MPa] Przeprowadzone pomiary mikrometryczne i pomiary szczelności pozwoliły na stwierdzenie istnienia procesów zużycia tłoczka sekcji tłoczących. Stwierdzono, że procesy zużyciowe zachodzą głównie w części położonej nad rowkiem sterującym dawką paliwa. W celu identyfikacji mechanizmów zużycia pomiary uzupełniono obserwacjami mikroskopowymi. Przeprowadzone obserwacje wykazały, że dominujące mechanizmy zużycia to odkształcenia plastyczne oraz bruzdowanie i mikroskrawanie powierzchni wywoływane twardymi zanieczyszczeniami zawartymi paliwie (widoczne na rysunkach 14 a i b). W układzie zasilania badanych pomp wtryskowych zastosowano wydajne filtry paliwowe, należy zatem sądzić, że zanieczyszczenia będące przyczyną procesów zużyciowych posiadają małe, porównywalne z grubością filmu olejowego średnice (rzędu 1-2 mikrometrów). Na rysunku 13 pokazano nowy nieuszkodzony fragment powierzchni tłoczka - wyraźnie dominują ślady po szlifowaniu. Rys. 13. Nowa nieuszkodzona powierzchnia tłoczka sekcji pompy wtryskowej (powiększenie 120 x) AUTOBUSY 7

8 a) b) Rys. 14. Obraz uszk kodzeń powiierzchni w pobliżu p kraw wędzi sterującej tłoczkaa pod mikroskopem optycznym m (powiększeenie 120 x) WNIO OSKI 1. Zasttosowanie klasycznych k h pomiarów mikrometrrycznych śreednic tłoczkka sekcji naawet wykonyywanych z dokładnością 0,00022 [mm] nie pozwalaa jednoznaacznie rozsttrzygnąć o uszkodzeniu zużyciowym z m sekcji. 2. W trrakcie prow wadzonych badań b obserrwowano prrzyrosty śreednic tłoczkka. Przyrostty te wywołyywane są chhemisorpcjąą związków w pochodząccych z paliw wa na powieerzchni mettalu. Zaabsoorbowane zw wiązki są niezmywaln n e przez pow wszechnie dostępne d rozpuszczalniiki organiczzne i mineraalne. 3. Wynniki pomiarrów wybrannych parameetrów chrop powatości sprawdzających się jaako miary zużycia, np. w badaniaach łożysk nie n odzwierrciedlają w pełni uszkoodzeń zużyciowych tłoczzków sekcji tłoczącychh. Obserwoowane odksształcenia plastyczne p ppowierzchnii pochodzącce od zanieeczyszczeń wpływają na n wartościi mierzonych paramettrów. Przyk kładowo: wzroost udziału powierzchnni nośnej profilu jest rekompenso r owany głębokością odccisku od zaniieczyszczennia. 4. Najoodpowiedniiejszym paarametrem do oceny stanu tecchnicznego złożenia tłoczekcylinnderek sekccji jest szczeelność. 5. Bezppośrednią przyczyną p u uszkodzeń z zużyciowyc h są zaniecczyszczenia mechaniczzne znajdująące się paliw wie. Powoddują one oddkształceniaa plastycznne powierzcchni oraz wywołują w mikrroskrawaniee i bruzdow wanie powierzchni. 8 AUTOBU USY

9 6. Uszkodzenia eksploatacyjne wykluczające sekcje z eksploatacji nie muszą obejmować całej powierzchni tłoczka. Mogą one mieć charakter lokalny i wystarczy, aby obejmowały część powierzchni nad rowkiem sterującym dawką paliwa. BIBLIOGRAFIA 1. Czechlowski M., Krzysztofiak A., Adamski M., Antczak W.: Wpływ stosowania oleju rzepakowego jako paliwa na trwałość aparatury wtryskowej silników ZS. Inżynieria Rolnicza 2006, nr 12, s Kneba Zb., Makorski Sł.: Zasilanie i sterowanie silników. WKiŁ. Warszawa Kowalski K., Sitnik L., Struś M.: Trwałość wybranych elementów aparatury paliwowej silnika zasilanych estrami metylowymi oleju rzepakowego. Journal of KONES. Warszawa- Nałęczów Krzyżak A., Gardyński L.: Ocena wpływu oleju napędowego oraz paliwa roślinnego na zużycie tribologiczne wybranych tworzyw polimerowych. MOTROL. Motoryzacja i Energetyka Rolnictwa. Tom 11C. Lublin Gardyński L., Gorgol K.: Badania porównawcze własności smarnych oleju napędowego i biopaliw rzepakowych. EKSPLOLOG Pągowski Z.: Badania i eksploatacja biopaliw rzepakowych. Instytut Lotnictwa, Warszawa. METHOD INVESTIGATION PROCESS OF WEAR IN PUMPING SECTIONS OF INECTION PUMP USED IN DIESEL ENGINES Abstract In the paper presents a method to assess wear of pumping sections of injection pumps. A set of parameters was defined, which can be used as indicators of section s wear. Some results of experimental investigation of wear in pumping sections were presented. Verification was done using injection pump MOTORPAL used in a 4CT90 Diesel engine. Recenzent: dr hab. inż. Grzegorz Koralewski, prof. WSEI Autorzy: mgr inż. Leszek GIL - Politechnika Lubelska dr inż. Piotr IGNACIUK - Politechnika Lubelska prof. dr hab. inż. Andrzej NIEWCZAS - Wyższa Szkoła Ekonomii i Innowacji w Lublinie AUTOBUSY 9