ANALIZA MO LIWO CI DIAGNOZOWANIA APARATURY WTRYSKOWEJ OKR TOWYCH SILNIKÓW TŁOKOWYCH KAZIMIERZ WITKOWSKI

Transkrypt

1 ANALIZA MO LIWO CI DIAGNOZOWANIA APARATURY WTRYSKOWEJ OKR TOWYCH SILNIKÓW TŁOKOWYCH KAZIMIERZ WITKOWSKI Streszczenie W referacie przedstawiono problematyk zwi zan z diagnostyk aparatury wtryskowej silników okr towych, które nale do najbardziej zawodnych układów funkcjonalnych tych silników. W referacie, na podstawie bada własnych, przedstawiono przykład wykorzystania w diagnostyce elementów układu wtryskowego analizy wykresów indykatorowych. Metod t krytycznie oceniono. Wykazano przydatno diagnostyczn pogł bionej analizy wykresów indykatorowych otrzymywanych technik indykowania elektronicznego, pozwalaj c na wyznaczanie charakterystyk wydzielania ciepła. Charakterystyki wydzielania ciepła zawieraj informacje o stanie technicznym układów wtryskowych, umo liwiaj ce diagnozowanie ich uszkodze. Słowa kluczowe: diagnostyka, tłokowy silnik okr towy, układ wtryskowy, statystyka uszkodze 1. Wprowadzenie Doskonalenie metod diagnozowania okr towych silników o zapłonie samoczynnym (ZS) nale y do bardzo wa nych zada, maj cych na celu monitorowanie pracy silników, wykrywanie uszkodze na wczesnym etapie ich powstawania, co przyczynia si do podniesienia ekonomiki i bezpiecze stwa eksploatacji statku. Okr towe tłokowe silniki spalinowe stanowi w zdecydowanej wi kszo ci nap d główny statków handlowych (ponad 80%), jak równie nap d pr dnic w elektrowniach okr towych. Kiedy mówi si o konieczno ci wyposa ania siłowni okr towych w nowoczesne systemy i urz dzenia diagnostyczne, to odnosi si to przede wszystkim do diagnostyki silników okr towych. Na statkach o wyposa eniu konwencjonalnym, tzn. bez specjalistycznego wyposa enia diagnostycznego, bie ca kontrola stanu technicznego silnika odbywa si w oparciu o mierzone warto ci parametrów kontrolowanych. Ocena diagnostyczna obejmuje głównie procesy: wtrysku, spalania, chłodzenia i smarowania silnika. Wiele siłowni okr towych jest wyposa onych w przeno ne urz dzenia diagnostyczno-pomiarowe do okresowych bada diagnostycznych silników. Wykonuje si wówczas pomiary ci nie maksymalnych w cylindrach, ci nie spr ania, rednich ci nie i mocy indykowanych. Na nielicznych statkach, z siłowniami du ych mocy s instalowane stacjonarne systemy monitoruj co-diagnostyczne, działaj ce w trybie on-line. Niektóre systemy stacjonarne s wyposa ane w układy do pomiaru ci nie w instalacjach wtryskowych.

