Analiza możliwości wydłużenia resursu olejów silnikowych w pojazdach szynowych

Transkrypt

1 SÓJKA Michał 1 BUKOWSKI Paweł 2 Analiza możliwości wydłużenia resursu olejów silnikowych w pojazdach szynowych WPROWADZENIE W procesie eksploatacji w oleju zachodzą procesy fizykochemiczne powodujące zmiany własności smarnych oleju. Zmiany w środkach smarnych powstają na skutek współoddziaływania elementów układu i samych materiałów. Zmiany te mają charakter trwały, są odzwierciedleniem pojawiania się nowych własności nazywanych eksploatacyjnymi. Własności degradacyjne oleju decydują o jego przydatności w procesie użytkowania. Poprawne działanie węzłów tarcia w silniku takich jak: tuleja cylindra - tłok/pierścienie oraz łożyska ślizgowe - czop - panewka decyduje o sprawności technicznej silnika i jest uzależnione od jakości środków smarnych (olejów) oraz od ilości zanieczyszczeń generowanych w silniku przedostających się do oleju[6, s.268]. Specyfika zanieczyszczenia olejów silnikowych polega na ciągłym gromadzeniu się w nich zanieczyszczeń, ponieważ układy smarowania są układami o obiegu zamkniętym.. Intensywność zanieczyszczania oleju silnikowego zależy od takich czynników jak: stan techniczny i warunki eksploatacji silnika, rodzaj i stan układu filtracji, rodzaj stosowanego oleju i ilość dolewek, rodzaj używanego paliwa. Największy wpływ na jakość olejów silnikowych mają producenci silników ponieważ nowoczesne silniki są coraz bardziej wydajne, spełniające nowe normy ekologiczne oraz ostrzejsze wymagania jakościowe. Jednocześnie nie należy zapominać o wpływie zbioru parametrów jakościowych paliwa stosowanego do zasilania owych silników. Wraz z zaostrzeniem norm emisji spalin, widoczna jest wyraźna tendencja zmierzająca do znacznego zmniejszenia zawartości w olejach napędowych wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych i związków siarki, przy równoległym podniesieniu liczby cetanowej i obniżeniu temperatury wrzenia. Proponowane zmiany własności fizykochemicznych i składu olejów napędowych przyczyniają się do zmniejszenia emisji szkodliwych substancji zawartych w spalinach, obniżają także temperaturę blokady zimnego filtra co jest pozytywnym aspektem zmian. Z uwagi jednak na obniżenie zawartości związków siarki i węglowodorów aromatycznych w tych paliwach odnotowuje się wyraźny spadek smarności i własności przeciwzużyciowych [1, s. 59]. W artykule opisano możliwości wydłużenia resursu badanych olejów silnikowych w celu optymalizacji kosztów eksploatacji pojazdów szynowych stosowanych w regionalnym kolejowym transporcie pasażerskim. 1 CHARAKTERYSTYKA OBIEKTU I PRZEDMIOTU BADAŃ Badaniom poddano oleje silnikowe Shell Rimula R6ME 5W30, eksploatowane w pasażerskich pojazdach szynowych. Shell Rimula R6 ME 5w/30 to w pełni syntetyczny, paliwooszczędny olej silnikowy, przeznaczony do silników wysokoprężnych samochodów ciężarowych i autobusów. Olej ten przeznaczony jest do większości europejskich konstrukcji silników, wykorzystuje unikalną technologię w celu 1 WST Włocławek, Łęgska 20 Włocławek, Wydział Mechaniczny w Grudziądzu, ul. Hallera 32, ; michal.wojciech.sojka@gmail.com 2 PUH CORSAR, Laboratorium produktów smarowych, Bydgoszcz ul. Podmiejska 4, tel ; pawelbuk@poczta.onet.pl 14773

