Analiza uszkodzeń wybranych elementów aparatury wtryskowej silników wysokoprężnych

Transkrypt

1 LIGIER Krzysztof 1 OCZKOWSKI Andrzej 2 Analiza uszkodzeń wybranych elementów aparatury wtryskowej silników wysokoprężnych WPROWADZENIE Wyczerpywanie się zasobów ropy naftowej przyczynia się do rosnącego zainteresowania paliwami alternatywnymi pochodzenia roślinnego. Wysoka lepkość, wysoka temperatura krzepnięcia, zawartość wody, kwasów organicznych, ograniczają stosowanie czystego oleju roślinnego jako paliwa [3, 4, 5]. Aby można było stosować olej roślinny do zasilania silników należy go poddać estryfikacji. Estry kwasów tłuszczowych charakteryzują się znacznie lepszymi właściwościami jakościowymi, niż surowy olej rzepakowy. Niemniej jednak posiadają istotne wady, podstawową wadą jest chłonność wody, która powoduje, że biopaliwo staje się pożywką dla bakterii i grzybów [5]. Cecha ta ogranicza możliwość długotrwałego przechowywania i magazynowania, ponieważ rozrost bakterii i grzybów jest podstawową przyczyną osłabienia stabilności chemicznej biopaliwa. Stosowanie bioestrów oleju rzepakowego do zasilania silników wysokoprężnych może przynieść korzystne efekty [13], Jednak ich zbyt duża zawartość w paliwie ma niekorzystny wpływ na aparaturę wtryskową powodując uszkodzenia jej elementów [1, 10, 16, 17]. Czyste handlowe biopaliwo B100 (100% biokomponentów) może powodować takie zjawiska jak blokowanie filtrów paliwa i trudności z rozruchem zimnych silników oraz uszkodzenia wtryskiwaczy [2, 7, 10, 14, 15, 17]. Podstawowe problemy ograniczające powszechne stosowanie biopaliw opartych na estrach związane są jednak z trwałością eksploatacyjną układów zasilania silników wysokoprężnych i negatywnym oddziaływaniem estrów na olej silnikowy. Uszkodzenia układów zasilania wynikają głównie z rozpuszczania osadów powstałych podczas wcześniejszej eksploatacji silnika na oleju napędowym. Powstały z rozpuszczania osadów szlam prowadzi do zatykania filtrów paliwowych (fotografia 1) a nawet do uszkodzenia wtryskiwaczy, stąd producenci pojazdów wprowadzają ograniczenia dotyczące możliwości zasilania ich silników estrami. Ponadto stosowanie estrów do zasilania silników powoduje skrócenie okresu między obsługami połączonymi z wymianą filtra paliwa, oleju w silniku i filtra oleju [3]. 1. ZUŻYCIE APARATURY WTRYSKOWEJ Pary precyzyjne aparatury wtryskowej wyróżniają się spośród innych podzespołów aparatury paliwowej bardzo dokładnym wykonaniem i małymi luzami między współpracującymi częściami. Przenikanie drobnych cząsteczek między współpracujące części i krawędzie sterujące pary precyzyjnej powoduje systematyczne uszkadzanie powierzchni a nawet zatarcie (fotografia 2). W elemencie tłoczącym pompy wtryskowej największemu zużyciu ulega główka tłoka i cylinderek w okolicy otworka zasilającego [7, 11]. Pary precyzyjne głowic hydraulicznych rozdzielaczowych pomp wtryskowych ulegają uszkodzeniu poprzez ścierne działanie twardych cząsteczek pomiędzy powierzchniami współpracującymi rozdzielacza i korpusu głowicy (fotografia 4 i 5). 1 Dr inż. Krzysztof Ligier, Wydział Nauk Technicznych UWM Olsztyn 2 Inż. Andrzej Oczkowski 4473

2 Fot. 1. Zablokowany filtr paliwa Fot. 2. Zużycie główki tłoczka sekcji tłoczącej Najtrudniejsze warunki pracy pary precyzyjnej występują w rozpylaczu wtryskiwacza z powodu wysokiej temperatury panującej w komorze spalania silnika. W rozpylaczach uszkadzają się najczęściej powierzchnie styku igły rozpylacza z korpusem w wyniku szybkich uderzeń igły następuje rozgniatanie twardych cząsteczek zanieczyszczeń powodujących cykliczne ślady współpracy [6, 9, 10]. Fot. 4. Uszkodzona głowica hydrauliczna pompy wtryskowej DPA Fot. 5. Uszkodzenie awaryjne głowicy pompy wtryskowej DPA 4474

