ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 4(100)/2014

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 4(100)/2014 Stanisław W. Kruczyński 1, Bogdan Chrupek 2 NIEDOMAGANIA APARATURY PALIWOWEJ COMMON RAIL WSPÓŁCZESNYCH SILNIKÓW O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM l. Wstęp Tłokowe silniki spalinowe ZS były i nadal są podstawowym źródłem napędu samochodów użytkowych i maszyn budowlanych. W ostatnich latach konstrukcja tych silników uległa znacznym zmianom, głównie w zakresie układów zasilania paliwem i układów oczyszczania spalin. Najważniejszym czynnikiem determinującym ich ciągły rozwój jest ograniczenie emisji substancji toksycznych, hałasu, oraz obniżenie poziomu zużycia paliwa [3,4]. Aktualnie większość światowych producentów samochodów osobowych, pojazdów użytkowych, oraz mobilnych maszyn budowlanych posiada w swojej ofercie jednostki napędzane silnikami ZS nowej konstrukcji, wyposażonymi w układy bezpośredniego wtrysku paliwa typu Common Rail. Dominującą rolę odgrywają tu silniki turbodoładowane z chłodnicą powietrza doładowywanego, oraz układem recyrkulacji spalin EGR. Silniki te pomimo wielu niewątpliwie licznych zalet posiadają cechę niekorzystną, z punktu widzenia eksploatacji, jaką jest podatność na uszkodzenia precyzyjnej aparatury paliwowej spowodowana głównie nieodpowiednią jakością stosowanego paliwa [10]. 2. Rodzaje uszkodzeń aparatury wtryskowej CR i przyczyny ich powstawania 2.1. Pompa wysokiego ciśnienia Bardzo częstym uszkodzeniem pompy firmy Bosch typu CP1 są wykruszenia oraz pęknięcia elementów koszyczka i płytki współpracujących z krzywką i popychaczem sekcji tłoczących. Analiza uszkodzeń wskazuje, iż prawdopodobna przyczyna takiego stanu tkwi w wadliwej konstrukcji zespołów tłoczących, które w warunkach znamionowej prędkości obrotowej podlegają znacznym przeciążeniom w strefie popychacza, co może spowodować przytarcie, wykruszenie i wyłamanie wymienionych wcześniej elementów [6]. Fragmenty ścieranego metalu w układzie zasilania doprowadzają do przyspieszonego zużycia wierzchnich warstw współpracujących ze sobą elementów. Inne awarie pompy wysokiego ciśnienia to zacieranie zaworka dopływu paliwa do pompy, spowodowane stosowaniem paliwa o zmniejszonych właściwościach smarnych lub pogorszonej sprawności filtra dokładnego oczyszczania. Stan taki doprowadza do wadliwego zasilania pompy wysokiego ciśnienia i w konsekwencji do jej uszkodzenia, bądź zniszczenia. Bardzo często zdarzają się również wybicia wałka krzywkowego pompy w uchwycie sprzęgiełka przenoszącego napęd, co podczas pracy objawia się biciem i wycieraniem tarczy sprzęgiełka (rys. 1 ). Dość liczną grupę uszkodzeń tej pompy stanowią porysowania i wytarcia powierzchni zaworków sterujących, spowodowane najczęściej zbyt niskim ciśnieniem paliwa w układzie lub jego brakiem (rys. 2 ) [5]. 1 Prof. zw. dr hab. inż. Stanisław W. Kruczyński Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska, skruczyn@simr.pw.edu.pl 2 mgr inż. Bogdan Chrupek Instytut Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego, b.chrupek@imbigs.pl 113

2 Wybicie Wytarcie Rys. 1. Wybicie wałka krzywkowego pompy w uchwycie sprzęgiełka, oraz rysy i wytarcia pod mocowaniem pierścienia uszczelniającego [5] Częste usterki tych pomp to wycieki paliwa spod pokryw powodowane uszkodzeniami pierścieni uszczelniających lub mikropęknięciami pokryw. W wyniku zanieczyszczeń stałych zawartych w paliwie może dochodzić również do erozyjnego zniekształcenia kulki i gniazda zaworu tłoczącego pompy, oraz utraty szczelności skojarzenia. Ciało obce metaliczne wprowadzone do układu wraz z paliwem bądź wywiązane w wyniku ścierania przedostaje się do przestrzeni roboczej tłoczka, doprowadzając w przyspieszony sposób do zniszczenia powierzchni par precyzyjnych (rys.3). Objawy zewnętrzne takiego charakteru pracy pompy to spadek jej wydatku, zbyt hałaśliwa praca, bądź całkowite zatrzymanie pracy pompy. Wytarcie Rys. 2. Uszkodzenia powierzchni zaworków sterujących [5] 114

