Tworzenie bazy danych dla akustycznej metody diagnozowania stanu układu wtryskowego silników z systemem Common Rail

Transkrypt

1 OLSZOWSKI Sławomir 1 MARCZAK Miłosz 2 OLSZOWSKI Tomasz 3 Tworzenie bazy danych dla akustycznej metody diagnozowania stanu układu wtryskowego silników z systemem Common Rail WSTĘP Coraz częściej są stosowane metody bezinwazyjnej diagnostyki układów wtryskowych silników o zapłonie samoczynnym z systemem Common Rail [1-18]. Brakuje natomiast bazy danych lub inaczej bazy odniesienia zawierającej deskryptory jakości i akustogramy w różnych stanach technicznych komponentów układu. Dzięki nim będzie możliwe porównanie wyników badań rzeczywistych podczas diagnozy do wyników zamieszczonych w bazie danych i wyciągnięcie wniosków. Prace badawcze w opisanym wyżej obszarze potrzeb są realizowane w ramach Priorytetu I Tworzenie warunków dla rozwoju potencjału innowacyjnego i przedsiębiorczości na Mazowszu Działanie 1.2 Budowa sieci współpracy nauka i gospodarka, "Prace badawcze i wdrożeniowe w firmie BETiS." W IPPT PAN dr hab. Z. Ranachowski w 2004 roku opracował zestaw do badania emisji akustycznej maszyn i urządzeń składający się z sensora B & K typu 4371V, wzmacniacza pasmowo przepustowego o zasilaniu sieciowo bateryjnym, karty przetwornika A/D do komputera z interface USB (Soundblaster 24 bit Live) oraz oprogramowania do dekompozycji czasowo częstotliwościowej rejestrowanego sygnału. W 2005r. w ramach realizacji projektu celowego nr ROW-II , Nowa bezinwazyjna metoda diagnozowania stanu wtryskiwaczy zasilanych promieniowymi rozdzielaczowymi pompami wtryskowymi wspólnie z Zb. Ranachowskim zaadoptowano metodę do diagnozowania silników diesla i opracowano nowy zestaw pomiarowy oznaczony RMOG 4-1 od pierwszych liter nazwisk jego twórców. Obecnie funkcjonuje kolejna wersja zestawu diagnostycznego RMOG-3 ze znacznie uproszczoną obsługą oraz zapisem w postaci zbiorów tekstowych umożliwiający łatwy transfer danych w terenie poprzez internet nawet w sytuacji niskiego transferu sieci. 1 ANALIZA POTRZEB Największą awaryjnością spośród elementów układu paliwowego charakteryzują się wtryskiwacze (ponad 55%). Niezdatność wtryskiwaczy spowodowana jest głównie: zużyciem korozyjnym, erozją i erozją kawitacyjną, zużyciem tribologicznym, zanieczyszczeniami w paliwie oraz samą jakością paliwa występującego na polskim rynku. Wtryskiwacze są elementami skomplikowanymi technicznie. Wymagają wysokiej dokładności montażu oraz stosowania par precyzyjnych, w których np. odchyłka kształtu iglicy i korpusu rozpylacza nie może przekraczać 0,001 mm (Bosch). 1 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki; Radom; ul. Malczewskiego 29. Tel: , s.olszowski@uthrad.pl, BETIS ul. Mireckiego 12/8 2 Biuro Ekspertyz Technicznych i Szkoleń; ul. Mireckiego 12/8, Radom, m.marczak@ekspertyzy-wzkolenia.pl 3 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki; Radom; ul. Malczewskiego 29. Tel: , t.olszowski@uthrad.pl 4 RMOG- Ranachowski Zbigniew, Marczak Miłosz, Olszowski Sławomir, Guzik Jan 8112