2 maksymalnego wydłużenia przebiegów pomiędzy wymianami przy jednoczesnym zapewnieniu trwałości silnika. W oleju zawarty jest pakiet dodatków niskotarciowych opracowany w celu zmniejszenia tarcia w węzłach tribologicznych, przy jednoczesnej minimalizacji zużycia paliwa. Olej ten spełnia wiele norm i specyfikacji: ACEA E4/E5/E7 MB Approval 228.5, MAN M 3277, Volvo VDS-3/VDS-2, RVI, RXD, Scania LDF, MTU Typ3, Cummins CES 20072/77, DAF HP1/HP2, Voith Retarder Oil Class B. W tabeli 1 przedstawiono główne parametry fizykochemiczne omawianego oleju. Tab. 1 Podstawowe parametry fizykochemiczne oleju Shell Rimula R6ME 5W30[dane producenta] Olej Shell Rimula R6ME 5W30 Metoda badań jednostka wartość parametru Klasa lepkości SAE 5W30 Lepkość kinematyczna w 100 C ASTM D 445 mm 2 /s 11,6 Lepkość kinematyczna w 40 C ASTM D 445 mm 2 /s 68 Wskaźnik lepkości ASTM D Lepkość dynamiczna w -30 C ASTM D 5293 mpa s 5940 Całkowita liczba zasadowa ASTM D 2896 mgkoh/g 16,4 Temperatura zapłonu COC ASTM D 92 C 210 Temperatura płynięcia min. ASTM D 97 C -39 Gęstość w temp. 15 C ASTM D 4052 kg/m Pozostałość po spopieleniu ASTM D 874 % 1,9 Przedmiotem badań są procesy zachodzące w olejach silnikowych w trakcie ich eksploatacji. Badaniami objęto silniki pojazdów szynowych. Pojazdy te to autobusy szynowe dwuczłonowe z silnikami spalinowymi Diesla instalowanymi po dwa silniki w każdym pojeździe, po jednym w każdym członie pojazdu. Opisane w badaniach silniki to nowoczesne sześciocylindrowe jednostki turbodoładowane, układ cylindrów rzędowy, leżący, pojemność skokowa 12,81 dm 3, moc maksymalna 390kW przy 1800obr./min. Układ zasilania składa się z układu sześciu pomp wysokiego ciśnienia i połączonych z nimi przewodami wysokociśnieniowymi wtryskiwaczami paliwa. Każdy cylinder zasilany jest układem pompa wtryskiwacz. Dawka paliwa w układzie, sterowana jest elektronicznie. Silniki posiadają pojemność układu smarowania wynoszącą 48 litrów. Jako paliwo stosowano standardowy olej napędowy lekki Ekodiesel produkowany przez PKN Orlen SA. 2 METODYKA BADAŃ OLEJÓW Próbki oleju pobierano bezpośrednio z miski olejowej silników pojazdów poprzez wlew oleju, za pomocą olejnicy połączonej z wężem elastomerowym, w możliwie krótkim czasie po zatrzymaniu silników pojazdu

3 W rozpatrywanym systemie transportu, według Dokumentacji Systemu Utrzymania, obowiązuje nakaz wymiany oleju silnikowego wraz z filtrami co każde 1000 motogodzin pracy silnika spalinowego. Do badań przyjęto oleje pochodzące z czterech silników zainstalowanych w dwóch pojazdach szynowych o zbliżonym potencjale eksploatacyjnym. Należy nadmienić, iż wszystkie silniki wyposażone były w układ oczyszczania spalin SCR (z wykorzystaniem technologii wtrysku roztworu wodnego mocznika do układu wydechowego silnika), co pozwala im spełniać normy emisji spalin wymagane Dyrektywą Unijną 2010/26/EU. Na potrzeby badań wydłużono resursy olejów do 1400 motogodzin. 3 WYNIKI BADAŃ Wyniki badań koncentracji produktów zużywania się węzłów tribologicznych i zmian wartości parametrów fizykochemicznych, w celu lepszego zobrazowania zmian wartości, przedstawiono w formie graficznej. Rys. 1 Zmiany koncentracji żelaza w oleju w zależności od ilości godzin pracy silników 14775

4 Rys. 2 Zmiany koncentracji miedzi w oleju w zależności od ilości godzin pracy silników Rys. 3 Zmiany koncentracji krzemu w oleju w zależności od ilości godzin pracy silników 14776