3 Porysowania Rys. 3. Porysowania powierzchni tłoczka sekcji roboczej pompy CP1[5] Z kolei w pompach CP3 firmy Bosch zmieniono system prowadzenia tłoczka na osiowy, eliminując tym samym newralgiczne miejsce odpowiedzialne za proces przyśpieszonego zużycia aparatury. Takie rozwiązanie konstrukcyjne sprawiło, że do uszkodzeń pompy dochodzi zdecydowanie rzadziej niż w przypadku pompy CP1. Typowym mankamentem pomp CP3 jest zacieranie elektrozaworu dozowania paliwa, który na skutek stosowania paliwa niskiej jakości wykazuje skłonności do tworzenia warstewek korozyjnych [6]. Wydzielające się na jego powierzchni produkty korozji oraz inne osady doprowadzają do utrudnionego ruchu elektrozaworu lub do całkowitego zatarcia, a także do powstawania korozji wewnątrz korpusu pompy (rys. 4 ). Niesprawny zawór może spowodować wzrost przelewów, podwyższenie temperatury paliwa, oraz spadek ciśnienia paliwa w zasobniku i zwiększone zużycie paliwa przez silnik, głównie w zakresie pracy silnika ze zwiększonym obciążeniem i prędkością obrotową. Podkreślić należy, iż produkty zużycia wierzchniej warstwy tego zaworu (drobinki metalu) nadal będą krążyć w układzie paliwowym, co stanowić będzie duże zagrożenie dla par precyzyjnych tłoczka i cylinderka wewnątrz pompy jak i precyzyjnych elementów wtryskiwaczy (iglicy i korpusu), oraz kulowych zaworów sterujących. 115

4 Korozja Korozja Rys. 4. Zużycie korozyjne powierzchni elektrozaworu dozującego i korpusu wewnątrz pompy CP3 [5,6] W pompach firmy SIEMENS niezbyt dobrym rozwiązaniem okazało się zastosowanie w układzie niskiego ciśnienia łopatkowej pompy zasilającej, która w wyniku długotrwałej pracy traci zdolność podawania określonej ilości paliwa. Wynika to z jej konstrukcji, gdzie łopatki wysuwają się z wirnika pod wpływem działania siły odśrodkowej, która po dłuższym okresie eksploatacji staje się niewystarczająca by doprowadzić do ich pełnego wysunięcia. Główna przyczyna takiego stanu to osady w paliwie i zanieczyszczenia stałe. Ten defekt może doprowadzić do spadku ciśnienia paliwa w układzie, pogorszenia warunków smarowania i w konsekwencji do zatarcia par precyzyjnych tłoczka i cylinderka, oraz krzywki napędowej (rys. 5), mogą wystąpić również uszkodzenia wewnątrz korpusu pompy (rys. 6 ). Zatarcie Rys.5. Uszkodzona tuleja krzywki pompy Siemens z widocznymi śladami zatarcia [5] 116

5 Rys. 6. Uszkodzenie korpusu pompy Siemens w postaci licznych wykruszeń wewnętrznych [5] W pompach wysokiego ciśnienia firmy Delphi najczęściej awarii ulega para typu: krzywka na wałku pompy, oraz rolki popychacza [5]. W wyniku długotrwałej pracy na paliwie o obniżonych właściwościach smarnych następuje pogorszenie warunków pracy w/w pary, nadmierny wzrost temperatury styku i powstają defekty (zatarcia) warstwy wierzchniej tych elementów (rys.7). Uszkodzenia objawiają się spadkiem zdolności tłoczenia paliwa przez pompę, niemniej jednak sterownik silnika kompensuje te braki (oczywiście w ograniczonym zakresie) i praca silnika jest nadal możliwa. Jednak istniejący stan uszkodzenia sprawia, że proces zużycia ściernego narasta, wprowadzając do układu coraz większą ilość drobinek metalu stanowiących zagrożenie dla współpracy par precyzyjnych pompy i wtryskiwaczy. W pompach firmy Denso, przedstawiony powyżej stan pracy bardzo często doprowadza do awarii w postaci zatarcia sekcji tłoczących paliwo, a nawet ich urwania (rys. 8) [5]. 117