2 A B C D Rys.1 Zestawienie komponentów wtryskiwaczy: A i C: firmy BOSCH, B i D: firmy DENSO Jak zaprezentowano na rysunku nr 1, wtryskiwacze CR składają się z wielu komponentów i każdy z nich ma bezpośredni lub pośredni wpływ na właściwą pracę silnika. Na rysunku 2, zaprezentowano wybrane uszkodzenia wtryskiwaczy CR, które powodują niezdatność do pracy środka transportu, a nawet mogą doprowadzić do uszkodzenia silnika. A B C D E F Rys. 2. Typowe uszkodzenia wtryskiwaczy CR. A korozja złącza elektrycznego, B, C zanieczyszczone paliwo, D opiłki, E erozyjne uszkodzenie gniazda zaworu sterującego, F uszkodzenie ze względu na niską jakość paliwa Bez względu na sposób i rodzaj uszkodzenia wtryskiwacza, bezinwazyjna metoda diagnozowania RMOG, umożliwia diagnozowanie ich widma skutków w czasie, gdy jest on zabudowany jeszcze na silniku. Jest więc odpowiedzią na zapotrzebowanie rynku usług diagnostycznych. Jest to bowiem metoda analizująca widmo wynikowe poprawnej bądź złej pracy aparatury wtryskowej. Bez względu na sposób i rodzaj uszkodzenia wtryskiwacza, widmo skutków jest wynikiem jakości pracy poszczególnych komponentów układu wtryskowego CR. Prowadzona w ten sposób identyfikacja stanu pojedynczego wtryskiwacza umożliwia ograniczenie prac serwisowych wyłącznie do elementu uszkodzonego lub może posłużyć do identyfikacji cylindra na którym dochodzi do nieprawidłowej pracy. 8113

3 2 BADANIE Pomimo częstego występowania uszkodzeń wtryskiwaczy stan, w którym diagnozuje się precyzyjnie jego uszkodzenie po demontażu jest bardzo trudne. W praktyce podczas badań, pomimo uzyskania wyniku i stwierdzenia uszkodzenia wtryskiwaczy, klienci bardzo często rezygnowali z ich naprawy i przywozili inne używane wtryskiwacze. Dlatego nie zawsze była możliwość rozebrania wtryskiwacza i zbadania przyczyny występowania określonego widma skutków. W pracy przedstawiono ciekawy wynik badania emisji akustycznej układu wysokiego ciśnienia silnika 2,0 TDI koncernu Audi, którego objaw nieprawidłowej pracy występował w określonych warunkach. Jest ono na tyle interesujące, że w porównaniu do wyników zaprezentowanych we wcześniejszych publikacjach, zmiany dotyczyły rozmycia widma dla określonej bramki zdarzeń w czasie. Podstawowe dane badanego samochodu przedstawiono w tabeli nr 1 i 2. Tab. 1. Informacja o badanym samochodzie Typ Układ Rok Stan licznika wg Marka Model silnika paliwowy produkcji drogomierza [km] Audi A4 2.0 TDI CR Tab. 2. Dane identyfikujące samochód [AUTODATA] Lp. Identyfikacja samochodu 1 Typ samochodu A4/quatro/allroad 2 Typ silnika 2,0 TDI CR 3 Rok występowania modelu Silnik kod CAGA 5 Liczba cylindrów typ 4/DOHC 6 Pojemność skokowa ccm Moc silnika kw (DIN KM) 1/min 105 (143) Stopień sprężania :1 16,5 9 Układ paliwowy producent Bosch 10 Pomiar przepływu powietrza typ Masa powietrza 11 Kolejność wtrysku paliwa Samochód na zimno pracował poprawnie, po rozgrzaniu pojawiała się niestabilna znacznie głośniejsza praca. Można było zatem zarejestrować widmo akustyczne poprawne oraz widmo akustyczne (po rozgrzaniu silnika), które powinno wskazywać jakąś różnicę (nieprawidłowość). Rys. 2. Miejsce i sposób mocowania akcelerometru 8114