3 Rozpylacze silników wysokoprężnych narażone są na działanie szkodliwych czynników takich jak: wysokie ciśnienie tłoczonego paliwa, wysoka temperatura oraz wysokie ciśnienie gazów spalinowych otaczających końcówkę wtryskiwacza w komorze spalania silnika. Eksploatowane rozpylacze w tak trudnych warunkach ulegają uszkodzeniom takim jak np. zapieczenie iglicy w korpusie, porysowanie iglicy i prowadnicy w korpusie (fotografia 5), zmiana średnicy otworków wtryskowych na skutek koksowania [2, 6, 9, 10]. Fot. 5. Uszkodzony rozpylacz Największe zagrożenie dla par precyzyjnych rozpylaczy, stanowią ciała obce, które mogą się przedostać w obszar współpracy wraz z smarującym je olejem napędowym [7, 10]. Cząstki zanieczyszczeń trafiające do wtryskiwaczy mogą pochodzić z zanieczyszczonego oleju napędowego jak również mogą być produktami zużycia wewnątrz aparatury wtryskowej. Przenikające do wnętrza rozpylacza, wraz z paliwem cząsteczki zanieczyszczeń doprowadzają do zużycia ściernego precyzyjnego skojarzenia części prowadzącej iglicy i korpusu oraz części stożkowej przylgni iglicy i gniazda rozpylacza. 2. ANALIZA PRZYCZYN USZKODZEŃ APARATURY WTRYSKOWEJ SILNIKÓW WYSOKOPRĘŻNYCH Analiza przyczyn uszkodzeń aparatury wtryskowej została przeprowadzona na podstawie danych pozyskanych z Zakładu Mechaniki Pojazdowej wykonującego obsługi i naprawy pojazdów samochodowych. Analiza uszkodzeń elementów aparatury wtryskowej, polegała na wykonaniu weryfikacji elementów aparatury wtryskowej w oparciu o dostępną wiedzę na temat procesów zużycia, oraz przeprowadzeniu wywiadu z użytkownikami na temat procesu eksploatacji pojazdów i stosowanego paliwa. Pozyskane dane uzupełniono dokumentacją fotograficzną uszkodzonych elementów aparatury wtryskowej silników wysokoprężnych, powierzonych do naprawy. Dane obejmują okres od roku 2001 do roku W wyżej wymienionym okresie zostały sporządzone zapisy dla głównych elementów aparatury paliwowej tj. filtrów paliwa, pomp wtryskowych i wtryskiwaczy. Uszkodzone elementy aparatury wtryskowej zostały podzielone na grupy, w których wyróżniono elementy uszkodzone przedwcześnie i uszkodzone po normalnym okresie eksploatacji. Elementy uszkodzone przedwcześnie podzielono na podgrupy zależnie od rodzaju stosowanego paliwa na elementy eksploatowane na oleju napędowym, biodieslu, oleju roślinnym i na paliwie zanieczyszczonym cząstkami stałymi. Wyniki analizy przyczyn uszkodzeń filtrów paliwa, pomp wtryskowych i wtryskiwaczy przedstawiono w tabelach 1 i

4 Tab. 1. Zestawienie ilości uszkodzonych filtrów paliwa w latach Rok Ogółem Filtry Przyczyna przedwczesnego uszkodzenia uszkodzone Stosowanie Paliwo Paliwo Inne przedwcześnie biodiesla zawodnione zanieczyszczone Tab. 2. Zestawienie ilości uszkodzonych pompy wtryskowych (PW) i wtryskiwaczy (W) oraz przyczyn ich uszkodzeń w latach Rok Ogółem Uszkodzone Rodzaj paliwa przedwcześnie Olej napędowy Biodiesel Olej roślinny Paliwo zanieczyszczone PW W PW W PW W PW W PW W PW W Przebieg zmian ilości uszkodzonych elementów w poszczególnych latach w badanym okresie przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Przebieg zmiany ilości przedwcześnie uszkodzonych elementów aparatury wtryskowej w badanym okresie 4476