6 Zatarcie Rys. 7. Zużyte-zatarte rolki popychacza pompy wysokiego ciśnienia firmy Delphi.[6] Ułamanie Rys. 8. Uszkodzenie w postaci urwanych i zatartych sekcji tłoczących paliwo w dwusekcyjnej pompie wysokiego ciśnienia firmy Denso [5] 2.2. Wtryskiwacze elektromagnetyczne Praktyka warsztatowa potwierdza, iż uszkodzeniem, które najczęściej się objawia we wtryskiwaczach firmy Bosch jest erozyjne, oraz erozyjno-kawitacyjne niszczenie kulki i gniazda zaworu, przepływającym zanieczyszczonym paliwem [1,2,7,8]. W wyniku takiego procesu kulka traci swój właściwy pierwotny wymiar i kształt, co powoduje zmiany ciśnienia w komorze sterującej wtryskiwacza, a to z kolei sprawia, że 118

7 unoszenie iglicy odbywa się w innym momencie niż to było pierwotnie przewidziane, w związku z tym znaczna część paliwa trafia do przelewu. Porysowania Rys. 9. Rysy w gnieździe kulki zaworka sterującego [5] W wyniku tej usterki wtryskiwacz podaje paliwo do cylinderka w zmienionych dawkach, a podział ich na precyzyjne porcje staje się niemożliwy. Defekty te powodują nierównomierność prędkości obrotowej silnika i spadek jego mocy. Kulka zaworu o częściowo zmienionym kształcie i wymiarach oddziałuje na gniazdo, powodując również jego zużycie (rys. 9). W efekcie zwiększony przepływ paliwa w strefie komory sterującej związany jest z rozkalibrowaniem otworków dławiących: dopływowego i odpływowego, wywołuje to niekorzystne zmiany w procesie hydraulicznego sterowania. Inne typowe i często występujące uszkodzenia to zużycie ścierne par precyzyjnych iglicy (rys. 10) i korpusu rozpylacza, a także erozyjne i kawitacyjne niszczenie otworków rozpylacza wywołane poprzez zasiarczenie i zanieczyszczenie paliw twardymi opiłkami metalu o wymiarach mniejszych niż 3 μm, jak również stosowania przez dłuższy okres, paliwa ze znacznym dodatkiem biokomponentów (np. biopaliwo B50). Zatarcie Rys. 10. Zatarta iglica wtryskiwacza CR samochodu ciężarowego firmy MAN [5] 119

8 Oprócz wyżej wymienionych uszkodzeń często dochodzi do podciekania paliwa z nakrętki rozpylacza, w wyniku porysowania powierzchni styku korpusu wtryskiwacza z rozpylaczem przez drobinki zanieczyszczeń w paliwie (rys. 11). Powoduje to wycieki paliwa do środowiska, które gromadzi się w gnieździe wtryskiwacza osadzonego w głowicy silnika [9]. Porysowania Rys. 11. Porysowana powierzchnia styku korpusu wtryskiwacza z rozpylaczem [9] We wtryskiwaczach firmy Delphi najczęściej powtarzające się uszkodzenia to również rozkalibrowanie kanalików dopływowych i odpływowych w komorze sterującej, rozkalibrowanie otworków rozpylacza a także zużycie ścierne w obrębie pary precyzyjnej iglicy z korpusem rozpylacza, oraz zużycie zmęczeniowe stożkowej końcówki iglicy i współpracującego z nią gniazda [1,7]. Wymienione usterki objawiają się nierównomiernym wtryskiem paliwa do cylindra oraz niewłaściwym procesem rozpylania i spalania paliwa. Innym defektem w tych wtryskiwaczach jest uszkodzenie krawędzi uszczelniającej zaworu sterującego z korpusem, które najczęściej wywołane jest erozyjnym oddziaływaniem drobinek startego metalu zawartych w paliwie. Doprowadza to do utraty szczelności wtryskiwacza i problemów z hydraulicznym sterowaniem przy odmierzaniu i podziale określonych dawek paliwa, co oczywiście skutkuje nierównomierna pracą silnika i doprowadzić może w konsekwencji do jego unieruchomienia Inne elementy aparatury Common Rail Spośród innych elementów układu CR najczęściej ulegają uszkodzeniu zawory i czujniki, w których dominują usterki elektryczne jak np. uszkodzenia cewek elektromagnesów. Jednym z najbardziej odpowiedzialnych zaworów jest zawór regulacji wysokiego ciśnienia, osadzony w zasobniku, w którym od szczelności połączenia kulki z 120