4 Rys. 3. Dobór płaszczyzny cięcia w paśmie częstotliwości. 8115

5 a) b) c) Rys. 4. Widmo skutków: a) silnika zimnego, b) w 10 minucie pracy c) po 19 minutach pracy Zaprezentowane uszkodzenie na rys. 4 nie było diagnozowalne podstawowymi metodami. Wymontowane i badane wtryskiwacze na próbniku ciśnienia DS2 nie wykazywały żadnego uszkodzenia. Badanie inwazyjne mogłoby wykazać uszkodzenie, gdyby było prowadzone na stołach probierczych np. EPS 708 czy też EPS815 przy temperaturze płynu kalibracyjnego 40 ± 2 0. Niestety ilość profesjonalnych stołów probierczych jest zbyt mała. Jest to spowodowane ich wysoką ceną zakupu, która kształtuje się z wyposażeniem w zakresie od 700 tys. zł (EPS708) do 1 mln zł (EPS815). Uszkodzenie było rejestrowane dopiero na rozgrzanych wtryskiwaczach i to w określonych warunkach pracy silnika. Na podstawie zarejestrowanego widma można było ustalić, który z badanych wtryskiwaczy jest uszkodzony. W miarę nagrzewania się silnika widmo akustyczne na tym cylindrze ulegało rozmyciu i rozciągnięciu w czasie. Wskazywało to jednoznacznie na brak stabilności pracy tego wtryskiwacza, a tym samym jego uszkodzenie. Zmniejszono wzmocnienie rejestrowanego sygnału tak aby wydobyć szczegóły zarejestrowanego "rozmycia". Problem wyżej opisany szczególnie dotyczy samochodów z piezoelektrycznymi wtryskiwaczami firmy SIMENS, które pod wpływem wzrostu temperatury nie wtryskują paliwa. Aby zaprezentowana wyżej diagnostyka wtryskiwaczy była możliwa bez ich demontażu z silnika konieczne jest posiadanie bazy odniesienia z nagranymi sygnałami poprawnie pracujących silników oraz określenie na jakim poziomie można oczekiwać zmian związanych z ich eksploatacją. W ramach prowadzonych prac badawczych w firmie BETiS przebadano 64 samochody osobowe (4-cylindrowe, 5-cio i 6-cio cylindrowe - 2 rzędowe). Do przeprowadzenia walidacji i testowania wypracowanych rozwiązań wykorzystano wyniki badań takich samych silników, w samochodach tego samego typu ale w różnym stanie technicznym i o różnych przebiegach (8 par, 5 tripletów i jeden quartet). Na rysunku 6 pokazano przebiegi sygnału i tła uzyskanych dla czterech identycznych silników o różnym przebiegu i stanie technicznym (Audi A6 3.0 TDI). Z uwagi na fakt, iż rejestracja każdego widma jest asynchroniczna, konieczne było określenie na każdym akustogramie "momentu" w czasie, dla którego zostanie wykonany rozkład widmowy częstotliwości sygnału oraz miejsca, dla którego zostanie wykonany rozkład widmowy częstotliwości tła (Rysunek 5). 8116

6 93 [ms] pomiar tła 95 [ms] Rys. 5. Widmo wynikowe skutków. Określenie "momentu" w czasie, dla którego wykonano rozkład widmowy częstotliwości dla pracującego wtryskiwacza oraz dla sygnału tła 2.1 Analiza widma skutków Widma zostały nałożone na siebie, w taki sposób aby można było odnosić bezpośrednio uzyskane wartości względem wartości częstotliwości i wartości sygnału skutecznego. [ms] Rys. 6. Przebiegi sygnału i tła uzyskane dla czterech identycznych silników o różnym przebiegu i stanie technicznym. (Audi A6 3.0 TDI). Tab. 2. Dane techniczno-eksploatacyjne badanych pojazdów: Pojazd Rok produkcji Przebieg [km] Audi (1) Audi (2) Audi (3) Audi (4) Jak można zaobserwować na rysunku 6 zmiany są niewielkie. Podobnie zachowywały się pary i zestawy układu wtryskowego po 3 silniki. Można zatem przyjąć, że zarejestrowane akustogramy przebiegu pracy dla 48 różnych najpopularniejszych marek samochodów i stosowanych w nich rozwiązań konstrukcyjnych mogą stanowić bazę odniesienia (rys. 6) w danej grupie technicznej. 8117