5 Na rysunkach 2 4 przedstawiono liczbę przedwczesnych uszkodzeń wybranych elementów aparatury wtryskowej z uwzględnieniem rodzaju paliwa wykorzystywanego w trakcie eksploatacji pojazdów. Rys. 2. Ilość przedwczesnych uszkodzeń filtrów paliwa w badanym okresie Rys. 3. Ilość przedwczesnych uszkodzeń pomp wtryskowych w badanym okresie Z przedstawionych danych wynika, że wzrost uszkodzeń aparatury wtryskowej zanotowano w latach oraz Wzrost ten jest związany ze wzrostem cen paliwa w tych okresach, co spowodowało, że użytkownicy pojazdów szukali oszczędności stosując olej napędowy tańszy, który bywał często zawodniony i zanieczyszczony [8]. Rys. 4. Ilość przedwczesnych uszkodzeń wtryskiwaczy w badanym okresie 4477

6 W okresie badań wystąpiła konieczność wymiany filtra paliwa wcześniej niż przewiduje instrukcja obsługi pojazdu w 32,8% przypadków, natomiast w roku 2007 wymienione przedwcześnie filtry stanowiły 42,2%. Największa liczba uszkodzeń filtrów paliwa w badanym okresie wynika ze stosowania biodiesla o niskiej stabilności chemicznej, co przyczynia się do powstawania osadów i blokowania filtrów paliwa. Najwięcej uszkodzonych przedwcześnie pomp wtryskowych, przypadło w roku 2006 (34,4%) i w roku 2007 (35,6%). Problem uszkodzeń wtryskiwaczy nasilał się w latach 2004, 2005 i wyniósł odpowiednio 37,5% i 40,0% przedwcześnie zużytych wtryskiwaczy. Na uwagę zasługuje fakt, że znaczna liczba uszkodzeń pomp wtryskowych i wtryskiwaczy spowodowana była stosowaniem przez użytkowników pojazdów, surowego oleju roślinnego do zasilania silników wysokoprężnych. W latach stosowanie tego rodzaju paliwa jako dodatku do oleju napędowego jest dominującą przyczyną uszkodzeń wtryskiwaczy. PODSUMOWANIE Przeprowadzona analiza uszkodzeń elementów aparatury wtryskowej wskazuje, że najczęstszą przyczyną uszkodzeń badanych elementów jest stosowanie do zasilania silników paliw zanieczyszczonych cząstkami stałymi oraz paliw z dodatkiem surowego oleju roślinnego lub estrów oleju rzepakowego. Zwiększona liczba uszkodzeń spowodowanych tymi czynnikami przypada na lata , co ma związek ze wzrostem cen paliw oraz związanym z tym nasilonym zjawiskiem stosowania surowego oleju rzepakowego, jako dodatku do oleju napędowego. Zjawisko to dotyczyło w znacznej mierze pojazdów wyposażonych w układy wtryskowe starszego typu, użytkowanych do celów prywatnych. W latach na dużą skalę występowało również zjawisko fałszowania paliw na rynku, co ujemnie wpływało na ich jakość [8], co ma odzwierciedlenie w ilości uszkodzeń elementów aparatury wtryskowej w tym okresie. Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki analizy uszkodzeń wybranych elementów aparatury wtryskowej silników wysokoprężnych pojazdów samochodowych. Analiza oparta jest na danych zebranych w latach w zakładzie napraw układów wtrysku paliwa. Identyfikacja uszkodzeń elementów aparatury wtryskowej, polegała na wykonaniu weryfikacji elementów aparatury wtryskowej oraz przeprowadzeniu wywiadu z użytkownikami na temat procesu eksploatacji pojazdów i stosowanego paliwa. Stwierdzono wzrost liczby uszkodzeń w latach Dominującą przyczyną uszkodzeń filtrów tym okresie było zablokowanie na skutek stosowania dodatków do paliw w postaci niskiej jakości bioestrów oleju rzepakowego. Uszkodzenia wtryskiwaczy spowodowane były głównie przez stosowanie dodatku do paliwa w postaci surowego oleju roślinnego. Przyczyną uszkodzeń pomp wtryskowych było głównie stosowanie paliwa zanieczyszczonego cząstkami stałymi. Słowa kluczowe: uszkodzenie, zużycie, aparatura wtryskowa, silniki ZS, biopaliwa. Failure analysis of selected elements of diesel injection equipment Abstract The paper presents the results of failure analysis of chosen elements of diesel engines injection system. The analysis is based on the data collected in at the factory specializing in fuel injection system repairs. Identification of damages of injection equipment elements was carried out by verification of injection equipment components and interviewing users about the process of operation of vehicles and used fuel. The significant increase of number of failures in was observed. The dominant cause of filter failures was their blocking due to use of fuel additives in the form of low-quality rapeseed oil bio-esters. Failures of the injectors were caused mainly by fuel additive in the form of crude vegetable oil. The injection pumps were damaged mainly due to solid contaminations in fuel. Keywords: failure, wear, injection equipment, diesel engines, biofuel. 4478