9 gniazdem zależy stan jego sprawności. W sytuacji, gdy przez zawór ten przepływa paliwo zawierające cząstki metalu wówczas mamy do czynienia z procesem intensywnej erozji doprowadzającej w konsekwencji do utraty szczelności tego zaworu [6]. Usterka ta powoduje postępujące zakłócenia w pracy silnika, doprowadzając ostatecznie do zatrzymania jego pracy. Elementem zabezpieczającym zawór przed tym szkodliwym zjawiskiem jest filtr siatkowy, na którym gromadzą się liczne zanieczyszczenia (rys.12 ). Zanieczyszczenia Rys.12. Zanieczyszczenia osadzone na filtrze siatkowym zaworu regulacji ciśnienia[6] 3. Podsumowanie Jak wynika z przedstawionych przykładów oraz wieloletniej praktyki warsztatowej (Bosch-Service) najbardziej podatne na przedwczesne zużywanie elementy układu CR to pary precyzyjne: tłoczki i cylinderki w pompach wysokiego ciśnienia oraz iglice i korpusy rozpylacza. Następują tam najczęściej zużycia ścierne powodowane nieodpowiednią jakością stosowanego paliwa. Biorąc pod uwagę fakt, iż paliwo jest również czynnikiem smarującym układ CR, możemy się spodziewać usterek w pracy silnika wywołanych narastającymi nieszczelnościami poszczególnych zespołów tego układu. W systemach wtryskowych dość często dochodzi także do procesu erozji kawitacyjnej, który jest zależny od cech konstrukcyjnych i przepływowych układu oraz właściwości oleju napędowego. Zawarta w nim nieodseparowana woda powoduje korozję elementów metalowych, która z kolei wywołuje nieprawidłowe działanie układu wtryskowego, w tym zatarcia par precyzyjnych. Tak więc chcąc uniknąć problemów związanych z eksploatacją silnika ZS wyposażonego w system wtrysku bezpośredniego typu Common Rail należy bezwzględnie przestrzegać zasad: okresowej wymiany filtrów paliwa oraz zaopatrywać się w paliwo najwyższej jakości, najlepiej na stacjach koncernów paliwowych z uznaną na rynku renomą, będących gwarantem nienagannej jakości oferowanych produktów. Literatura: [1] Osipowicz T., Stoeck T.: Regeneracja współczesnych wtryskiwaczy paliwowych silników o zapłonie samoczynnym. Autobusy Nr 10/2012 r. [2] Materiały szkoleniowe firmy Bosch: W-wa 2013 r. [3] Merkisz J.: Ekologiczne problemy silników spalinowych. t.ii, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1999 r. [4] Wajand J.A., Wajand J.T.: Tłokowe silniki spalinowe średnio i szybkoobrotowe. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, W-wa 2005 r 121

10 [5] Materiały szkoleniowe firmy Bosch Diesel Service Hoffman Rzeszów 2014 r. [6] Borowczyk T.: Analiza procesów zużywania i uszkodzeń aparatury wtryskowej współczesnych silników spalinowych o zapłonie samoczynnym. Praca magisterska. Wydział MRiT Politechniki Poznańskiej, Poznań 2009 r. [7] Gładysek J., Gładysek M.: Ocena stanu wtryskiwaczy CR. Auto-Moto-Service, Kraków 9/2009 r. [8] marzec 2014r. [9] Kwaśniewski G.: Opracowanie technologii naprawy wtryskiwaczy firmy Bosch do silników o zapłonie samoczynnym. Praca magisterska, Wydział SIMR Politechnika Warszawska, W-wa 2013 r. [10] Baczewski K., Kałdoński T.: Paliwa silników o zapłonie samoczynnym, WKŁ, W-wa 2008 r. Streszczenie W artykule dokonano analizy typowych uszkodzeń pojawiających się w pracy układu zasilania silników spalinowych z zapłonem samoczynnym z wtryskiem bezpośrednim typu Common Rail. Przedstawiono usterki i uszkodzenia występujące w pracy pomp wysokiego ciśnienia i wtryskiwaczy elektromagnetycznych. Awarie te są najczęściej wynikiem długotrwałej pracy w warunkach eksploatacyjnych i mają charakter zużycia przyśpieszonego, spowodowanego czynnikami zewnętrznymi np. zatankowaniem paliwa niezapewniającego właściwych warunków smarowania itp. Słowa kluczowe: zużycie, uszkodzenie, pompa wysokiego ciśnienia, wtryskiwacze elektromagnetyczne. MALFUNCTIONS OF THE COMMON RAIL FUEL SYSTEMS ON COMPRESSION-IGNITION ENGINES Abstract The article reviews and analyzes typical defects appearing by the work of the fuel supply system of internal combustion engines with compression ignition and direct injection of the type: Common Rail. There are presented defects and damages occurring by the work on the high pressure pumps and electromagnetic injectors. In most of cases these failures are the result of a long-term work under adverse operating conditions or have nature of the accelerated wear caused by external factors such as refueling of fuel that does not meet the relevant conditions of lubrication, etc. Keywords: use, damage, high pressure pump, electromagnetic injectors. 122