2 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 70, Ocena stanu technicznego i stanu obci enia silnika jest wi c realizowana w sposób po redni, w oparciu o znane relacje pomi dzy parametrami procesów roboczych, a stanami struktury i obci - enia badanych elementów. Wiarygodno diagnozy, jej jednoznaczno, mo liwo lokalizacji uszkodze i okre lenie przyczyn ich powstania przy takim badaniu zale w głównej mierze od wiedzy i do wiadczenia oficera mechanika, maj c bardzo subiektywny charakter. Nale y zaznaczy, e konwencjonalny zbiór parametrów kontrolowanych obecnie dost pnych na statkach jest niewystarczaj cy do stawiania wiarygodnych diagnoz, szczególnie w odniesieniu do lokalizacji uszkodze. Praktycznej realizacji funkcji diagnostycznych przez załogi maszynowe (oficerów mechaników) nie sprzyja równie cz sta rotacja załóg mi dzy statkami. Efektywno procesów diagnostycznych jest zwłaszcza niezadowalaj ca na statkach współczesnej budowy, o zło onej strukturze konstrukcyjnej oraz wysoce zautomatyzowanych, gdzie dodatkowo obowi zuje zasada ograniczania liczebno ci załóg maszynowych. Du a ilo obowi zków bie cych wykonywanych przez oficerów mechaników z jednej strony, oraz brak odpowiednich rodków diagnostycznych z drugiej, nie ułatwiaj realizacji zada diagnostycznych. Silniki okr towe nale do obiektów technicznych o du ym stopniu zło ono ci (kilkadziesi t tysi cy elementów). Ka dy z tych elementów charakteryzowa mo e pod wzgl dem technicznym nawet kilka parametrów struktury. Kontrolowanie stanu technicznego w tej sytuacji jest bardzo trudne. W rezultacie tego funkcje załóg maszynowych statków cz sto ograniczaj si do usuwania w czasie rejsu morskiego awarii, aby utrzyma energetyczn autonomiczno statku. Sytuacje te s cz sto nast pstwem nie wykrytych w por uszkodze. Liczb awarii mo na by istotnie ograniczy dysponuj c odpowiednimi urz dzeniami i metodami diagnostycznymi. Układem funkcjonalnym silnika okr towego, który ma podstawowy wpływ na jako przebiegu procesu roboczego, ekonomik pracy silnika oraz jego niezawodno jest układ wtryskowy. W eksploatacji silnika okr towego dozór eksploatacyjny sprowadza si do bie cej kontroli parametrów pracy instalacji zasilania silnika paliwem, a tak e do okresowego czyszczenia filtrów paliwowych i wirówek oraz kontroli szczelno ci całej instalacji. Podstawowymi parametrami na podstawie których eksploatator nadzoruje prac układu zasilania s : ci nienie i temperatura (lepko ) paliwa. W odniesieniu do układu wtryskowego, sprawdzany jest okresowo na stanowisku prób, stan techniczny wtryskiwaczy. Do oceny pracy układu wtryskowego wykorzystuje si przede wszystkim nast puj ce parametry: a) eksploatacyjne (rutynowo mierzone): temperatury gazów wylotowych, T g, b) odczytane z wykresów indykatorowych: maksymalne ci nienie spalania, p max, rednie ci nienie indykowane, p i, k t wystapienia p max wzgl dem GMP, pmax. Na niektórych silnikach wolnoobrotowych o du ej mocy z cylindra mierzone s ci nienia w układach wtryskowych. Główne parametry wyznaczane w oparciu o ten pomiar to: maksymalne ci nienie wtrysku paliwa, p max wtr,, ci nienie otwarcia wtryskiwacza, p otw.wtr., k t trwania wtrysku.