7 BIBLIOGRAFIA 1. Cisek J., Mruk A., Szczypiński-Sala W.: Wpływ biopaliw (FAME) na właściwości eksploatacyjne rozpylaczy paliwa silnika z zapłonem samoczynnym. Mechanika z. 3-M/ Czechlowski M., Krysztofiak A., Adamski M., Antczak W., Wpływ stosowania oleju rzepakowego jako paliwa na trwałość aparatury wtryskowej silników ZS. Inżynieria Rolnicza. Nr 12 (87). s , Dzieniszewski G.: Wybrane problemy stosowania biopaliw do zasilania silników z zapłonem samoczynnym. Inżynieria Rolnicza 10(108)/ Goodrum J.W., Geller D.P., Influence of fatty acid metyl esters from hydroxylated vegetable oils on diesel fuel lubricity, Bioresource Technology 96, Ignaciuk P., Gil L., Komsta H., Porównanie osiągów silnika o zapłonie samoczynnym zasilanego olejem napędowym i biopaliwami opartymi na estrach oleju rzepakowego i estrach olej lnianki, Postępy Nauki i Techniki nr Ignaciuk P., Gil L., Walczak M.: Identyfikacja mechanizmu powstawania uszkodzeń aparatury wtryskowej silników o zapłonie samoczynnym. Postępy Nauki i Techniki. nr 12, Idzior M., Borowczyk T., Karpiuk W., Stobnicki P., Możliwość badania stanu technicznego nowoczesnych wtryskiwaczy silników o zapłonie samoczynnym, Artykuł str , Politechnika Poznańska Janków A., Garstecki L., Ekspertyza Urzędu Ochrony Konkurencji i Konsumentów, Jakość paliw, Warszawa Knefel T., Ocena techniczna wtryskiwaczy Common Rail na podstawie doświadczalnych badań przelewów, Eksploatacja i niezawodność. Vol. 14., No Mazanek A.: Ocena parametrów pracy aparatury wtryskowej typu Common Rail przy zasilaniu paliwami o różnej zawartości biokomponentu. Nafta Gaz 8/ Niewczas A., Ignaciuk P., Gil P.: Metoda oceny zużycia tribologicznego sekcji tłoczących pomp wtryskowych silników o zapłonie samoczynnym zasilanych biopaliwami. Problemy eksploatacji 2/ Raunmiagi Z., Weryfikacja przed naprawą rozpylaczy paliwowych, Akademia Morska w Szczecinie 2008r 13. Szlachta Z., Dudek S.: Zasilanie biopaliwami silników pojazdów rolniczych. Motrol Motoryzacja i Energetyka Rolnictwa 5/ Torres-Jimenez E., Dorado M.P, Kegl B.: Experimental investigation on injection characteristics of bioethanol-diesel fuel and bioethanol-biodiesel blends. Fuel, 2011, 90, pp Tys J., Piekarski W., Jackowska I., Kaczor A., Zając G., Starobrat P.: Technologiczne i ekonomiczne uwarunkowania produkcji biopaliwa z rzepaku. Acta Agrophysica. Lublin Tziourtzioumis D., Stamatelos A., : Effects of a 70% biodiesel blend on the fuel injection system operation during steady-state and transient performance of a common rail diesel engine. Energy Conversion and Management Wain K.S., Perez J.M., Chapman E., Boehman A.L., Alternative and low sulfur fuel options: boundary lubrication performance and potential problems, Tribology International 38,