7 Dotychczasowa procedura rejestrowania i późniejszego opracowania widm akustycznych jest skuteczna i umożliwia dodawanie do bazy danych kolejnych pomiarów. Konieczne jest prowadzenie dalszych badań, szczególnie w obszarze uszkodzeń układów Common Rail tak aby można było opracować "atlas" widmowy usterek i wyznaczyć deskryptory, które zaimplementowane w programie do przetwarzania danych umożliwiałyby diagnoście uzyskiwanie kryterialnych informacji o stanie badanego układu. Wprowadzenie bazy danych i szczegółowe opracowanie: a) rozkładu amplitudy dla poszczególnych częstotliwości b) rozkładu widmowego częstotliwości pracujących wtryskiwaczy umożliwia bezpośrednie porównanie akustogramów uzyskanych podczas pracy z uszkodzonymi układami wtryskowymi a sprawnymi zestawionymi w bazie danych. WNIOSKI 1. Osiągnięto cel pracy - uzyskano narzędzie diagnostyczne, oparte na bazie danych, umożliwiające diagnozowanie w oparciu tylko o jeden pomiar na badanym samochodzie 2. Opracowano kryteria pomiarowe oraz sposób opracowania akustogramów, umożliwiające uzupełnianie bazy danych o nowy rodzaj silnika 3. Wykazano w badaniach, że widmo wynikowe skutków pracy wtryskiwaczy piezoelektrycznych firmy Bosch zasadniczo różni się pasmem częstotliwości poprawnej pracy w stosunku do wtryskiwaczy elektromagnetycznych Streszczenie Powszechnie wiadomo, że diagnozowanie pojazdów metodami inwazyjnymi wymaga dużego nakładu czasu co w dobie gospodarki rynkowej bezpośrednio przekłada się na efektywność pracy przedsiębiorstw. Każda nowa metoda diagnozowania pozwalająca na wcześniejsze zwolnienie stanowiska serwisowego i dająca możliwość przyjęcia do naprawy kolejnego pojazdu jest cennym elementem wdrażania opracowanych innowacji technologicznych mających wpływ na innowacje procesowe wewnątrz przedsiębiorstwa. Możliwość wprowadzenia nowej bezinwazyjnej metody diagnozowania, skracającej czas diagnozy, ma wpływ na zwiększenie ilości obsługiwanych samochodów przez przedsiębiorcę, a tym samym na wielkość rynku zbytu na części i akcesoria samochodowe. W ten sposób w możliwie prosty sposób można poprawić wyniki finansowe każdego przedsiębiorstwa zajmującego się procesami diagnozy i naprawy maszyn i urządzeń. W pracy zaprezentowano nowe wyniki badań dotyczące uszkodzeń wtryskiwaczy układu CR, ze względu na zmianę temperatury ich pracy. Zaprezentowano również wyniki badań przebiegu sygnału EA i jego tła dla silników 3,0 TDI CR o różnym przebiegu eksploatacyjnym i w różnym stanie technicznym. Create a database for acoustic diagnostics methods of the condition of injection system in engines with Common Rail System Abstract It is generally known that cars diagnostics with the use of invasive methods is extremely time consuming which directly influences efficiency of corporations. Any new method which is more efficient, less time consuming, allowing mechanics to diagnose a greater number of cars is really valued element in initiating these new innovative methods into corporations. The possibility of introducing a new non-invasive diagnostic method, reducing time of a diagnosis, has a great influence on the number of cars serviced by a corporation and on the expansion of the market area as far as car elements and accessories are concerned. It is a very easy way to raise income of any corporation being in vehicles diagnostics and service. This paper/article describes new results of the research dealing with damages of the injector system CR being the results of the temperature change of its work. The research results of a signal EA in 3,0 TDI CR with a different exploitation mileage and in a different technical condition are presented as well. BIBLIOGRAFIA 1. Bejger A: The possibilities of diagnosing common-rail injection systems of marine diesel engines Journal of Polish CIMAC 6, 15-22,