3 154 Kazimierz Witkowski Analiza mo liwo ci diagnozowania aparatury wtryskowej okr towych silników tłokowych Parametry odczytywane na podstawie przebiegu ci nienia w układzie wtryskowym maj wprawdzie du e znaczenie diagnostyczne, ale ich pomiar jest utrudniony z uwagi na ograniczone mo liwo ci monta u czujników pomiarowych. Układ wtryskowy, ze wzgl dów bezpiecze stwa, musi by szczelny. Przewody wtryskowe powszechnie umieszcza si w specjalnych osłonach ( otulinach ), które w przypadku uszkodzenia przewodu nie pozwalaj na niekontrolowany wyciek paliwa do przedziału siłowni okr towej. Dlatego te celowym wydaje si poszukiwanie takich skutecznych metod diagnozowania uszkodze układu wtryskowego, które nie wymagaj ingerencji w układ wtryskowy. Warunkowi temu odpowiadaj metody oparte o analiz informacji zawartych w wykresach indykatorowych. B d to wówczas metody do po redniej oceny stanu technicznego aparatury wtryskowej, co umo liwia rezygnacj z drogich i zawodnych instalacji pomiaru ci nie w układach wtryskowych. W celu uzyskania metody skutecznej, pozwalaj cej na rozpoznawanie najwa niejszych uszkodze elementów układu wtryskowego potrzebna jest pogł biona analiza wykresów indykatorowych wyznaczanie na podstawie wykresów indykatorowych, otrzymywanych w oparciu o pomiar ci nie cylindrowych indykatorem typu elektronicznego z przetwornikami ci nie montowanymi na zaworach indykatorowych, charakterystyk wydzielania ciepła. 2. Układy zasilania paliwem współczesnych silników okr towych Współczesne silniki okr towe nap du głównego jak i zespołów pr dotwórczych s zasilane w zasadzie paliwem stanowi cym wszelkie pozostało ci przerobu ropy naftowej lub mieszanin pozostało ci z l ejszymi destylatami. Paliwa te nazywane s potocznie paliwami ci kimi (ang. Heavy Fuel Oil, Residual Fuels), a ich lepko wynosi mo e, w temperaturze 100ºC 1,4 14 cst dla Light Marine Fuel Oil i cst dla Marine Fuel Oil. Paliwa o mniejszej lepko ci s stosowane do nap du silników czterosuwowych rednioobrotowych, natomiast paliwa o wy szej lepko ci do nap du silników dwusuwowych wolnoobrotowych. Paliwa ci kie s zanieczyszczone mi dzy innymi siark, wod, zwi zkami zawartymi w wodzie morskiej, substancjami bitumicznymi ( ywice, twarde asfalty) oraz ciałami stałymi, jak muł, piasek, zendra itp. Tego rodzaju paliwa wymagaj okre lonych czynno ci przygotowawczych przed wtryskiem do silnika. Wymienione wy ej wła ciwo ci paliwa ci kiego warunkuj konieczno jego uprzedniego oczyszczenia, aby zapobiec uszkodzeniom i zmniejszeniu zu ycia par trybologicznych układu wtryskowego: tłok - tuleja pompy wtryskowej, iglica i jej prowadnica wtryskiwaczy, a tak e zespołów: tłok - tuleja cylindrowa, pier cienie tłokowe - tuleja cylindrowa itp. Du a zawarto wody mo e spowodowa przerwy zapłonu a nawet zatrzymanie silnika. Paliwa ci kie wymagaj podgrzania do temperatury umo liwiaj cej ich transport, a wi c przepompowywanie z i do zbiorników instalacji paliwowej, na przykład ze zbiornika zapasowego do osadowego, a tak e w celu uzyskania optymalnej lepko ci podczas wirowania i wtrysku. Do paliw dodawane s dodatki pochodzenia organicznego lub mineralnego, słu ce do polepszenia procesu spalania, zapobiegania korozji i powstawania emulsji wodno-paliwowej, a tak e do poprawy skuteczno ci oczyszczania. Zadaniem instalacji zasilania silnika okr towego paliwem jest dostarczenie do komory spalania, w okre lonym czasie, prawidłowo rozpylonego paliwa w ilo ci odpowiadaj cej chwilowemu zapotrzebowaniu mocy, za co odpowiada układ wtryskowy silnika wchodz cy w skład systemu zasilania.