5 Rys. 4 Zmiany zawartości sadzy w oleju w zależności od ilości godzin pracy silników Rys. 5 Zmiany lepkości kinematycznej w 100 C w zależności od ilości godzin pracy silników 14777

6 Rys. 6 Zmiany Liczby Zasadowej w oleju w zależności od ilości godzin pracy silników 4 ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono zależność pomiędzy koncentracją dwóch pierwiastków metalicznych w badanych olejach, a czasem pracy silników od wymiany oleju. W badanych próbkach nie stwierdzono nagłej zmiany koncentracji pierwiastków metalicznych co może świadczyć o braku zjawiska przyspieszonego zużywania się węzłów trybologicznych na skutek występujących stanów niezdatności. Narastanie koncentracji żelaza zachodzi w sposób niemalże liniowy i osiąga maksymalną wartość 39 ppm. Producent silnika zaleca, aby wartość ta nie przekroczyła 70 ppm. Również koncentracja miedzi pozostaje na akceptowalnym poziomie i finalnie, po przebiegu 1400 motogodzin pracy silników, osiąga wartość zaledwie 20 ppm. Powyższe wyniki udowadniają, że właściwości przeciwzużyciowe oleju pozostają wciąż na wysokim poziomie. Na rysunku 3 przedstawiono zmiany koncentracji krzemu w zależności od czasu pracy silników. Powolny przyrost zawartości Si świadczy o prawidłowej kondycji układu filtrującego powietrze zasysane przez silnik, a także o szczelności układu olejenia i przewietrzania skrzyni korbowej silników. Rysunek 4 przedstawia zmiany zawartości sadzy w badanych olejach. Według różnych źródeł obecność sadzy w oleju może powodować polepszenie właściwości smarnych z uwagi na obecność grafitu koloidalnego lub też powodować ich pogorszenie [8, s.278]. Analizując stosunkowo niską koncentrację pierwiastków świadczących bezpośrednio o zużywaniu się węzłów trybologicznych należy przyjąć, że w oleju silnikowym właściwości smarne mogą ulegać poprawie na skutek obecności sadzy, przy jednoczesnym utrzymywaniu się prawidłowych zdolności dyspergująco myjących oleju. Rysunek 5 obrazuje zmiany lepkości kinematycznej badanych olejów w zależności od czasu pracy silników pojazdów, od ostatniej wymiany oleju. Wraz ze wzrastającym przebiegiem, lepkość wykazywała zmienność w nieznacznym zakresie by ostatecznie ustabilizować się na poziomie wyjściowym. Należy nadmienić, iż producent silnika zaleca, aby lepkość kinematyczna oleju mierzona w 100 C mieściła się w przedziale 10,5 19 mm²/s