8 2. Bejger A: Analiza pasm częstotliwości sygnału emisji akustycznej zależnych od zjawisk zachodzących we wtryskiwaczu, Zeszyty Naukowe/Akademia Morska w Szczecinie, 5-8, Guzik J., Olszowski S., Marczak M., Ranachowski Z., Wojtyniak M.: Raport końcowy z realizacji projektu celowego nr ROW-II , Nowa bezinwazyjna metoda diagnozowania stanu wtryskiwaczy zasilanych promieniowymi rozdzielaczowymi pompami wtryskowymi. NOT Warszawa, LOGIS Radom Guzik J., Olszowski S., Marczak M, Ranachowski Z., Wojtyniak J.: Investigation of acoustic emission signal generated in the friction pair lubricated width oils containing various lubricity additives. Engineering transactions, 54, 2, , Olszowski S., Marczak M., Guzik J., Ranachowski Z., Bejger A.: Portable system for fault diagnostics of the fuel injectors of medium power maritime diesel engine with application of acoustic signal. PSAE SCIENCE AND TECHNOLOGY PUBLICATION. The Archives of Automotive Engineering nr Olszowski S., Marczak M., Guzik J., Ranachowski Z., Bejger A.: Diagnostic of the fuel injectors of medium speed diesel engine with application of acoustic signal. Transport. IX konferencja,,komputerowe systemy wspomagania nauki, przemysłu i transportu TRANSCOMP Str Olszowski S.: Nowe metody diagnostyczne. Silniki wysokoprężne z bezpośrednim wtryskiem oleju napędowego ze sterowaniem EDC. Akademia Techniki Samochodowej Autodistribution International. AD Polska, IV Marczak M.: Walidacja bezinwazyjnej metody diagnozowania stanu wtryskiwaczy silników z bezpośrednim wtryskiem oleju napędowego. Transport. IX konferencja,,komputerowe systemy wspomagania nauki, przemysłu i transportu TRANSCOMP Mazuruk P.: Diagnostyka zasobnikowych układów paliwowych na podstawie fazowości procesu wtrysku, Praca Doktorska, Szczecin Olszowski S. Układ bezpośredniego wtrysku oleju napędowego Common Rail. Materiały szkoleniowe. Biuro Ekspertyz Technicznych i Szkoleń, Radom Olszowski S. Diagnostyka układów wtryskowych z bezpośrednim wtryskiem paliwa w silnikach wysokoprężnych. Transport XXI wieku. Politechnika Warszawska Tom II, str Olszowski S. Problemy diagnostyczne silników wysokoprężnych ze sterowaniem elektronicznym. IV Konferencja Naukowo-Techniczna. LogiTrans. Szczyrk, kwiecień Prace naukowe Transport Nr 1/25/ Olszowski S., Marczak M.: Acoustic Emission As The Best Way In Making Diagnosis Of The Diesel Engines. Materiały XI Międzynarodowej Konferencji Komputerowe Systemy Wspomagania Nauki, Przemysłu i Transportu,2007, Politechnika Radomska, TransComp, vol. 2, str Olszowski S., Guzik J., Marczak M, Ranachowski Z.: Akcelerometryczne badanie emisji akustycznej układu bezpośredniego wtrysku oleju napędowego przed i po czyszczeniu wtryskiwaczy bez ich demontażu X Międzynarodowa Konferencja Komputerowe Systemy Wspomagania Nauki, Przemysłu i Transportu TransComp. Zakopane Olszowski S.: Badanie skuteczności regeneracji wtryskiwaczy silników z bezpośrednim wtryskiem oleju napędowego za pomocą nowej bezinwazyjnej metody diagnozowania z wykorzystaniem emisji akustycznej etap 1. Sprawozdanie z prowizorium nr 2463/46/P. Politechnika Radomska. Styczeń Olszowski S. Innowacyjna technika diagnozowania wtryskiwaczy Common Rail. Czasopismo Logistyka nr 2/2008, Poznań Ranachowski Z., Parkitna M.: Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, materiały własne. Dźwięki w diagnostyce uszkodzeń w silnikach Ranachowski Z.: Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, materiały własne Aparatura do akustycznej diagnostyki układów wtryskowych