4 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 70, Ilo i rodzaj elementów stanowi cych system zasilania zale od rodzaju i mocy silnika oraz rodzaju stosowanego paliwa. Konstrukcja systemu zasilania zale y od rodzaju i mocy silnika okr towego i rodzaju stosowanego paliwa. We współczesnych silnikach okr towych dominuj nadal klasyczne układy wtryskowe, w których wyst puj nast puj ce elementy: pompy wtryskowe nap dzane od wału rozrz du, przewody paliwowe wysokiego ci nienia, wtryskiwacze. Pompy wtryskowe s pompami wyporowymi typu tłokowego i zazwyczaj ka dy cylinder ma osobn pomp wtryskow lub osobny zespół roboczy składaj cy si z cylindra, tłoka, zaworu zwrotnego i nap du tłoka. Zmienne ci nienia w przewodach wtryskowych osi gaj warto ci MPa. Energetyczne i ekonomiczne wska niki pracy silnika, a tak e niezawodno jego działania w głównej mierze zale od pracy układu wtryskowego. Z jednej strony istotnym czynnikiem b dzie doskonało konstrukcyjna, technologiczna i wykonawcza poszczególnych elementów układu, szczególnie pomp wtryskowych i wtryskiwaczy, a z drugiej za strony poprawne przeprowadzenie regulacji statycznej i wła ciwa eksploatacja. Uwa a si, e najwa niejsze parametry jako ciowej regulacji konwencjonalnego układu wtryskowego to pocz tek, koniec i czas trwania podawania paliwa przez pomp i wtryskiwacz wyra one w stopniach obrotu wału korbowego jako, e od tych wła nie wielko ci, dla stałych warunków pracy silnika, zale y przebieg procesu spalania do oceny którego wykorzystuje si warto ci dynamicznych i ekonomicznych wska ników cyklu roboczego. W praktyce eksploatacyjnej poszukuje si optymalnej warto ci k ta wyprzedzenia wtrysku (α ww), aby uzyska wysok ekonomiczno pracy silnika dla wybranego obci enia. 3. Typowe uszkodzenia układów wtryskowych i ich wpływ na prac silnika Dane statystyczne wskazuj [1], e blisko 50% wszystkich uszkodze silników okr towych stanowi usterki układu zasilania paliwem, a w nim najcz ciej wyst puj uszkodzenia w odniesieniu do wtryskiwaczy (41%) i pomp wtryskowych (38%). Szczegółowe dane statystyczne pokazano na rysunku 1. Przebieg i jako spalania s zale ne od poprawnego działania układu paliwowego i układu wymiany czynnika roboczego. Analizuj c przyczyny nieprawidłowego spalania, celowe zatem jest wyodr bnienie zasadniczych czynników wpływaj cych na proces roboczy przede wszystkim tych powodowanych nieprawidłowo ciami w działaniu układu paliwowego.

5 156 Kazimierz Witkowski Analiza mo liwo ci diagnozowania aparatury wtryskowej okr towych silników tłokowych ródło: opracowanie własne. Rys. 1. Statystyka uszkodze elementów układu wtryskowego Samoistna zmiana ci nienia otwarcia wtryskiwacza (Z cow) nast puje na skutek pogorszenia si własno ci roboczych spr yn. Trac one swoj sztywno. Mo e tak e doj do osiadania spr yn, zu ycia sto ka gniazda i iglicy rozpylacza, co w konsekwencji prowadzi równie do spadku ci nienia otwarcia wtryskiwacza. Na skutek tego zmianie ulegaj parametry wtrysku i spalania i w konsekwencji zachodzi: Z cow (T g ; p max ; p max wtr. ) (g e ; τ s ) (1) Zmiany istotnie widoczne s, gdy ci nienie otwarcia wtryskiwacza spada, w stosunku do warto- ci znamionowej o kilkana cie procent. W praktyce eksploatacyjnej takie zmiany s mo liwe. Siła napi cia spr yny mo e zmniejszy si nawet od 15 do 25% w stosunku do warto ci znamionowej, ju po 100 do 500 godzinach pracy silnika [2].