7 Utrzymujący się wysoki poziom (pow. 16,2 mg KOH/g) rezerwy alkalicznej świadczy o ciągłej zdolności zobojętniania kwaśnych produktów przedostających się do oleju silnikowego w procesie spalania mieszanki paliwowo powietrznej. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Przeprowadzenie badań jakościowych zmian degradacyjnych olejów silnikowych stosowanych w autobusach eksploatowanych w systemie transportu, jakim są Regionalne Linie Kolejowe pozwoliło na wysunięcie następujących wniosków dotyczących możliwości i bezpieczeństwa wydłużenia resursów olejów silnikowych: 1. Zaobserwowano ścisły związek między zmianami własności fizykochemicznych badanych olejów, a przebiegiem pojazdów. Dowiedziono, na podstawie otrzymanych wyników badań, że podstawowe właściwości fizykochemiczne, nawet przy niskim poziomie dolewek, nie ulegają zmianie w stopniu wskazującym na konieczność wymiany oleju w silnikach. 2. Wyniki badań potwierdzają celowość zwiększania resursów oleju nawet o 50% w silnikach pojazdów. Udowodniono, że eksploatując olej odpowiedniej jakości, można bezpiecznie zwiększyć jego resurs. 3. Koncentracja produktów zużycia gromadzących się w oleju jest nośnikiem informacji diagnostycznych. 4. Systematyczne sprawdzanie wartości najważniejszych parametrów wyznaczających stan zdatności oleju umożliwia wyznaczenie stanów granicznych, przy których olej przestaje spełniać swoją funkcję w silniku spalinowym. 5. Przedłużenie okresów między wymianami oleju silnikowego umożliwia w sposób znaczący obniżenie kosztów eksploatacji obiektów technicznych jakimi są pojazdy szynowe. 6. Z uwagi na potencjalne skutki awarii silnika oraz koszty ich usuwania, eksploatatorzy pojazdów szynowych, będący niejednokrotnie też i ich właścicielami, niechętnie podejmują ryzyko zgody prowadzenia badań nad wydłużeniem resursu oleju silnikowego prowadzonych nie w warunkach laboratoryjnych, lecz z wykorzystaniem pojazdów wykonujących zadania przewozowe w systemach transportu. Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki badań eksploatacyjnych olejów silnikowych stosowanych w systemie transportu, jakim są Regionalne Linie Kolejowe. Na podstawie przeprowadzonych badań, określono charakter procesów starzenia się oleju silnikowego oraz wpływ warunków eksploatacji na chwilowy stan głównych parametrów określających zdatność oleju silnikowego. Wykazano, że w systemach transportu, brakuje wygodnych i wiarygodnych metod diagnozowania i kontroli stanu oleju silnikowego w trakcie eksploatacji, a w okresie trwania gwarancji na zespoły napędowe pojazdów szynowych, jedynym kryterium decyzyjnym, jest resurs oleju silnikowego narzucony przez producenta. Niniejsza praca stanowi wstęp do podjęcia próby wydłużenia resursu olejów, wraz z próbą udowodnienia producentom zespołów napędowych, zasadności optymalizacji kosztów związanych z utrzymaniem pojazdów. Analysis of the possibility of service life expanding in the motor oils which are used in railway vehicles Abstract The article presents the results of field tests of Diesel engine oils used in the transport system, which are the Regional Railways. Based on the oil investigation results, specifying the nature of the aging process and the influence of engine oil operating conditions for a the major factors in determining the further usefulness of motor oil. It has been shown that in transport systems, there is a lack of convenient and reliable methods engine oil diagnosis during operation. The only criterion for decision-making is the oil change interval imposed by the engine manufacturer. This article is an introduction to attempt to extend the service life of oils, along with trying to prove drive systems manufacturers reasonableness of attempts of reducing the cost associated with maintaining rail vehicles

8 LITERATURA 1. Oleksiak S. Łukasik, Z.: Nowoczesne układy wtrysku paliwa w silnikach Diesla i ich wpływ na jakość paliw i dodatków detergentowo-dyspergujących, Nafta-GAZ 65 nr 1, Kraków 2009, s Droździe P., Ignaciuk P.: Ocena zmian własności oleju silnikowego w trakcie badań stanowiskowych rozruchów silnika spalinowego, Tribologia, Teoria i praktyka nr 2/ Grądkowski M, Szczerek M.: Diagnostyka stanów oleju eksploatowanego, Współczesne problemy klasyfikacji, certyfikacji i eksploatacji olejów silnikowych, Konf. MTP MOTORYZACJA 98, Poznań Kosicki J., Leszek W.: O racjonalnym okresie wymiany oleju w wysokoprężnych silnikach autobusów, Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej: Maszyny Robocze i Pojazdy Nr 25 Poznań Laber S., Laber A., Cedro K.: Badania w zakresie nowej technologii wymiany oleju w silnikach spalinowych, Problemy Maszyn Roboczych. Zeszyt 15. ITE, Radom Maciąg A., Olszewski W. Zwierzycki W.: Współczesne oleje silnikowe do pojazdów użytkowych, Silniki Spalinowe, 2007-SC1, pp , International Congress on Combustion Engines PTNSS-Kongres Mruk A.: Wpływ obecności sadzy w oleju silnikowym na jego własności tribologiczne, Czasopismo techniczne M, wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, z.-7m/2008, s