6 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 70, Podczas eksploatacji, głównie w wyniku znacznych pr dko ci przepływu paliwa przez otwory rozpylacza oraz zawarto w paliwie twardych zanieczyszcze, otwory rozpylacza ulegaj zu yciu i zmieniaj swój kształt kołowo-cylindryczny, oraz trac gładko powierzchni. Prowadzi to do zmiany kształtu strug wtryskiwanego paliwa. Zu ycie powierzchni otworów rozpylacza oraz zwi kszenie ich rednicy powoduje zmiany nat enia wypływu paliwa przez rozpylacz zgodnie z zale no ci 2 [3]: dv = μ c f c u c dt (2) gdzie: μ c współczynnik wypływu, f c sumaryczny przekrój otworów rozpylacza, u c pr dko wypływu, na co istotny wpływ ma nie tylko zmiana sumarycznego przekroju f c otworów rozpylacza, ale tak e pr dko u c wypływu paliwa: u 2(p p ) wtr c c = (3) pal gdzie: p wtr ci nienie wtrysku, p c ci nienie spr ania, pal g sto paliwa, która przy wzro cie rednicy otworów rozpylacza b dzie male. W wyniku zu ycia otworów rozpylacza (Z or) dochodzi do zmiany parametrów wtrysku i spalania i w konsekwencji: Z or (T g ; p max ; p max wtr. ; u c ) (g e ) (4) W wyniku cierania, twardymi cz steczkami zanieczyszcze znajduj cych si w paliwie, powierzchni elementów pary precyzyjnej (tłok-tuleja) pompy wtryskowej, dochodzi do ich zu ycia. Post puj ce zu ycie, wzrost luzu mi dzy tłokiem i tulej pompy, powoduje spadek sprawno ci hydraulicznej (η h) pompy. Spada maksymalne ci nienie wtrysku, a wzrasta rednia rednica kropli rozpylanego paliwa. Cz pobranej przez pomp dawki paliwa nie osi ga cylindra, poniewa poprzez nieszczelno ci, wycieka. Zu ycie pary precyzyjnej pompy wtryskowej (Z pp) prowadzi wi c do zmiany parametrów wtrysku i spalania, i w konsekwencji: Z pp (η h ; T g ; p max ; p max wtr. ; p i ) (g e ; N i ) (5) W eksploatacji silników okr towych zasilanych paliwami ci kimi pojawia si równie cz sto uszkodzenie zaczopowanie (zakoksowanie) otworów rozpylacza (Z otw.r). Konsekwencje wyst powania tego uszkodzenia s ró ne, zale ne mi dzy innymi od liczby zakoksowanych otworów, w stosunku do dro nych, a wi c od zmiany ł cznego przekroju czynnego otworów. Typowym nast pstwem tego uszkodzenia jest przede wszystkim zmiana parametrów wtryskiwanego paliwa, w tym wzrost p max wtr., ale tak e i parametrów procesu spalania: Z otw. r (p max wtr. ; T g ; p max ; p i ) (g e ) (6)

7 158 Kazimierz Witkowski Analiza mo liwo ci diagnozowania aparatury wtryskowej okr towych silników tłokowych Jak z powy szych rozwa a wynika, skutkiem wyst pienia wymienionych uszkodze w układzie wtryskowym, jest szczególnie wyra na zmiana takich parametrów jak: maksymalne ci nienie w cylindrze (p max), maksymalne ci nienie wtryskiwanego paliwa (p max.wtr) i temperatura gazów za cylindrem (T g). Powoduj one równie zmiany redniego ci nienia indykowanego (p i), jednostkowego zu ycia paliwa (g e) i czasu spalania (τ s). 4. Przykład diagnozowania uszkodzenia układu wtryskowego silnika okretowego W odniesieniu do silników okr towych, na których mo liwe jest indykowanie cylindrów, czynione s próby diagnozowania układów wtryskowych poprzez bezpo rednie porównywanie wykresów indykatorowych. Prawidłowe wnioskowanie diagnostyczne w oparciu o powy sz procedur jest trudne i niepewne. Na rysunku 2 pokazano wykresy indykatorowe pomierzone na dziewi ciu cylindrach silnika okr towego SULZER 9RTA90. Mo na wprawdzie zauwa y ró nic w przebiegu ci nienia rozpr ania w cylindrze 2, ale bardzo trudno stwierdzi jaka jest tego przyczyna. Rys. 2. Wykresy indykatorowe silnika SULZER 9RTA90: c1 c9 ci nienia w poszczególnych cylindrach Natomiast wyznaczone dla cylindra 2 przebiegi charakterystyk wydzielania ciepła Q (rys. 3) i intensywno ci wydzielania ciepła q (rys. 4) wskazuj na wadliw prac układu wtryskowego. Szczególnie charakterystyczna jest zmiana intensywno ci wydzielania ciepła q chwilowy wyra ny przyrost dla k ta około 210 o OWK, oraz istotny wzrost warto ci maksymalnej wydzielania ciepła Q dla tego cylindra od k ta około 210 o OWK, czego prawdopodobn przyczyn jest dotrysk paliwa spowodowany wadliw regulacj zaworu przelewowego po stronie tłocznej pompy wtryskowej.

8 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 70, Rys. 3. Charakterystyki wydzielania ciepła Q wyznaczone na podstawie wykresów indykatorowych pokazanych na rysunku 2: c1 c9 Q dla poszczególnych cylindrów Rys. 4. Charakterystyki intensywno ci wydzielania ciepła q wyznaczone na podstawie wykresów indykatorowych pokazanych na rysunku 2: c1 c9 q dla poszczególnych cylindrów

9 160 Kazimierz Witkowski Analiza mo liwo ci diagnozowania aparatury wtryskowej okr towych silników tłokowych 5. Podsumowanie Diagnozowanie uszkodze układów wtryskowych w warunkach eksploatacji statku jest trudne, ale ma istotne znaczenie poniewa układy te s zawodne. Potwierdzaj to badania statystyczne, z których wynika, e blisko 50% wszystkich uszkodze silników okr towych stanowi usterki układu zasilania paliwem. Rozpoznawanie uszkodze układów wtryskowych w oparciu analiz wykresów indykatorowych jest trudne i niepewne. Istotn jako ciow zmian stanu diagnostyki układów wtryskowych mo na uzyska w oparciu o wyznaczane na podstawie wykresów indykatorowych przebiegi charakterystyk wydzielania ciepła. Charakterystyki wydzielania ciepła zawieraj bowiem informacje o stanie technicznym układów wtryskowych, umo liwiaj ce diagnozowanie ich uszkodze. Bibliografia 1. Piaseczny L.: Ocena niezawodno ci okretowych silników spalinowych w aspekcie tworzenia ich systemów diagnostycznych i obsługowych. Materiały Konferencji Naukowo-Technicznej, ITEO AMW, Gdynia Witkowski K., Piotrowski I.: Eksploatacja okr towych silników spalinowych. Balic Surveyors grup Ltd. Sp z o.o. Gdynia 2012 r., ISBN Witkowski K., Piotrowski I.: Okr towe silniki spalinowe. TRADEMAR, Gdynia 2003 r., ISBN

10 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 70, ANALISIS OF THE POSSIBILITY OF DIAGNOSING THE INJECTION EQUIPMENT PISTON MARINE DIESEL ENGINE Summary The paper presents the issues related to the diagnosis of injection system marine diesel engines, which are characterized by high unreliability. In this paper, based on the results of research, it has been shown an example of use the components of the injection system analysis indicator diagrams in the diagnosis. This method has been assessed critically. It has been shown the usefulness of the diagnostic indicator diagrams in-depth analysis obtained electronically, which allows the determination of the heat release characteristics. The characteristics of heat release contain information about the condition of the injection systems, which enable to diagnose their failures. Keywords: diagnosis, piston marine diesel engine, injection system, ststistics damage Kazimierz Witkowski Katedra Siłowni Okr towych Wydział Mechaniczny Akademia Morska w Gdyni ul. Morska 83, Gdynia wika@am.gdynia.pl